E-Auto-Akkus verlieren 17,7 Prozent Lebensdauer – wenige schwache Zellen sind der Grund
Wenige schwache Zellen verkürzten die errechnete Lebensdauer von E-Auto-Akkus im Mittel um 17,7 Prozent.
Schon wenige schwache Zellen können die Lebensdauer eines E-Auto-Akkus deutlich verkürzen. Entscheidend ist dabei nicht der Durchschnitt, sondern oft die am stärksten gealterte Zelle im Batteriepack. © Pexels
Ein E-Auto-Akku ist nur so stark wie seine schwächsten Zellen. Während der Großteil eines Batteriepacks noch Reserven besitzt, können wenige stark gealterte Zellen seine weitere Nutzung begrenzen. Dadurch kann ein Akku deutlich früher an sein rechnerisches Lebensende kommen, obwohl viele Zellen noch weiter nutzbar wären.
Forscher der Chinese Academy of Sciences (CAS) und weiterer Institute haben diesen Effekt mit realen Fahrzeugdaten untersucht. Für die in Nature Energy veröffentlichte Studie werteten sie Daten von über hundert Elektroautos und knapp 20 Elektrobussen aus.
Bei den untersuchten Elektroautos verkürzten Unterschiede zwischen den Zellen die errechnete Lebensdauer des gesamten Batteriepacks im Mittel um 17,7 Prozent. Bei den Elektrobussen lag der Wert bei 22,8 Prozent.
Forscher werteten knapp 600 Millionen Daten aus
Die Daten stammten aus dem chinesischen National Monitoring and Management Centre for New Energy Vehicles. Insgesamt umfasste die Analyse 587,5 Millionen Daten von 116 Elektroautos und 17 Elektrobussen. Die Fahrzeuge wurden über mehr als drei Jahre erfasst, einzelne Pkw erreichten Laufleistungen von bis zu 300.000 Kilometern.
Die 116 Pkw waren mit Nickel-Mangan-Cobalt-Batterien, kurz NMC, ausgestattet. Die 17 Busse nutzten Lithium-Eisenphosphat-Batterien, also LFP-Akkus.
Während des Betriebs zeichneten die Systeme unter anderem folgende Werte auf:
- Batterie- und Zellspannungen sowie Stromstärken
- Temperaturen und Ladezustände einzelner Zellen
- Kilometerstand, Geschwindigkeit und weitere Betriebsdaten
Aus diesen Messwerten bestimmten die Forscher Kapazität und Innenwiderstand der einzelnen Zellen. Weil Temperatur und Belastung diese Werte beeinflussen, rechneten sie die Daten mithilfe neuronaler Netze auf einheitliche Referenzbedingungen um. Als Referenztemperatur dienten 27 Grad Celsius.
Ab etwa 170.000 Kilometern wurden Unterschiede größer
Bei 19 genauer untersuchten Elektroautos mit NMC-Batterien blieb die Streuung des Gesundheitszustands der Zellen zunächst gering. Bis zu einer Laufleistung von etwa 170.000 Kilometern lagen die einzelnen Zellen bei vielen Fahrzeugen noch relativ dicht beieinander.
Danach nahm die Ungleichheit bei zahlreichen Autos deutlich zu. Einzelne Zellen erreichten früher als andere einen Punkt, ab dem ihre Alterung schneller voranschritt. Bei einem Teil der Fahrzeuge begann dieser Effekt um 170.000 Kilometer, andere Packs blieben selbst bis 300.000 Kilometer vergleichsweise gleichmäßig.
Die 170.000 Kilometer sind daher keine feste Verschleißgrenze für E-Auto-Akkus. Die Studie beschreibt vielmehr, ab welcher Laufleistung sich bei vielen Fahrzeugen dieser Flotte die Unterschiede zwischen den Zellen verstärkten.
Schwache Zellen verkürzten die Lebensdauer der E-Auto-Akkus um 17,7 Prozent
Um den Einfluss auf die Lebensdauer zu bestimmen, verglichen die Forscher die Nutzungsdauer des gesamten Packs mit der durchschnittlichen Lebensdauer seiner Zellen.
Bei den untersuchten Elektroautos verkürzten Zellunterschiede die errechnete Pack-Lebensdauer im Mittel um 17,7 Prozent. Bei den Elektrobussen lag der Wert sogar bei 22,8 Prozent.
Zusätzlich zeigte sich bei den Pkw:
- 12,9 Prozent weniger mögliche Leistung durch Unterschiede beim Innenwiderstand
- nur 80,7 Prozent der verfügbaren Energieressourcen wurden bis zum errechneten Lebensdauerende genutzt
Die Zahlen sind kein allgemeiner Wert für alle E-Autos. Sie gelten für die untersuchten Fahrzeugflotten und hängen davon ab, wo das Ende der Batterielebensdauer angesetzt wird.
