Rund um den Hochvoltspeicher des 225xe

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    • Rund um den Hochvoltspeicher des 225xe

      Da der Hochvoltspeicher Neuland für viele Automobilisten ist, gibt es hier mal ein paar Infos.

      Die elektrischen Teile des 225xe sind hauptsächlich derzeit:
      (Teilekatalog mit Nettopreis, AT=Austausch)

      Hochvoltspeicher besteht aus 5 Modulen (je ca.12,5kg) mit jeweils 16 Zellen, 293V gesamt, (wie beim 330e; aber 6 Module im i8, 740e, X5 xDrive40e), verbaut links unter der Rücksitzbank
      etk.cc/bmw/DE/search/selectCar…BMW+225xe/ECE/61/61_5026/

      Insgesamt 80 NMC-Zellen mit 26Ah von Samsung SDI, Standard-Format VDA PHEV1, prismatic 173mm 85mm 21mm 309ccm, Kathode Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2), Anode Graphit)
      samsungsdi.com/automotive-batt…ium-ion-battery-cell.html

      Kühlsystem mit an die Klimaanlage angeschlossene Kühlelemente
      etk.cc/bmw/DE/search/selectCar…BMW+225xe/ECE/61/61_5035/

      Synchron Elektro-Motor, 65 kW/88 PS, 165Nm bei 0-3000 U/min, bis entspricht 125km/h
      etk.cc/bmw/DE/search/selectGroup/57629/12_2065/12357639219

      E-Motor Leistungs-Elektronik
      etk.cc/bmw/DE/search/selectCar…BMW+225xe/ECE/12/12_2070/

      Startergenerator, 15 kW/20 PS, 150Nm
      etk.cc/bmw/DE/search/selectCar…BMW+225xe/ECE/12/12_2063/

      Standardladekabel („Ladeziegel“), für eine 220V Steckdose (16A Absicherung)
      etk.cc/bmw/DE/search/selectCar…BMW+225xe/ECE/61/61_4793/

      Starterbatterie AGM 92 Ah 12V
      etk.cc/bmw/DE/search/selectCar…BMW+225xe/ECE/61/61_2815/

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    • Allgemeines:
      Die Temperatur der Zellen beeinflusst die Leistungsfähigkeit und die Alterung der Zellen. Lagertemperaturen um die 0–20°C und Nutzungstemperaturen um die 20–40°C sind für die Zellen "gesund".

      wichtige Begriffe in der Batterietechnik:
      SOC=State of Charge: (momentaner) Ladezustand in % der Gesamtkapazität, voll geladen=100%. Der %-Wert in der Anzeige bezieht sich auf die verfügbare Kapazität. Wie akkurat die Angabe im CD-Portal ist, kann ich nicht sagen.
      DOD=Depth of Discharge: Tiefe der Entladung in %, totale Entladung=100% (entspricht 0% SOC)
      Cycle: ein Zyklus ist die Ladung, die einer gesamten Ladung entspricht oder entsprechen würde, also 5x20%=100%=1 Zyklus, je mehr elektrische Energie geladen und wieder hergegeben wird, desto mehr Betriebszyklen werden geleistet. Eine Lebensdauer wird oft in Zyklen angegeben, wobei dies auf eine normierte Testbedingung bezogen ist.
      C-Rate: Verhältnis der zugeführten oder entnommenen Energie gegenüber der Gesamtkapazität (das ist nicht das Formelzeichen für Kapazität oder technische Einheit Coulomb, de.wikipedia.org/wiki/C_(Begriffsklärung) ). Je nach Zellchemie kann das maximale C derzeit in der Größenordnung bei Leistungsentnahme 1-10 liegen, beim Laden 0,2-0,5. Beim 225xe liegt das C im oberen Bereich. Eine hohe C-Rate beschleunigt die Alterung, dies aber weniger stark bei warmen Temperaturen.
      EOL=End of Life: Die Batterie erreicht nicht mehr die gesetzten Ziele. Bei Batterien ist das oftmals 80% der ursprünglichen Kapazität. Danach ist die Nutzung der Batterie zwar weiterhin möglich, aber die Batterie wird immer schneller schwächer, bis sie keine ausreichende Leistung für seinen Zweck bringt.

