e-bike Akkus richtig laden

Jeder kennt das Problem von seinem Mobiltelefon oder seinem Laptop – nach einigen Jahren lässt die Leistungsfähigkeit des Akkus rapide nach. Es kann weniger Energie gespeichert werden, folglich ist der Akku wesentlich schneller entladen, als dies zu Beginn der Fall war. Das Problem des Kapazitätsverlusts ist auch bei den für e-bikes genutzten Lithium-Ionen-Batterien gegeben. Dennoch gibt es einige Dinge, die man beachten kann, um die Lebensdauer des Akkus möglichst hoch zu halten. Besonders beim Laden gibt es einige Aspekte zu beachten.

Ladungs- und Entladungsvorgang

Auch wenn ein e-bike Akku hohe Leistungen liefern muss, ist die Leistung einer Zelle durch die elektrochemische Stabilität ihrer Komponenten limitiert. Deswegen werden viele Zellen verschalten. Typischerweise werden Lithium-Ionen-Zellen mit 4,0 bis 4,2 V geladen, bei einigen Modellen liegt die Ladespannung aber auch höher. Die Höchstspannung wird von der Elektrolytzersetzung limitiert. Lithium-Ionen-Akkus haben keinen Memorie-Effekt und müssen nicht formiert werden, da dies bereits durch kontrolliertes Auf- und Entladen im Werk passiert. Die Zellspannung sollte nicht unter 2,5 V sinken, bis etwa 3 V werden die Zellen meistens lediglich mit einem Strom von 0,1 C geladen, um die Zelle in diesem sensiblen Bereich nicht zu sehr zu belasten. Danach werden meist 0,3 bis 1 C verwendet, bis die Ladeschlussspannung erreicht ist. Schnellladefähige Zellen können teilweise mit bis zu 8C geladen werden. Ist die maximale Ladespannung erreicht, wird die Spannung gehalten und der Ladestrom immer weiter gesenkt, je höher die Ladung steigt.

Schematischer Ladungsverlauf

Die Nennspannung (ca. 3,7 V) liegt immer unter der Ladespannung und sinkt im Laufe der Ladung weiter ab, bis die Entladeschlussspannung erreicht ist (ca. 2,5 V). Diese darf nicht unterschritten werden, um die Zelle nicht zu schädigen. Um eine möglichst lange Lebensdauer des Akkus zu erreichen macht es Sinn, keine vollständige Entladung durchzuführen. Wie beim Laden gilt auch hier, dass eine schnelle Entladung, bei der viel Leistung verbraucht wird, die Lebenszeit des Akkus verringert. Idealerweise wird nur mit einem Strom von einem Fünftel des Nominalwerts der Nennkapazität entladen. Natürlich ist dies bei einem e-bike weder machbar noch sinnvoll, im Endeffekt wiegen Fahrspaß und Fahrsicherheit schwerer als die Lebenszeit des Akkus.

Zusammenhang von Ladespannung und Lebensdauer [1]

Lebensdauer des e-bike Akkus

Wie in vielen Bereichen muss ein Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gefunden werden, da das eine sinkt, wenn das jeweils andere steigt. Lithium-Ionen-Akkus, die wie in e-bikes sehr hohe Leistungsanforderungen erbringen müssen, haben grundsätzlich eine geringere Lebensdauer als Akkus, die für weniger anspruchsvolle Anwendungen genutzt werden. Ein e-bike Akku kann ca. 1.000 mal geladen und entladen werden. Wird ein e-bike also von einem Pendler benutzt, hält der Akku also über zwei Jahre.

 

Tiefenentladung

Wenn die Zelle die Minimalspannung unterschreitet, kommt es durch interne Sicherungen im e-bike Akku aus Sicherheitsgründen zu temporären Abschaltungen. Tiefentladungen sollten unbedingt vermieden werden, da sie zur irreversiblen Schädigung und zum Verlust der Kapazität führen. Eine Zelle, deren Spannung unter 1,5V gesunken ist, sollte nicht weiterverwendet werden, da sich sonst Kurzschlüsse entwickeln können und Brandgefahr besteht. Entsprechende automatische Schutzabschaltungen sind jedoch in den Modulen für e-bikes verbaut.

