Der E-MTB Akku

Es wäre müssig darüber zu streiten, ob der Akku bei einem E-MTB wichtiger ist als der Motor oder umgekehrt. Beide Komponenten sind unverzichtbare Bestandteile des gleichen Systems und werden i.d.R. vom gleichen Hersteller geliefert und aufeinander abgestimmt.

In meinem TREK Rail 9.8 z.B. verrichten ein Bosch Performance CX Motor gemeinsam mit einer Bosch PowerTube 625 (Wh) ihren Dienst. Meine folgenden Ausführungen beziehen sich auf die genannte Kombination, dürften aber sinngemäss auch auf andere Systeme übertragbar sein.

Während der Motor auch von sehr ambitionierten Tüftlern kaum sinnvoll modifiziert werden kann, hat jeder Anwender durchaus Möglichkeiten, den Akku seines E-Bikes durch eine passend zum jeweiligen Anwendungsfall gewählte Ladestrategie bestmöglich auf eine Tour vorzubereiten. Unter Ladestrategie verstehe ich in diesem Zusammenhang die Kombination aus Ladedauer und ggf. Ladeintensität (z.B. Standard-Ladegerät mit 4 A, oder Schnellladegerät mit 6A), damit innerhalb nützlicher Frist der nächste Wegpunkt einer Tour möglichst zuverlässig erreicht werden kann. Die «nützliche Frist» kann durch Zeitknappheit nach hinten begrenzt sein, etwa durch die drohende Ankunft einer Regenfront, den Einbruch der Dunkelheit o.ä..

Um hier eine «informierte Entscheidung» treffen zu können, ist die Kenntnis der technischen Hintergründe einer wiederaufladbaren Antriebsbatterie («Akku») nützlich.

Die technischen Daten eines Akkus drücken sich z.B. aus in seiner

• Kapazität [Wh]
• Lebensdauer (Anzahl Vollladezyklen, bis eine definierte Verschlechterung der Kapazität erreicht ist)
• Ladezeit bis «voll»

Das spannende Problem besteht darin, dass sich diese drei Kriterien nicht alle gleichzeitig optimieren lassen. Man kann z.B. nicht gleichzeitig die maximale Lebensdauer mit kürzesten Ladezeiten (entsprechend höchsten Ladeströmen) erzielen. Auch kann man die mögliche Kapazität des Akkus mit erhöhten Ladeströmen nicht so vollständig ausschöpfen, wie es eigentlich (nominell) möglich wäre. Insofern ist jede Ladestrategie ein Kompromiss, der nur ein oder zwei der obigen Kriterien optimiert. Diese wechselseitigen Beeinflussungen wollte ich gerne besser verstehen, um z.B. auf zukünftigen Langstrecken mit meinem E-Bike die Zeit fürs Zwischendurch-Aufladen lang genug, aber nicht unnötig lang für das zuverlässige Erreichen des nächsten Zwischen-Ladepunkts zu wählen.

Aufbau der Antriebsbatterie

Um die von Antriebsmotoren in Elektro-Fahrzeugen benötigten Spannungen, Ströme und Kapazitäten bereitzustellen, werden mehrere Li-Ion Einzelzellen in einer Reihenschaltung zu einem Strang der gewünschten Spannung, sowie i.d.R. durch Parallelschaltung mehrerer derartiger Stränge zu einer Batterie der gewünschten Kapazität verschaltet. Das gilt für einen Tesla übrigens genauso wie für ein E-Bike.

Die derzeit noch weltweit am weitesten verbreitete Standard Li-Ion Zelle hat die Typbezeichnung «18650». Die «18» bezeichnet den Zellendurchmesser [mm], die «650» die Zellenlänge * 10 [mm]. Eine 18650 Zelle hat also typisch einen Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 65 mm. Es gibt sie von verschiedenen Herstellern, in unterschiedlichen Ausführungen, z.B. mit/ohne Lötfahnen, mit/ohne integrierte Schutzelektronik, sowie in unterschiedlichen Kapazitäten und (leicht variierenden) Nennspannungen. Nehmen wir z.B. die von Panasonic in den Handel gebrachte NCR18650GA:

Und hier geht’s zu ihrem Datenblatt.

