Alterung – SoH-Verlust

Allgemein

NMC811-Akkus (Nickel 80 % – Mangan 10 % – Cobalt 10 %) sind die gängigen Akkus bei E-Bikes. Die wichtigsten Begriffe im Zusammenhang mit der Alterung sind folgende:

• SoH (State of Health): Als SoH wird der Gesundheitszustand eines Akkus bezeichnet. Er bezieht sich auf die Nennkapazität und wird in [%] angegeben. Beispiel: Bei einem Akku mit einem SoH von 70 % und einer Nennkapazität von 1’000 Wh können noch 700 Wh genutzt werden. Den SoH könnte man feststellen, indem man den Akku vollständig entlädt (SoC = 0 %), dann vollständig auflädt und prüft, welche Energie bis 100 % SoC nachgeladen werden kann. In der Praxis ist es jedoch nicht ganz so einfach. Um den SoH genau zu bestimmen, braucht man den Innenwiderstand, Isolationswiderstand, Zelldrift im belasteten, leeren und vollen Zustand sowie den CAC.
• CAC (Capacity at Charge oder Current Actual Capacity): Der CAC ist die konkrete, gemessene Kapazität eines Akkus in einem bestimmten Zyklus. Er ist die zentrale Messgrösse zur Berechnung des SoH (des prozentualen Kapazitätsverlusts).
• Kalendarische Alterung: Die kalendarische Alterung bezieht sich auf die Alterung der Batterie während der Lagerung ohne Verwendung. Sie hängt u. a. von Zellentyp, Chemie, Lagertemperatur und Ladezustand (SoC) ab und verläuft nichtlinear. Das Schwarmwissen im Internet gibt Werte von 0,5–3 % Kapazitätsverlust pro Jahr an (je nach Lagerbedingungen, insbesondere der Temperatur). Selbst bei optimaler Lagerung verschlechtert sich die Kapazität des Akkus kontinuierlich.
• Zyklische Alterung: Die zyklische Alterung tritt aufgrund wiederholter Lade- und Entladezyklen auf. Jeder Zyklus führt zu chemischen Reaktionen, die die Leistungsfähigkeit der Batterie im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Entscheidende Parameter sind das Lademanagement (inkl. Rekuperation), die Entladeströme, die Betriebstemperatur, die C-Rate (Laderate) und der DoD (Depth of Discharge = Entladetiefe). Eine pauschale Prozentangabe ist nicht möglich, da zu viele Faktoren mitspielen. Heutige Li-Ionen-Akkus haben eine Zyklenfestigkeit von 300 bis zu mehreren 1’000 Zyklen, bis sie EoL (End of Life) erreichen. Die Akkutechnologie entwickelt sich rasch weiter – in naher Zukunft wird die zyklische Alterung nur noch eine untergeordnete Rolle spielen, da das Produkt, in dem der Akku verwendet wird, vorher das Ende seines Lebenszyklus erreicht.
• Innenwiderstand: Der Innenwiderstand einer Batterie bezeichnet den Widerstand in jeder Zelle, der dem Stromfluss entgegenwirkt. Dieser verursacht einen Spannungsabfall, wenn die Batterie Strom liefert. Steigender Innenwiderstand führt zu reduzierter Leistungsabgabe, erhöhter Wärmeentwicklung und schnellerem Kapazitätsverlust – er wirkt sich also direkt auf Leistung, Sicherheit und Lebensdauer von Lithium-Batteriepacks aus. (Quelle)

Jeder NMC-811-Akku verliert ab dem Herstellungstag kontinuierlich Kapazität. Er altert durch Lagerung (kalendarisch) und Nutzung (zyklisch). Exakte Werte hängen von den individuellen Nutzungsbedingungen ab. Besonders kalte und warme Temperaturen fördern bei Li-Ionen-Akkus die Alterung.

Optimaler Betriebsbereich: 20 °C bis 35 °C In diesem Fenster arbeiten chemische Reaktionen effizient und ohne übermäßige Alterungserscheinungen.

Maximaler Temperaturbereich (Entladen): -20 °C bis 55 °C
Bei Temperaturen über 45–50 °C setzt ein stark beschleunigter Abbau der Passivierungsschicht (SEI) ein.

Wenn der NMC811-Akku im Bereich von 20 % bis 80 % SoC und bei Zelltemperaturen zwischen 15 °C und 35 °C betrieben wird, lässt sich die Degeneration drastisch reduzieren und eine hohe Zyklenzahl erreichen.

Weitere Begriffsdefinitionen finden sich in meinem Kompendium: ‚Der Li-Ionen Akku | Theorie und Begriff- Kompendium‘.

Wo wird der SoH angezeigt, was ist bezüglich Garantie zu beachten?

Wo der SoH in der Omni App und dem Omni angezeigt wird, und was bei einem Garantiefall zu beachten ist, kann hier nachgelesen werden.

