Vampirverluste: Selbstentladung von Elektroauto-Batterien

Aus Erfahrungsberichten von Elektroautofahrern und in einschlägigen Foren hört und liest man immer mal wieder von sogenannten „Vampirverlusten“ der Batterie – also dem Absinken des Ladezustands der Batterie eines Fahrzeugs, obwohl dieses nicht bewegt wurde. Der Nutzer erwartet dies nicht und es stellt sich daher schnell die Frage, wohin die Energie „verschwindet“. Was sind die Ursachen für diese Effekte? Generation Strom klärt auf.

Bevor wir uns die verschiedenen Ursachen genauer anschauen, müssen wir zunächst einen Blick auf das Herzstück einer Batterie, der einzelnen Zelle, werfen. Das Absinken des Ladezustands einer elektrochemischen Zelle wird gemeinhin als „Selbstentladung“ bezeichnet. Dieser Effekt tritt bei praktisch allen gebräuchlichen Zelltypen auf und ist daher nichts Ungewöhnliches. Allerdings ist die Selbstentladung – je nach verwendeter Zellchemie – unterschiedlich. Blei-Säure- oder Nickel-Metal-Hydrid-Akkus (NiMH) weisen dabei eine höhere Selbstentladung auf als Lithium-Ionen-Zellen, die in den meisten modernen Elektroautos und Hybridfahrzeugen in den Batteriepaketen verbaut sind.

Zwar haben NiMH-Akkus eine höhere Selbstentladung als Lithium-Ionen-Akkus, dafür sind erstere robuster gegen die Auswirkungen einer möglichen Tiefentladung. Ein NiMH-Akku mit niedriger Spannung lässt sich vergleichsweise problemlos wieder aufladen. Eine zu tief entladene Lithium-Ionen-Zelle darf gegebenenfalls nicht mehr verwendet werden, da diese irreparable Schäden aufweisen könnte, was unter zu hoher Belastung zu einem Brand führen kann. Um dies zu verhindern, verfügen die Lithium-Ionen-Batterien (und natürlich auch deren NiMH-Pendants) über ein Batterie-Management-System (BMS), das im Betrieb ständig und im Stillstand sporadisch die Zellspannung überwacht.

Da der Ladezustand einer Zelle mit der Spannung der Zelle korreliert, lässt sich die Selbstentladung einer Zelle in (Milli-)Volt pro Tag ausdrücken. Das „Milli“ deutet bereits an, dass die Selbstentladung im Vergleich zur Spannung einer Zelle (bei Lithium-Ionen bis zu 4,2 Volt) relativ klein ist. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Spannung nichts über den tatsächlichen Energieverlust aussagt, sondern immer im Kontext mit der Zellkapazität betrachtet werden muss. 10 mV Selbstentladung bei einer Zelle mit 20 Ah Kapazität bedeuten weniger Energieverlust als bei einer Zelle mit 50 Ah Kapazität.

Selbstentladung ist ganz normal

Aber kommen wir nun zu möglichen Ursachen dieser „Vampirverluste“. Wie bereits erwähnt wurde, entladen sich Lithium-Ionen-Zellen ganz natürlich von selbst. Allerdings ist die Selbstentladung bei einer hochwertigen Zelle sehr gering. Je nach Literatur werden hier Werte zwischen 1 % und 4 % des Ladezustands (=SOC, State of Charge) pro Monat genannt. Eine vollgeladene Zelle wäre also erst nach 2 bis 8 Jahren tiefentladen.

Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Selbstentladung nicht konstant ist, sondern unter anderem von der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit oder dem aktuellen Ladezustand selbst abhängt. Eine hohe Umgebungstemperatur, hohe Luftfeuchtigkeit oder ein hoher Ladezustand verstärken die Selbstentladung und sollten daher – vor allem zur längerfristigen Lagerung – vermieden werden.

