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E-Auto-Daten zeigen, wie ungleiche Zellalterung die Akkulebensdauer verkürzt
Ein Batteriepaket altert nicht überall gleich. Eine Analyse realer Fahrzeugdaten zeigt, dass wenige besonders schnell alternde Zellen die nutzbare Lebensdauer ganzer Akkupacks um rund 18 bis 23 Prozent verkürzen können. Bei der Ausmusterung bleiben dadurch in den untersuchten Pkw etwa 19 Prozent und in den Bussen rund 27 Prozent der potenziell nutzbaren Energieressourcen ungenutzt.
Dalian (China). Elektrofahrzeuge speichern ihre Energie in Paketen aus vielen einzelnen Lithium-Ionen-Zellen, deren kleine Unterschiede bei Kapazität und Innenwiderstand sich im Betrieb verstärken können. Weil die Zellen unterschiedlich schnell altern, bestimmen in einer Reihenschaltung schließlich die schwächsten Exemplare die Grenzen des gesamten Pakets.
Erreicht eine Zelle beim Laden zuerst ihre obere Spannungsgrenze oder beim Betrieb früher eine Leistungsgrenze, kann das Batteriepaket nicht mehr die Reserven aller übrigen Zellen ausschöpfen. Bisher war aber kaum mit großen Flottendaten quantifiziert, wie stark dieser Effekt die Lebensdauer und Ressourcennutzung real eingesetzter Fahrzeugbatterien beeinflusst.
Forscher des Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) um Prof. Zhongwei Chen haben nun Betriebsdaten von 116 elektrischen Pkw und 17 Elektrobussen ausgewertet. Die Aufzeichnungen umfassen mehr als drei Jahre und reichen bei einzelnen Fahrzeugen bis zu 300.000 Kilometer Fahrleistung, wobei die Pkw Nickel-Mangan-Kobalt-Akkus und die Busse Lithium-Eisenphosphat-Akkus nutzten.
Aus Spannungs-, Strom-, Temperatur- und Ladezustandsdaten schätzte das Team die Kapazität und den Innenwiderstand einzelner Zellen. Modelle und neuronale Netze halfen dabei, Einflüsse verschiedener Temperaturen, Ströme und Ladezustände auf gemeinsame Referenzbedingungen umzurechnen. Daraus leiteten die Forscher sechs Kennwerte für Zellalterung, nutzbaren Ladezustand, Leistung, Lebensdauer und Energienutzung ab.
Die Unterschiede zwischen den Zellen hatten in beiden Flotten deutliche Folgen, denn bezogen auf den durchschnittlichen Zustand der einzelnen Zellen sank der nutzbare Gesundheitszustand des gesamten Batteriepakets bei den Pkw um 6,2 Prozent und bei den Bussen um 7,5 Prozent. Die berechnete Paketlebensdauer lag 17,7 beziehungsweise 22,8 Prozent unter der durchschnittlichen Lebensdauer der enthaltenen Zellen.
Auch die Leistungsfähigkeit litt unter den unterschiedlichen Innenwiderständen und fiel bei den Pkw im Mittel um 12,9 Prozent sowie bei den Bussen um 15,1 Prozent niedriger aus als bei einem ideal gleichmäßigen Paket. Über die gesamte Nutzungsdauer konnten die Pkw-Pakete dadurch nur 80,7 Prozent und die Bus-Pakete 72,9 Prozent ihrer potenziellen Energieressourcen ausschöpfen.
Diese Werte bedeuten nicht, dass auf jeder Fahrt 19 oder 27 Prozent der gespeicherten Energie verloren gehen. Vielmehr erreichen einzelne schwächere Zellen die festgelegte Ausmusterungsgrenze, während andere noch Reserven besitzen und länger nutzbar wären, sodass das gesamte Paket vorzeitig begrenzt wird.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Leistung und Lebensdauer eines Elektroauto-Batteriepakets nicht allein vom durchschnittlichen Alterungszustand seiner Zellen bestimmt werden, sondern stark durch eine kleine Zahl schneller alternder Zellen begrenzt werden können. Indem wir diesen Effekt der schwächsten Zelle unter realen Betriebsbedingungen quantifizieren, liefert unsere Studie eine Grundlage, um die Batterienutzung, das Lebensdauermanagement und die Optimierung auf Systemebene zu verbessern“, erklärt Prof. Zhongwei Chen.
Ein ungleicher Ladezustand der Zellen verringerte die nutzbare Ladekapazität in den untersuchten Systemen meist um weniger als zwei Prozent, während der langfristige Effekt unterschiedlicher Alterungsraten größer ausfiel. Bei vielen Pkw blieb die Streuung des Zellzustands zunächst gering, nahm aber jenseits von ungefähr 170.000 Kilometern deutlich zu, wobei Zeitpunkt und Stärke dieses Anstiegs von Fahrzeug zu Fahrzeug variierten.