Eigene Erfahrung

Über rund drei Jahre habe ich den SoH-Verlust meines BQ983 Akkus gemessen.

Messanordung:
Akku: BQ983 (blau), neu
Stromer: ST3
Messzeitraum: Aug. 2019 bis Okt. 2022

Der Akku wurde das ganze Jahr gefahren. Die Entladetiefe (DoD = Depth of Discharge) lag meist bei 70–100 % und konnte aufgrund der Pendelstrecke nicht optimiert werden. Das heisst, der Akku wurde stets voll geladen und meist bis auf einen SoC von 0–30 % entladen. Der Stromer wurde zu 90 % mit „All In“ – d. h. Stufe 3 und 100 % Sensor – gefahren.

Auswertung aus Foren

Ein Einzelmessung kann natürlich nicht als Referenz dienen, deshalb habe ich eine Auswertung von 60 Rückmeldungen (Omni Screenshot oder textlich erwähnt) aus verschiedenen Stromer-Foren und Facebook-Gruppen gemacht.

Stromer gibt eine Garantie von 75% SoH nach zwei Jahren. Aus der Statistik lässt sich folgende Aussage zum SoH Verlust bzw. der Garantie-Reichweite ableiten.

Ein Stromer-Akku kann die 75-%-SoH-Schwelle ab ca. 16’000 km erreichen. Im statistischen Mittel sind es in meiner Auswertung ca. 22’000 km.

Grob kann man von ca. 1 % SoH-Verlust pro 1’000 gefahrenen km ausgehen.

Die ST7 mit dem grossen 1440-Wh-Akku haben eine kleinere Degradation des SoH und es sind mehr als 1’000km/SoH% möglich.

Achtung:
a.) Anhand des SoH-Werts allein lässt sich nicht generell auf die Lebensdauer des Akkus schliessen. So kann ein Akku mit 90 % SoH einen Zelldrift aufweisen und ist somit defekt. Andere Akkus werden im Wohlfühl- oder Grenzbereich betrieben und können im Einzelfall wesentlich mehr oder weniger Gesamtkilometer erreichen.

b.) Wie das Diagramm zeigt, gibt es Ausreisser auf beide Seiten – die Streuung ist recht gross. Elf SoH-Werte (ab 10’000 km mit SoH > 95 % und ohne Extender-Akku) habe ich für die Berechnung des Ø-SoH-Verlusts nicht berücksichtigt. Sie sind aufgrund der zyklischen und kalendarischen Degradation eines Li-Ionen-Akkus nicht realistisch.

c.) Auf Fehlberechungen des SoH durch das BMS sind wohl ein Grund für Ausreisser. Siehe dazu das Thema: Akkugesundheit „SoH“ ? unter Wie misst Stromer den Gesundheitszustand (im Garantiefall)?

All das bedeutet nicht, dass SoH-Werte auch nach mehreren 10’000 km hoch sein können. Die Zyklenzahl und damit die EoL-Grenze kann bei Li-Ionen-Akkus massiv gesteigert bzw. hinausgezögert werden, wenn die Zellen im Komfortbereich betrieben werden. Komfortbereich bedeutet beim Stromer-S-Pedelec viel Eigenleistung: Fahrstufe 1, Drehmomentsensor 60 % oder weniger, schonendes Laden in einem SoC-Fester 20 – 80% und Lagern oder die Verwendung eines Extenderakkus.

Alterung verlangsamen / Lebensdauer verlängern?

Um den Alterungsprozess zu verlangsamen, gibt es durchaus Möglichkeiten. Allerdings hängen diese stark vom Nutzungsprofil bzw. den Alltagsbedingungen ab. Positive Faktoren, um den Alterungsprozess zu verlangsamen, sind:

• Begrenzung des Ladehubs bzw. Ladefensters: nicht vollständig laden, aber auch nicht leer fahren (siehe oben unter Allgemein).
• Korrektes Laden: nicht bei Kälte oder direkt nach einer ausgiebigen Fahrt an heissen Sommertagen – den Akku zuerst abkühlen lassen.
• Vermeiden der Rekuperationsstufen 4 und 5 bei längeren Bergabfahrten (mehr Details hier).
• Den Stromer nicht längere Zeit in der Sonne stehen lassen.
• Mit Fahrstufe 1 und einem reduzierten Drehmomentsensorwert fahren. Das bedeutet wiederum mehr Eigenleistung und geringere Geschwindigkeit.

Siehe dazu auch die Kapitel:

> AKKU – ,Selbstentladung eines BQ983 Akkus‘
> AKKU – ,Lebensdauer verlängern?!‘
> AKKU – ,Pfege: Mechanisch / im Betrieb / Lagerung / Sicherheit‘
> PIMP mySTROMER – ‚Extenderakku‘