Korrelation Spannungsdifferenz <> Akku-Innenwiderstand

[Hans]

Hallo zusammen,
meine LiPo-Rundzellen prüfte ich gerne mit einem definierten Lastwiderstand. Anhand des Spannungsabfalls kann ich dadurch recht gut erkennen, wie stark belastbar der Akku noch ist und für welche Anwendungen er noch nutzbar ist.
Im Prinzip stellt das entsprechend meines laienhaften Hintergrundwissens den Innenwiderstand des Akkus dar.
Mit einer aus der Erinnerung nach sehr komplexen Berechnung kann man den Widerstand auch berechnen.
Ich merkte mir aber lediglich die Werte eines neuwertigen Akkus (sehr niedriger Spannungsabfall) und eines "ausgelutschten" Akkus (mäßiger Spannungsabfall - nur noch für Taschenlampe nutzbar).
Und alles dazwischen diente dann Anwendungen im (kurzzeitigen) 5-10C-Bereich.

Weil mir der Innenwiderstand eines Akkus als ein recht verlässlicher Parameter für die Akkugesundheit (und auch die praktische Nutzbarkeit eines Akkus) erscheint, interessierte mich auch der Wert des SpringAkkus eigentlich schon immer.

Es ist bekannt, das sehr kalte Akkus einen höheren Innenwiderstand haben als Akkus bei Raumtemperatur.
Der höhere Innenwiderstand bedeutet dann auch eine geringere Effizienz bei Laden/ Entladen - und resultiert im höheren "Verbrauch" bei winterlichen Temperaturen: bei sehr kalten Temperaturen geht mehr Energie in die Erwärmung des Akkus als bei 20°C.

Auch bei zunehmendem Akkualter kann der Innenwiderstand im Bezug auf Langstreckentauglichkeit interessant werden. Ich schrieb das mal vor längerer Zeit: höherer Innenwiderstand = stärkere Erwärmung des Akkus > im Sommer auf Langstrecke eher unerwünscht.
Als ich gerade auf Autobahn heimfuhr und den CarScanner-Parameter "GesamtSpannung" betrachtete, sah ich bei unterschiedlicher Belastung verständlicherweise auch eine unterschiedliche AkkuSpannung.
Aus der Erinnerung bei 70% Akku-SoC und 10°C AkkuTemp lag die Leerlaufspannung (kein Gasgeben) bei ca. 275V , bei Vollgas (37kW) fiel die Spannung auf 268V. Also ein Spannungseinbruch von ca. 2-3%.

Wenn man da mehr Daten bei verschiedenen Akkutemperaturen und verschiedenen Fahrzeugaltern sammeln würde, erschiene mir der Spannungsabfall als ein verlässlicherer Parameter als der per OBD auslesbare SOH.
Das wäre beispielsweise bei der Bewertung der persönlichen AkkuBehandlung interessant oder beim Kauf eines Springs.

Auch könnte man wahrscheinlich ausrechnen, bei welcher AkkuTemperatur dann wieviel Leistung beim Laden/ Entladen durch das Aufheizen des Akkus "verloren" ginge.
Könnte interessant sein für die Entscheidung, ob man vor oder nach dem Fahren lädt.

Nach der eeeeewig langen Einleitung... mehrere Fragen:

- @AkkuSpezialisten: liege ich mit meinen laienhaften Gedanken richtig oder habe ich einen Fehler in der Schlussfolgerung?
- Gibt es eine Tabelle, die den Innenwiderstand in Korrelation zur Akkutemperatur unserer AkkuChemie darstellt? (habe nichts gefunden)
- Kann man den Spannungseinbruch direkt in Korrelation zum "Verlust_durch_AkkuHeizung" setzen?
(also 2-3% Spannungseinbruch bei 36kW Leistung => 2-3% x 36kW= 0,9kW werden im Akku verheizt?)

