Zero SR/F+S: Theoretische und gemessene Überlegungen zur Batterie

[ms_smart]

Zunächst schon mal vorab Entschuldigung für den langen Beitrag und die vielen Zahlen und Rechnungen. Ihr könnt aber auch gerne direkt zur Zusammenfassung am Ende gehen

Ich habe meine Zero SR/S jetzt über 5000 km gefahren und wundere mich schon eine Weile über die in dem Handbuch gemachten Angaben zur Batteriekapazität (max Capacity: 14,4 KWh, Nominal Capacity: 12,6 KWh).

Ich hatte ursprünglich angenommen, dass Nominal Capacity die „Usable Capacity“ ist, also die Strommenge, die ich von SOC 100% bis 0% der Batterie entnehmen kann. Dies erschien mir jedoch nicht plausibel. Bei vielen meiner Ladevorgänge weiss ich exakt wieviel Strom ich geladen habe (Abrechnung Maingau sowie Daten aus meiner Wallbox). Ausserdem weiss ich Start und End SOC. Daraus lässt sich eine theoretische nutzbare Kapazität berechnen. Hier einige Beispiele:

Dauer (Min) kW kWh Geladen von Geladen bis Theoretische Kapazität
00:36:00 9,2 6,4 21% 76% 11,64 kWh
01:04:00 11,5 8,79 31% 100% 12,74 kWh
00:32:00 9,2 5,22 50% 93% 12,14 kWh
00:28:39 11,5 5,7 48% 96% 11,88 kWh
00:26:00 11,5 5,07 36% 80% 11,52 kWh
02:41:50 2,3 5,78 10% 60% 11,56 kWh

Die Abweichungen lassen sich möglicherweise durch fehlende Kalibrierung des BMS erklären. Die so berechnete Kapazität variiert zwischen 11,5 und 12,7 KWh, beinhaltet aber noch die Ladeverluste da die Strommenge ja an der Wallbox bzw Steckdose gemessen wurde. Die „Usable Capacity“ ist also eher im Bereich von 11 KWh.

Ich habe mich gefragt ob man das nicht genau ermitteln kann und ob man auf diesem Wege nicht auch die Degradation (State of Health – SOH) ermitteln kann.
Hierzu zunächst ein wenig Hintergrund (Quelle: https://zeromanual.com/wiki/FST_Platfor ... ice_Manual)

Die Batterie besteht aus 4 Modulen (Bricks) die parallel geschaltet sind. Jedes Modul ist Quarderförmig und so angeordnet: https://zeromanual.com/wiki/Battery/Monolith

Jedes Modul besteht aus 28 Zellen zu je 32 AH (https://zeromanual.com/wiki/Battery/Cells) die in Reihe geschaltet sind. Die Spannung ist angegeben mit
Minimum: 2V, Nominal: 3,65V, Maximum: 4,15-4,20V. Es handelt sich um Pouch Zellen von Farasis. Damit meine folgende Berechnungen stimmen muss die Kapazität allerdings 31AH betragen. Ansonsten stimmen die Daten nicht. Entweder ist das Unoffical Zero Manual hier falsch oder Zero arbeitet mit 1AH Marge.

Hinweis: Unter viewtopic.php?f=124&t=40450 hat cn3boj00 erwähnt, dass Zero auch 31AH Zellen verbaut hat.

Noch ein wenig Hintergrund zur Berechnung von der Batterie Kapazität in Wh: Dies ist ja das Produkt aus der Kapazität in AH sowie der Spannung. Da die Spannung nicht Konstant ist (2V-4,15V) müsste man wohl ein Integral über den Spannungsverlauf berechnen. Der Einfachheit halber orientiert man sich aber an der Nominal Spannung.

Zitat https://zeromanual.com/wiki/Battery/Capacity:
However, based on industry convention, Zero calculates battery energy (the kWh) by taking the maximum voltage the battery has at 100% capacity times the capacity in Ah, instead of nominal voltage.

