12.03.2022 - 10:40

Elektroauto-Batterie im Winter: Heizung, bitte!

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Die meisten Elektroauto-Fahrer bemerken es jeden Winter: An der Schnellladesäule sinkt die Leistung mit den Temperaturen. Christoph M. Schwarzer hat mit den Experten von P3 im Detail zusammengetragen, was die Kälteempfindlichkeit von Batteriezellen bedeutet.

* * *

Die Autoindustrie hat ein Versprechen gemacht: Batterie-elektrische Autos, abgekürzt BEV für Battery Electric Vehicle, sollen schneller und schneller laden können. Je besser das funktioniert, desto unwichtiger könnte die tatsächliche Reichweite sein. So hatte uns der Hyundai Ioniq 5 nach der Vorstellung euphorisiert: Auf Basis der 800 Volt-Plattform E-GMP gab Hyundai eine Zeitspanne von 18 Minuten an, um die Batterie von einem SOC (State of Charge) von 10 auf 80 Prozent zu füllen. In der Spitze sollte eine Ladeleistung von über 200 Kilowatt möglich sein. Im Praxistest Ende Oktober dagegen war teilweise nur ein Viertel der idealen Ladekurve abrufbar. Diagnose: Kälteproblem. Und der Hyundai ist keineswegs allein mit diesem Symptom. Vielmehr ist dieses Verhalten bei fast allen BEV in unterschiedlicher Ausprägung nachvollziehbar.

Wir haben uns bei electrive.net auf die Suche gemacht und sind bei den Batterieprofis von P3 Automotive fündig geworden.

P3 hat sich insbesondere das Verhalten und die Leistungsdaten der Batteriezellen angesehen um das Kälteverhalten zu untersuchen. Kaum jemand kennt die Chemie so gut. Wir wollten die Frage klären: Was passiert eigentlich bei niedrigen Temperaturen mit Batteriezellen? Welche Auswirkungen hat das Laden? Und welche Schlussfolgerungen sind daraus zu ziehen – was muss durch die oben genannten Komponenten korrigiert und ausgeglichen werden, wenn die Zellen schlechte Leistungsdaten bei Kälte zeigen?

Vorheizen auf 20-30 Grad ist „essentiell“

Die Quintessenz: Laut dem Papier von P3 ist es „essentiell“, dass Batteriesysteme vor dem Schnellladen bei kalten Temperaturen automatisch vorgeheizt werden. Die optimale Starttemperatur liege zwischen 20 und 30 Grad Celsius, so P3. Sobald ein Ladevorgang gestartet wird, erwärmt sich eine Batteriezelle. Wenn diese sehr kalt ist, zum Beispiel bei null Grad Celsius, hat sie einen sehr hohen Innenwiderstand, und ein Großteil der Ladeleistung entweicht in Wärme, die erforderlich ist, um die Zelle auf Ladetemperatur zu bringen.

Die maximale Ladeleistung ist bei Elektrofahrzeugen von dem perfekten Zusammenspiel aller Komponenten des Batteriesystems abhängig: Den Batteriezellen und deren chemische Zusammensetzung, dem Temperierungssystem zur Kühlung und Heizung der Batteriezellen, dem Batteriegehäuse zur Isolierung gegen Wärme und Kälte, dem Batteriemanagementsystem als zentrales Steuergerät für die Leistungskontrolle beim Laden und Entladen sowie der Fahrzeugschnittstelle zur Optimierung der Betriebsstrategie für Rekuperation, Vorkonditionierung und weitere Funktionen.

Wenn es zu kalt ist, wird die initiale Ladeleistung gehemmt – ein Rückstand, der im Verlauf nicht mehr aufgeholt werden kann. Umgekehrt gilt, dass die Batterie sich erwärmt, wenn sie elektrische Energie aufnimmt – so müssen Batterien auch an heißen Tagen durch das Temperierungssystem im Fahrzeug aktiv gekühlt werden, denn bei über 45 Grad Celsius altert eine Batterie schneller.

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In beiden Fällen gilt, außerhalb des idealen Temperaturfensters (20-30 Grad) wird die Ladeleistung reduziert, um das Batteriesystem vor Alterung und Abnutzung zu schonen, was in der Fachsprache als Derating bezeichnet wird.

Ein wirksames Thermomanagement und die Vorkonditionierung des Batteriesystems bei niedrigen Temperaturen ist die Voraussetzung für eine ideale Performance an der Schnell-Ladesäule und in der Folge für das Wohlgefühl der Nutzer.

