Was können uns 6.000 Elektrofahrzeuge über die Lebensdauer der EV Batterien sagen?

Vergleichen die durchschnittliche Batterielebensdauer für verschiedene Marken und Modellen.

Wie lange hält die Batterie eines Elektrofahrzeugs? Verwenden Sie die kostenlose E-Fahrzeug-Batterie-Analyse (EV Battery Degradation Analysis), um die durchschnittliche Lebensdauer der Batterie über einen längeren Zeitraum für verschiedene Fahrzeugmarken und Modelljahre zu vergleichen. Geotab hat die Analyse auf der Grundlage von 6.300 Elektrofahrzeugen entwickelt, die in Fuhrparks oder von normalen Verbrauchern verwendet werden. Lesen Sie weiter, um mehr über die Lebensdauer der Batterien von Elektrofahrzeugen zu erfahren und wichtige Erkenntnisse zur realen Batterieleistung zu erhalten.

Die Bedeutung der Batterien von Elektrofahrzeugen

Wenn Sie über den Kauf eines Elektrofahrzeugs nachdenken, müssen Sie einige wichtige Faktoren berücksichtigen. Diese drei Fragen stehen wahrscheinlich ganz oben auf Ihrer Liste:

• Wie viel kostet das Elektrofahrzeug?
• Was ist seine Reichweite?
• Wie lange hält die Batterie?

Im Hinblick auf den Lebenszyklus sind die Leistung und der Zustand der Batterie die mit Abstand wichtigsten Aspekte. Da es sich bei der Batterie um die teuerste Komponente eines Elektrofahrzeugs handelt, wirkt sich deren Erhaltungszustand auf den Restwert des Fahrzeugs aus (was zur Antwort auf die Kostenfrage oben beiträgt) und beeinflusst zudem direkt die maximale Reichweite im Laufe der Zeit.

Wie lange hält die Batterie eines Elektrofahrzeugs?

Wie Sie vielleicht schon bemerkt haben, ist es schwer, eine direkte Antwort auf die Frage nach der Batterie-Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs zu erhalten. Stattdessen wird bei dieser Frage häufig versichert, dass Batterien durch die Garantie abgedeckt sind, sollte etwas schiefgehen. In der Regel wird für die Batterie eines Elektrofahrzeugs eine Garantie von 8 Jahren oder für 160.000 Kilometer gewährt. Dies ist jedoch je nach Hersteller und Land unterschiedlich.

Garantien sind beruhigend – genau wie die Tatsache, dass die Batteriekosten von Jahr zu Jahr deutlich sinken. Seit 2010 ist der Preis eines durchschnittlichen Lithium-Ionen-Akkus um über 80 % gesunken.

Die Garantie eines Automobilherstellers für seine Batterietechnologie und das Versprechen, die Kosten zu senken, sorgen zumindest für ein gewisses Maß an Vertrauen. Die meisten von uns würden es jedoch sehr begrüßen zu wissen, wie schnell die Batterien voraussichtlich abbauen, und wie man diesen Verlust minimieren kann.

Was ist mit Degradation der Batterie gemeint?

Die Degradation der Batterie ist ein natürlicher Prozess, durch den die Menge an Energie, die eine Batterie speichern kann, bzw. die Menge an Leistung, die sie liefern kann, dauerhaft reduziert wird. Die Batterien in Elektrofahrzeugen können in der Regel mehr Leistung liefern, als die Komponenten des Antriebsstrangs verarbeiten können. Daher ist eine Leistungsverschlechterung bei Elektrofahrzeugen nur selten zu beobachten. Im Grunde ist nur der Verlust der Fähigkeit der Batterie, Energie zu speichern, von Belang.

Der Zustand einer Batterie wird als Erhaltungszustand bezeichnet. Batterien beginnen ihre Lebensdauer mit einem Erhaltungszustand von 100 %. Im Laufe der Zeit verschlechtert sich dieser jedoch. Beispielsweise würde eine 60-kWh-Batterie mit 90 % Erhaltungszustand effektiv so viel wie eine 54-kWh-Batterie leisten.

