Interessante Daten zur Batteriekalibrierung/-konditionierung

[TomTomZoe]

7.2 Reduzierung der Zyklusalterung
Die Alterung durch das Laden und Entladen der EV-Batterie ist wesentlich komplexer als die reine Kalenderalterung. Neben SoC und Temperatur haben Ladedurchsatz, Zyklustiefe und aktuelle Raten einen erheblichen Einfluss auf die Zyklusalterung.

Geringere Zyklusalterung bei höheren Temperaturen
Das Zyklisieren von Zellen bei unterschiedlichen Temperaturen mit einem Lastprofil für die Autobahnfahrt hat ergeben, dass die Kapazität zusätzlich zu dieser aufgrund der Kalenderalterung mit zunehmender Temperatur abnimmt. Dies ist im Gegensatz zur Kalenderalterung, bei der eine höhere Temperatur den Abbau im Allgemeinen beschleunigt. Daher sollte der Akku während des Zyklus warm gehalten werden, d.h. ein Akku muss während der Fahrt oder beim Laden nicht auf 25°C abgekühlt werden. Wenn das EV nach einer Fahrsequenz geparkt wird, sollte die Batterie wieder abkühlen, um die Kalenderalterung während der Ruhephasen zu minimieren. Da die Betriebszeiten im Vergleich zu den Ruhephasen eines typischen Personenkraftwagens eher kurz sind, hat eine höhere Batterietemperatur beim Laden oder Entladen keinen wesentlichen Einfluss auf die Kalenderalterung.

Angemessene Ladeströme verwenden
Hochenergetische Lithium-Ionen-Zellen sind aufgrund ihrer dicken Anoden mit geringer Porosität typischerweise anfälliger für Lithiumbeschichtungen. Hohe Ladeströme sind zu vermeiden, insbesondere bei niedrigen Temperaturen und hohen SoCs, die dem niedrigsten Anodenpotenzial entsprechen. Aber auch wenn nur geringe SoC höhere Ladeströme angelegt werden, führt dies in der Regel zu einer deutlich höheren Belastung der Batteriezellen. Das Laden mit hohen Strömen führt zu einem Abbau des anodenaktiven Materials und der Lithiumbeschichtung. Daher sollten Schnellladeprotokolle nur gelegentlich und nicht für das tägliche Laden verwendet werden, es sei denn, die Zelle ist explizit für hohe Ladeströme ausgelegt. Im letzteren Fall ist die erforderliche Elektroplanung jedoch in der Regel mit einer geringeren Energiedichte verbunden. Standard CCCV-Ladeprotokolle bieten in der Regel einen vernünftigen Kompromiss zwischen Ladedauer und Lebensdauer. Die Studie zu Ladeprotokollen hat gezeigt, dass unter einem bestimmten Stromwert niedrigere Ladeströme die Lebensdauer der Batterie nicht weiter verbessern.

Senkung der Zyklustiefe reduziert die Erhöhung des Widerstands
Die Widerstandserhöhung der in dieser Arbeit untersuchten Lithium-Ionen-Zellen ist weitgehend auf steigende Ladungsübertragungswiderstände der NCA-Kathode zurückzuführen. Insbesondere bei großen Zyklustiefen und Tiefentladungen haben sich die Widerstände deutlich erhöht. Bei einer Reduzierung der typischen Zyklustiefe auf 20-40% kann die Widerstandserhöhung einer EV-Batterie minimiert werden. Dadurch bleibt eine höhere Leistungsfähigkeit der Batterie auch für einen gealterten Akku erhalten, so dass ein häufiges Nachladen der Batterie vorteilhaft sein kann, da sie die durchschnittliche Zyklustiefe reduziert. Dadurch bleibt der durchschnittliche SoC jedoch auf einem höheren Niveau, was zu einer schnelleren Kalendererstellung führen kann. Die Kombination aus geringer Zyklustiefe und niedriger durchschnittlicher SoC führt zu einer langen Batterielebensdauer. Die Durchführung nur einer Teilladung ist jedoch nur dann möglich, wenn nicht der gesamte Fahrbereich des EV benötigt wird. Tiefentladung ist normalerweise für Elektroautos kein kritischer Punkt, da die Fahrer normalerweise nicht fahren, bis die Batterie vollständig entladen ist, sondern das Fahrzeug unter den meisten Betriebsbedingungen viel früher laden. Darüber hinaus programmieren die Fahrzeughersteller ihre Batteriemanagementsysteme in der Regel so, dass eine bestimmte Kapazitätsreserve verbleibt, die während des Fahrbetriebs nicht zugänglich ist, um eine Tiefentladung und eine Überladung der Batterie zu verhindern.

