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Neue Studie zur Lebensdauer von NCA Akkus in E-Fahrzeuge

Tesla

Ich wurde gebeten meinen Beitrag aus dem TFF auch hier zu posten.

Vor kurzem habe ich eine neue Studie gefunden die doch einige der Dinge die hier im Forum bezüglich der Batterielebensdauer diskutiert werden experimentell untersucht hat und teilweise überraschende Ergebnisse ergab. Diese machen auch einige Änderungen die Tesla über die Zeit hinsichtlich Behandlung der Batterie vorgenommen hat, verständlicher.

Impact of Dynamic Driving Loads and Regenerative Braking on the Aging of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles Peter Keil and Andreas Jossen Institute for Electrical Energy Storage Technology, Department of Electrical and Computer Engineering, Technical University of Munich, 80333 Munich, Germany

Damit nicht jeder den sehr langen Text lesen muss möchte ich die wesentlichen Erkenntnisse daraus hier im Beitrag darstellen. Wenn die Details interessieren dann kann man ja den kompletten Text lesen.

Grundlage für die Tests ist die Verwendung von Panasonic NCR18650PD Zellen. Diese dürfte mehr oder weniger der Urvater der heutige Tesla Zelle sein, so dass das Verhalten in den Tests doch relativ ähnlich ist, auch wenn wohl Tesla in Zusammenarbeit mit Tesla einige Verbesserungen vorgenommen haben dürfte.

Anstatt wie in anderen Tests einen konstanten Strom zum Laden und Entladen zu nehmen, wird hier der American US06 driving cycle verwendet, der als worst case Szenario gesehen wird, da sehr viele starke Beschleunigungen und Verzögerungen vorkommen.

[attachment=4]US06.JPG[/attachment]

Die folgenden Parameter wurden variiert:

  • Variation der stärke der Rekuperation
  • drei verschiedene maximale Ladezustände (3,7V/45%, 3,9V/68%, 4,1V/87%)
  • Entladetiefe (24,8% ohne Rekuperation, 20,4 % mit höchster Rekuperation, 2x, 3x)
  • Temperatur (10° C, 25° C, 40° C)

Zusätzlich wurde die kalendarische Alterung mit den Parametern für die Laufzeit der Tests bestimmt um die zyklische Alterung und kalendarische Alterung voneinander unabhängig bewerten zu können.

Hier ist die Übersicht aller Tests:

[attachment=3]Keil-Tests.JPG[/attachment]

Ein US06 Zyklus entspricht etwa 13 km und es wurden immer mindestens zwei solche Zyklen gefahren bevor die Zellen wieder auf den maximalen Ladezustand für den Zyklus geladen wurden. Ohne Rekuperation wurden damit immer etwa 1/4 der Zellkapazität entladen. Ein Equivalent Full Cycle entspricht einer Distanz von ungefähr 100 km. Es wurde bis zu einer Distanz von 2000 EFC (200.000 km) gemessen.

Temperatureinfluss

[attachment=2]Keil-Temperatur.JPG[/attachment]

Nach 50.000 km ergibt sich eine Degradation von etwa 5,5 % bei niedrigem SoC, 6,3 - 7,2 % bei mittlerem SoC, und 8 - 12 % bei hohem SoC. Neben dem Cycle Aging hat auch die kalendarische Alterung einen deutlichen Einfluss, insbesondere bei hohem Ladezustand und hohen Temperaturen. Dies wurde ja auch schon in anderen Studie festgestellt. Aber besonders interessant ist das hohe Cycle Aging bei 10° C und hohem Ladezustand. Ganz generell kann man sagen dass die beste Performance bei etwa 25° C erzielt wird. Bei niedrigeren Temperaturen ist zwar die kalendarische Alterung niedriger, es nimmt aber die zyklische Alterung zu, bei höheren Temperaturen dominiert die kalendarische Alterung.

Der Innenwiderstand der Zellen hat sich nur um etwa maximal 15 % verschlechtert, wobei die Veränderung bei 10° C am größten war. Dies ist weitgehend unabhängig vom Ladezustand.