    • Auslegung:
      Die Hochvoltspeicher müssen für die unterschiedlichen Fahrzeuganwendungen ausgelegt werden und unterscheiden sich in der Größe und in den Eigenschaften erheblich, z.B. für
      PHEV=Plug-In Hybrid Electric Vehicle, die Batterie hat eine mittlere Energie (ca.7-10kWh) und ist somit relativ klein. Die entnommene Leistung zum Beschleunigen ist deswegen relativ hoch (z.B. BMW 225xe 7,6kWh, Golf GTE 8,8kWh)
      BEV=Battery Electric Vehicle, die Batterie muss eine hohe Energie (=Kapazität) bereitstellen und ist somit sehr groß/schwer. Die entnommene Leistung zum Beschleunigen ist aber deshalb relativ gering (z.B. BMW i3 21,6kWh, Tesla 60-90kWh) und das Laden mit hohen Strömen (=Schnellladen, hohe Brems-Rekuperation) ist möglich
      HEV=Hybrid Electric Vehicle, die Batterie hat eine kleine Energie und ist somit klein. Die entnommene Leistung zum Beschleunigen ist aber relativ sehr hoch (z.B. Toyota Prius III 1,3kWh), durch das Batteriemanagement wird der Ladezustand immer um den idealen, mittleren Bereich gehalten.
      Deshalb sind absolute Leistungswerte und Eigenschaften nicht ohne Weiteres auf eine andere Auslegung übertragbar, z.B. bedeutet eine Motorleistung von 65kW bei einer Kapazität von 7,6kWh ein C in der Größenordnung C=9 im 225xe, 396kW bei 90kWh ein C=4,4 bei einem P90DL. Dieser Zusammenhang erklärt auch, warum der 225xe nicht Schnellladen (=sehr hohe Ladeleistung) kann und die elektrische Bremsleistung (=Rekuperationsleistung) geringer als bei z.B einem i3 ist.
      Durch die verschiedenen Auslegungen ist die Zyklenausnutzung entsprechend anders. So wird pro Fahrt (z.B.30km) mit einem PHEV der Zyklus von 100%-0% der Kapazität eher vollständig ausgenutzt als bei einem BEV. Weiterhin müssen für z.B. 1000km rein elektrisches Fahren bei einem 225xe in der Größenordnung 25-35 Zyklen absolviert werden, bei einem i3 (neu) ca.4-6 Zyklen.

      Energieinhalt:
      Der ca. 65 kg schwere Hochvoltspeicher des 225xe leistet im Neuzustand gemäß Herstellerangaben 5,8 kWh netto (=7,6 kWh brutto, d.h. es sind ca.76% freigegeben wegen der Alterung, s.u.). Nutzer geben jedoch ca. 6 kWh verfügbare Leistung gemäß CD-Portal an. Zum Vergleich dazu hat der mit 36 Liter gefüllte Benzintank einen Energieinhalt von ca.325 kWh und wiegt ca.27 kg. Die theoretisch maximale spezifische Energie liegt in der Größenordnung für Li-Ion 0,5 kWh/kg, real liegt sie aber erst bei 0,1-0,2 kWh/kg. (Li-O2 (Luft)-Zellen hätten 10x mehr Leistung, sind aber erst im Entwicklungsstadium).

      Lebensdauer:
      Die zu erwartende Lebenszeit der Zellen ist (noch) nicht bekannt.
      Lebensdauerende (=EoL) ist nach Teil 4 der DIN 43539 „Akkumulatoren; Prüfungen; Ortsfeste Zellen und Batterien“ bei einer Speicherfähigkeit von weniger als 80 % der Nennkapazität, also beim 225xe wäre das bei 4,64 kWh für die angegeben 5,8 kWh.
      Die BMW-Garantie für den Hochvoltspeicher ist nicht eindeutig und man muss sehr genau lesen:
      höchstens 6 Jahre oder 100000km lt. Preisliste 7/2016,S.10; ODER
      höchstens 5 Jahre oder 100000km lt."Qualitätszertifikat Hochvoltspeicher" (siehe bmw.de/dam/brandBM/marketDE/co…ownload.1420641701103.pdf),
      wobei nicht benannt wird, was der garantierelevante "Sachmangel" ist. Demnach wird also keine Garantie auf eine bestimmte Kapazität gegeben, zumindest ist das irgendwie nicht greifbar.
      Die Zyklenfestigkeit liegt erfahrungsgemäß bei NMC-Zellen in der Größenordnung von ca. 1000 Vollzyklen, sehr grob geschätzten 3000 Zyklen mit ca. 75% der Freigabe des maximal verfügbaren SOC (=Nettokapazität). Das entspräche 75000-90000 km elektrisches Fahren bei 25-30 km/Zyklus. Dahingehend gibt aber weder Angaben der Hersteller noch Garantien. Diese Größe ist entscheidend, aber hoch spekulativ. Es gibt noch keine Erfahrungswerte. Auch sind die Erfahrungen von einem BEV oder HEV nicht auf den 225xe übertragbar, da die Lastanforderungen in vollkommen anderen Größenordnungen vorherrschen (siehe Auslegung).
      Gesichert ist aber, eine Verringerung der freigegebenen Kapazität (z.B. von 25 bis 90 % statt von 0 bis 100 % der Bruttokapazität), erhöht die Zahl der möglichen Lade-Entlade-Zyklen überproportional, natürlich bei weniger nutzbarer Energie.

