Batterien im i-MiEV, Lade-/Entladeverhalten

[i-MiEV]

Im i-MiEV sind 2 Batterien verbaut:
- 12 Volt 27Ah (Bleibatterie) für die Steuergeräte, Beleuchtung, Servolenkung, Vakuum- und Wasserpumpe, Audiosystem
- 330 Volt 16 kWh (Lithium-Ionen) für Elektromotor, Klimaanlagekompressor und Fahrzeugheizung

Die wiederaufladbare 330V-Batterie (Akku) ist eigentlich der Taktgeber in der Entwicklung der EVs. Am Beispiel von Mitsubishi, die seit den 1970er Jahren EVs für japanische Stromgesellschaften bauen (Minica EV, Mini Cab EV, Delica EV, Libero EV usw.) kann man die Entwicklung vom Blei-Akku bis zum heutigen Li-Ion-Akku verfolgen. In dieser Zeit hat sich die Energiedichte massiv erhöht bzw. das Gewicht pro kWh reduziert.
Ab etwa 1995 wurde intensiv mit Lithium-Ionen-Akkus experimentiert und die Entwicklung geht noch lange weiter.

Li-Ion Batterien sind derzeit das beste Produkt in Bezug auf Leistung, Gewicht und Betriebsverhalten in der langen Entwicklung von Bleibatterien über Ni-Cd-, Ni-MH und Na-Nickelchlorid-Akkus.

Allerdings ist Li-Ion ein Oberbegriff für eine Vielzahl an höchst unterschiedlichen Varianten, die sich im Aufbau von Kathode und Anode, im Elektrolyt und in der Bauform unterscheiden. Daraus resultieren unterschiedliche Zellspannungen, spezifische Energie und spezifische Leistung. Die Energieeffizienz wird durch den Innenwiderstand (mit Spannungsverlust) beeinflusst. Gute Gesamtlösungen erreichen für Batterie und Ladegerät einen Wirkungsgrad von 90% oder besser.

Leider gibt es für die spezifischen Leistungswerte noch keine ISO-Standards. Zum Beispiel misst jeder Akku-Hersteller die spezifische Leistung über eine selbst gewählte Zeitdauer. Für den EV Interessenten sind daher vorläufig Gesamtspannung Kapazität und Wirkungsgrad die Schlüsselwerte. Die entsprechenden Daten für den i-MiEV-Akku von YUASA sind hier aufgeführt:

https://picasaweb.google.com/lh/photo/bfLsVgZnImBEwNOs-sjDlqs1wZvJAg7gQNM1SfQPnoU?feat=directlink

Im praktischen Einsatz des i-MiEV ist zuerst entscheidend, wie hoch die Ampère-Sicherung ist, wenn zu Hause an 220 V geladen wird. Mitsubishi bietet verschiedene Ladegeräte mit Beschränkung auf 10, 13 und 16 Ampere.

Das Lade- und Entladeverhalten wird durch die im Fahrzeug verbaute "Batterie-Management-Unit" gesteuert und überwacht. Diese Steuereinheit ist über einen CAN-Bus mit allen übrigen Stromverbrauchern verbunden und stellt sicher, dass die Batterie im optimalen Bereich betrieben wird (keine Tiefentladung, kein Überladen, keine Hitze, limitierte Lade- und Entladeströme usw.)

Die einzige Grösse, die sich nicht regeln lässt, ist die Umwelttemperatur (Sommer, Winter). Über das Temperaturverhalten des Akkus gibt diese Graphik Aufschluss (oberste Graphik auf der Seite):

https://picasaweb.google.com/lh/photo/vXuhbJXT6cjOWo2H8VTh_6s1wZvJAg7gQNM1SfQPnoU?feat=directlink

Die Graphik macht 3 wichtige Aussagen:
1. Der Akku kann nur im Bereich zwischen +12°C und +31°C zu 100% arbeiten
2.a Temperaturen >31°C führen zu raschem Leistungsabbau und >50°C zur Zerstörung der Akkuzellen
2.b Temperaturen <12°C führen ebenfalls zu Leistungsabbau. Die Akkuzellen werden jedoch nicht zerstört.
3. Das Ladeverhalten (Kurve in der oberen Hälfte) wird durch tiefe Temperaturen stärker eingeschränkt als das Enladeverhalten (Kurve in der unteren Hälfte).