Maximale Ausnutzung der regenerativen Bremsung, was sich positiv auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt
Die umfangreichen Untersuchungen zu den Auswirkungen des regenerativen Bremsens auf die Alterung der Batterie haben gezeigt, dass das regenerative Bremsen immer einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie hatte. Infolgedessen sollten hohe Ladespitzenströme während der Bremszeiten toleriert werden, auch bei niedrigen Temperaturen von 10°C oder sogar 0°C, da sie die Batterie nicht schädigten, sondern die Gesamtzyklushöhe reduzierten. Die Verbesserung der Akkulaufzeit durch regeneratives Bremsen wurde insbesondere bei niedrigen Temperaturen und hohen SoCs beobachtet. Es wurde festgestellt, dass die kürzeren Ladesequenzen an der Ladestation dazu beigetragen haben, die Lithiumbeschichtung zu minimieren.

Optimierung der Kapazitätsauslastung
Die Alterungsstudie, die verschiedene Ladeprotokolle vergleicht, hat gezeigt, dass eine niedrigere Ladespannung den relativen Kapazitätsabfall auf Kosten einer niedrigeren absolut verfügbaren Kapazität reduziert, die die Reichweite des EV darstellt. Nach 1000 EFC bot die Zelle mit der im Datenblatt angegebenen maximalen Ladespannung noch einen höheren verbleibenden Fahrbereich als die Zellen mit einer niedrigeren Ladespannung, so dass es aus mathematischer Sicht keinen Vorteil hat, die Ladespannung zu reduzieren, wenn sie keinen höheren Fahrbereich für gealterte Batterien behält. Unter Berücksichtigung auch psychologischer und verhaltensökonomischer Effekte kann eine reduzierte Ladespannung jedoch ihre Vorteile haben. Nach dem Ausstattungseffekt besteht die Tendenz, dass Menschen, die ein Gut besitzen, es mehr schätzen als Menschen, die es nicht besitzen[268,269]. Übertragen auf einen Batterieabbau bedeutet dies, dass der Verlust eines Teils der zu Beginn der Fahrzeuglebensdauer besessenen Fahrstrecke von Anfang an als schwerwiegender empfunden werden kann als eine reduzierte Fahrstrecke. Eine so reduzierte Reichweite kann zu einer eingeschränkten Nutzung der verfügbaren Batteriekapazität durch eine niedrigere Ladespannung führen; dies stellt eine ungenutzte Driving Range dar, die der Kunde nie besessen hat. Dies zeigt, dass die Definition des Ladeprotokolls für ein EV nicht nur ein mathematisches Optimierungsproblem ist, sondern auch die psychologische Wahrnehmung der Kunden berücksichtigen muss.

[TomTomZoe]

7.3 Schätzungen zur Akkulaufzeit
Für EVs im Jahr 2020 fordern die USABC-Entwicklungsziele eine Lebensdauer von 1000 Zyklen und eine Batterielebensdauer von 15 Jahren. Für einen Batteriebetrieb bei 25°C können aufgrund der Ergebnisse aus den Alterungsstudien zum Kalenderalterungs- und Fahrbetrieb unterschiedliche Batterielebensdauerprognosen erstellt werden, außerdem wird der Einfluss von höheren und niedrigeren Temperaturen auf die Batterielaufzeit diskutiert.

Zyklus-Tiefe von 60% in Kombination mit der Lagerung bei mittlerer SoC
Gemäß den Ergebnissen der Alterungsstudie zum Fahrbetrieb bei einer Zyklustiefe von 61% CN bei 25°C wurden 1000EFC mit ca. 13% Kapazitätsverlust erreicht (siehe Abbildung 88a, S.127). Zusammen mit der ca. 10%igen Kapazitätsabnahme durch die Kalenderalterung nach 15 Jahren, wenn die Batterie während der Nichtbetriebszeiten auf mittleren SoCs gehalten wird (siehe Abbildung 44b, S.69), ergibt sich eine Gesamtkapazitätsabnahme von ca. 23%.

Zyklus-Tiefe von 40% in Kombination mit Lagerung bei hoher SoC
Wenn die Batterie mit kleineren Zyklen von nur bis zu 40%CN betrieben wird, aber in Ruhephasen auf hohem SoC gehalten wird, hat Abbildung 88a gezeigt, dass die Zyklusalterung um ca. 2 Prozentpunkte abnimmt, während die Kalenderalterung über 15 Jahre um ca. 5 Prozentpunkte zunimmt in Abbildung 44. So verkürzen die langen Zeiten bei hohem SoC die Akkulaufzeit um mehr als die kleineren Zyklen sie verlängern können. Dies zeigt, dass das ständige Aufladen auf eine hohe SoC nach jeder kurzen Fahrt nicht die Akkulaufzeit maximiert, obwohl es für eine niedrige Widerstandserhöhung von Vorteil ist.