      Auch die kalendarische Alterung spielt eine Rolle (siehe unten).

      Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist für die Belange des Hochvoltspeichers zuständig, also Be- und Entladen der Zellen (z.B. Steuerung und Überwachung von Strom und Spannungen beim Plugin-Laden, bei der Rekuperation und für den E-Motor; Balancing="Auspegeln" der Unterschiede zwischen den Zellen) und dem Thermomanagement (Vorheizen/Kühlen während des Plugin-Ladens, Kühlen/Heizen während der Fahrt und Klimaanlagenbetrieb). Das BMS hat keinen Einfluss auf das Nutzerverhalten bezüglich Tiefentladung (führt meist zur Zerstörung in den Zellen) oder Außentemperaturen.

    • Temperatursteuerung des Hochvoltspeichers:
      Tiefe Temperaturen können zu einer Behinderung des Stromflusses führen, da die Leitfähigkeit im Elektrolyt dadurch geringer wird. Hohe Temperaturen führen zu einer schnelleren Degradation der Materialien in der Zelle. Das System wird daher bei hohen Temperaturen gekühlt oder bei kalten Witterungsbedingungen geheizt, um bei Nutzung eine optimale Leistungsabgabe zu gewährleisten.
      Um die Temperatur der Zellen zu steuern, sind Kühlelemente zwischen den Modulen (wie eine Fußbodenheizung) vorgesehen, die über den Kreislauf der Klimaanlage versorgt werden.
      Die Vortemperierung vor dem Laden und Nutzen bewirkt, dass mehr momentane Kapazität bereitsteht und eine höhere C-Rate (=starkes Beschleunigen oder höhere Ladeströme) weniger ausmacht. Die momentan nutzbare Energie ist z.B. bei 0°C um ca. 10% geringer als bei 35°C.

      Laden:
      Die maximale Verbrauchsleistung an der Wallbox ist 4,6 kW, an der Steckdose 3,7 kW, an den Zellen kommt etwas weniger an: der Ladeverlust beträgt nach einzelnen Usererfahrungen ca.20%. Bei öffentlichen Ladesäulen muss mit ähnlich geringen Ladeströmen gerechnet werden, selbst wenn sie viel mehr ( z.b.22kW) ausgeben könnten (> Rentabilität bei Zeitabrechung?). Der Ladestrom ist im Fahrzeug auf 12A, 9A oder 6A einstellbar, gemäß Betriebsanleitung zum vorsorglichen Schutz der Hausinstallation. Die Selbstentladung der Li-Ion-Zellen ist sehr gering (liegt in der Größenordnung von ca. 1% pro Monat).

      Kosten:
      Der BMW-Preis pro Modul (1 von 5) ist derzeit €750.- incl. MwSt. (ohne Montage!). Ob zukünftige Entwicklungen wie im BMW i3 als Retrofit-Angebot Einzug halten, dessen 8 Module 60Ah (je ca.€1800.- netto) mit 94 Ah Modulen für € 7000.- (netto; also ca. 10000.- incl. MwSt. und Montage) ausgetauscht werden können, ist nicht abzusehen.
      Auch wenn nach den grob spekulierten ca.3000 Lebensdauerzyklen die restliche Kapazität zunächst eine weitere Nutzung erlaubt, so erstreckt sich dies vorraussichtlich nicht über ein ganzes Fahrzeugleben (15 Jahre, 200000 km, bei grob spekulierten ca.6000 Ladezyklen). Daher ergäben sich bei einem einmaligen Tausch (ca.€4500?) Kosten (auf das gesamte Fahrzeugleben mit 6000 Zyklen verteilt) von €0,75 pro 5,8kWh-Zyklus (zuzüglich den ca.€1,75 für den aufgewendeten Ladestrom ca.7kWh bei 25ct/kWh).