Damit ist jedoch nicht die Fahrzeugreichweite (Entfernung, die das Fahrzeug mit diesen kWhs zurücklegen kann) gemeint. Diese kann täglich oder von Fahrt zu Fahrt schwanken und von einer Reihe von Faktoren wie Ladetyp, Topografie, Temperatur, Hilfsbetrieb, Fahrgewohnheiten und Passagieranzahl oder Beladung abhängen.

Häufige Faktoren, die den Zustand der Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen:

1. Zeit
2. Hohe Temperaturen
3. Betrieb bei hohem und niedrigem Ladezustand
4. Hohe elektrische Stromzufuhr
5. Nutzung (Energiezyklen)

Zwar wurden in der Vergangenheit zahlreiche Untersuchungen im Hinblick auf den Batteriezustand durchgeführt, aber über die tatsächliche Leistung, die Elektrofahrzeuge im Laufe der Zeit erzielen, gibt es nur sehr wenige Daten – von Vergleichen zwischen verschiedenen Marken und Modellen ganz zu schweigen. Bis jetzt.

Wir präsentieren: Die E-Fahrzeug-Batterie-Analyse (EV Battery Degradation Analysis)

Geotab hat die E-Fahrzeug-Batterie-Analyse entwickelt, um zu bewerten, wie sich die Batterien im Laufe der Zeit gehalten haben, und um die relative Bedeutung der oben genannten Faktoren für die Lebensdauer der Batterie unter realen Bedingungen zu berücksichtigen.

Wir haben den Batteriezustand von 6.300 in Fuhrparks und von normalen Verbrauchern genutzten Elektrofahrzeugen analysiert, was 1,8 Millionen Tagen an Daten entspricht. Aus den verarbeiteten Telematikdaten haben wir Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich die realen Bedingungen auf den Zustand der Batterie von Elektrofahrzeugen auswirken. Dadurch waren wir in der Lage, aggregierte durchschnittliche Degradationsdaten für 21 verschiedene Fahrzeugmodelle über insgesamt 64 Marken, Modelle und Baujahre hinweg bereitzustellen.

Hinweise zur Analyse:

• Bei den unten angezeigten Degradationskurven handelt es sich um die durchschnittliche Trendlinie aus den analysierten Daten.
• Diese Diagramme können einen Einblick in den durchschnittlichen Batteriezustand im Laufe der Zeit bieten, sollten jedoch nicht als präzise Vorhersage für ein bestimmtes Fahrzeug interpretiert werden.
• Ein Teil der Fahrzeugmarken, Modelle und Baujahre ist im Visualisierungstool nicht verfügbar, da wir Fahrzeuge mit unzureichenden Daten ausgeschlossen haben. (Seien Sie nicht beunruhigt, wenn das Auto Ihrer Wahl fehlt!)

Wichtige Erkenntnisse

Batterien weisen eine lange Lebensdauer auf

Aus den Daten von über 6.000 Elektrofahrzeugen aller großen Marken und Modelle ging zunächst einmal hervor, dass ein Großteil der Batterien eine hohe und lang anhaltende Erhaltungsladung aufweist. Wenn die ermittelten Degradationsraten beibehalten werden, ist davon auszugehen, dass die meisten Batterien die Nutzungsdauer des jeweiligen Fahrzeugs überdauern werden.

Mit höherem Alter verschlechtert sich auch der Batteriezustand

Je älter ein Fahrzeug ist, desto wahrscheinlicher ist es auch, dass sich der Zustand seiner Batterie verschlechtert hat. Betrachtet man jedoch die durchschnittliche Degradation des Batteriezustands über alle Fahrzeuge hinweg, so ist der Reichweitenverlust mit 2,3 % pro Jahr verhältnismäßig gering. Das ist eine gute Nachricht! Wenn Sie folglich heute ein Elektrofahrzeug mit einer Reichweite von 240 Kilometern kaufen, ist es unwahrscheinlich, dass ein Reichweitenverlust von etwa 27 Kilometern nach fünf Jahren Ihre alltäglichen Bedürfnisse beeinträchtigen wird.