Zyklus-Tiefe von 40% in Kombination mit einem Medium/Low SoC
Nur wenn eine reduzierte Zyklustiefe mit einem Betrieb überwiegend bei mittleren und niedrigen SoCs kombiniert wird, verbessert sich die Akkulaufzeit deutlich. Eine Zyklustiefe von ca. 40%CN bei mittleren und niedrigen SoCs führt zu einem Kapazitätsabfall von 10% durch den Zyklus, wie in Figur 88a dargestellt, plus ca. 10% des Kapazitätsabfalls durch Kalenderalterung, wie in Figur 44b dargestellt. Mit dieser Betriebsweise kann mit dem in dieser Arbeit untersuchten Zelltyp bereits eine Akkulaufzeit von 15 Jahren und 1000EFC erreicht werden, außerdem kann die Widerstandserhöhung gering gehalten werden.

Auswirkungen hoher Batterietemperaturen
Hohe Akkutemperaturen erhöhen die Alterung des Kalenders, indem sie parasitäre Nebenreaktionen beschleunigen. Daher sollte die Batterietemperatur während der langen Stillstandszeiten niedrig gehalten werden. Während des Ladens und Entladens reduziert ein warmer Akku die Zyklusalterung. Solange sich der Akku im Betrieb nur bei höheren Temperaturen befindet und sich für die Ruhephasen wieder abkühlt, sind keine Nachteile für die Lebensdauer des Akkus zu erwarten. Stattdessen verlängert sich die Lebensdauer der Batterie, indem sie die durch Zyklen verursachte Verschlechterung reduziert. Damit können die USABC-Entwicklungsziele auch ohne eine strikte Kühlung der EV-Batterie während des Betriebs erreicht werden.

Niedertemperaturbetrieb bleibt kritisch
Während die USABC-Entwicklungsziele für zukünftige EV-Batterien bereits heute bei Betriebstemperaturen von 25°C und darüber erreicht werden können, bleibt der Tieftemperaturbetrieb ein kritisches Thema. Der Betrieb bei Temperaturen von 10°C oder niedriger reduziert nicht nur die verfügbare Kapazität, sondern beschleunigt auch die Alterung beim Zyklus der Zellen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass nicht nur das Laden bei niedrigen Temperaturen, sondern auch das Entladen bei niedrigen Temperaturen zu einer starken Verschlechterung der Lithium-Ionen-Batterie eines EV führen kann. Obwohl die Kapazitätsbeiträge durch die Kalenderalterung beim Absenken der Batterietemperatur auf 10°C abnehmen, steigen die Beiträge aus dem Zyklusbetrieb deutlich stärker an. In Anbetracht der Zyklustiefen von 60% CN und 40% CN in Kombination mit einer hohen Ladespannung wurden nur 500EFC und weniger erreicht, bevor die Zelle aufgrund von internen Überdruckreaktionen, die durch Nebenreaktionen verursacht wurden, die gasförmige Reaktionsprodukte freisetzen. Nur bei geringer Zyklustiefe von ca. 20%CN oder einer mittleren Zyklustiefe von 40% CN bei niedrigem oder mittlerem SoC sind keine Ausfälle aufgetreten und mehr als 1000 EFC wurden erreicht.

Um die Akkulaufzeit zu verbessern, sollten die Lithium-Ionen-Batterien im Winter bei Minusgraden erwärmt werden. Darüber hinaus sollten hohe Entladeströme erst nach einer gewissen Erwärmung der Zellen aus der Batterie entnommen werden.

[TomTomZoe]

Ich habe mittlerweile einige Kapazitätswerte per OBD aus meinem Ampera-e dokumentiert. Ich nutze den üblicherweise verwendeten Wert !Battery Capacity (nutzbare Gesamtkapazität der Antriebsbatterie Variante 1).

Zusätzlich ist noch der heutige Wert vom Vorführwagen des Händlers dokumentiert, der wohl zu 99% nur beim Händler im Showroom geladen wird, und der macht das ausschließlich mit dem 230V ICCB, und vermutlich auch nur mit dem Standard 6A Ladestrom anstatt den optionalen 10A.