Gegen den Hitzetod hat Mitsubishi eine Luftkühlung eingerichtet, die durch die Akku-Steuereinheit falls nötig aktiviert wird. Auf eine Heizung gegen die Kälte hat man verzichtet, weil:
- i-MiEVs mehrheitlich in warmen Regionen und als City-Car betrieben werden
- meist nur wenige kalte Wintermonate vielen warmen Frühling-, Sommer- und Herbstmonaten gegenüberstehen
- eine Batterieheizung den spezifischen Energieverbrauch des i-MiEV sehr negativ beeinflussen würde.

Was bedeutet jetzt die erwähnte Graphik für die Praxis?
Der Li-Ion-Akku kann nur bei warmem Wetter seine volle Leistung entwickeln. Nur dann sind maximal 150km Reichweite möglich. Sinkt die Temperatur beim Laden auf 0°C, so kann die Batterie nur zu etwa 60% geladen werden. Die Segmentanzeige gibt darüber keinen Aufschluss, wohl aber die Reichweitenanzeige beim Start. Ist es kälter als -20°C lässt sich der Akku nicht mehr laden. (Ein Grund, warum der i-MiEV vorerst in Finnland nicht verkauft wird.)
Umgekehrt ist ein bei warmen Temperaturen voll geladener Akku bei -10°C noch fast zu 100% leistungsfähig, bei -20°C noch zu über 60%.

Mein i-MiEV steht in einer freistehenden, nicht isolierten, ungeheizten Garage. Da bis jetzt das Thermometer nachts auf Null- oder Minusgrade sank, hatte ich morgens nur eine Akkukapazität von 90-105 km zur Verfügung.Heute war es etwas wärmer am Morgen und ich erhielt bereits 112 km Reichweite angezeigt. Der Frühling soll kommen

Gruss Walter

 

[mallema]

Wie sieht das mit dem Austausch der Batterien aus? Ist das realisierbar? Mal angenommen du würdest gerne aufrüsten. Oder ist man da beim i-MiEV in irgendeiner Weise gebunden?

 

[i-MiEV]

Selbstverständlich ist man bei Autobatterien an den Hersteller gebunden. Solche Li-Ion-Batterien sind keine standardisierte Massenware wie bei Batterien für Haushaltgeräte. Sie unterscheiden sich im chemischen Aufbau, in der Zell-Spannung und Gesamtspannung, in der Bauart und Bauform und nicht zuletzt in der dafür nötigen Batterie-Management-Unit. Hinzu kommt die speziell konstruierte Batteriehalterung. Wir reden ja hier von 200 und mehr Kilogramm.

Einen Wechsel kann eigentlich nur der Autohersteller durchführen. Das macht er aber nur, wenn er sich dazu gezwungen fühlt. (Beispiel: wenn beim Think City die technisch überholten, beheizten Natrium-Nickel-Eisen-Batterien gegen Li-Ion ausgetauscht werden.)

Wenn ich technologisch aufrüsten möchte, dann würde ich den i-MiEV in ein paar Jahren gegen ein Nachfolgemodell eintauschen.

Gruss Walter

 

[hefi]

Hallo Walter,

den Zusammenhang zwischen Restreichweite + Batterietemperatur kann ich bestätigen:
Gestern Abend mit 15 Balken zur Arbeit gefahren, Restreichweite steigt von 131 auf 134 km.
Heute Morgen bei Minustemperaturen Rückfahrt, beim Starten zeigt Restreichweite nur noch 94 km.

Übrigens: bist Du Dir mit der Chemie bei der Kathode sicher ?
habe mal was von LiNiMnCoO2 gelesen, wäre dann ev. eine andere Ladestrategie.

