Lebensdauerprüfung von Elektrofahrzeug-Akkus Wie lange lebt die Batterie?

Wie beeinflusst das Ladeverhalten den Alterungsprozess?

Ein weiterer wichtiger Faktor, der Alterungseffekte von Batterien beeinflusst, ist das Ladeverhalten. Insbesondere Vollzyklen, bei denen Akkus an ihre maximale Entladungstiefe (Depth of Discharge, DOD) kommen, haben einen direkten, negativen Effekt auf die Lebensdauer. Die Batterie eines Elektrofahrzeuges sollte also möglichst selten komplett entleert werden, sondern vielmehr regelmäßig und bei jeder Gelegenheit geladen werden. Das reduziert die elektrochemische Belastung für den Akku und erhöht dessen Lebensdauer. „Intelligente“ Batteriemanagementsysteme (BMS) berücksichtigen diesen Effekt im Rahmen der Reichweite. Außerdem sorgen sie dafür, dass die Akkus nicht tiefentladen oder überladen werden.

Darüber hinaus spielt auch das Schnell-Laden bei der Batteriealterung eine Rolle. Denn das Laden mit hohen Strömen beansprucht in besonderem Maße die Akkuzellen. Wenn ein Batteriesystem nicht optimal darauf ausgelegt ist, kann es durch das Schnell-Laden zu lokalen Überhitzungen kommen, die den Degenerationsprozess des Akkus beschleunigen. Mechanische Einwirkungen und andere Umwelteinflüsse können die Lebensdauer einer Antriebsbatterie ebenfalls beeinflussen. Im Münchener Battery Testhouse der SGS werden daher sowohl die Zellen als auch die gesamten Batteriepackungen umfangreichen Performance- und Haltbarkeitstests unterzogen (Bild 1). Sie werden dabei Vibrationen (Bild 2), extremen Temperaturschwankungen, Salznebel, Spritzwasser, Staub oder Schadgasen ausgesetzt – und das sowohl in Wechselwirkung der einzelnen Faktoren als auch unter Simulation realistischer Lade- und Fahrzyklen.

Wie lässt sich die Lebensdauer einer Batterie bestimmen?

Sowohl für die Fahrzeug- als auch für die Batteriehersteller ist es wichtig, möglichst genau das Alterungsverhalten ihrer Antriebsakkus zu kennen – entweder, um durch technische Verbesserungen die Lebensdauer weiter zu verlängern oder um verlässliche Garantiezusagen geben zu können.

Praktische Erfahrungen mit der Alterung von Batterien sind aufgrund der relativ jungen Anwendung der Lithium-Ionen-Technologie im Fahrzeug bisher noch begrenzt. Als Alternative greift die Industrie daher auf beschleunigte Alterungsverfahren zurück, bei denen der gesamte Lebenszyklus einer Traktionsbatterie in einer möglichst kurzen Zeitspanne nachgestellt wird. In Prüflaboren, wie etwa bei der SGS, trennt man dafür die kalendarische und die zyklische Alterung auf, da ihnen unterschiedliche physikalische Gesetzmäßigkeiten zugrunde liegen. So ist eine genauere Extrapolation zu höheren Lebensdauern und Fahrleistungen möglich. Die kalendarische Alterung wird durch Temperaturerhöhung beschleunigt und dabei periodisch durch Parametermessungen überprüft. Parallel dazu kann auch ein hoher Ladezustand bei Lagerung als weiterer Beschleunigungseffekt mit einbezogen werden. Die zyklische Alterung kann zusätzlich durch den Ladungsdurchsatz pro Zeit erhöht werden, etwa über die Entladerate (C-Rate) oder die Entladetiefe. So wird in geraffter Zeit eine Lebensdauerprüfung möglich.