Einfluss der Rekuperation

[attachment=1]Keil-Rekuperation.JPG[/attachment]

Bei 40° C und Low/Medium Ladezustand gibt es nahezu keinen Unterschied bei unterschiedlich starker Rekuperation. Bei High Ladezustand ergibt sich dagegen dass die Degradation umso geringer ist je höher die Rekuperation ist. Dies dürfte sich damit aus der geringeren Entladetiefe ergeben. Bei 25 und 10 ° C ergeben sich größere Unterschiede. Interessant ist hier wieder der Wert bei 10° C und High Ladezustand. Wird ohne Rekuperation gearbeitet dann ergibt sich die höchste Degradation, bei maximaler Rekuperation die geringste Degradation.

Einfluss der Entladetiefe

[attachment=0]Keil-Entladetiefe.JPG[/attachment]

Diese Tests wurden jetzt mit 1200 EFC (120.000 km) und unbegrenzter Rekuperation durchgeführt. Das beste Ergebnis wurde mit Low Ladezustand und nur nur 20 % Entladetiefe erzielt. Auch hier ist wieder der Test bei 10° C interessant, denn hier gibt es vorzeitige Ausfälle von Zellen, bei hohem Ladezustand und großer Entladetiefe.

Ganz generell ist das Laden auf hohen Ladestand mit darauf folgender großer Entladetiefe eine Ursache für eine hohe Degradation. Hier gibt es auch einen signifikanten Anstieg des Innenwiderstandes was bei hoher Belastung zu einem starken Spannungseinbruch führt.

Langzeittest

[attachment=0]Keil-LongTerm.JPG[/attachment]

Der Langzeittest geht jetzt über etwa 200.000 km bei 25° C. Hier wird die starke Abhängigkeit von der Entladetiefe deutlich. Je höher der Ladezustand und je tiefer die Entladung umso stärker ist die Degradation. Allerdings kann ein Teil des Verlustes durch Pausen wieder zurück gewonnen werden.

Der Innenwiderstand steigt insbesondere bei hohem Ladestand und großer Entladetiefe an..

Zusammenfassung

  • Zyklische Alterung reduziert sich mit der Temperatur, wobei es bei 10° C aber auch zu einer beschleunigten Alterung kommt.
  • Rekuperation verbessert die Zelllebensdauer
  • Die Entladetiefe ist ein dominierender Fakter bei der Degradation, insbesondere bei hohem Ladezustand.
  • Kapazitätsverluste reduzieren sich wieder langsam in Nutzungspausen.

Zitat:

Operating conditions for long cycle life.—

For cycle life estimations for an EV, cells have been cycled up to 2000 EFC which is far beyond the USABC development goals for future EV batteries of 1000 cycles. The 2000 EFC could be achieved at 25?C with less than 20% capacity fade for cycle depths up to approx. 60%. Moreover, it has to be considered that for softer load patterns than the constant US06 highway driving, battery aging is expected to be lower. Overall, the best cycle life has been obtained for a low cycle depth in combination with a low average SoC. In general, avoiding the SoC regimes of lowest anode potential reduces calendar aging and also the susceptibility to lithium plating.

Möge jeder seine eigenen Konsequenzen daraus ziehen. Ich werden jedenfalls dafür sorgen, dass die Batterie immer gut vor geheizt wird, weiterhin nur so viel laden wie unbedingt nötig und möglichst flache Zyklen fahren.

Weitere Studien zur Alterung:

http://jes.ecsdl.org/content/163/9/A1872.full

http://m.jes.ecsdl.org/content/164/1/A6066.full.pdf

http://batteryuniversity.com/.../subscribe_thx

https://www.google.de/url?...

https://www.researchgate.net/.../...Through_Optimized_Partial_Charging

https://www.researchgate.net/.../...artial-state-of-charge-cycling.pdf

Ist zwar älter aber vielleicht doch noch interessant Infos aus dem Tesla Tech Talk (06/13):

Zitat:

1) battery degrades everyday

2) battery degradation is non-linear over time; meaning it starts very very slow, but after 4-5 years, it gets faster

3) after the first 5 years, degradation may be as low as 5%. But by the 8th year, they expect about 30% degradation.