Grüsse aus Vorarlberg

 

[i-MiEV]

[quote hefi]Hallo Walter,

Übrigens: bist Du Dir mit der Chemie bei der Kathode sicher ?
habe mal was von LiNiMnCoO2 gelesen, wäre dann ev. eine andere Ladestrategie.
[/quote]

Bis jetzt war ich mir sicher. Ich meinte, dass ich die Info direkt von Makoto Yoda, CEO von YUASA habe. Habe aber jetzt die Textstelle nicht mehr gefunden. Muss nochmals suchen.

Gruss Walter

PS Gefunden! Also, der i-MiEV hat die LEV 50 von YUASA (mit LiMn2O4-Kathoden) verbaut, weil das Anfang 2008 die beste war und dafür eine industrielle Massenproduktion (die erste weltweit) aufgebaut wurde.
Etwas später hat auch Honda mit YUASA ein Joint Venture geschlossen für Batterien zu ihren Hybridautos. Dafür hat YUASA die EH 6 (mit LiNiCoMnO2-Kathode) entwickelt. Diese Zellen haben 3.7 V, aber nur 6 Ah und 67 Wh/kg. Das genügt für ein Hybridauto, aber nicht für ein rein elektrisches. Es geht darum, die NiMh-Akkus zu ersetzen, die heute in den meisten Hybriden zur Anwendung kommen.
Der grosse Vorteil der EH 6 ist das sensationell gute Niedrigtemperaturverhalten: bei -30°C immer noch 90% Kapazität!
An solchen Beispielen sieht man, wie rasch die Entwicklung der Batterien voranschreitet. Ab 2012 werden wohl alle Hybridautos mit Li-Ion-Batterien ausgerüstet.

 

[hefi]

Hallo Leute,

habt Ihr schon bemerkt dass unser Ladegerät nicht immer arbeitet obwohl er so tut als ob.

Bei meiner Tour ins Emmental ist mir aufgefallen:
In Wädenswil, nach ca. 2h Laden schaltet das Ladegerät bei 12 Balken auf ca. 7 Watt ab Netz und dümpelt vor sich hin.
In Emmen wieder dasselbe, bei 12 Balken will nicht mehr gearbeitet werden.
In Luzern (Emmenbrücke?) beginnts gleich beim Anfang vom Laden, bei 3 Balken eingesteckt, kurz hochgefahren, dann runter auf einige Watt und in den ersten 30 min nur 0.5 kw/h geladen, dafür nachher volle Leistung bis Ausstecken bei 15 Balken.
In Triesen bei 2 Balken eingesteckt, lädt mit voller Leistung.

An was könnte es liegen ?

Grüsse aus Vorarlberg
Herbert

 

[weiss]

hallo herbert
da würde ich sagen temperaturgesteuertes laden.

 

[Eba_M]

da kann man ja froh sein, das zumindest Tesla Standardzellen im Format 18650 verwendet. Diese werden jährlich millardenfach produziert und sind in verschiedenen Kapazitäten (2250mAh - 3400mAh) verfügar. Dabei liegt die Energiedichte zwischen 180-300Wh/kg.Dies wird von keiner anderen (Standard)-Traktionsbatterie erreicht.

per Klimaanlage wird die optimale Betriebstemperatur eingehalten.

dabei kosten diese Zellen vom Chinesen kaum 20cent, vom Premiumlieferanten Panasonoc schon mal über einen Dollar.

Gruß

Eberhard

p.s. der Roadster hat mittlerweile fast 60kWh, das neue Modell S bis zu 90kWh

 

[i-MiEV]

Da lassen wir mal offen, wie lange die Zellen im Tesla leben werden bzw. nach wievielen Zyklen sie noch mindestens 80% bringen. Dass sie von Panasonic teurer sind ist normal: Qualität hat ihren Preis. Damit liegt der Tesla in einer Preislage, die nicht Massenmakt tauglich ist.