Und auch mit Blick auf das gesamte Batteriesystem geht man in der Regel zweistufig vor: Zunächst wird die Alterung der Zelle bestimmt, die unter anderem von der Wahl des Aktivmaterials, des Elektrolyten und des Binders abhängt. Hierbei können beispielsweise auch direkt an den Zellen die Alterungsmechanismen untersucht werden. Hier kommt beispielsweise die Impedanz-Spektroskopie zum Einsatz. Im zweiten Schritt ist eine Lebensdaueruntersuchung auf Speicherebene notwendig. Denn nur so kann ermittelt werden, wie die Haltbarkeit durch die packungsspezifische Anordnung der Akkuzellen, das Batteriemanagementsystem aus Zellsteuerung und Cell Balancing sowie die Kühlung beeinflusst wird.

Entscheidend bei den Testverfahren ist, dass alle Faktoren der Batteriealterung berücksichtigt werden und gleichzeitig realistische Lasten an der Batterie anliegen – also die Belastungen eines Akkus im tatsächlichen Fahrbetrieb nachgestellt werden. Beispiele für solche Fahrzyklen sind dabei etwa EUCAR-HEV Specification 2005 und FreedomCar DOE/ID-11069. Es können auch gemessene, fahrzeugspezifische Fahrprofile geprüft werden. Ergänzend dazu werden dann während der Lade- und Fahrzyklen verschiedene Umweltbedingungen durch Vibration, Feuchte oder Hitze einzeln oder in Kombination miteinander simuliert. Zu Beginn und am Ende einer Testreihe – und teilweise auch zwischenzeitlich – werden Performance-Messungen durchgeführt. Die SGS verfügt über entsprechende Prüfeinrichtungen (Bild 3). Neben Klimakammern und schnellen Hochleistungs-DC-Stellern, die vollständige Fahrzyklen simulieren können, kommen gesteuerte Flüssigkeits-Temperier-Einrichtungen zum Einsatz, die die Temperatursteuerung im Fahrzeug nachstellen. Computer steuern zudem den Messplatz in Echtzeit und überwachen und speichern alle relevanten Parameter der Batterie.

Für wen sind langlebige Stromspeicher besonders wichtig?

Das Altern einer Batterie kann nicht verhindert werden. Aber es gibt vielversprechende Ansätze, mit denen die Industrie eine deutlich verlängerte Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus erreichen möchte. Aus gutem Grund, denn die Frage nach der Haltbarkeit eines Akkus ist nicht nur für die Anwendung im Elektromobilitätsbereich von großer Bedeutung. Ähnliche Energiespeicher werden etwa auch als Pufferbatterien für Wind- und Solarstrom eingesetzt. Dort ist die voraussichtliche Lebensdauer eine wichtige Kalkulationsgröße, da hier Investitionsentscheidungen über lange Zeitperioden getroffen werden müssen. Stationäre Energiespeicher, die bei Photovoltaik-Anlagen überschüssigen Strom aus sonnenreichen Phasen zwischenspeichern und diesen dann abends und nachts wieder zur Verfügung stellen, müssen 7000 und mehr Zyklen ohne nennenswerten Kapazitätsverlust überstehen.

Allerdings sind moderne Akkus komplexe Systeme. Alle Fortschritte bei der Lebensdauer, die beispielsweise durch eine verbesserte Batterie-Chemie erreicht werden können, haben womöglich andere Nachteile. So könnte etwa der Einsatz neuer Materialien die Kosten in die Höhe treiben oder zusätzliche Sicherheitsrisiken hervorrufen. Gerade deswegen kommt im Zuge der Markteinführung neuer Energiespeicher umfassenden Testreihen eine große Bedeutung zu.

 

Der Autor

Detlef Hoffmann
 
ist Diplom-Physiker und seit 2012 Business Development Manager für E-Mobility Services beim Prüfinstitut SGS. In dieser Funktion ist er für alle Test Services in den Bereichen Elektromobilität, Batterien und Erneuerbare Energien zuständig. Davor war er Abteilungsleiter für die Labore für Elektromagnetische Verträglichkeit und Produktsicherheit bei Siemens Networks in München.