      Entsorgung:
      Am EoL stehenden Batterien haben in der Regel noch ausreichende Kapazität für stationäre Anwendungen mit geringeren Anforderungen („Second-Life Konzept“). BMW kauft die funktionstüchtigen Module an und bereitet sie auf. Alternativ muss das Modul zum Recycling, insbesondere wegen der Metalle, gegeben werden.

      weitere Infos z.B.
      ikt-em.de/_media/Kompendium_Li-Ionen-Batterien.pdf
      carfacto.de/glossar/lithium-ionen-akku

    • Bitte achtet in der Diskussion darauf, nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen oder in einen Topf zu schmeißen. Der Hochvoltspeicher des i3 (BEV) ist nur in wenigen Punkten mit dem des 225xe (PHEV) vergleichbar, da sich die Kapazitäten und das Nutzungsprofil sehr voneinander unterscheiden. Und, bitte bleibt in Euren Beiträgen in Bezug zum Threadthema "Batterie des 225xe", sonst wird das ganze schnell unübersichtlich. Danke! 8)

    • Alterung:
      Eine Info für Interessierte, die ihren Hochvoltspeicher möglichst lange erhalten oder die Eigenschaften der Li-Ionen-Hochvoltspeicher besser verstehen möchten. 2 (Beiträge weiter ist der lange Theorieteil vorbei.)

      Im Folgenden geht es um den Abschlussbericht (orginal in Englisch)
      “Batterie-Lebensdauer in elektrifizierten Fahrzeuganwendungen: Eine Literaturübersicht der Degradationsmechanismen und Haltbarkeitsprüfungen“ der FEV North America für die EPA (United States Environmental Protection Agency, das ist die VW-Skandal-US-Behörde), vom 03.02.2016.
      www2.unece.org/wiki/download/a…985/EVE-18-04e.pdf?api=v2 (7MB)

      Vorab-Anmerkungen:
      Der Bericht handelt über die Lebensdauer eines Hochvoltspeichers (nicht Wirkungsgrade!). Es ist eine sehr umfangreiche Literaturrecherche über zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen über Li-Ionen-Batterien in Fahrzeugen. Die Ergebnisse sind begrenzt auch auf Li-Ionen-Akkus von z.B. Smartphones oder Notebooks übertragbar (weniger auf NiMh-Akkus, gar nicht auf NiCd-Akkus oder 12V Blei-Säure-Autobatterien).

      Die beschriebenen Effekte, die für die Alterung und Verschlechterung der Batterien, sind meist in Zusammenhang mit bestimmten Anoden-Kathoden-Kombinationen dargestellt und sind qualitativ (nicht unbedingt quantitativ!) auf anderen Kombinationen übertragbar. Die Autohersteller kennen bestimmt die Effekte für ihre Batterien, und haben in ihrer Auswahl der Zellchemie und beim Batteriemanagement Maßnahmen mehr oder weniger Maßnahmen getroffen, um die negativen Auswirkungen innerhalb der vorgesehenen Nutzung gering zu halten.

      Die genannten Tests und Untersuchungen können nicht alle Einflussfaktoren unabhängig voneinander betrachten. Sie bieten aber eine verlässlichere Vergleichsbasis als die singulären ("Praxis-")Erfahrungen von Forenusern, die meist nicht über ausreichend genaues Messequipment verfügen oder nicht nachvollziehbaren Umgebungsbedingungen unterliegen.

      Hier werden die Begriffe Batterie, Akku(mulator), Zellen und Hochvoltspeicher gleichgesetzt, LIB=Lithium-Ionen-Batterie.

      Die Kapazität (in kWh) der Batterien im Bericht ist bezogen auf die Bruttoleistung (nicht auf die vom Hersteller freigegebene Nettoleistung).

      Die Alterung ist durch einen erhöhten Innenwiderstand (geringere Spannung) und/oder durch eine Verringerung der Kapazität (weniger Energie) messbar.