Lt. Datenblatt weist eine Einzelzelle eine Nennspannung von 3.6 Volt auf, und eine «typische» Kapazität von 3’450 mAh (oder 3.45 Ah) auf. Daraus ergibt sich ein rechnerisches Energiespeicherungsvermögen von 12.42 Wh pro Einzelzelle. Die Nennspannung bezeichnet hierbei die Spannung, bei der die Zelle zu etwa 50% geladen ist.

Nun wird mein «PowerTube 625» von Bosch mit einer Kapazität von 625 Wh beworben, bei einer Nennspannung von 36 Volt. Die «36 Volt» lassen messerscharf vermuten, dass zum Erreichen dieser Spannung exakt 10 Zellen á 3.6 Volt in Reihe geschaltet werden müssen. Damit hätten wir bereits ein Speichervermögen von 10 * 12.42 Wh = 124.4 Wh für einen einzelnen Strang aus 10 Zellen. Um eine Gesamtkapazität von etwa(!) 625 Wh zu erreichen, werden fünf parallel geschaltete Stränge zu je zehn Zellen benötigt, für dann nominell 622 Wh. Die Abweichung von weniger als 0.5% von der beworbenen Nennkapazität kann man gelten lassen. Diese elektrische Konfiguration wird im Jargon mit 10s5p abgekürzt: 5 parallele Stränge aus jeweils 10 seriell geschalteten Einzelzellen. Insgesamt enthält ein PowerTube 625 also 50 Einzelzellen vom Typ 18650.

Randbemerkung an dieser Stelle: die Vorgängerklasse von 500 Wh Akkus hatte entsprechend eine Konfiguration von 10s4p, die Nachfolgeklasse mit 750 Wh eine solche von 10s6p.

Wer sich für den mechanischen Aufbau eines Bosch PowerTubes interessiert, findet im Internet zahlreiche Videos, die einen Komplettzerlegung, einen sogenannten «tear-down» beschreiben. Z.B. dieses hier oder dieses.

SoC – State of Charge (Ladezustand)

Für das weitere Verständnis ist es wichtig sich bewusst zu machen, dass eine Einzelzelle (und konsequenterweise eine aus Einzelzellen aufgebaute Batterie) unterschiedliche Ladezustände aufweisen kann, zwischen «ganz leer» und «ganz voll». Entscheidend ist hierbei, dass man eine Zelle nicht über den «leer»-Zustand hinaus weiter entladen darf – das wäre eine Tiefentladung. Auch kann (darf!) man sie nicht über den «voll»-Zustand hinaus weiter aufladen. In beide Fällen würden chemische Prozesse die Zelle dauerhaft schädigen, bis zum möglichen Risiko der Selbst-Entzündung.

Die typische Ladeschlussspannung für Li-Ion Einzelzellen liegt bei 4.2 V, und muss lt. Herstellerangeben hochgenau mit ±0.05 V eingehalten werden. Die Angaben für die Entladeschlussspannung schwanken je nach Hersteller und Zellentyp zwischen 2.5 V und 3.0 V. Es dürfte klar sein, dass man bei einer Entladung bis zum niedrigeren Wert der Zelle (Batterie) mehr Energie entnehmen kann. Gleichermassen dürfte klar sein, dass Hersteller im Wettbewerb andere Hersteller gerne übertrumpfen möchten, z.B. mit höheren Kapazitätsangaben. Hier sollte man im eigenen Interesse immer die jeweiligen Datenblätter der Zellen miteinander vergleichen um beurteilen zu können, unter welchen Randbedingungen eine evtl. höhere Kapazität gemessen wurde.

Ladeschluss- und Entladeschlussspannung werden über die Zellen- (bzw. Batterie-)Spannung erkannt.