4) every evening, performance statistics are collected from all the cars and battery performance is assessed. If a few cars are degrading substantially faster than the cohort, TM will proactively call the customer and ask him/her to come over for a battery inspection/replacement.

5) there is an average rate of battery degradation that they expect (their models predict), but they are not publicizing that. The actual rate of degradation will be determined by the average performance of all the cars.

6) last, but not least, because TM really cares about its reputation and credibility, if they feel degradation on a car is normal, but the customer is very unsatisfied, for reputation's sake, TM will most likely provide a replacement.

Us06
Keil-tests
Keil-temperatur
+3
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26 Antworten

Ich habe eine Bitte...die Kürzel „SoC“ mit dem deutschen Wort „Ladezustand“ zu tauschen.

Dann wird diese Studie wirklich für alle verständlich.

Gruß Egon, frohe Weihnachten und guten Rutsch ins neue Jahr

Dejan

Danke für die Aufbereitung dieser Studie! Dürfte für alle Fahrer interessant sein - besonders für diejenigen, die nicht geleast, sondern gekauft haben.

Vielen Dank egn, extrem hilfreich.

Ein paar Fragen dazu:

1) Ich lade in der Regel ein bis zweimal die Woche von ca. 20%-30% auf dann immer 90% auf. Gilt dies bereits als hohe Entladetiefe? Oder spricht man von hoher Entladetiefe, wenn man Langstrecke fährt und dann halt von 100% auf 10% und dann wieder auf 90% usw. ?

2) Warum hat ein Ladezyklus nur 100km? Ich dachte immer ein Ladezyklus entspricht einmal laden von 0%-100% oder bspw. 2 mal laden von 30%-80%.

3) Bzgl. der klendarischen Alterung ist es besser den Akku bei niedrigeren Temperauren zu halten. Bzgl der zyklischen Alterung ist es besser den Akku bei höheren Temperaturen zu bewegen. Welcher Prozess dominiert?

Zitat:

@chrisschorsch schrieb am 25. Dezember 2017 um 20:38:40 Uhr:

Welcher Alterungsprozess dominiert?

Gute Frage. ;)

Anbei die Daten von Teslafahrern, die ihre Restreichweite in einem Sheet sammeln und daraus ein Chart erstellen.

Zum Ladeverhalten werden auch Daten erhoben. Hier das originale Google Spreadsheet:

https://docs.google.com/.../edit#gid=0

Darin sind sehr viele spannende Daten, wenn wer etwas minen will. Unter anderem gibt es auch Charts zur Rest-Kapazität über die gefahrenen Kilometer und über das Alter des Akkus.

Kurzfassung: Man muss sich schon verdammt anstrengen und alles falsch machen, dass man vor 200.000km, 1.000 Ladezyklen und 5 Jahren unter 90% kommt.

Tesla-battery-degradation-2

@Martin: Danke für den Hinweis.

Es sieht so aus, als ob der 90er Akku etwas schneller "altern" würde als die bereits eingestellten 60er und 85er. Kann mir nicht ganz erklären warum, da eigentlich dieselben 18650er Akkus verpackt wurden.

Verstehe ich das richtig, das heisst also der täglich gebrauch von 10% auf 80-90% zu laden und wieder runterzufahren ist eher schädlich für die Batterie?

So auch bei kaltem Wetter (unter 10grad) den Akku voll zu haben, diesen dann auch stark zu beanspruchen?

Wenn ja, denke ich da an die Videos von Bjorn, der ja eine "aufwärm" taktik kürzlich gezeigt hat, damit man schneller lädt am SuC. (Beschleunigen, Rekuperieren, Beschleunigen, Rekuperieren, für ca 5min, damit die Batterie sehr warm wird)

Das würde das "aging" der Batterie ja deutlich fördern?