    • Kommentierte Zusammenfassung:

      Grundsätzliche Vorgänge
      S.12,
      Der Aufbau einer schädlichen Schicht an der Anodenoberfläche ist hauptsächlich eine Funktion der Betriebszyklen, während das Aufladen bei einem Temperaturbereich von 10-30°C und einer C-Rate von C/20 (entspräche 0,38kW beim 225xe) hat einen sehr geringen Einfluss, eine hohe Laderate bei niedrigen Temperaturen -20°C fördert den Aufbau der dauerhaft schädigenden Li-Metallisierung.
      Table 4 erfasst allgemein die Degradationsmechanismen und wodurch sie gefördert werden. Oft genannt sind viele Betriebszyklen, hohe Temperaturen, ein hoher SOC, einmal eine hoher DOD (=tiefe Entladung), einmal niedere Temperaturen.
      S.18,
      Die NMC-Kathode (im 225xe) zersetzt sich bei zu hoher Ladespannung (>4,5V). (Das hat BMW in seinem Lademanagement bestimmt berücksichtigt).
      S.20,
      Es findet ein kontinuierlicher, irreversibler Kapazitätsverlust bei Lagerung in hohen Temperaturen (>30°C) statt, der bei entladenen Zellen (niedriger SOC) höher ist. Gegenüber einer Temperatur von 20°C sinkt die momentan, nutzbare Kapazität auf ca.90% bei 0°C und 80%bei -20°C. Laden der Batterie bei sehr niederen Temperaturen (ab -20°C bzw. stark bei -40°C) kann eine irreversible Schädigung hervorrufen.
      Die nutzbare Energie sinkt ab Temperaturen unter 15°C, insbesondere bei hoher Anforderung (Fig. 17).
      S.23
      Der Kapazitätsverlust erhöht sich, je höher die C-Raten, insbesondere die Höhe des Ladestroms gegenüber der Kapazität.
      S.36
      Die Lebenszeit einer BEV-Batterie (eines Nissan Leaf, 24kWh) ist stark reduziert (von ca.12 auf ca.7 Jahre), wenn sie mit 7kW statt mit 3kW geladen wird. Der Ladezeitpunkt bzw. der SOC des wartenden Fahrzeugs spielt fast keine Rolle (Table 6). Regelmäßiges Schnelladen (23kW/50kW) verringert die Lebenszeit noch markanter. Ein Praxistest zwischen zwei Gruppen Nissan Leaf (3,3kWh on board/50kWh DC-Schnelladen bei 22°C) zeigte nach 50000 Meilen eine etwas stärkere Kapazitätsverlust durch das Schnelladen, wobei die Einbuße von ursprünglich über 23kWh auf 17,5/17kWh der Batteriekapazität festgestellt wurde.
      Einer „Battery degradation map“ (Fig. 35) für PHEV-Anwendung (LiFePO4-Kathode) zufolge kann man erkennen, dass eine kleine Laderate auch ein kleines Innenwiderstandswachstum (=Indikator für die Alterung) erzeugt. Wenn schnelleres Laden, dann ist es zwischen ca. 30-70% SOC am unschädlichsten.
      S.38
      Die Studie geht davon aus, dass die Lebenszeit der Batterie in einem PHEV verdoppelt werden könnte durch die Ladestrategie: Optimierung des Ladestroms und Ladungs-SOC nur auf den benötigten Wert und das erst kurz vor Fahrtantritt.
      S.41
      Die Studie geht davon aus, dass durch die klimabedingte Temperatur ein Unterschied bei den Kapazitätsverlusten eintritt, so dass in Seattle bei <15°C weniger Verluste auftreten als in Phoenix bei >25°C und eine aktive Kühlung den Verlust reduzieren könnte.
      S.45
      Die Alterung (hier indiziert durch den Innenwiderstand R) ist geringer, wenn das Ladeprotokoll dem Ladezustand (bei niedrigem SOC=fast leer und hohe SOC=fast voll: dann Reduzieren der C-rate) angepasst ist. (Dies muss das elektronische Lademanagement des Fahrzeugs automatisch erledigen.)
      S.47
      Ein Vergleich des Ladeverhaltens und der Alterung von 5 gleichen Peugeot iOns (16kWh LMO-Batterien) über 3 Jahre zeigt ein gegenüber den oben genannten Studien uneinheitliches Bild, da der durchschnittliche SOC, die Häufigkeit des Ladens, das Nutzungsverhalten und das Schnelladen keine eindeutigen Tendenzen für die Alterung zwischen <0,5 kWh/a (ca.3%) und >1 kWh/a (6%) aufzeigt. (Es sind allerdings auch nicht alle Einflussfaktoren erfasst!)