 

[Spring-zula*161123]

Akku Innenwiderstandsmessung wäre ja auch technisch möglich und realisierbar.
@Hans, inzwischen habe ich für mich die Erkenntnis gewonnen, dass deine obige Herleitung weniger Laienhaft ist, sondern genau dieses schwierige Thema der Bewertung des SOH in Verbindung mit dem ständig verändernden Bedingungen in der Benutzung über den SOC erklärt...Prof x Klasse...
These: 45er Dacia Spring , bewegt mit "Rennfahrer hinterm Steuer" oder "Schwarz- weiß- Fahrpedaltreter ", also 0 oder 1=" Vollstrom " sind ja genau diese Stressoren für diesen Akku und / oder Haltbarkeit. Entsprechende Elektronen- Bewegungen beim Schnell- Laden summieren dich dazu.
Danke

 

[bruder-maert]

Hallo Hans,

danke für die Werte und ausführliche Herleitung.

Ist eigentlich einfach Ohmsches Gesetz - R=U/I.
Der Strom bei Vollgas und 268 Volt ist 138 Ampere.
Also wäre der Innenwiderstand der Batterie bei 7 Volt Spannungsabfall 0,05 Ohm.
Da werden jetzt manche schreien "viel zu hoch", da ist halt alles an bösen Faktoren beteiligt.
Da wären z.B. SOC, Temperatur und die Frage wo die Spannung wirklich gemessen wird.
Am Eingang des Umrichters (da wären dann die Kupferverluste dabei) oder an der Batterie?

Die "Akkuheizung" wäre P=U*I, also 7V*138A = 966 Watt...

 

[Tom ate]

liege ich mit meinen laienhaften Gedanken richtig oder habe ich einen Fehler in der Schlussfolgerung?

Liegst komplett richtig!

- Gibt es eine Tabelle, die den Innenwiderstand in Korrelation zur Akkutemperatur unserer AkkuChemie darstellt? (habe nichts gefunden)

Dazu müsste man die genaue Akkuchemie erst mal kennen; wir wissen aber nur "NMC", und das ist ähnlich unspezifisch, als würde man fragen: Wie schwierig ist es, einen Alpengipfel (ohne nähere Angabe) zu erklimmen?

- Kann man den Spannungseinbruch direkt in Korrelation zum "Verlust_durch_AkkuHeizung" setzen?
(also 2-3% Spannungseinbruch bei 36kW Leistung => 2-3% x 36kW= 0,9kW werden im Akku verheizt?)

Ja. Zumindest korreliert der Spannungseinbruch mit dem Verlust - und der mit Abstand größte Verlust ist Verlustwärme. Also nimm in der praktischen Anwendung den errechneten Verlustwert, ziehe ein paar wenige Prozent davon ab, und Du hast die "Akkuheizung".

 

[piejar]

Typical method to calculate internal resistance is to make two measurements of voltage and one measurement of current.
First measure idle voltage (at 0 current), then burden battery with certain current and measure voltage and current at this charge.
R int= (U-idle - U-burden)/I-burden
So it is delta of voltage divided by delta of current.
It's.not easy to get constant current while driving but when you set 100% heating with ECO mode off you will burden some 3 kW which is pretty good constant discharge

 

[Hans]

It's.not easy to get constant current while driving but when you set 100% heating with ECO mode off you will burden some 3 kW which is pretty good constant discharge

Das stimmt. Während der Fahrt eine sehr konstante Leistung abzurufen ist nicht einfach.
Mein Hintergrund, dies mit „Vollgas“ mal auszuprobieren war: die maximale Leistung wird ja relativ konstant gehalten und durch die hohe Leistung ist der Wert des Spannungsabfalls auch höher und lässt dadurch eine bessere Berechnung zu.
Aber ich werde das mal mit eingeschalteter Heizung im Stand ausprobieren, guter Vorschlag

 

[Fahrer]

Die Heizung läuft kaum konstant. Die regelt ständig rauf und runter. Da wird schlecht eine gute Messung rauskommen.

 

[Tom ate]

Die Heizung läuft kaum konstant. Die regelt ständig rauf und runter. Da wird schlecht eine gute Messung rauskommen.

