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Das Schnellladen Ihres Elektrofahrzeugs klingt großartig, da ein 350-Kilowatt-Schnellladegerät ein Elektrofahrzeug mit großer Batterie wie einen Lucid Air Pure in 15 Minuten auf einen Ladezustand von 80 Prozent bringen kann. Obwohl es nicht so schnell ist wie das Auftanken eines herkömmlichen Benzinfahrzeugs, verkürzt das Gleichstrom-Schnellladen die Zeit, die zum Auftanken eines Elektrofahrzeugs benötigt wird.
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Aber geht der Komfort beim Laden eines Elektrofahrzeugs mit einer Verschlechterung der Batterieleistung einher? Nun, lass es uns herausfinden.
Was ist DC-Schnellladen und wie funktioniert es?
Um die Lebensdauer von Elektrofahrzeugbatterien besser zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, was Schnellladen ist und wie es funktioniert. Im Großen und Ganzen kann die Batterie eines Elektrofahrzeugs mit drei verschiedenen Methoden aufgeladen werden Laden der Stufen 1, 2 und 3 . Die ersten beiden Arten basieren auf Wechselstrom (AC), während das Laden der Stufe 3, auch DC-Schnellladen genannt, Gleichstrom erfordert.
Der wichtige Unterschied besteht darin, dass Ladegeräte der Stufen 1 und 2 das Bordladegerät des Fahrzeugs verwenden, um den Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, da die Lithium-Ionen-Batterie Ihres Fahrzeugs keinen Wechselstrom direkt aufnehmen kann.
Bei Schnellladegeräten der Stufe 3 können sie jedoch einfach Saft direkt in die Batterie pumpen, ohne dass ein integriertes Ladegerät erforderlich ist. Dadurch können beim Gleichstromladen große Strom- und Spannungsmengen in den Akku geladen werden, ohne durch die Leistungsfähigkeit des Bordladegeräts des Fahrzeugs eingeschränkt zu werden.
Warum verlieren Lithium-Ionen-Akkus mit der Zeit an Kapazität?
Lithium-Ionen-Batterien wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, und hypothetisch sollte diese Reaktion ewig andauern. Allerdings wissen wir alle, dass Lithium-Ionen-Batterien nicht ewig halten. Aber was ist der genaue Grund für diese Verschlechterung?
Nun, im Inneren einer Lithium-Ionen-Zelle finden beim Laden oder Entladen mehrere chemische Reaktionen statt. Einige Reaktionen dienen der Stromerzeugung, während andere Lithiumionen verbrauchen, die die Kapazität der Batterie verringern. Mit anderen Worten: Mit jedem Lade-Entlade-Zyklus verliert die Lithium-Ionen-Batterie eines Elektrofahrzeugs etwas an Kapazität; Dies geschieht tatsächlich und fällt nicht unter die Kategorie Mythen zum Laden von Elektrofahrzeugen .
Allerdings ist es wichtig zu verstehen, dass diese Reaktionen je nach Umgebungsbedingungen unterschiedlich schnell ablaufen, und Sie können Maßnahmen ergreifen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.
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Daher geben die meisten Batteriehersteller einen Temperaturbereich an, bei dem die Batterien die beste Leistung erbringen. Dieser Bereich variiert je nach Batteriechemie, liegt jedoch in den meisten Fällen zwischen -4 und 140 Grad Fahrenheit beim Entladen und zwischen 0 und 45 Grad Fahrenheit beim Laden.
Dieser Betriebsbereich zeigt, dass Batterien in einem niedrigeren Temperaturbereich geladen werden können und das Laden unter extremen Bedingungen, sowohl kalt als auch heiß, Probleme verursachen kann, da diese Bedingungen die Geschwindigkeit erhöhen, mit der unerwünschte Reaktionen ablaufen, Lithiumionen verbrauchen und die Kapazität verringern.
Was passiert beim Schnellladen von Lithium-Ionen-Akkus?
Nachdem wir nun wissen, warum die Kapazität eines Lithium-Ionen-Akkus nachlässt, können wir versuchen zu verstehen, was im Inneren des Akkus passiert, wenn er schnell aufgeladen wird.