Vorkonditionieren ist für Haltbarkeit sehr wichtig

Mindestens genauso wichtig, und das ist das zweite elementare Ergebnis der Recherche bei P3, ist das Preheating für die zyklische Dauerhaltbarkeit der Batterie: Eine nicht temperierte Zelle altert bei den Lade- und Entladezyklen bei unter fünf Grad Celsius vier Mal (!) so schnell wie eine, die bei großer Hitze geladen und entladen wird. Das ist die Folge des so genannten Lithium-Platings, also der Abscheidung von metallischem Lithium an der negativen Elektrode. Die Lithium-Ionen stehen durch das Plating nicht mehr für den Ladungs- und Entladungstransport zur Verfügung, was nach Aussage von P3 zu einer „Verringerung der Kapazität um 50 Prozent oder höher und einer exponentiellen Verkürzung der Lebensdauer“ führen kann. Außerdem können sich bei zunehmendem Lithium-Plating so genannte Dendriten bilden, wodurch die Gefahr eines Kurschlusses mit Feuerrisiko steigt.

Die gute Batterie pflegt sich selbst. Das ist keine neue Erkenntnis. Es zeigt sich aber zunehmend deutlicher, wie wichtig bei extremen Temperaturen die Verbindung aus perfektem Routenplaner mit automatischer Vorkonditionierung und schonendem Batteriemanagement einerseits – also der Software – und der notwendigen Hardware im System andererseits ist.

Hierfür sollen mehrere konkrete Beispiele genannt werden: Das ursprüngliche Vorbild für den Routenplaner mit Vorkonditionierung war Tesla. Inzwischen haben Hersteller wie BMW, Mercedes oder Porsche gleichgezogen, und auch Hyundai hat eine Überarbeitung des Ioniq 5 angekündigt. Toyota wiederum meldet, dass das SUV bZ4X (sprich Englisch: bee zee for cross) serienmäßig eine Wärmepumpe  haben wird, um den „Hochvoltakku auf Temperatur zu bringen“ – und nicht etwa in erster Linie, um den Stromverbrauch beim Heizen des Innenraums zu senken. Wahrscheinlich weiß man in Japan aus der Erfahrung mit den Hybridautos besser als man nach außen zugeben will, wie man Batteriesysteme verlässlich steuert.

Leider liegt auf der Hand, dass aufwendige Soft- und Hardware Geld kosten, und das ist in den preisgünstigeren Fahrzeugsegmenten knapper. Also genau dort, wo die Kosten der Batterie ohnehin besonders wehtun und wo es aus eben diesen Kostengründen nicht möglich ist, auf die Nettokapazität einen großzügigen Brutto-Puffer obendrauf zu bauen. Es ist zu befürchten, dass Praxistauglichkeit und Dauerhaltbarkeit in diesen Klassen leiden.

Zurück zum Papier von P3 und den grundsätzlichen wissenschaftlichen Inhalten:

  • Der Innenwiderstand der Zellen nimmt bei Kälte zu. Die Beweglichkeit der Lithium-Ionen nimmt ab, und die Leistung, die abgegeben werden kann, sinkt. Die bei Kälte zunehmende Viskosität – also Zähigkeit – des Elektrolyts verstärkt diesen Effekt.
  • Bei Kälte nimmt die Speicherkapazität um 30 Prozent und mehr ab. Der Ladungstransport verringert sich bei niedrigen Temperaturen – auch als Folge der Eigenschaften des Elektrolyts. Besonders betroffen sind LFP-Zellen bei extremer Kälte.
  • Das Lithium-Plating ist, siehe oben, desaströs für die zyklische Haltbarkeit von Zellen. Das (schnelle) Laden bei Kälte sollte vermieden werden. Elektroautos, die ständig bewegt werden wie Taxis, haben folglich eine höhere Lebenserwartung als jene, die durch Falschgebrauch malträtiert werden. Es ist Aufgabe der Hersteller, die Ladeleistung bei Kälte zusätzlich zu limitieren.
  • LFP-Zellen laden langsamer als NCM- oder NCA-Zellen. NCA-Zellen konnten bei einer Stichprobe 31 Minuten schneller auf 90 Prozent laden als jene mit LFP an der positiven Elektrode. Die Ursache dafür ist aber nicht das Kathodenmaterial selbst. P3 nennt vielmehr die ein- statt zweidimensionale Struktur sowie die Schichtdicke an den Elektroden der LFP-Zellen als Grund und stellt prinzipiell fest, dass bei allen Zellchemien die Eigenschaften des Elektrolyts sowie der negativen Elektrode (Anode) entscheidend für das Kälteverhalten sind und nicht das Kathodenmaterial.

