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Jun 04, 2023

Reduziert das Gleichstrom-Schnellladen wirklich die Batteriekapazität Ihres Elektrofahrzeugs?

Wenn Sie ein Elektrofahrzeug haben, das Sie regelmäßig schnell aufladen, ist das vielleicht der Fall

Wenn Sie ein Elektrofahrzeug haben, das Sie regelmäßig schnell aufladen, sollten Sie vielleicht einen Blick auf die Auswirkungen werfen, die das auf die Batterieverschlechterung hat.

Das Schnellladen Ihres Elektrofahrzeugs klingt großartig, da ein 350-Kilowatt-Schnellladegerät ein Elektrofahrzeug mit großer Batterie wie einen Lucid Air Pure in 15 Minuten auf einen Ladezustand von 80 Prozent bringen kann. Obwohl es nicht so schnell ist wie das Auftanken eines herkömmlichen Benzinfahrzeugs, verkürzt das Gleichstrom-Schnellladen die Zeit, die zum Auftanken eines Elektrofahrzeugs benötigt wird.

Aber geht der Komfort beim Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Verschlechterung der Batterieleistung einher? Nun, lass es uns herausfinden.

Um die Lebensdauer von Elektrofahrzeugbatterien besser zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, was Schnellladen ist und wie es funktioniert. Im Großen und Ganzen kann die Batterie eines Elektrofahrzeugs mit drei verschiedenen Lademethoden aufgeladen werden: Level 1, Level 2 und Level 3. Die ersten beiden Arten basieren auf Wechselstrom (AC), während das Laden der Stufe 3, auch DC-Schnellladen genannt, Gleichstrom erfordert.

Der wichtige Unterschied besteht darin, dass Ladegeräte der Stufen 1 und 2 das Bordladegerät des Fahrzeugs verwenden, um den Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, da die Lithium-Ionen-Batterie Ihres Fahrzeugs keinen Wechselstrom direkt aufnehmen kann.

Bei Schnellladegeräten der Stufe 3 können sie jedoch einfach Saft direkt in die Batterie pumpen, ohne dass ein integriertes Ladegerät erforderlich ist. Dadurch können beim Gleichstromladen große Strom- und Spannungsmengen in den Akku geladen werden, ohne durch die Leistungsfähigkeit des Bordladegeräts des Fahrzeugs eingeschränkt zu werden.

Lithium-Ionen-Batterien wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, und hypothetisch sollte diese Reaktion ewig andauern. Allerdings wissen wir alle, dass Lithium-Ionen-Batterien nicht ewig halten. Aber was ist der genaue Grund für diese Verschlechterung?

Nun, im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle finden beim Laden oder Entladen mehrere chemische Reaktionen statt. Einige Reaktionen dienen der Stromerzeugung, während andere Lithiumionen verbrauchen, die die Kapazität der Batterie verringern. Mit anderen Worten: Mit jedem Lade-Entlade-Zyklus verliert die Lithium-Ionen-Batterie eines Elektrofahrzeugs etwas an Kapazität; Dies geschieht tatsächlich und fällt nicht in die Kategorie der Mythen über das Laden von Elektrofahrzeugen.

Allerdings ist es wichtig zu verstehen, dass diese Reaktionen je nach Umgebungsbedingungen unterschiedlich schnell ablaufen, und Sie können Maßnahmen ergreifen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Daher geben die meisten Batteriehersteller einen Temperaturbereich an, bei dem die Batterien die beste Leistung erbringen. Dieser Bereich variiert je nach Batteriechemie, liegt aber in den meisten Fällen zwischen -4 und 140 Grad Fahrenheit beim Entladen und zwischen 0 und 45 Grad Fahrenheit beim Laden.

Dieser Betriebsbereich zeigt, dass Batterien in einem niedrigeren Temperaturbereich geladen werden können und das Laden unter extremen Bedingungen, sowohl kalt als auch heiß, Probleme verursachen kann, da diese Bedingungen die Geschwindigkeit erhöhen, mit der unerwünschte Reaktionen ablaufen, Lithiumionen verbrauchen und die Kapazität verringern.

Nachdem wir nun wissen, warum die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus nachlässt, können wir versuchen zu verstehen, was im Inneren des Akkus passiert, wenn er schnell aufgeladen wird.

Beim Schnellladen wird zum Laden der Batterie ein Hochspannungsstrom verwendet. Lithium-Ionen werden mit größerer Kraft von der Kathode gezogen und bei Ladung zur Anode bewegt. Dadurch entstehen Risse in der Kathode und es entstehen Dendriten an den Elektroden. Aufgrund dieser Risse und Dendritenbildung verringert sich die Kapazität von Lithium-Ionen-Zellen und sie erhöhen auch den Widerstand der Batterie.

Der Innenwiderstand einer Batterie erhöht sich, wenn sie schnell aufgeladen wird. Aufgrund dieser Widerstandserhöhung und der hohen Stromaufnahme beim Schnellladen entsteht im Inneren der Akkus eine übermäßige Hitzeentwicklung. Diese hohe Temperatur verringert die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien.

Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie mit hohen Strömen und niedrigen Temperaturen schnell aufgeladen wird, kommt es an der Anode zu einem Phänomen, das als Lithium-Plating bezeichnet wird. Aus diesem Grund interkalieren Lithiumatome nicht innerhalb der Anode. Dies führt zu inertem Lithiummetall (das keinen Strom erzeugen kann) auf der Oberfläche der Elektroden.

Betrachtet man die oben aufgeführte Liste der Verschlechterungsmechanismen, wird deutlich, dass schnelles Laden zwangsläufig die Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs verkürzt. Allerdings sind Elektrofahrzeugbatterien so konzipiert, dass sie Batterieschäden verhindern. Bevor wir also zu dem Schluss kommen, dass schnelles Laden für Elektrofahrzeuge schlecht ist, wollen wir uns zunächst damit befassen, wie ihre Batteriepakete konzipiert sind, um einer Verschlechterung entgegenzuwirken.

Batteriepakete für Elektrofahrzeuge bestehen aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die zu Modulen verbunden sind. Zur Bildung des Pakets werden mehrere Module miteinander verbunden, und der Batteriezustand wird vom Batteriemanagementsystem, auch BMS genannt, verwaltet.

Das BMS ist im Grunde ein Computer, der mit mehreren Sensoren verbunden ist, die die Spannung, den Strom und die Temperatur einzelner Zellen überwachen. Anschließend werden diese Daten analysiert, um sicherzustellen, dass jede Zelle optimal funktioniert.

Wenn die Zellen im Akkupack zu heiß sind, erhöht das BMS die Kühlung, um die Gesamttemperatur des Akkupacks zu senken. Wenn beim DC-Schnellladen eine hohe Zellspannung oder ein hoher Zellstrom festgestellt wird, reguliert es beide Parameter, um Schäden an der Batterie zu verhindern.

Das BMS ist daher der Teil des Elektrofahrzeugs, der die größte Rolle bei der Reduzierung der Batterieverschlechterung spielt.

Schauen wir uns einige Studien an, die zeigen, wie viel Schaden Fahrzeuge durch schnelles Laden erleiden. Vier 2012er Nissan Leaf-Elektrofahrzeuge wurden vom Idaho National Laboratory in Phoenix, Arizona, gefahren. Zwei Fahrzeuge wurden per DC-Schnellladung geladen, die anderen beiden per AC-Level-2-Ladung, mit folgendem Ergebnis:

Die Verschlechterung der Batterieleistung erfolgt unabhängig von der Lademethode, ist jedoch bei Fahrzeugen, die schnell aufgeladen werden, stärker; der Unterschied beträgt etwa 5 Prozent.

In einem anderen Experiment als dem oben genannten wurden zwei Nissan Leaf-Batteriepakete unter Laborbedingungen vom Idaho National Laboratory getestet. Einer wurde mit Gleichstrom schnell aufgeladen, während der andere nur mit Wechselstrom aufgeladen werden konnte. Das Ziel dieses Tests bestand darin, zu sehen, was mit der gesamten Packung und nicht mit jeder Zelle wie im vorherigen Experiment passiert.

Dies zeigt einen starken Zusammenhang zwischen der Verschlechterung des Akkupacks und der Temperatur, was darauf hindeutet, dass schnelles Laden kein so bedeutender Faktor für die Verschlechterung des Akkus ist.

In einer anderen Studie sammelte Geotab, ein Flottenmanagementunternehmen, Daten zum Batteriezustand von 6.000 Elektrofahrzeugen und kam zu dem Schluss, dass schnelles Laden die Geschwindigkeit erhöht, mit der sich eine Batterie verschlechtert. Diese Studie hat, wie viele andere auch, gezeigt, dass schnelles Laden die Geschwindigkeit erhöht, mit der sich die Lithium-Ionen-Batterie in Ihrem Fahrzeug verschlechtert, und hat die entscheidende Rolle des BMS hervorgehoben, die Verschlechterung so gering wie möglich zu halten.

Mit der Zeit verliert der Akku Ihres Elektrofahrzeugs zwangsläufig an Kapazität. Allerdings hängt die Geschwindigkeit, mit der diese Verschlechterung auftritt, von mehreren Faktoren ab, und schnelles Laden ist sicherlich einer der Faktoren, der diese Verschlechterung beschleunigen kann.

Beachten Sie außerdem, dass sich die Reichweite Ihres Akkus nicht wesentlich verringert, wenn Sie das Schnellladen in Maßen anwenden. Sie können es auch auf langen Autofahrten verwenden, um die Zeit zu verkürzen, die zum Aufladen Ihres Fahrzeugs benötigt wird.

Nischay ist Absolvent der Elektronik- und Kommunikationstechnik und hat ein Gespür für die Vereinfachung alltäglicher Technologie. Seit 2020 macht er Technik leicht verständlich und arbeitet mit Publikationen wie Candid.Technology, Technobyte, Digibaum und Inkxpert zusammen. Darüber hinaus liebt Nischay Automobiltechnik und arbeitet seit zwei Jahren als Ingenieur bei Stellantis. Er verfügt über umfassende Kenntnisse über die Funktionen, die moderne Autos sicherer und einfacher zu fahren machen.