Üblicherweise gilt ein Akku im Fahrzeug bei 80 Prozent seines ursprünglichen Gesundheitszustands als verschlissen. Diese Marke hatten die untersuchten Batterien noch nicht erreicht. Für ihre Berechnung legten die Forscher deshalb 85 Prozent SOH als End-of-Life-Grenze fest.
Ein Teil der Batterieressourcen bleibt ungenutzt
Der Effekt betrifft damit mehr als die reine Lebensdauer. Bei den Pkw reduzierte die Ungleichheit zwischen den Zellen den nutzbaren Gesundheitszustand des gesamten Packs im Mittel um 6,2 Prozent.
Noch deutlicher fällt die Bilanz über die gesamte Nutzungszeit aus: Die Pkw-Batterien schöpften bis zum errechneten Lebensdauerende durchschnittlich nur 80,7 Prozent ihrer verfügbaren Energieressourcen aus. Rund 19 Prozent blieben ungenutzt. Bei den Elektrobussen lag die Nutzung bei rund 73 Prozent.
Der Grund steckt im Aufbau des Packs. Erreicht eine besonders stark gealterte Zelle die festgelegte Grenze, kann sie die weitere Nutzung des gesamten Systems beschränken. Andere Zellen besitzen zu diesem Zeitpunkt unter Umständen noch deutlich mehr Reserven.
Unterschiede beim Ladezustand spielten kleinere Rolle
Nicht jede Form von Ungleichheit hatte denselben Einfluss. Unterschiede beim Ladezustand einzelner Zellen reduzierten die nutzbare Ladekapazität in den untersuchten Fahrzeugen meist um weniger als zwei Prozent.
Ein Grund liegt im Batteriemanagement. In den NMC-Pkw wurden die Zellspannungen während des Ladens kontinuierlich passiv ausgeglichen. Bei den untersuchten LFP-Bussen gab es diesen expliziten Spannungsausgleich nicht. Dort stiegen die Unterschiede zwischen den Zellspannungen mit zunehmendem Alter teilweise auf bis zu 300 Millivolt. Bei den Pkw lagen sie selbst in späteren Alterungsphasen meist unter 100 Millivolt.
Damit liefert die Studie auch einen Hinweis darauf, wie sich die Lebensdauer einer E-Auto-Batterie verbessern lässt.
Wie sich E-Auto-Batterien länger nutzen lassen
Hersteller könnten bereits bei der Produktion Unterschiede zwischen den Zellen verringern und Zellen mit ähnlichen Eigenschaften gezielter in einem Batteriepack zusammenfassen.
Auch bessere Balancing-Systeme können helfen, Abweichungen während der Nutzung klein zu halten. Eine technisch aufwendigere Möglichkeit sind rekonfigurierbare Batteriesysteme. Sie können einzelne Zellen oder Zellgruppen abhängig von ihrem Zustand anders verschalten und so verhindern, dass wenige schwache Zellen das gesamte Pack frühzeitig begrenzen.
Allerdings steigt damit der technische Aufwand. Zusätzliche Leistungselektronik erhöht Komplexität und Kosten und kann weitere elektrische Verluste verursachen.
Für die Lebensdauer eines E-Auto-Akkus zählt deshalb nicht nur, wie stark seine Zellen im Durchschnitt gealtert sind. Entscheidend ist auch, wie weit einzelne schwächere Zellen bereits zurückgefallen sind.
Kurz zusammengefasst:
- Wenige stark gealterte Zellen können die Lebensdauer eines ganzen E-Auto-Akkus begrenzen: In den untersuchten Pkw verkürzten Zellunterschiede die errechnete Pack-Lebensdauer im Mittel um 17,7 Prozent, bei Elektrobussen um 22,8 Prozent.
- Nicht der Durchschnitt allein entscheidet über den Zustand der Batterie: Einzelne schwache Zellen können das gesamte Batteriepack früher an seine Nutzungsgrenze bringen, obwohl viele andere Zellen noch Reserven besitzen.
- Hersteller können gegensteuern: Gleichmäßigere Zellqualität, besseres Balancing und rekonfigurierbare Batteriesysteme könnten helfen, vorhandene Batterieressourcen besser auszunutzen und die Lebensdauer zu verlängern.
Übrigens: Wenn einzelne Batteriezellen schneller altern als der Rest, wird es umso wichtiger, Probleme früh zu erkennen. Ein neuer zerstörungsfreier Test kann erstmals durch das Metallgehäuse von Akkus blicken und Veränderungen im Elektrolyten sichtbar machen – mehr dazu in unserem Artikel.
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