Das Kälteproblem von Batterie-Zellen

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?

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.

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.

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 verschleißt 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 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.

Erschienen bei ELECTRIVE.net.

Bildquelle: Fastned

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