1. Beschädigung der Batterieelektroden durch hohen Strom und hohe Spannung
Beim Schnellladen wird zum Laden der Batterie ein Hochspannungsstrom verwendet. Lithium-Ionen werden mit größerer Kraft von der Kathode gezogen und bei Ladung zur Anode bewegt. Dadurch entstehen Risse in der Kathode und es entstehen Dendriten an den Elektroden. Aufgrund dieser Risse und Dendritenbildung verringert sich die Kapazität von Lithium-Ionen-Zellen und sie erhöhen auch den Widerstand der Batterie.
2. Zersetzung durch hohe Temperaturen
Der Innenwiderstand einer Batterie erhöht sich, wenn sie schnell aufgeladen wird. Aufgrund dieser Widerstandserhöhung und der hohen Stromaufnahme beim Schnellladen entsteht im Inneren der Akkus eine übermäßige Hitzeentwicklung. Diese hohe Temperatur verringert die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterien.
3. Niedertemperatur-Lithiumbeschichtung
Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie mit hohen Strömen und niedrigen Temperaturen schnell aufgeladen wird, kommt es an der Anode zu einem Phänomen, das als Lithium-Plating bezeichnet wird. Aus diesem Grund interkalieren Lithiumatome nicht innerhalb der Anode. Dies führt zu inertem Lithiummetall (das keinen Strom erzeugen kann) auf der Oberfläche der Elektroden.
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EV-Batteriepakete verstehen
Betrachtet man die oben aufgeführte Liste der Verschlechterungsmechanismen, wird deutlich, dass schnelles Laden zwangsläufig die Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs verkürzt. Allerdings sind Elektrofahrzeugbatterien so konzipiert, dass sie Batterieschäden verhindern. Bevor wir also zu dem Schluss kommen, dass schnelles Laden für Elektrofahrzeuge schlecht ist, wollen wir uns zunächst damit befassen, wie ihre Batteriepakete konzipiert sind, um einer Verschlechterung entgegenzuwirken.
Batteriepakete für Elektrofahrzeuge bestehen aus mehreren Lithium-Ionen-Zellen, die zu Modulen verbunden sind. Zur Erstellung des Pakets werden mehrere Module miteinander verbunden Der Batteriezustand wird vom Batteriemanagementsystem verwaltet , auch BMS genannt.
Das BMS ist im Grunde ein Computer, der mit mehreren Sensoren verbunden ist, die die Spannung, den Strom und die Temperatur einzelner Zellen überwachen. Anschließend werden diese Daten analysiert, um sicherzustellen, dass jede Zelle optimal funktioniert.
Wenn die Zellen im Akkupack zu heiß sind, erhöht das BMS die Kühlung, um die Gesamttemperatur des Akkupacks zu senken. Wenn beim DC-Schnellladen eine hohe Zellspannung oder ein hoher Zellstrom festgestellt wird, reguliert es beide Parameter, um Schäden an der Batterie zu verhindern.
Das BMS ist daher der Teil des Elektrofahrzeugs, der die größte Rolle bei der Reduzierung der Batterieverschlechterung spielt.
Wie viel Schaden verursacht das Schnellladen an der Batterie Ihres Elektrofahrzeugs?
Schauen wir uns einige Studien an, die zeigen, wie viel Schaden Fahrzeuge durch schnelles Laden erleiden. Vier Elektrofahrzeuge des Typs Nissan Leaf aus dem Jahr 2012 wurden in Phoenix, Arizona, gefahren Idaho National Laboratory . Zwei Fahrzeuge wurden per DC-Schnellladung geladen, die anderen beiden per AC-Level-2-Ladung, mit folgendem Ergebnis:
- Kapazitätstests für beide Fahrzeuggruppen wurden nach einer Fahrt von 50.000 Meilen durchgeführt, und es wurde festgestellt, dass der Unterschied im Kapazitätsverlust zwischen Fahrzeugen, die mit Schnellladung und AC-Level-2-Ladung geladen wurden, im Bereich von 3 bis 9 Prozent lag.
Bildquelle: Idaho National Laboratory - Fahrzeuge, die mit Schnellladung aufgeladen werden, können bei einer konstanten Geschwindigkeit von 70 Meilen pro Stunde eine Reichweite von 70 Meilen bieten, während Fahrzeuge, die mit AC Level 2 aufgeladen werden, eine Reichweite von 82 Meilen bieten.