Selbstverständlich kann eine Lithium-Ionen-Zelle trotzdem einmal eine erhöhte Selbstentladung aufweisen, beispielsweise wenn die Bestandteile der Zelle (Anode, Kathode, Separator) durch Mängel in der Produktion verunreinigt worden sind oder die Zelle schlichtweg gealtert ist. Ersteres lässt sich durch diverse Qualitätsmaßnahmen bei der Produktion unterbinden.

Wir sehen also, dass die Selbstentladung einer Zelle zunächst einmal etwas „Natürliches“ ist. Allein damit lassen sich jedoch nicht die teils hohen Ladezustandsverluste im Stillstand eines Fahrzeugs erklären, die von den E-Mobilisten beobachtet und bemängelt werden.

„Vampirverluste“ der Zellüberwachung

Es gibt nämlich noch eine Reihe weiterer Effekte, die hier betrachtet werden müssen. Wie bereits erläutert, werden die Zellen in einer Batterie vom BMS überwacht. Dazu sind die Zellen an eine Mess-Elektronik, der Zellüberwachung, angeschlossen, welche die Spannungen und Temperaturen der Zellen messen.

Damit die Mess-Elektronik arbeiten kann, benötigt diese elektrische Energie. Diese holt sie sich in modernen Lithium-Ionen-Batterien direkt aus den Zellen, die sie überwacht. Da das zu einer stetigen Entladung der Zellen führt, wird die Mess-Elektronik der Zellüberwachung auf einen sehr geringen Energieverbrauch getrimmt. Ist die Batterie in Betrieb, müssen die Zellen kontinuierlich überwacht werden, um beispielsweise eine Tiefentladung zu verhindern. Parkt das Fahrzeug, so sollte die Mess-Elektronik so selten wie möglich „aufwachen“, um den Ladezustand zu prüfen, damit dieser wiederum nicht unnötig durch die aktive Elektronik zusätzlich verringert wird. Ist die Mess-Elektronik nicht effizient ausgelegt oder wacht zu oft auf, kann dies zu einer höheren Selbstentladung der Zellen führen.

Aber egal ob die Mess-Elektronik aktiv ist oder nicht. Allein der Fakt, dass dafür an die Zellen eine Platine oder eine Überwachungsleitung angeschlossen werden muss, sorgt dafür, dass sich die Zellen über sogenannte parasitäre Kriechstrecken entladen. Parasitär, da diese Entladung nicht erwünscht ist, und Kriechstrecken, da der Strom über eigentlich elektrisch nicht miteinander verbundene Wege „kriechen“ kann.

Zell-Balancing: Ladungsausgleich für optimale Performance

Eine weitere Quelle für eine – dieses Mal gezielte – Selbstentladung der Zellen ist das Zell-Balancing. Die verschiedenen Zellen einer Batterie weisen über die Zeit unterschiedliche Ladezustände auf, auch wenn sie gleichmäßig belastet werden. Nicht jede Zelle ist zu 100% identisch mit der Nachbarzelle, sondern zeigt kleine Unterschiede bei der Kapazität, dem Innenwiderstand oder dem Alterungszustand auf. Durch das Laden und Entladen der Zellen driften die Zellspannungen (die ja vom Ladezustand abhängen) auseinander, und der Akku kann letztlich nicht mehr vollständig geladen oder entladen werden. Die tatsächlich nutzbare Kapazität sinkt. Aus diesem Grund müssen die Zellen von Zeit zu Zeit balanciert werden. Bei den meisten Balancing-Methoden wird einfach die Energie derjenigen Zellen mit dem höchsten Ladezustand über einen kleinen Widerstand „verbrannt“, bis sich alle Zellspannungen angeglichen haben. Diese auf den ersten Blick verschwenderische Methode hat sich unterm Strich als günstigste und zuverlässigste Methode herausgestellt und wird „passives Balancing“ genannt. Beim aktiven Balancing würde die Energie zwischen den Zellen verteilt werden, was allerdings enorm aufwendig und teuer ist und darüber hinaus Platz kostet. Platz und Kosten, die man lieber zusätzlichen Zellen in der Batterie spendiert. Durch das „Vernichten“ des Ladezustands (üblicherweise in Bereichen von einigen 10 bis 100 mV der Zellspannung) kann der angezeigte Ladezustand im Fahrzeug absinken.