Wenn wir die Maximum Voltage mit 4,15 annehmen hat jedes Modul (x28) also eine maximale Spannung von 116,2V. Bei 4,2V wären es 117,6V. Als weiteren Datenpunt habe ich jetzt über den OBD2 Stecker die MBB Console ausgelesen:
- max_charge_voltage 117.6 V
- target_charge_voltage 116.2 V

Das passt also. Zero rechnet hier mit 4,15V als Maximum Voltage. Bei einer Kapazität von 31AH ergibt sich also (116,2V * 31AH * 4 Module) eine maximale Kapazität von 14,4 KWh. Dies ist wie oben geschrieben ein theoretischer Wert da wir eigentlich die nominal Voltage nehmen müssen. 3,65V * 28 Zellen = 102,2V pro Modul. Bei 31AH und 4 Modulen sind dies 12,67 KWh Kapazität basierend auf der Nominal Voltage. Damit ist für mich klar: Die im Datenblatt angegebene „Nominal Capacity“ von 12,6 KWh ist nicht die nutzbare Kapazität sondern die Kapazität der Batterie wenn man sie wirklich von komplett voll bis tiefentladen nutzen würde. Damit ist auch klar, dass die „usable capacity“ kleiner seien muss, weil das BMS sowohl oben als auch unten einen Puffer lässt.

Hier ist wieder die MBB Console hilfreich:
- pack_capacity_ah 109

Die usable Capacity ist also: 102,2V (nominal Voltage eines Moduls) * 109 Ah = 11,14 KWh.

Der Wert von pack_capacity_ah nimmt wohl mit der Zeit ab. Dieser Wert ist bei mir mittlerweile 108. Der Wert von 109 war bei km 1000. In den Foren sind Werte zwischen 106 und 112 gelistet. Ich vermute, dass sich also aus pack_capacity_ah die Degradation errechnen lässt. Offen ist natürlich was 100% ist. Wenn wir den höchsten gemessenen Wert aus den Foren nehmen wäre 100% 102,2V * 112 Ah = 11,44 KWh. In meinem Falle (pack_capacity_ah = 108) ergibt sich dann noch eine Restkapazität von 96,4%.

Zusammenfassung:
Die Angabe von 14.4 KWh für den Akku ist reines Marketing. Unter keinen Umständen kann man diese Energie aus dem Akku ziehen. Dies liegt daran, dass die maximale Spannung einer Zelle nur bei hohem Ladestand anliegt und über die Zeit geringer wird. Max voltage x Capacity ist deshalb ein rein theoretischer Wert. Die Angabe von 12,6 KWh Nominal Capacity (Handbuch) ist die tatsächliche maximale Energie. Allerdings ist diese nicht nutzbar, da das BMS hier oben und unten einen Puffer lässt. Nach meiner Berechnung ist die nutzbare Energie des 14.4 KWh Akkus ca. 11,44 KWh. In meinem Falle verbleiben hiervon 11,03 KWh.

Anhang:
1. Es gab schon mal einen Thread zu einem ähnlichen Thema: viewtopic.php?f=124&t=40450

2. Über die MBB Console lassen sich Daten über die OBD2 Schnittstelle im „Tank“ auslesen. Hierzu braucht man ein USB auf UART Konverter-Kabel und einen seriellen Monitor (z.B. CoolTerm unter Windows). Siehe auch https://zeromanual.com/wiki/Gen3/MBB_Console für Kommandos und mögliche Ergebnisse. Hier die Daten von meinem Motorrad (bms interface):

ZERO MBB> bms interface
BMS 2 interface data:

- status 0x80000036
- status2 0x0000
- pack_current_ma 1228
- time since status_rpdo_received 81

- max_charge_voltage 117.6 V
- target_charge_voltage 116.2 V
- pack_soc_pct 62
- discharge_allowed 50
- max_charge_current 76
- max_discharge_current 652
- time since power_rpdo_received 101

- pack_capacity_ah 108
- min_pack_temp_c 11
- max_pack_temp_c 12
- lowest_cell_voltage_mv 3737
- time since pack_rpdo_received 104

- pack_open_circuit_voltage_mv 104761
- pack_voltage_mv 104733
- time since voltage_rpdo_received 2
- Contactor recently closed 0

- bms_compatibility_field 0x03

[otten.l]

Alles korrekt beschrieben und eigentlich auch alles nicht neu Zeros Marketing ist da in der Tat etwas optimistisch unterwegs. Die Angabe 14.4 kWh ist tatsächlich einfach nur falsch und nicht sinnvoll zu begründen.