Damit unter Bedingungen eines Massenmarkts auch die Dummies unter den Verbrauchern nicht in Versuchung geraten, diese technologisch vorgegebenen Grenzen zu überschreiten, werden Antriebsbatterien mit diversen elektronischen Schutzschaltungen versehen, die sie (die Batterien) vor Überladung, Tiefentladung, Kurzschluss, Übertemperatur etc. schützen.

Balancing

Auch wenn die Einzelzellen, aus denen sich eine Antriebsbatterie zusammensetzt, in Masse produziert werden, unterscheiden sie sich doch aufgrund von Serienstreuung geringfügig in ihren elektrischen Eigenschaften. Das kann dazu führen, dass in einer Serienschaltung von Einzelzellen eine Zelle während eines Ladevorgangs zuerst ihre Ladeschlussspannung erreicht, während die übrigen Zellen des gleichen Strangs sich noch unterhalb ihrer Ladeschlussspannung befinden.

Bei einer Überwachung auf Strangebene lässt sich ein solcher Zustand nicht erkennen:

Um die Überlastung einzelner Zellen in einem Zellenverbund auszuschliessen, ist man zu einer Überwachung auf Einzelzellebene übergegangen. Doch dies bringt neue Nachteile mit sich:

Wenn man von der mittleren Vierergrupe von (in Serie geschalteten) Einzelzellen ausgeht, wird bei einer Aufladung (rechte Vierergruppe) die grüne Zelle zuerst ihre Ladeschlussspannung erreichen, und dadurch die Ladung des gesamten Strangs stoppen. In dem Fall hat man es mit verschwendeter (d.h.: nicht genutzter) Speicherkapazität des Strangs zu tun.

Umgekehrt wird, ausgehend von der mittleren (in Serie geschalteten) Vierergrupe, bei einer Entladung (linke Vierergruppe) die orange Zelle zuerst ihre Entladeschlussspannung erreichen, und damit die Entladung des Strangs stoppen. In diesem Fall hat man es mit verschwendetem (d.h.: nicht genutztem) Rest-Energieinhalt des Akkus zu tun – auch nicht gut.

So entstand das Konzept, die Ladezustände aller Einzelzellen einer Batterie laufend miteinander zu vergleichen und sich entwickelnde Ungleichgewichte in deren Ladezuständen laufend auszugleichen, sie zu balancieren. In ersten, primitiven Implementationen wurde die Energie überdurchschnittlich aufgeladener Einzelzellen über zugeschaltete Lastwiderstände «verheizt», während inzwischen aktuelle Balancer die Energie überdurchschnittlich aufgeladener Einzelzellen intern zu unterdurchschnittlich aufgeladenen Zellen verschieben.

Ein Klick auf die folgende Grafik führt zu einer schönen und anschaulichen, interaktiven Visualisierung eines derartigen cell balancers und seiner unterschiedlichen, möglichen Optimierungsstrategien.

Die Gesamtheit aus Schutzschaltungen und Balancer bezeichnat man als BMS (battery management system). Dieses ist typischerweise Bestandteil kommerziell erhältlicher Antriebsakkus (z.B. Bosch PowerTubes).

Neben der Elektronik des BMS enthält ein PowerTube auch noch in gewissem Umfang Software. So wird z.B. die Anzahl der bisher erlebten Aufladezyklen im Akku gespeichert und kann mit Bosch-Diagnosegeräten ausgelesen werden. Auch können sich neuere Bosch-Akkus vom Typ PowerTube über eine CAN-Bus Schnittstelle gegenüber dem Bosch Fast Charger als schnellladefähig identifizieren, wodurch der erhöhte Ladestrom von 6A des Bosch Fast Chargers erst freigeschaltet wird.

E-Bike Akku als Verschleissteil

Ein Li-Ion Akku ist im Laufe seiner Betriebszeit Alterungsprozessen unterworfen, die sein Energiespeichervermögen unweigerlich reduzieren.