      Thermische und klimatische Effekte
      S.48
      Erhöhung der Batterietemperatur während des Schnelladens (bei 20-50kW) um ca.6,5°C, beim L2-Laden (bei 3,3kW) um 2,9°C. In Fig. 51 sieht man, dass die Alterung bei NCA-Batterien mit der Umgebungstemperatur (5->30°C) und dem SOC (20->100%) stark zunimmt. Daraus resultiert ein Vergleich des Kapazitätsverlustes von geparkten Fahrzeugen (SOC 90%, ohne gefahren zu werden) im kalten Portland (-10%/10Jahre) und dem heißen Phoenix (-20%/10Jahre), Fig. 56.
      S.51
      Messungen an einem Nissan Leaf (BEV mit 24kWh) mit angeschalteter Klimaanlage auf 22°C hat ergeben, dass gegenüber der Referenz von 22°C bei -7°C bzw. +35°C sich der Verbrauch um 25-101% bzw. 2-27% (je nach Testzyklus) erhöht bzw. die Reichweite um 21-48% bzw. 2-18% verringert hat. (Bei dem 225xe mit nur 7,6kWh Batteriekapazität ist die Reichweitenverminderung bei Innenraumklimatisierung noch gravierender).
      Bei Vorheizen einer BEV-Li-Polymerbatterie von -20°C auf +10°C/+25°C nimmt die momentan verfügbare Kapazität zu.
      S.52
      Es werden die Außentemperaturen und die Vorklimatisierung der Batterie von PHEV15/PHEV40/BEV (=Fahrzeuge mit 15 mi=23,4 km/ 40 mi=64 km/ 100 mi= 161km Reichweite mit den entsprechenden SOC-Profilen) verglichen (Fig.59-61). Der Kapazitätsverlust liegt bei minus 6,7°C Außentemperaturen mit ca. 1% wesentlich niedriger als bei 20°C (ca. 2%) oder 35°C (ca. 3%). Das Vorkühlen der Batterie bezüglich der Lebensdauer hat am ehesten für BEV einen kleinen Vorteil, das Vorheizen bei niederen Temperaturen zeigt für alle keinen nennenswerten Nachteil. Der Vorteil des Vorheizens in Bezug auf die Reichweite liegt bei einem PHEV15 bei fast 20% (Table 12).
      S.54
      Thermomanagement in Form einer Luftkühlung verlängert die Lebenszeit in sommerheißen Städten wie Phoenix (und vermindert gleichzeitig die negativen Effekte aufgrund aggressiver Fahrweise). Die tagesweisen Temperaturspitzen sind schädlicher als eine gleichmäßig höhere Durchschnittstemperatur.
      S.56
      Ein Reichweitenvergleich zwischen einem Chevrolet Volt und einem Nissan Leaf zeigen, dass man bei Umgebungstemperaturen 15-25°C am weitesten kommt, also die momentan verfügbare Kapazität am größten ist. Die Bestwerte liegen bis zu 1/3 höher als der Durchschnitt (Fig.66-68).
      S.57
      Experimente an Li-Ionen-Zellen (nicht genau benannt) mit vielen Lade-und Entladezyklen (C/2-rate) bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen, dass die Zyklenfestigkeit bei 5°C besser ist als bei 15°C und 25°C. Bei noch höheren Temperaturen bricht die verbleibende Batteriekapazität nach wenigen Zyklen bereits ein (Fig.69, Table 13).
      S.58
      Die Alterung bei Bremsrekuperation (=sehr hoher Ladestrom= hohe C-rate) bei 10°/25°/40°C und unterschiedlicher Ladungsmenge (=SOC) wird der nichtzyklischen Alterung (=calendar aging) gegenübergestellt (Fig.70). Der Kapazitätsverlust durch nichtzyklische Alterung (=Lagerung) über 5 Monate ist bei hoher Temperatur (ca. +3%) und hohem SOC (ca.+3%) höher, bzw. bei unter 25°C und geringem SOC am kleinsten. Auch ist die Schädigung bei Einspeisung von Bremsenergie bei vollem Ladezustand (=high SOC) höher, aber bei 25°C am relativ geringsten.