Verläuft die Degradation der E-Fahrzeug-Batterie linear?

Während diese Analyse eine mehr oder weniger lineare Degradation anzeigt, geht man bei Batterien von Elektrofahrzeugen in der Regel von einem nichtlinearen Rückgang aus – also von einem anfänglichen Rückgang, auf den eine weitere Abnahme folgt, die jedoch in einem weitaus moderateren Tempo erfolgt. Gegen Ende ihrer Lebensdauer durchläuft eine Batterie einen letzten signifikanten Abfall, wie unten zu sehen ist.

Abbildung 1: Eine normale Degradationskurve sollte in etwas so aussehen.

Zum Glück für die Fahrer haben zu wenige Batterien, die wir analysiert haben, das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, so dass wir nicht vorhersagen können, wann dies wahrscheinlich eintreten wird. Wir werden weiterhin beobachten, wann die nichtlineare Degradation (auch als „Heel“ bezeichnet) beginnt.

Es gibt einen messbaren Unterschied zwischen Marken, Modellen und Baujahren

Aus unseren Daten geht hervor, dass die Fahrzeugbatterien im Laufe der Zeit je nach Marke und Modelljahr unterschiedlich abschneiden. Warum scheinen einige Fahrzeugmodelle im Durchschnitt eine schnellere Degradation aufzuweisen als andere? Zwei mögliche Faktoren sind die chemische Zusammensetzung der Batterie und das Wärmemanagement des Batteriepacks. 

Elektrofahrzeuge verwenden zwar Lithium-Ionen-Batterien, aber es gibt viele verschiedene Varianten von Lithium-Ionen-Systemen (der wichtigste Unterschied sind die Materialien, die für die Elektroden verwendet werden). Die chemische Zusammensetzung einer Batterie beeinflusst, wie sie auf Belastungen reagiert. Außerdem unterscheiden sich die Fahrzeugmodelle nicht nur hinsichtlich der Zellchemie, sondern auch im Hinblick auf die Temperaturkontrolltechniken. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, ob die Batterie durch Luft oder durch Flüssigkeit gekühlt und/oder erwärmt wird.

Vergleichen wir ein Fahrzeug mit Flüssigkeitskühlsystem mit einem Fahrzeug mit passiver Luftkühlung – genauer gesagt den Tesla Model S von 2015 und den Nissan Leaf von 2015. Beim Nissan Leaf beläuft sich die Degradationsrate auf 4,2 %, während sie beim Model S 2,3 % beträgt. Ein gutes Wärmemanagement ermöglicht einen besseren Degradationsschutz.

Abbildung 2: Vergleich der Batterie-Degradation des Tesla Model S von 2015 (Flüssigkeitskühlung) mit der des Nissan Leaf von 2015 (passive Luftkühlung).

Ladezustand und Puffereffekt

Ein weiterer zu erwartender Grund für die Unterschiede hinsichtlich des Batteriezustands zwischen den Herstellern ist die Kontrolle des Ladezustands. Der Betrieb einer fast vollen oder leeren Batterie hat Auswirkungen auf den Zustand der Batterie. Um diesen Effekt zu begrenzen, fügen viele Hersteller einen Puffer hinzu, der die Nutzung der äußersten Enden des Ladezustandspektrums effektiv verhindert (siehe Abbildung unten).

Neben den Schutzpuffern am oberen und unteren Ende des Batterieladezustand-Spektrums bieten viele Fahrzeuge ihren Besitzern die Möglichkeit, den normalen täglichen Ladevorgang bei einem Stand von unter 100 % zu stoppen.

Abbildung 3: Batterieschutzpuffer steuern das nutzbare Ladezustand-Spektrum eines Elektrofahrzeugs.

Wussten Sie schon?