Auch die SOC-Anzeige ist nie ganz exakt

Der Ladezustand, der dem Kunden angezeigt wird, ist von verschiedenen Faktoren wie Temperatur, Ladehistorie oder Alterung  abhängig. Um den Kunden eine verlässliche Ladezustandsanzeige bieten zu können, wird die noch verfügbare Kapazität der Zelle von Zeit zu Zeit über eine Softwarefunktion rekalibriert, also neu ermittelt. So kann es sein, dass nach einem Rekalibrierungsvorgang der angezeigte SOC plötzlich niedriger ist als davor, ohne dass sich an den Zellen tatsächlich etwas verändert hätte.

Diese verschiedenen Ursachen hängen alle eng von der fahrzeug- und herstellerspezifischen Auslegung des BMS ab und variieren daher stark von Fahrzeug zu Fahrzeug.

Allerdings gibt es auch andere, ganz einfache Gründe, die zu einem sinkenden Ladezustand der Batterie führen können. Ein modernes Auto ist praktisch ein rollender Computer mit vielen Dutzend Steuergeräten. So bieten inzwischen die meisten Hersteller für ihre Fahrzeuge die Möglichkeit an, Infos über den Zustand des Autos per Handy-App abzurufen. Jedes Mal, wenn solch ein Abruf erfolgt, muss die entsprechende Anfrage vom Fahrzeug empfangen, verarbeitet und beantwortet werden. Klar, dass hier schnell mehrere Steuergeräte aktiv werden müssen und somit Strom verbrauchen.

Diese Steuergeräte werden dabei in den meisten Fällen aus der 12V-Bordnetzbatterie versorgt. Gerade bei Elektroautos wird diese wiederum über einen DC/DC-Wandler von der Hochvolt-Batterie nachgeladen, da es ja keinen Keilriemen mit angeschlossenem Generator („Lichtmaschine“) gibt, der die 12V-Batterie aufladen könnte. Es muss also Energie den Lithium-Ionen-Zellen der Hochvolt-Batterie entnommen werden – wodurch der Ladezustand sinkt.

Ferner darf dabei nicht unberücksichtigt bleiben, dass Fahrzeughersteller wie Tesla oder BMW (insbesondere beim i3) ständig Nutzerdaten an Server übermitteln oder Updates aus dem Netz laden, wenn keine anderslautenden Einstellungen vom Nutzer vorgenommen werden. All dies benötigt Energie, die in letzter Konsequenz der Hochvolt-Batterie mit den Lithium-Ionen-Zellen entnommen wird. Auch Komfortfunktionen, wie die Vorklimatisierung des Innenraums, lassen den Ladezustand der Batterie schnell sinken.

So gibt es letztlich ein buntes Potpourri an Ursachen und Möglichkeiten für die Vampirverluste. Eines ist allerdings sicher: Dracula und Co. haben damit am wenigsten zu tun.

Weiterführende Links:

• BMS und CSE: So funktioniert die Zellüberwachung
• Das Netto vom Brutto – So definiert sich die nutzbare Energie eines Akkus
• Das Bierglasmodell: So funktioniert eine elektrochemische Zelle.
• Mehr zur Technik von Elektroautos auf Generation Strom.

Disclaimer:

Dieser Artikel erschien in seiner ursprünglichen Fassung im Magazin Elektroautomobil (Ausgabe 04/2019, www.elektroautomobil.com). Das Magazin Elektroautomobil erscheint alle zwei Monate im Zeitschriftenhandel und kann hier abonniert werden.

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Titelbild: Verwendung des „Bat“-Emojis von © 2019 Emojipedia und „Vampir“-Emojis von © 2019 Twitter (Lizenz: CC BY 4.0)