Oder mache ich da einen Überlegungsfehler?

Wie kann man am schonensten die Batter wärmen im kalten Wetter? Geht das nur über das Fahrzeug zu Hause anhängen und "anschalten", dann 30min warten bis es wärmer ist?

Ich denke genau das will Tesla mit dem neuen Feature "Batterie vorheizen" abdecken, welches bald kommen soll. Nur leider etwas spät^^

Jedenfalls viele interessante erkenntnisse in der Studie. Danke für den Beitrag!

Zitat:

@chrisschorsch schrieb am 25. Dezember 2017 um 20:38:40 Uhr:

1) Ich lade in der Regel ein bis zweimal die Woche von ca. 20%-30% auf dann immer 90% auf. Gilt dies bereits als hohe Entladetiefe? Oder spricht man von hoher Entladetiefe, wenn man Langstrecke fährt und dann halt von 100% auf 10% und dann wieder auf 90% usw. ?

In der Studie wurde ja verschiedene Entladetiefen untersucht:

4,1V/88 % - 27 %, 88 % - 47 %, 88 % - 68 %

3,9V/76 % - 35 %, 76 % - 56 %

3,7V/56 % - 36 %

Deine Ladestrategie entspricht der schlechtesten unter den untersuchten 4,1V/88 % - 27 %. Die Degradation schreitet in allen Temperaturbereichen am schnellsten fort, und was noch schlechter ist, der Innenwiderstand steigt deutlich stärker an.

Ideal wäre es wenn man bei jeder Gelegenheit aufladen würde und dabei insgesamt einen möglichst niedrigen Ladestand hätte.

Zitat:

2) Warum hat ein Ladezyklus nur 100km? Ich dachte immer ein Ladezyklus entspricht einmal laden von 0%-100% oder bspw. 2 mal laden von 30%-80%.

Der US06 Testzyklus entspricht einer bestimmten Fahrstrecke. Das verwendete Fahrzeugmodell wurde jetzt so eingestellt, dass die Energiemenge für eine Fahrt von etwa 100 km mit diesem Fahrzyklus ausreicht. Damit entspricht eine gefahrene Fahrstrecke von 100 km einem Vollzyklus von 100 - 0 % der Batterie.

Zitat:

3) Bzgl. der klendarischen Alterung ist es besser den Akku bei niedrigeren Temperauren zu halten. Bzgl der zyklischen Alterung ist es besser den Akku bei höheren Temperaturen zu bewegen. Welcher Prozess dominiert?

Die Temperatur von 25° C ist für die kalendarische Alterung schon ausreichend niedrig. Darunter gewinnt man nicht mehr viel. Dies kann man auch in der entsprechenden Grafik, die die Abhängigkeit von der Temperatur zeigt sehen. Dort ist ja auch die Kurve für die kalendarische Alterung enthalten. Welcher Prozess dominiert hängt aber auch von anderen Parametern ab, z.B. eben auch wie viele Zyklen innerhalb einer bestimmten zeit gefahren werden und wie hoch der Ladestand ist.

Der generelle Rat ist bei möglichst niedrigem Ladestand mit kleinen Ladungshub zu fahren. Da spielt dann die hohe Temperatur beim Entladen mit hoher Entladeleistung keine große Rolle. Die Batterie wird dann sowieso auf Umgebungstemperatur abkühlen, was bei uns in Europa eher niedriger als 25° C ist. Das Laden sollte dann auch bei Temperaturen ab 15° C erfolgen, was ja das Tesla BMS auch anstrebt. Bei kalter Batterie sollte man möglichst nicht voll laden.

@MartinBru:

Wie ich an anderer Stelle schon schrieb geben die Typical Werte nicht unbedingt Auskunft über den Gesundheitszustand des Akkus. Diese sind errechnet aus dem was das BMS meint welche Kapazität noch vorhanden ist. Das verwendete Modell berücksichtigt hier anscheinend nicht den Innenwiderstand der Zellen, was ja immer wieder zu Liegenbleibern mit mehr als 0 % Restreichweite führt.