Unter der (nicht ganz korrekten) Annahme die Degradation verliefe linear, sieht das ganze dann so aus:

Degradation nach Alter (vereinfachte Annahme: Altern beginnt erst ab Erstzulassung)

Degradation nach Laufleistung

Mein Ladeprofil ist wie folgt:
- werktags einmal am Tag 8h mit 4.4kW laden
- in der kalten Jahreszeit werktags zusätzlich ein- bis zweimal die Woche an bis zu 50kW DC nachladen
- in der warmen Jahreszeit komme ich werktags ohne nachladen aus
- am Wochenende zuhause lade ich meistens nicht, selten mit 7,2kW Ladeleistung
- am Ausflugswochenende lade ich meistens mit bis zu 55kW Ladeleistung

Bis vor kurzem habe ich nicht die Bergabfahrreserve benutzt, die die Aufladung auf 90% SOC beschränkt.
Seit etwa 3 Wochen habe ich darum nun die Bergabfahrreserve aktiviert.

[mdm1266]

Ich habe mal kurz nachgerechnet.

Vorausgesetzt die Daten über die Batteriekapazität von Torque Pro stimmen, dann habe ich aktuell eine Kapazität von 58.2 kWh. Dies entspricht einer Abnahme der Batteriekapazität um 1.8 kWh oder 3% in genau 1.5 Jahren oder nach 43'000 km.

Sollte die Degradation linear verlaufen und ich behalte mein eher negatives Ladeverhalten bei, dann würde ich:

in 8.5 Jahren ab heute die Batteriekapazität von 80% (48 kWh) unterschreiten (insgesamt hätte dann die Degradation auf 80% 10 Jahre gedauert)

nach 243'667 km ab heute die Batteriekapazität von 80% (48 kWh) unterschreiten (insgesamt hätte ich dann bis zur Degradation auf 80% 286'667 km zurückgelegt)

Für mich passt dies.

[TomTomZoe]

Hast Du die Bergabfahrreserve aktiviert, und wenn ja seit wann? Was zeichnet Dein "eher negatives Ladeverhalten" aus?

[mdm1266]

Nein, ich hatte die Bergabfahrreserve bisher nicht aktiviert. Grund: da ich erhöht wohne, kann ich so die mechanischen Bremsen regelmässig nach dem Vollladen beim Hinunterfahren intensiv nutzen, damit diese nicht verschmutzen oder rosten.

Bis zu diesem Winter 2018/2019 habe ich oft erst wieder aufgeladen, wenn der Akku fast leer war (SoC kleiner 10% bis sogar 1%) und dann immer auf 100%. Also insgesamt weniger Ladevorgänge aber mit grossem Ladehub. Zuhause habe ich immer mit 10kW DC geladen, auf Ausflügen und in den Ferien immer 50kW DC und mehr.

Diesen Winter habe ich dann umgestellt und zuhause immer jede Nacht eingesteckt und per Timer auf Abfahrt 07:00 Uhr mit AC 2.3kW auf 100% geladen. Dies zwecks Batterietemperierung (plus Aufheizung des Innenraums per Fernsteuerung) auf die Abfahrtszeit zur Arbeit hin. Die wenigen Ladevorgänge unterwegs machte ich immer bei 50kW DC und mehr.

Wenn ich meine bisher berechneten Werte zur Batteriekapazität anschaue, dann hatte ich diesen Winter den grössten Rückgang zu verzeichnen.

[TomTomZoe]

Im Chevy Bolt Forum gibt es einen Bolt EV mit rund 165tkm der hat laut Torque Pro noch 56,7kWh!
8. Beitrag in diesem Thread

[mdm1266]

Die Frage ist auch, wie stark kann man dem Wert für die Batteriekapazität von Torque Pro trauen.

Aktuell wird bei mir von Torque Pro immer noch eine Batteriekapazität von 58.2 kWh angezeigt. Heute bin ich geschäftlich 345.7 km gefahren und habe 53.3 kWh Energie genutzt (Durchschnittsverbrauch 15.4 kWh/100km). Mein Ladegerät sowie auch die Torque Pro App zeigen mir einen Rest-SoC von 9% an.

Um die Batteriekapazität zu bestimmen mache ich folgende Rechnung: 53.3 : 91 x 100 = 58.6 kWh
Der Wert ist um 0.4 kWh höher als von der Torque Pro App.

Hier der Energieverbrauch von heute:

Hier der Rest-SoC gemäss Anzeige auf meinem Ladegerät:

[Asteroid]

Hast du ein SW-Update auf deinem Ladegerät eingespielt?
Offiziell, gemäss Datenblatt, liefert der Setec Power Max. 20 A

Beim Ladestart schießt das Gerät ein bisschen über. Ist bei mir auch so. Nach wenigen Sekunden pendelt es sich dann auf maximal 20A ein.