 

Tiefenentladung
Zusammenhang von Entladungstiefe und Lebensdauer [2]

Ladezeit und Alterung

Wie lange es dauert, bis ein Lithium-Ionen-Akku geladen ist, hängt vor allem von der Leistung ab, mit der er geladen wird. Hohe Leistungen und damit kurze Ladezeiten wirken sich negativ auf die Lebensdauer aus. Beim Ladevorgang werden Lithium-Ionen in die Anode eingelagert – man spricht von Interkalation. Bei diesem Prozess kommt es zu einer Volumenänderung der Elektrode, und so zu mechanischem Stress, der wiederum Alterung hervorrufen kann. Partikel des aktiven Materials können ihre Kontaktierung verlieren, wodurch diese nicht mehr für die Energiespeicherung genutzt werden können.  Die mittels spezieller Kohlenstoffleiter bereitgestellten elektrisch leitende Bahnen zwischen den Partikeln und dem Stromabnehmer können ebenfalls durch mechanische Belastung durch zu schnelle Interkalation bei Ladevorgängen mit hohen Leistungen zerstört werden. So kann es zu irreversiblen Kapazitätsverlusten kommen. Alterung von Lithium-Ionen-Akkus kann sich zwar auch bei der Lagerung einstellen, die Mechanismen zur Kapazitätsabbau unter Zyklusbedingungen sind jedoch sowohl verehrender als auch komplexer als bei der Lagerung.

 

Einfluss der Temperatur

Zudem hat die Temperatur einen signifikanten Einfluss: Wenn Batterien bei hohen Temperaturen geladen werden, besonders in Kombination mit hohen Strömen, kommt es zur Kathodenauflösung und zur Veränderung der Struktur. Bei moderaten Temperaturen erfolgt die Volumenausdehnung bzw. -kontraktion der Graphitelektrode periodisch während des Ladens und Entladens. Dabei können sich Risse in der Grenzschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt an der Graphitoberfläche bilden. Diese ist damit dem Elektrolyten ausgesetzt und eine neue Grenzschicht muss sich ausbilden. Dabei kommt es zum Verlust von Aktivmaterial und somit von Kapazität.

Laden

Ladegeräte

e-bike Lithium-Ionen-Akkus sollten immer nur mit dem vom Hersteller dafür vorgehenden Ladegerät geladen werden, da hier entsprechende Sicherheitsmechanismen und Maximalbelastungen implementiert sind. Bei Schnellladegeräten können auch bestimmte, optimierte (meist gepulste) Ladeverfahren angewendet werden. Die Einhaltung der Maximalspannung wird von diesen Ladegeräten ebenfalls sichergestellt. Schnellladegeräte können eine hohe Hitze entwickeln und sollten keinesfalls in der Nähe brennbarer Materialien benutzt werden. Zudem sollte dafür gesorgt werden, dass der Akku während der Ladung ausreichend belüftet ist und nicht überhitzen kann.

Richtiges Laden für eine lange Lebensdauer des e-bike Akkus

    1. Fahrspaß und Fahrsicherheit gehen immer vor!
    2. Optimierung der Batterietemperatur während des Zyklus und der Lagerung (20 – 25°C), am besten Laden in Innenräumen
    3. Vermeidung häufigen Aufladens
    4. Akku nicht überlasten und nur entsprechend des vom Hersteller vorgegebenen Spannungsfensters nutzen und unter vorgegebenen Bedingungen laden
    5. Teilentladung reduziert Stress und verlängert die Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkus
    6. Eine niedrigere Ladespannung erhöht die Lebensdauer, reduziert aber die Kapazität, die der Akku speichert.
    7. Nutzung optimierter Lademethoden

 

[1] Battery University

[2] Battery University

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