Gruss Walter

 

[Eba_M]

Hallo bevor solche aussagen gemacht werden, mal bitte kurz nachrechnen:

selbst bei $1 pro Zelle = $6831 =¤4800 bei 60kWh = ¤80 pro kWh. Damit immer noch wesentlich günstiger und leichter als die LiFePo Klötze. Damit sind die ca. 500 erreichbaren Zyklen bei 80% akzeptabel.

MfG

Eberhard

 

[Berlingo-98]

[quote Eba_M]--Standardzellen im Format 18650 verwendet.
-dabei kosten diese Zellen vom Chinesen kaum 20cent
[/quote]

Oh oh, es wird immer wieder missverstanden mit diesen Standardzellen. Die Angabe 18650 ist eine reine Größenangabe, nämlich 18 mm Durchmesser und 65 mm lang. So ähnlich wie bei AA oder AAA für Primärzellen. Es sagt gar nichts über die Inhalte aus, also was drin ist: Li-Mangan, Li-Eisenphosphat, Li-Mangan-Kobalt (wie bei Laptops üblich) oder so. Es sagt gar nichts über die Ströme aus, die gezogen oder geladen werden können u.s.w. Es sagt gar nichts über die
Qualität aus. Ich denke mal, dass elweb-Forenteilnehmer hier schon vielfältige Erfahrungen gemacht haben. Schaut ins Batterieforum.

Li-Mg-Co z.B. für Laptops ist nicht unbedingt so hochstromfest wie die Li-Eisenphosphat von A123 aus den USA, die ihre Hochstromfestigkeit seinerzeit mit dem Killacycle Motorrad demonstriert hatten. Wer will, kann ja mal danach googeln.

Mit anderen Worten: die Angabe 18650 besagt gar nichts außer der Größe der Zellen.

Nun zum Preis: ich halte die genannten 20 Cent pro Zelle für ein Gerücht. Schau genau auf das Angebot. Meiner Meinung nach sind damit nur die Transportkosten gemeint. Alles andere würde mich wundern. Oder es sind gebrauchte bzw verbrauchte Rückläufer Zellen, und der Lieferant entsorgt sie auf diese Weise. Bitte, dies ist kein Spott, sondern ernst gemeint.

Alles um 300 Euro pro kWh ist günstig, alles über 1000 Euro pro kWh wäre mir zu teuer. Ich denke mal, dazwischen irgendwo liegen die Preise. Aber bitte immer auf die Spezifikationen achten hinsichtlich Stromfestigkeit. Sonst gibt es ein böses Erwachen bei der ersten Fahrt.
Ach so, wenn TESLA und Renault für die Zukunft mit noch kleineren Einkaufspreisen rechnen, mag das an den Sonderabkommen mit Mengenzusagen liegen. Mag sein, mag nicht sein. Als Kleinabnehmer halte ich diese Preise derzeit für nicht möglich. Ich würde mich freuen, wenn mich jemand konkret und belastbar eines besseren belehrt.

 

[Eba_M]

Alles um 300 Euro pro kWh ist günstig, alles über 1000 Euro pro kWh wäre mir zu teuer.

Auch das darf man so pauschal nicht sagen. Es kommt auch auf die Energiedichte und vor allem auf die erreichbare Zyklenzahl bei 60%-80% der Anfangskapazität an.

Wenn eine moderne 18650A von Panasonic basierend auf der neue Nickeloxid -Platform mit 3100mAh eine Energiedichte von ca. 280Wh/kg aufweist, kommt die Li-Eisenphosphat kaum auf die Hälfte.

Also kann ich mit der ersteren bei gleichem Gewicht die doppelte Kapazität mitnehmen und damit auch die doppelte Reichweite erzielen.

Aber die die Li-Eisenphosphat sollten mit 1000 Zyklen etwa das Doppelte der anderen erreichen, so dass beide Batterien in etwa die gleiche Laufleistung erzielen, bevor Sie ausgetauscht werden.

Das hat auch Einfluss auf den Preis. So wären die Panasonic bei gleichem Preis pro kWh dennoch im Betrieb doppelt so teuer wie die Li-Eisenphosphat, bezogen auf die während der angenommenen Lebensdauer entnommene Energiemenge.

Gruss, Eberhard