Man darf sich bei der Interpretation der Graphik nicht durch die eingezeichnete Trendlinie beeinflussen lassen. Wenn man diese ignoriert dann sieht man eine erhebliche Streuung aller Werte, die sich meiner Meinung nach wohl auch durch die vielen Einflussfaktoren auf die Lebensdauer ergibt. Leider kommt aus den Analysen hinsichtlich der Nutzung und der daraus ergebenden lage über oder unter dem Durchschnitt kein eindeutiges Bild. Dies lässt mich etwa an der generellen Aussagekraft der Typical Werte zweifeln. Manchmal kommt es mir auch vor als wenn falsche Werte eingetragen wurden, oder die Typical Werte des BMS teilweise schlicht falsch sind.

@chrisschorsch:

Die Akkus haben zwar die gleiche Verpackung, der Inhalt ist aber zwischen 85er und 90er Akku verschieden. Dies hat sich ja mittlerweile auch beim Handlung durch das BMS herausgestellt. Während die 85er Akkus problemlos ab 0 % mit der maximalen Ladeleistung geladen werden, werden 90er Akkus erst ab 10 % mit etwas reduzierter Höchstleistung geladen, dafür aber etwas länger als beim 85er. Tesla kann natürlich auch die höhere Degradation beobachten und hat deshalb verschiedene sichtbare und nicht-sichtbare Maßnahmen ergriffen um dies in den Griff zu bekommen. Dass jetzt die Batterieheizung auch mit dem Vorheizen zusammen erfolgt könnte auch eine solche Maßnahme sein um die Degradation in den Griff zu bekommen und damit die Garantiekosten zu minimieren.

Wie auch immer, man wird sich nicht immer an solche Vorschläge halten können, weil man sich dann unter Umständen schon in der Nutzung einschränken muss. Deshalb geht es nur darum sich dann daran zu halten wenn es möglich ist, und ansonsten das Fahrzeug so zu nutzen wie man es gerade braucht.

Interessant wäre zu wissen, in wieweit die Elektronik des Tesla solche Informationen schon einbezieht und optimiert. Dann könnte nämlich eine zusätzliche „Optimierung“ kontraproduktiv sein.

Zitat:

@egn schrieb am 26. Dezember 2017 um 13:50:19 Uhr:

Man darf sich bei der Interpretation der Graphik nicht durch die eingezeichnete Trendlinie beeinflussen lassen. Wenn man diese ignoriert dann sieht man eine erhebliche Streuung aller Werte, die sich meiner Meinung nach wohl auch durch die vielen Einflussfaktoren auf die Lebensdauer ergibt.

Natürlich. Das meinte ich damit, dass man alles falsch machen muss, wenn man als Ziel hat mit den unteren Punkten in den Charts mithalten zu wollen. ;)

Wenn man z.B. in der täglichen Nutzung zwischen 50 und 70% SoC bleibt und nur für Langstrecke volllädt und dann gleich losfährt und bei kaltem Akku auf extreme Leistungen (fahren und rekuperieren) verzichtet, dann sollte man locker im Schnitt oder darüber bleiben.

Das ist vergleichbar mit denen, die beim Verbrenner mit kaltem Motor mit Vollgas aus dem Parkplatz stechen und den heißen Turbo sofort nach der Vollbremsung abstellen.

Mein persönliches Ziel ist den Akku solange über 90% Kapazität zu halten, bis es um 20.000 Euro ein Upgrade auf 200kWh mit 500kW Ladeleistung gibt. ;)

Zitat:

@MartinBru schrieb am 26. Dezember 2017 um 15:57:41 Uhr:

Mein persönliches Ziel ist den Akku solange über 90% Kapazität zu halten, bis es um 20.000 Euro ein Upgrade auf 200kWh mit 500kW Ladeleistung gibt. ;)

Dann würde ich Dir empfehlen Dein Fahrzeug bei etwa 20 % Ladestand völlig stromlos bei knapp über 0° C einzulagern. Einmal im Jahr bringst Du das Fahzeug wieder auf 25°C und lädst es wieder auf 20 %. Damit solltest Du zumindest 20 Jahre überbrücken können. :D

So pessimistisch? Wie lange hat das Upgrade des Roadster 1.0 auf aktuelle Akkutechnik auf sich warten lassen? Keine 10 Jahre glaube ich.