Die Nominal-Spannung entspricht quasi dem Spannungswert eines Rechtecks mit identischer Fläche eines mithilfe des Spannungsverlaufes gebildeten Integrals, insofern ist diese für Berechnungen absolut tauglich und legitim.

Die pack_capacity_ah kann in der Tat ein Anhaltspunkt für die Degradation sein und taugt auch für die Durchsetzung eines Garantieanspruchs. Ansonsten ist das regelmäßige Mitloggen der geladenen Energiemenge ebenfalls eine probate Methode. Idealerweise allerdings mit immer gleichen Bedingungen, d.h. Start der Ladung bei einer Spannung x (z.B. 98V) bis 100%.

[Christian J]

Sehr guter Beitrag. Danke dafür - und ich finde es wichtig, dass der auch so "lang" und ausführlich ausgefallen ist!

Damit man das besser einordnen kann müsste man auch mal die usable capacity von HD & Energica herausfinden.

Das Marketing ist bei allen Herstellern (leider) gleich: Vorn auf dem Prospekt (bzw. der Webseite) steht immer die unrealistische max. Kapazität. Deswegen ist es auch so wichtig die Maschinen selbst zu testen - allein schon weil die Reichweite auch mit der Verkleidung/Form/Sitzposition stark variiert.

Ich bin ja schon froh wenn ein Hersteller überhaupt die nom. Kapazität angibt, weil die offensichtlich sehr viel näher an der verwendbaren Kapazität liegt.

[otten.l]

Damit man das besser einordnen kann müsste man auch mal die usable capacity von HD & Energica herausfinden.

Energica gibt 21,5 kWh max. und 18,9 kWh nominal für den neuen Akku an. Ich werde meinen Bruder mal bitten einige Werte aus der Praxis zu sammeln um die Plausibilität der Angaben zu prüfen.

[Michael4Strom]

Hi, was ich nicht ganz verstehe ist, dass Du von der geladenen Energie von Maingau die Kapazität des Akkus hochrechnest. Das ist sehr ungenau. Zähler können bis zu +- 2% Fehler haben, das Ladegerät 5 bis 7% Verluste dann noch kommt die Wärmeentwicklung der Batterie und der Kabel mit einigen % dazu. Da kommt schon in Summe, sagen wir so bis 10% oder auch 20% Verluste zusammen ( geschätzt im dümmsten Fall) . Von dem her ist das alles schon sehr ungenau zur Bestimmung der effektiven Akkuenergie.

Grüße Michael

[ms_smart]

Hallo Michael, du hast völlig recht. Das ist sehr ungenau. Aber wenn ich eine Maingau Abrechnung über 12 KWh bekomme für eine Ladung von 0% auf 100% (hochgerechnet) und davon wie du ja richtig schreibst noch die Ladeverluste (Wäremverluste in der Batterie und im Netzteil) abziehen muß, kann ja die real nutzbare Energie der Batterie unmöglich 12,6 KWh betragen. Das war der Grund weshalb ich hier etwas genauer nachgerechnet habe. Die von mir berechneten 11,03 KWh nutzbare Energie bezieht sich nicht auf die Angaben von Maingau sondern auf den theoretischen Berechnungen sowie dem aus dem BMS ausgelesenen Wert von 108 pack_capacity_ah. ich habe das offensichtlich sehr schlecht erklärt....

[Michael4Strom]

Es ist wirklich seltsam. Letzens hat der Bordcomputer meines Leaf 16.3 kwh/100km angegeben. Nachgeladen habe ich 24,53kwh/100km laut Innogyabrechnung. Das wäre ein Wirkungsgrad von 66%. Ich glaube, die rechnen keinerlei Nebenaggregate wie Heizung und Verluste bejm Laden bei Nissan.

Hat jetzt aber mit dem Zeroakku nichts zu tun.