Ist Ihnen das auch schon mal passiert, dass ein Elektroauto von einem auf den anderen Moment einen deutlich niedrigeren Ladestand (SoC, State of Charge) angezeigt hat? Woher kommt das? Und wie kommen eigentlich die Ladekurven zustande? Warum ist die Ladeleistung anfangs hoch und sinkt dann ab? Wenn Sie sich dafür interessieren, dann gibt es jetzt Antworten aus berufenem Munde.

Professor David Howey vom Battery Intelligence Lab der Universität Oxford erklärt die Zusammenhänge in einem Video des Youtube-Channels The Limiting Factor. Sie können sich das einstündige Video oben (in englischer Sprache) ansehen oder Sie folgen unserer Zusammenfassung.

Bestimmung des SoC

Wie messen Autohersteller überhaupt den Ladestand eines Fahrzeugs beim Laden und Entladen? Ehrlich gesagt: Wir dachten bisher, dazu müsste man nur die Spannung messen. Aber so einfach ist es nicht, wie Howey erklärt. Die Spannungsmessung funktioniert nämlich nur im Gleichgewicht. Dazu müsste man mit sehr geringen Stromstärken laden oder entladen, also sehr, sehr langsam – in zehn Stunden, 20 Stunden oder mehr. Fürs Schnellladen, oder wenn man beim Fahren mal schnell Vollgas gibt, funktioniert das nicht.

Eine zweite Methode ist das so genannte Coulomb Counting: Man zählt die Ladungen (SI-Einheit: Coulomb), die im elektrischen Leiter von der einen zur anderen Elektrode wandern. Für jede negative Ladung (jedes  Elektron) die im Leiter gewandert ist, ist im Elektrolyten ein positiv geladenes Lithium-Ion von der einen zur anderen Elektrode gewandert. So kann man durch Elektronenzählen (also eine Strommessung) bestimmen, bei welchem SoC man gerade ist.

Obwohl diese Methode als Gold-Standard der SoC-Messung gilt, ist sie nicht exakt. Ein Problem ist, dass man den Start- und den Endpunkt kennen muss; es muss also bekannt sein, wann der Akku leer und ganz voll ist. Außerdem muss zum Beispiel das elektrische Rauschen per Software herausgerechnet werden.

Im Elektroauto, so Howey, verwendet man beide Methoden – die Spannungsmethode und das Coulomb Counting. Bei der Spannung werden Modelle genutzt, um ausgehend von der gemessenen Spannung (irgendwo zwischen 2,7 und 4,4 Volt bei einer einzelnen NMC-Zelle) diejenige Spannung abzuschätzen, welche die Zelle im Gleichgewicht (bei sehr langsamem Laden/Entladen, ohne Last) haben würde. Das Ergebnis vergleicht man mit dem Resultat des Coulomb Counting und gewichtet beides "auf clevere Art und Weise", wie sich Howey ausdrückt. So gelangt man zu einem SoC-Wert. Eine exakte Messung ist das alles nicht, aber immerhin eine Näherung. 

Besondere Probleme treten bei LFP-Batterien auf; hier ist die Spannungsmessung besonders schwierig. Denn bei einer Lithiumeisenphosphat-Zelle ist der Spannungsverlauf im mittleren Bereich (zwischen 20 und 80% SoC) sehr flach, wie die Grafik unten zeigt. Das heißt, schon ein kleiner Fehler bei der Spannungsermittlung führt zu einem großen Fehler beim ermittelten SoC-Wert. 

Spannungskurve von NMC und LFP

Das zweite Problem ist die so genannte Hysterese: Anders als in obiger Grafik dargestellt, weichen die Kurven beim Laden und Entladen der Zelle bei LFP voneinander ab. Das muss bei der Spannungsmethode berücksichtigt werden, da man sich sonst einen erheblichen Fehler einfängt. Da ist nicht trivial, denn im Elektroauto wird beim Fahren oft schnell zwischen Laden und Entladen gewechselt – zum Beispiel, wenn man Gas gibt (Entladevorgang) und kurz danach bremst, denn die Rekuperation stellt ja einen Ladevorgang dar.

Wie Ladekurven zustande kommen  

Ein anderes Thema, das in dem Video behandelt wird, ist, wie die Schellladekurven zustande kommen, die man zum Beispiel auch InsideEVs immer wieder mal zeigt. Jordan Giesige, der Host von The Limiting Factor, nutzt die Ladekurven aus einer Schnelladeanalyse von 2021 zum Model 3 als Beispiel:

Der Graph zeigt, wie stark die Ladekurven von verschiedenen Model-3-Versionen voneinander abweichen. Aber bei allen ist die Ladeleistung bei geringem SoC (am Anfang des Aufladens) hoch und fällt dann kontinuierlich ab. Howey erklärt das so: Bei niedrigem Ladestand kann die Batterie viel Strom aufnehmen; manchmal wird die Leistung nur durch die Ladesäule begrenzt. Bei dem Tesla-Beispiel kann der Supercharger nur 250 kW abgeben (wobei dessen AC-DC-Wandler in der Säule der begrenzende Faktor ist). Deswegen wird mit dieser Leistung geladen.

Dass die Kurve mit wachsendem Ladestand absinkt, hat mit dem so genannten Lithium-Plating zu tun: Dabei dringen die Lithiumionen nicht wie gewünscht in die Graphit-Elektrode ein, um sich dort zwischen den Kohlenstoff-Schichten einzulagern (Interkalation), sondern die Elektrode wird nur äußerlich mit metallischem Lithium beschichtet, was ein Problem darstellt. Dieses Lithium-Plating geschieht bei hohen Ladeständen und starken Strömen. Deshalb wird der Ladestrom bei hohen SoC-Werten verringert. Das ist der Grund für das Absinken der Kurve.

Auch die Temperatur beeinflusst die Ladekurve: Am besten geht das Laden bei erhöhter, aber nicht allzu hoher Temperatur. Das erklärt Howey folgendermaßen: Eine Batterie kann man als Kombination aus Spannungsquelle und elektrischem (Innen-)Widerstand auffassen. Der Widerstand aber erhöht sich bei niedriger Temperatur und starkem Strom.

Unter dem Strich

Die Batterie, das unbekannte Wesen im Unterleib unserer Elektroautos: Die Vorgänge in ihrem Inneren sind hochkomplex, aber wichtig, wenn man wissen will, warum der Ladevorgang mal schnell und mal langsam sein kann, warum der angezeigte Ladestand nie so hundertprozentig stimmt und mehr. Das Interview mit Prof. Howey hilft, ein wenig Licht in dieses Dunkel zu bringen.