Der Wegfall der äußersten Enden des Ladezustand-Spektrums dient nicht nur der Erhaltung des Batteriezustands, sondern auch dem sicheren Betrieb des Fahrzeugs. An den äußersten Enden des Spektrums wäre die Batterie nicht in der Lage, die volle Leistung anzunehmen oder bereitzustellen, und das Fahrerlebnis würde beeinträchtigt werden. Im Grunde ist eine Batterie bei 100 % nicht vollständig geladen, wenn man die reine Batteriechemie betrachtet.

Genauso wenig ist sie bei 0 % vollständig entladen. Da der Fahrzeugbesitzer aus Gründen der Sicherheit und der Batterielebensdauer nicht auf diese Bereiche des Batteriespektrums zugreifen kann, ist es wahrscheinlich, dass viele davon nichts wissen. Durch über Mobilfunk vorgenommene Software-Upgrades ist es möglich, dass sich die Größe des Puffers im Laufe der Zeit ändern kann. Dies wurde bereits von einigen Tesla-Besitzern im Jahr 2019 festgestellt, als sie einen Rückgang im oberen Batterieladezustand-Spektrum bemerkten. Tesla bestätigte, dass die Aktualisierung „zum Schutz der Batterie und zur Verbesserung der Lebensdauer“ erfolgte.

Darüber hinaus bieten einige Automobilhersteller einstellbare Ladegrenzwerte an, durch die der Benutzer einstellen kann, an welchem Punkt die Batterie den Ladevorgang stoppt (z. B. können sie das Fahrzeug anweisen, den Ladevorgang bei 75 % statt 100 % zu stoppen). Dieser vom Eigentümer definierte Bereich (B in der Grafik) ist auf den nicht-diskretionären Puffer (A) abgestimmt, um den Batteriebetrieb in Bereichen mit höherer Degradation zu begrenzen. 

Sehen wir uns ein Beispiel an. Der Chevrolet Volt, insbesondere die frühen Modelljahre, verfügt über vergleichsweise große obere und untere Schutzpuffer (Bereiche A und D), die sich mit zunehmendem Alter der Batterie dynamisch verändern. Die größeren Puffer bedeuten zwar weniger Energie für das Fahren, sollten dafür aber eine längere Lebensdauer der Batterie ermöglichen. Aufgrund der größeren Ladezustandspuffer, des Wärmemanagements mit Flüssigkeitskühlung und der dynamischen (abnehmenden) Puffergröße ist beim Chevrolet Volt mit unterdurchschnittlichen Degradationsraten zu rechnen.

Abbildung 4: Degradation der Batterie im Laufe der Zeit bei einem Chevrolet Volt im Vergleich zu allen Fahrzeugen.

Welche zusätzlichen Faktoren wirken sich auf den Batteriezustand aus?

Auf der Grundlage der verfügbaren Telematikdaten konnten wir die Degradation der Batterie anhand verschiedener Faktoren, denen die Fahrzeuge ausgesetzt waren, bewerten, um zu sehen, ob es einen Zusammenhang mit der Verschlechterung des Batteriezustands gibt. Zu diesen Faktoren gehörten:

• Nutzung
• Extreme Klimabedingungen
• Ladetyp

Eine hohe Fahrzeugnutzung führt nicht automatisch zu einer kürzeren Lebensdauer der Batterie

Eine spannende Information, die wir aus den Daten gewinnen konnten, war, dass häufig genutzte Fahrzeuge keine statistisch gesehen höhere Degradation der Batterie aufwiesen. Dies sollte eine willkommene Nachricht sein, da man nicht von den Vorteilen eines Elektrofahrzeugs profitiert, wenn es nur auf dem Parkplatz steht.

Das Fazit? Scheuen Sie sich nicht, Ihre Elektrofahrzeuge möglichst häufig einzusetzen. Solange ihre tägliche Reichweite nicht überschritten wird, wird die Lebensdauer ihrer Batterie nicht beeinträchtigt. Ein wichtiger Hinweis: Wenn eine hohe Nutzung ein routinemäßiges Schnellladen mit Gleichstrom erfordert, lesen Sie unbedingt den Abschnitt über die Auswirkungen des Ladetyps.

Abbildung 5: Die Nutzungshäufigkeit hat offenbar keine großen Auswirkungen auf die Degradationsraten.