Das Diagramm sagt aus, dass eine Li-Ion Einzelzelle vom Typ NCR18650GA nach 500 Ladezyklen einen Kapazitätsverlust von ursprünglich 3’450 mAh im Neuzustand auf knapp 2’200 mAh hinnehmen muss – eine Reduktion auf weniger als zwei Drittel des Werts im Neuzustand! Um diesen Wert richtig einordnen zu können, muss man das «Kleingedruckte» in der rechten oberen Ecke des obigen Diagramms beachten:

Die Rede ist hier von 500 Vollladezyklen über 100% des möglichen Spannungshubs zwischen der spezifizierten Entladeschlussspannung von 2.5 V und der Ladeschlussspannung von 4.2 V. Wenn man den möglichen Hub nicht vollständig ausschöpft, also z.B. nur bis 30% Restladung entlädt und nur bis z.B. 90% Vollladung auflädt, lässt sich angeblich eine erhebliche (jedoch leider nicht quantifizierte) Erhöhung der Akku-Lebensdauer erzielen.

Egal wie schonend man mit dem Li-Ion Akku seines E-Bikes umgeht: irgendwann ist ein Ersatz fällig. Schon alleine, weil die Restkapazität die bisher gewohnten Langstrecken nicht mehr ausreichend unterstützt. So ein Ersatz-Akku ist leider nicht billig. Im €-Raum muss man für einen Original Bosch PowerTube 625 mit Preisen oberhalb ca. € 600.- rechnen, in der Schweiz mit Preisen ab etwa CHF 800.-. Diese Kosten relativieren sich ein wenig, wenn man bedenkt, dass der Akku zum Austauschzeitpunkt eine Fahrstrecke von wenigstens 25’000 km unterstützt haben dürfte. Für einen durchschnittlichen Hobby-Biker eine beachtliche Strecke und somit eine Erhaltungs-Investition, die nur alle paar Jahre anfallen dürfte.

Trotzdem: Vor dem Hintergrund von

• regelmässigem Ersatzbedarf
• hohen Ersatzteilkosten
• Proprietären Steckverbindungen
• Proprietärem Protokoll auf dem CAN-Bus
• und somit: einem ausgeprägten Vendor-Lock-In

hat sich eine aktive Hacker-Szene rund um Bosch E-Bike Antriebssysteme herausgebildet, die einerseits Kosten sparen möchte, andererseits von Bosch gesetzte technische Beschränkungen sprengen möchte. Das grundsätzliche Vorgehen besteht darin, mittels eines geeigneten Adapters die CAN-Bus Signale auf einer USB-Schnittstelle bereitzustellen und diese dann mittels eines Terminalprogramms mitzuschneiden und reverse zu engineeren. Wer sich für derartige Verfahren interessiert, findet im oben verlinkten Forum/Thread einen guten Startpunktfür weitere Recherchen.

So interessant das sein mag – das ist nicht mein Ziel. Ich hätte es gerne etwas konkreter. Deshalb habe ich eine vollständige Ladekurve eines PowerTube 625 aufgenommen, mit Spannungs- und Stromverlauf ab vollständig im Bike leer gefahrenem Akku bis zur automatischen Abschaltung beim Erreichen des vom Bosch-Ladegerät als «voll» erkannten Zustands. Inklusive der Ladezeiten, Spannungs- und Energieniveaus des Akkus beim Wechsel von einer n-stufigen auf eine n+1 -stufigen Anzeige im Balkendisplay.

Diese sehr konkreten und handfesten Ergebnisse beschreibe ich im Folgeartikel. Mit besonderer Schwerpunktsetzung auf eine Interpretation der fünf-stufigen Balkenanzeige meines Purion-Displays:

Spoiler Alert: die Balkenanzeige zeigt _nicht_ den aktuellen bzw. verbleibenden Energieinhalt des Akkus an …

An dieser Stelle haben wir aber alle erst einmal eine Pause verdient. 😎