Ich würde tippen, dass es für das Model S ein ähnlicher Angebot gibt, wenn die Gigafactory auf Touren ist und alle Roadster 2.0 ausgeliefert sind. Also irgendwann in ca. 5 Jahren, wenn die ersten Model S 10 werden.

Dank deiner Tipps sollten die Model S Akkus entsprechend lange halten.

Nochmals danke eng für deine Erklärungen. Dachte eigentlich meine Ladestrategie entspricht eher dem Durchschnitt aller Teslafahrer und nicht dem schlechtesten. Es gibt ja doch so einige, die relativ häufig (wöchentlich) auf 100% aufladen und dann auch gerne auf 1-2% runterfahren. Da ich auf der Arbeit auflade und dort per Ladevorgang abgerechnet wird (unabhängig von den kWh) hatte ich diese Ladestrategie gewählt. Da ein Ladevorgang allerdings nur 2€ kostet, ist der Schaden, den ich dem Akku dadurch zufüge uU deutlich kostspieliger.

Einen anderen Einflussparameter auf die Lebensdauer der Batterie, dem mir Tesla vor ein paar Tagen mitgeteilt hat, ist die Ladegeschwindigkeit. Ich wollte wissen, wie ich den BMS am besten kalibrieren kann, so dass ich ein paar km verlorene TR zurückgewinne. Angeblich soll ich den Akku auf 0km TR runterfahren und dann an der 220V Steckdose sehr langsam bis auf 100% aufladen. Das wäre das beste für den Akku und so könnte man auch am besten den BMS kalibrieren. Was hälst du davon?

@chrisschorsch

Zum täglichen Weg zur Arbeit gibt's sogar einen Tipp vom Chef persönlich:

https://twitter.com/elonmusk/status/448466037441179649?lang=en

Zitat:

@chrisschorsch schrieb am 26. Dezember 2017 um 18:45:17 Uhr:

Dachte eigentlich meine Ladestrategie entspricht eher dem Durchschnitt aller Teslafahrer und nicht dem schlechtesten.

Ich denke damit hast du auch Recht...wir laden idR genau so und viele werden es wohl ähnlich machen. Grund? Vermutlich Bequemlichkeit. Ich sehe anhand der bisherigen Degradationsergebnisse auch kein großes Problem darin.

Klar, besser kann man es immer machen und die Degradation auf ein Minimum reduzieren...aber der Elan für selbsterzeugte Verbesserungen ist gering - gerade beim Leasingfahrzeug. Selbst "schlechte" Werte zeigen bei 200k km noch gute Kapazitätswerte auch wenn da eine gewisse Verfälschung durch das BMS mit drin sein mag...und auch ein Durchschnitts-Tesla neigt sich nun mal - abgesehen von absoluten Vielfahrer-Fahrzeugen (500k und mehr) - bei spätestens 250-300k km seinem (wirtschaftlichen) Lebensende entgegen. Vermutlich nicht mal wegen Antrieb und Akku, aber anderen Bauteilen, Elektrik, etc. ...wie jedes andere Auto eben auch.

Dennoch finde ich die verlinkten Studien aus dem Startbeitrag sehr interessant (danke dafür!) und jeder kann daraus seine eigenen Schlüsse für seine persönliche Ladestrategie ziehen. Im Alltag kommt man allerdings auch gut damit zurecht, wenn man einfach nur fährt und lädt wie es einem beliebt und möglichst 0 bzw. 100% Ent-/Ladungen außer bei Langstrecken vermeidet (das ist ja auch das, was einem Tesla mit auf den Weg gibt). Man kann eine Wissenschaft draus machen (absolut nicht negativ gemeint!)...muss es aber nicht.

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