Lade-KI soll Akku-Lebensdauer im E-Auto um 23 Prozent erhöhen

Schnellladen mit hoher Ladeleistung führt oft zu erhöhten Batterietemperaturen, was wiederum Nebenreaktionen im Akku fördert. Das verkürzt die Lebensdauer der Batterie. Ein Forscher der Chalmers-Universität in Schweden hat nun zusammen mit einem Kollegen eine neue KI-gestützte Ladesoftware entwickelt, welche die Lebensdauer des Akkus um rund 23 Prozent verlängern soll, ohne die Ladedauer zu verlängern.

Laut der Mitteilung der Chalmers-Universität beträgt die Lebensdauer von Elektroauto-Batterien derzeit etwa 8 bis 15 Jahre – je nach Nutzung und Ladeverhalten. Dennoch zeigen Studien, dass die Kundschaft Befürchtungen bezüglich der Akkulebensdauer hat.

Changfu Zou, Professor am Institut für Elektrotechnik an der Chalmers-Universität, und Meng Yuan von der Victoria University of Wellington in Neuseeland zeigen nun, wie man die Lebensdauer der Batterie verlängern kann.

Changfu Zou (rechts) von der Chalmers-Universität und der ehemalige Chalmers-Forscher Meng Yuan haben eine besonders schonende Ladesoftware entwickelt 

Bild von: Chalmers-Universität

Dabei wird der Ladestrom bei jedem Schnellladevorgang an die chemische Zusammensetzung und den Zustand der Batterie angepasst. So lässt sich der genannte Lebensdauer-Gewinn von 23 Prozent bei nahezu unveränderter Ladezeit erzielen.

Zu den Nebenreaktionen, welche die Lebensdauer verkürzen, gehört das sogenannte Lithium-Plating. Dabei treten die Lithium-Ionen, die beim Laden zur Anode wandern, nicht in die Graphitschichten ein und werden dort entladen, sondern sie scheiden sich an der Oberfläche der Anode ab, was die Durchlässigkeit für weitere Ionen und die Speicherkapazität verringert. Zudem ist es ein Sicherheitsproblem, denn das abgeschiedene Lithium kann durch den Separator auf die andere Elektrode zuwachsen und so im schlimmsten Fall einen Kurzschluss verursachen.

"Die Gefahr des Lithium-Platings steigt mit dem Alter der Batterie. Die heutigen Standardladeverfahren verwenden jedoch immer denselben Strom und dieselbe Spannung, unabhängig davon, ob die Batterie neu ist oder schon jahrelang in Gebrauch", sagt Meng Yuan.

Die neue Ladesoftware dagegen nutzt bestärkendes Lernen (Reinforcement Learning). Dabei lernt eine Künstliche Intelligenz durch Versuch und Irrtum; richtige Aktionen werden belohnt. Die Software wurde an einem Modell einer der gängigsten Elektrofahrzeugbatterien trainiert. Sie lernte dabei, den Ladevorgang an den jeweiligen Ladestand anzupassen. Zudem musste sie auch den allgemeinen Akkuzustand (den sogenannten State of Health oder kurz SoH) berücksichtigen.

Normalerweise werden Lithium-Ionen-Batterien mit dem CC-CV-Verfahren geladen. Dabei wird der Akku zunächst mit einer konstanten Stromstärke (constant current, CC) geladen, bis eine bestimmte Spannung erreicht ist. Anschließend wird die Spannung konstant gehalten (constant voltage, CV) und der Ladestrom allmählich reduziert. Die Ladegeschwindigkeit lässt sich steigern, indem man Spannung oder Strom erhöht, doch beides kann zu vorzeitiger Batteriealterung führen. 

Eine intelligente Anpassung des Stroms während des Ladevorgangs unter Berücksichtigung des sich ändernden elektrochemischen Zustands der Batterie kann dagegen sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Batterie maximieren, so Changfu Zou.

Die neue Ladestrategie ist laut den Forschern einfach umzusetzen: Prinzipiell bräuchte es dazu nur ein Softwareupdate für das Batteriemanagement. Allerdings muss die Methode zuvor an den jeweiligen Batterietyp angepasst werden. Der Prozess ließe sich aber mittels "Transferlernen" beschleunigen: Für die neue Batterieart könnten Erkenntnisse vom Chalmers-Modell übernommen werden, so Changfu Zou. Im nächsten Schritt wollen die Forscher die Methode nun zunächst an realen Batterien testen und nicht mehr an einem Batteriemodell. 

Die Studie "Lifelong Reinforcement Learning for Health-Aware Fast Charging of Lithium-Ion Batteries" wurde in den IEEE Transactions on Transportation Electrification veröffentlicht. Die Publikation ist frei zugänglich über den Link unten in diesem Artikel.

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Unter dem Strich

Man liest immer wieder, dass die Lebensdauer der Batterie von Elektroautos kaum mehr ein Problem ist. Doch bei etwa 90 Prozent der Ladevorgänge wird mit Wechselstrom bei niedriger Leistung geladen. Bei häufigen Langstreckenfahrten und bei Leuten ohne eigene Wallbox sieht das möglicherweise anders aus.

Einer verfrühten Batteriealterung kann man aber mit einem angepassten Ladestrom entgegenwirken. Dazu braucht es im Prinzip nur eine Software, welche die Stromstärke an den Ladestand und den SoH der Batterie anpasst. Im Detail ist das natürlich komplizierter, aber der Ansatz hat seinen Charme.