Bei Fahrzeugen, die bei hohen Temperaturen gefahren werden, nimmt der Erhaltungszustand der Batterie schneller ab

Eine Batterie, die sehr heißen Temperaturen ausgesetzt wird, ist deutlich schadensanfälliger, aber in welchem Maße? Hat das gleiche Elektrofahrzeug in Arizona eine andere Batterielebensdauer als in Norwegen? Um dies herauszufinden, haben wir die Fahrzeuge nach folgenden Klimabedingungen gruppiert:

• Gemäßigt (weniger als 5 Tage pro Jahr über 27 °C oder unter -5 °C)
• Heiß (mehr als 5 Tage pro Jahr über 27 °C)

Wie unten dargestellt, wiesen Fahrzeuge, die in heißen Klimazonen gefahren wurden, eine deutlich schnellere Verschlechterung auf als Fahrzeuge, die in gemäßigten Klimazonen gefahren wurden. Das sind keine guten Nachrichten, wenn Sie und Ihre Fahrzeuge regelmäßig in brütender Hitze unterwegs sind. Sehr hohe und niedrige Außentemperaturen wirken sich ebenfalls auf die tägliche Reichweite aus.

Abbildung 6: Batterien, die heißen Temperaturen ausgesetzt sind, weisen eine schnellere Degradation auf als Batterien, die bei gemäßigten Temperaturen verwendet werden.

Ladetypen im Blickpunkt

Wir haben einen Blick auf die am häufigsten verwendeten Ladetypen für Elektrofahrzeuge in unserem System geworfen. Nordamerikanische Ladestationen für Elektrofahrzeuge sind in drei gängige Typen unterteilt:

1. Typ 1 (120 Volt – eine normale Steckdose in Nordamerika)
2. Typ 2 (240 V – typisch für das Laden zu Hause oder auf dem Fuhrpark-Parkplatz)
3. Gleichstrom-Schnellladegerät (DCFC) (ermöglicht schnellere Batterieaufladung).

In den meisten europäischen Ländern erfolgt der Ladevorgang entweder mit Wechselstrom (was in etwa Typ 2 in Nordamerika entspricht) oder mit Gleichstrom (wie oben beschrieben mit Gleichstrom-Schnellladegeräten).

Während Typ 2 oft als die optimale Art und Weise, ein Elektrofahrzeug aufzuladen, angeführt wird, schien der Unterschied im Hinblick auf den Batteriezustand zwischen Autos, für die routinemäßig eine Typ-1-Aufladung verwendet wurde, im Vergleich zu denen, für die eine Typ-1-Aufladung verwendet wurde, zwar messbar zu sein, blieb jedoch im statistisch nicht signifikanten Bereich.

Abbildung 7: Degradation der Batterie bei Fahrzeugen, für die vorrangig eine Typ-1-Aufladung verwendet wurde, im Vergleich zu Fahrzeugen, für die eine Typ-2-Aufladung verwendet wurde.

Die Verwendung von Gleichstrom-Schnellladegeräten scheint sich offenbar auf die Geschwindigkeit auszuwirken, mit der die Degradation von Batterien voranschreitet. Das schnelle Laden einer Batterie bedeutet hohe Ströme, die zu hohen Temperaturen führen. Diese beiden Aspekte sind bekanntermaßen eine Belastung für die Batterie. Viele Automobilhersteller schlagen sogar vor, den Einsatz von Gleichstrom-Schnellladegeräten zu begrenzen, um die Batterielebensdauer ihrer Fahrzeuge zu verlängern.

Hier werfen wir einen Blick auf alle batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge in der gleichen Klimagruppe (wir haben uns für die anfälligste Gruppe entschieden, also die Fahrzeuge, die bei extremen Klimabedingungen genutzt werden). Wir haben sie basierend darauf kategorisiert, wie häufig ein Gleichstrom-Schnellladegerät zum Einsatz kam: Nie, gelegentlich (1–3 Mal pro Monat) und häufig (mehr als 3 Mal pro Monat).