Bildquelle: Idaho National Laboratory - Zu Testbeginn konnten die per Gleichstrom-Schnellladung geladenen Fahrzeuge bei einer konstanten Geschwindigkeit von 72 km/h eine Reichweite von 102 Meilen bieten. Nach 63.000 Testmeilen bot das gleiche Fahrzeug eine Reichweite von 58 Meilen. Zeigt eine Verringerung der Reichweite um 43 Prozent. Das per AC-Schnellladung geladene Fahrzeug bot eine Reichweite von 104 Meilen, die sich nach Abschluss der Tests auf 64 Meilen reduzierte. Es kommt zu einem Reichweitenverlust von 38 Prozent.
Bildquelle: Idaho National Laboratory
Die Verschlechterung der Batterieleistung erfolgt unabhängig von der Lademethode, ist jedoch bei Fahrzeugen, die schnell aufgeladen werden, stärker; der Unterschied beträgt etwa 5 Prozent.
Die Auswirkungen des Schnellladens in Lithium-Ionen-Batterien
In einem anderen Experiment als dem oben genannten wurden zwei Nissan Leaf-Batteriepakete unter Laborbedingungen getestet Idaho National Laboratory . Einer wurde mit Gleichstrom schnell aufgeladen, während der andere nur mit Wechselstrom aufgeladen werden konnte. Das Ziel dieses Tests bestand darin, zu sehen, was mit der gesamten Packung und nicht mit jeder Zelle wie im vorherigen Experiment passiert.
- Der mit Wechselstromladung geladene Akku verzeichnete nach Abschluss von 780 Lade-Entlade-Zyklen einen Kapazitätsverlust von 23,1 Prozent. Beim nur schnellgeladenen Akku kam es zu einem Kapazitätsverlust von 28,1 Prozent.
Bildquelle: Idaho National Laboratory - Eine starke Korrelation zwischen Kapazität und Temperatur wurde festgestellt, als die Packkapazität mit der Zellkapazität bei verschiedenen Temperaturen verglichen wurde: Der Kapazitätsverlust war bei Zellen, die bei höheren Temperaturen getestet wurden, höher und geringer, wenn die Zellen eine Umgebungstemperatur von 20 Grad (68 Grad Fahrenheit) hatten Celsius).
Dies zeigt einen starken Zusammenhang zwischen der Verschlechterung des Akkupacks und der Temperatur, was darauf hindeutet, dass schnelles Laden kein so bedeutender Faktor für die Verschlechterung des Akkus ist.
Was uns 6.000 Elektrofahrzeugbatterien über den Zustand der Elektrofahrzeugbatterien verraten
In einer anderen Studie sammelte Geotab, ein Flottenmanagementunternehmen, Daten zum Batteriezustand von 6.000 Elektrofahrzeugen und kam zu dem Schluss, dass schnelles Laden die Geschwindigkeit erhöht, mit der sich eine Batterie verschlechtert. Diese Studie hat, wie viele andere auch, gezeigt, dass schnelles Laden die Geschwindigkeit erhöht, mit der sich die Lithium-Ionen-Batterie in Ihrem Fahrzeug verschlechtert, und hat die entscheidende Rolle des BMS hervorgehoben, die Verschlechterung so gering wie möglich zu halten.
Ist Gleichstrom-Schnellladen schädlich für Ihr Elektrofahrzeug?
Mit der Zeit verliert der Akku Ihres Elektrofahrzeugs zwangsläufig an Kapazität. Allerdings hängt die Geschwindigkeit, mit der diese Verschlechterung auftritt, von mehreren Faktoren ab, und schnelles Laden ist sicherlich einer der Faktoren, der diese Verschlechterung beschleunigen kann.
Beachten Sie außerdem, dass sich die Reichweite Ihres Akkus nicht wesentlich verringert, wenn Sie das Schnellladen in Maßen anwenden. Sie können es auch auf langen Autofahrten verwenden, um die Zeit zu verkürzen, die zum Aufladen Ihres Fahrzeugs benötigt wird.
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