      Nutzung und DOD
      S.59
      Der schädliche Effekt einer zu weiten Entladungsspanne (=DOD) wurde nachgewiesen. Bei einem BEV von 80% auf 94% und bei einem PHEV von 55% auf 87% resultierten in eine erhebliche Degradation. Die freigegebene Nutzungsspanne beeinflusst die Lebenszeit erheblich, jedoch ist die dadurch nötige Vergrößerung des Batteriepakets eine Kostenfrage. (BMW hat den DOD, also die nutzbare Kapazität, auf etwas unter 80%=5,6kWh der Gesamtkapazität 7,6kWh limitiert).
      S.60
      LiFePO4-Zellen (=LFP) wurden zahlreichen Zyklen mit einer großen Ladebelastung von 1C-rate ausgesetzt. Die Schädigung bei 600 Zyklen und bei niedrigen Temperaturen (-10°C, 0°C) ist erheblich höher als im Warmen (25°C,45°C).
      S.63
      Eine Untersuchung an 3 PHEV-Batterien zeigte, dass eine Beschränkung auf 60-70% DOD gegenüber 80% DOD und eine altersbedingte dynamische Anpassung des DOD eine größere Zyklenanzahl bis zum EOL (=End of Life) erzielt.
      S.66
      Eine Simulation untersucht die Auswirkung der Ladestrategie unter Variation der Ladeleistung und –zeitpunkts bei Batterie-Kapazitäten 3,5/19/35 kWh. Wird der Ladezeitpunkt kurz vor die Nutzung gelegt, so verlängert sich die Lebenserwartung erheblich. Der Ladestrom hat nur einen geringen Einfluss.
      S.70
      Knüpft an S.58 an, bei dem die Bremsrekuperation unabhängig von der eingespeisten Stromstärke bei niederen 10°C und hohem SOC schädlicher ist als bei höheren 40°C (Fig.94). (Dies muss BMW in der Nutzungsstrategie berücksichtigen).
      S.71
      Zahlreiche elektrische Fahrzeuge werden jeweils über ca. 257.500 km (160000 mi) auf der Straße gefahren und die Degradation gemessen. Bis jetzt sind Werte für den Kapazitätsverlust von unter 10% bis über 20% festgestellt (siehe avt.inl.gov/).
      Anmerkung: Die vermessenen Fahrzeuge haben ein sehr junges Alter (bis 4 Jahre). Die bisherigen Ergebnisse erfassen also hauptsächlich die Degradation durch die Nutzung und weniger durch das kalendarische Alter.

      Im Weiteren geht es um Vergleiche von Testnormen zur Erfassung des Batteriezustands.

      Ein weiterer interessanter Beitrag (in Englisch) über die Schädigung von Zellen (sehr lang!) auf

    • Der irreversible Kapazitätsverlust (=Degradation) ist also leider unvermeidlich, hängt dabei von der kalendarischen Alterung und von der Zyklenlebensdauer der Zellen ab, zu einem gewissen Teil somit von den Umgebungstemperaturen und der Nutzung ab. Vieles hat BMW im Batteriemanagement berücksichtigt.

      Was könnte man noch tun, um die Degradation der Batterieleistung möglichst gering zu halten?

      Die geringste Schädigung wäre bei einer kalten Lagerung (<10°C), bei halber Ladung (nie ganz voll oder ganz leer) und mit nur geringen Entnahmen und niedrigem Ladestrom. Dafür braucht man aber kein Auto drumherum.
      Je stärker die Nutzung mit kräftiger Entnahme und kurzen Ladezeiten (=hoher Ladestrom), desto wärmer soll die Batterie sein, aber bei hohen Temperaturen (>25°-30°C) gelagert altert die Batterie schneller.

      Was kann der Nutzer tun:
      - wegen der starken Temperaturabhängigkeit der Li-Ionen-Zellen das Fahrzeug nicht lange in der brütenden Hitze stehen lassen oder in der Eiseskälte laden. Am besten in einer Garage mit 10-20°C parken und laden.
      - Die Vortemperierung der Zellen bei extremen Außentemperaturen nutzen
      - je kälter die Zellen sind (<15°C), desto sanfter sollte in der Startphase der Gasfuß beim elektrischen Fahren sein
      - kurzes Zwischenladen (z.B. beim Einkaufen) ist ok
      - Volladen erst kurz vor der Abfahrt
      - längeres Lagern des Fahrzeugs bei kalten Temperaturen und halber Ladung
      - Schnelladen vermeiden (insbesondere bei sehr hohen oder niedrigen Temperaturen)
      - die Reduzierung des Ladestroms (von 12A auf 9A oder 6A) könnte etwas schonender sein