Abbildung 8: Die Degradation der Batterie scheint in hohem Maße mit der Nutzung von Gleichstrom-Schnellladegeräten für Fahrzeuge in saisonalen oder heißen Klimazonen zusammenzuhängen.

Der Unterschied zwischen den Fahrzeugen, die nie mit einem Gleichstrom-Schnellladegerät geladen wurden, und denen, die gelegentlich in saisonalen oder heißen Klimazonen mit einem solchen Gerät geladen wurden, war bemerkenswert. Auch wenn noch andere Faktoren eine Rolle spielen könnten (wir möchten betonen, dass dies kein kontrolliertes Experiment war), sollte eine Typ-2-Aufladung mit geringerer Leistung priorisiert werden.

Tipps zur Verlängerung der Lebensdauer der E-Fahrzeug-Batterie

Auch wenn die Degradation der Batterie je nach Modell und äußeren Bedingungen wie Klima und Ladetyp variiert, wurde bei einem Großteil der heute im Verkehr befindlichen Fahrzeuge keine signifikante Kapazitätsabnahme festgestellt. Tatsächlich fiel die allgemeine Degradation mit einem durchschnittlichen Kapazitätsverlust von nur 2,3 % pro Jahr sogar vergleichsweise gering aus. Unter idealen Klima- und Ladebedingungen beläuft sich der Verlust auf 1,6 %. Während einige Dinge außerhalb der Kontrolle des Fahrers liegen, gibt es Möglichkeiten, die Lebensdauer der E-Fahrzeug-Batterie zu verlängern.

Einige Tipps für den Betrieb Ihrer Elektrofahrzeuge:

• Vermeiden Sie es, Ihr Auto über längere Zeit mit einer vollen oder leeren Ladung abzustellen. Achten Sie darauf, dass die Erhaltungsladung idealerweise zwischen 20 und 80 % liegt, insbesondere wenn Sie das Fahrzeug für längere Zeiträume abstellen, und laden Sie das Fahrzeug nur für lange Strecken vollständig auf.
• Verzichten Sie wenn möglich auf schnelle Ladevorgänge (mit Gleichstrom-Schnellladegeräten). Bei einer hohen Nutzungshäufigkeit kann eine schnellere Aufladung erforderlich sein. Wenn Ihr Fahrzeug jedoch über Nacht steht, sollte eine Typ-2-Aufladung für den Großteil Ihrer Ladeanforderungen ausreichen.
• Als Fahrer haben Sie zwar keinen Einfluss auf das Klima, aber Sie sollten es dennoch wenn möglich vermeiden, das Fahrzeug heißen Temperaturen auszusetzen. Parken Sie es an heißen Tagen beispielsweise im Schatten.
• Eine hohe Nutzungshäufigkeit ist kein Problem. Betreiber von Fuhrparks sollten daher nicht zögern, ihre Elektrofahrzeuge auch einzusetzen. Ein Elektrofahrzeug bietet keine Vorteile, wenn es nur ungenutzt auf dem Parkplatz herumsteht. Je mehr Kilometer pro Fahrzeug zurückgelegt werden, desto eher rentiert sich auch der Fuhrpark.

Abschließende Überlegungen

Zerbrechen Sie sich nicht den Kopf über Details. Da die Fahrzeuge mit immer größeren Batterien ausgestattet sind, hat der Kapazitätsverlust möglicherweise gar keine Auswirkungen auf Ihre alltäglichen Fahrbedürfnisse und sollte die vielen Vorteile, die Elektrofahrzeuge zu bieten haben, daher nicht überschatten.

Wollen Sie Ihren Fuhrpark auf Elektrofahrzeuge umstellen? Geotab-Kunden können eine kostenlose Eignungsprüfung für Elektrofahrzeuge in Anspruch nehmen, um das Rätselraten bei der Beschaffung von Elektrofahrzeugen zu vermeiden. Finden Sie heraus, welche Elektrofahrzeuge am besten für Ihre Anforderungen geeignet sind und sparen Sie bares Geld.