Fazit: Um die Elektroauto-Fahrer:innen nicht zu verärgern, muss die Industrie auch in das preisgünstigste BEV einen Routenplaner mit automatischer Vorkonditionierung des Batteriesystems einbauen. Nur so lassen sich längere Strecken komfortabel und Batterie-schonend bei kalten Temperaturen bewältigen. Das bedeutet in der Konsequenz mehr als nur Software, denn bei etlichen niedrigpreisigen BEV sind aktive Heizung und Kühlung noch nicht selbstverständlich eingebaut. Diese Hardware ist zugleich die Voraussetzung, um eine gute Dauerhaltbarkeit der Batteriezellen zu gewährleisten. Passiert das alles in Kombination nicht, wäre der Ruf der Elektromobilität an sich beschädigt.
p3-group.com (Paper)

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6 Kommentare zu “Elektroauto-Batterie im Winter: Heizung, bitte!

  1. Michael

    Keiner weiss besser als der Fahrer, wann er laden will. Eine Temperaturanzeige und die manuelle Aktivierung der Batterieheizung ist längst überfällig. Die Sucht nach Autonomie des Fahrzeugs sollte ihre Grenzen kennen.

    • patdej

      Genau, ich frage mich schon länger, wieso nicht ein Hersteller einfach einen „Schalter“ in die Software einbaut, wo man die Heizung 10-15 Minuten vor Ankunft einfach aktivieren kann. Beim ID.3 macht es einen großen Unterschied, ob die Batterie warm ist oder nicht. Habe nicht Lust, jedes Mal in die Navigation eine Ladesäule angeben zu müssen.

      • H. Henri

        Da ist was dran.
        Ich fahre bisher die meisten Strecken, auch Fernstrecken, ohne „Einschalten“ meines im Fahrzeug vorhandenen Navis. Ich kenne mich im deutschen Autobahnnetz und auch in dem mancher Nachbarländer hinreichend gut aus.
        Einziger Grund für Navi-Verwendung sind die Stau- und Umfahrungshinweise. Aber dort wurde ich ebenfalls schon so häufig in den nächsten Stau gelockt, also vom Regen in die Traufe, dass ich auf jene Navi-Hinweise liebend gerne verzichte 😉
        Junge Generation, unsere erwachsenen Kids, verwendet Navi vor allem in Ermangelung guter Kenntnisse übers Bundesautobahnnetz. Um von Frankfurt nach München auch wirklich in München anzukommen und nicht z. B. in Füssen ;(

    • Manfred Stummer

      Prima Idee!
      Bleibt zu hoffen dass die angefahrene Ladesäule dann auch verfügbar ist.

      • Hans

        Die Kommentare zeigen, wie wichtig eine selbstbestimmte Vorkonditionierung ohne Navi wäre. Aufgabe für Hersteller. Fahre id3 mit Wärmepumpe. Mir ist nicht bekannt, ob die Pumpe ausser zur Vorwärmung u. Reichweitenverlängerung über spezielle Fähigkeiten zur Vorkonditionierung verfügt. Frage?

    • Simon Saag

      So sehr ich als überzeugter und sehr interessierter E-Fahrer mir eine solche Option auch wünschen würde, glaube ich nicht, dass das der Weg für die breite Masse ist. Wenn Elektroautos das neue Normal werden sollen, darf sich der vollkommen unbedarfte Fahrer keine Gedanken um so etwas machen dürften. Und wenn ich mir eine oft besuchte Ladestatione als Favorit ins Naci lege, habe ich eine Art Schalter für das System. Nur eben, dass das Auto vorgibt, wann wirklizgeheizt werden muss.

      Dass es bei den aktuellen Lösungen noch Verbesserungsbedarf gibt, steht außer Frage. Teilwiese wird sicher umsonst geheizt. Ich denke aber, dass es mit Blick auf den Massenmarkt eher über eine Weiterentwicklung der Intelligenz geht als über manuelle Funktionen.

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12.03.2022 10:10