      Was kann der Hersteller bei gegebenem Zelltypus tun:
      - Eine größere Kapazität bereitstellen (dadurch lässt sich die Nutzungsspanne des DOD reduzieren)
      - Lademanagement mit schonendem und dynamischen Ladeprotokoll, angepasst auf Nutzerzeit- und Zielwunsch (schon teilweise über App implementiert)
      - Temperaturmanagement, um schädliche Zustände zu vermeiden (schon implementiert)

      Sorry, ist alles leider lang geworden.

    • Da hast du schon viel zusammen getragen. Respekt!
      Danke für die Mühen zu einem sehr interessanten Thema.
      Allerdings ist die Technik noch sehr ausbaufähig um sich an das Nutzungsverhalten der Fahrer anzupassen. (Oder müssen sich die Nutzer der Technik anpassen?)
      Ich denke das ist das entscheidende für die Akzeptanz der Nutzer.

      Grüße Speedy
      ... immer eine Handvoll Gripp unterm Hintern.
      ** 2er GT 7-Sitze (F46) 218d Sport alpin-weiss AHK EZ:09/15 **

    • vielen Dank für die vielen Infos.


      planetti schrieb:

      Zahlreiche elektrische Fahrzeuge werden jeweils über ca. 257.500 km (160000 mi) auf der Straße gefahren und die Degradation gemessen. Bis jetzt sind Werte für den Kapazitätsverlust von unter 10% bis über 20% festgestellt (siehe
      das waren alles keine PHEV oder BHEV , sondern Autos der Jahrgänge 2010-12 wie Toyota Prius oder Honda . Das kann auch nicht mit der Batterie des 225xe verglichen werden.
      Im übrigen denke ich das im Hybrid eher der Motor des 218i schlapp macht und nicht die Batterie.

      @markus man passt sich als e-Autofahrer unweigerlich der Technik an. Mein Fahrstil hat sich total verändert.
      Vorher bin ich u.a. das 135i Cabrio gefahren. Seit dem i3 und jetzt auch mit dem 225xe fährt man sinniger , ruhiger und damit auch spritsparender.

      Trabant P 601 S (seit 2004-EZ 1982) ,
      VW Caddy (EZ 2/2009),
      BMW i3 (EZ 3/2014) ,
      BMW 225XE (EZ 6/2016)
      BMW 114i (EZ 12/2014)
      2mal MINI One First (EZ 1/2016 und 1/2017) ,
      Mazda MX-5 ND (EZ 25.4.2017)

    • Bitte versteht das ganze als analyse, nicht als schreckgespenst. Jeder kann mit dem auto wunderbar und einfach automatisch fahren.
      Die analyse zeigt nur auf, dass die batterietechnik noch nicht den standard erreicht hat, bei dem man eine billige und normierte massenware eines x-beliebigen herstellers aus dem regal zieht. Da ist viel entwicklung und luft nach oben drin.

    • @kitchenman
      Vielen dank für den hinweis. Die anforderungen kann man wirklich nicht direkt miteinander vergleichen...
      Die lebensdauer des 218i-motors wäre ein anderes thema, aber dazu denke ich hat der einbau im 225xe eher noch vorteile, da er evtl. weniger km läuft und weniger kurzstrecken und weniger kaltstarts leisten muss. Hätte ich weniger ernste bedenken, wenn BMW den 3zylinder vernünftig gebaut hat. Braucht halt entsprechend viel wartung und aufmerksamkeit...

      Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von planetti ()

    • die Tipps sind was der Nutzer tun kann sind sicherlich hilfreich .
      Bei mir aber leider nich anwendbar .
      Ich habe keine Garage und lade beide Autos draußen. Auch auf die Temperatur kann ich keine Rücksicht nehmen , da ich praktisch jeden Abend lade.
      mit dem i3 tanke ich oft an ccs wenn ich in der Stadt bin.
      bin wirklich gespannt wie die Akkus nach 100 oder 200000km noch sind. werde dann berichten.

      Trabant P 601 S (seit 2004-EZ 1982) ,
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      BMW i3 (EZ 3/2014) ,
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      2mal MINI One First (EZ 1/2016 und 1/2017) ,
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