Ohne ECO, volle Lüftungsstufe und "Voll auf warm" könnte es schon klappen, denke ich...

 

[bruder-maert]

Die Heizung ist für die Batterie keine große Belastung, da wird der errechnete Innenwiderstand niedriger sein.
Entscheidend ist doch wie der Akku performt im Fahrbetrieb - wer kennt nicht den Effekt von ausgelutschten AA oder AAA Akkus die im Radio eventuell noch paar Stunden durchhalten aber z. B. im Photoapparat nicht mehr einmal den Blitz aufladen können in akzeptabler Zeit.

Zum Vergleich hab ich noch im Kopf - an meinem AX electriqué mit 20 Stück NiCd von SAFT hatte ich bei 120 V Nennspannung 10 Volt Einbruch bei Vollstrom 200A, also auch ein Ri von 0,05 Ohm.
Das ging aber wirklich nur wenn vollgeladen, macht man das bei halbem SOC geht es schnell Richtung 100 Volt Gesamtspannung und da wird konsequent der Strom abgeregelt um keine Zellen zu killen.
Da wäre der Ri dann schon 0,1 Ohm.

Aktuell fahre ich ja noch eDobló und da sehe ich im Gegensatz zum AX (da wurde die Spannung an der Steuerung ermittelt, also da fließen noch die Kabelverluste und Abfälle an den Sicherungen mit ein)
die tatsächliche Batteriespanung denn das BMS ließt ständig jede einzelne Zelle in der Spannung aus und addiert diese zur Gesamtspannung. Da kann ich eine genauere Rechnung machen, im Moment ist mir das aber dafür zu kalt. Die Kutsche hat auch keine Batterieheizung und da verbieten sich um die 0 GradC
solche Spielchen...

 

[Hans]

Weil beim Spring per OBD auch die Spannungen der Einzelzellen auslesbar sind vermute ich, das die Gesamtspannung auch eine berechnete Summe der Einzelspannungen ist.

Im Moment steht mein Spring in der Werkstatt für die TÜV-Prüfung.

Ich werde dann anschließend mal den Spannungsabfall bei Heizung=Vollgas prüfen und morgen auf der Autobahn mit ECO und Bleifuß. Da sollte die Leistung ja auch recht konstant sein, wenn es nicht gerade bergab geht. Mit „ECO“ habe ich auf der Autobahn noch keine echte Erfahrung, da ich da gerne mit ~110km/h fahre.

 

[Hans]

Gerade probiert:
Die Heizung (voll aufgedreht + max Lüftung) schwankt von der Leistung zwischen 3,0-3,6kW. Das ist bei den niedrigen Werten nicht genau genug.
Bei 7Grad Akkutemperatur sank die Gesamtspannung um 1,3V (268,44V Leerlauf, 267,19V mit Heizung)
Der Innenwiderstand läge dann bei ca. 1,5mOhm, richtig?

Sinn macht die Messung wahrscheinlich wirklich bei realen Fahrverbräuchen, also um 15kW.

 

[Springreiter]

Es geht noch genauer ohne sich mit dem Innenwiderstand zu beschäftigen. Die Technik zur Messung von Ladezustand, Defekten und Kapazitätsverlusten bei wiederaufladbaren Batterien wird mithilfe der Atommagnetometrie durchgeführt.

Gugst du hier:

Zustand von Lithium-Ionen-Akkus kann mit einfacher Methode gemessen werden | Kommunikation und Presse (KOM)

presse.uni-mainz.de

 

[Hans]

Was meine Schlussfolgerung aus der letzten Messung jedenfalls ist:
Bei kühlen Temperaturen (wie bei den 7Grad) ist es bei heimischer 3kW-Ladung aus Effizienzsicht ziemlich nebensächlich, ob man vor oder nach der Fahrt lädt:
Bei dem Innenwiderstand werden ca. 20-30W durch‘s Aufwärmen des Akkus verbraucht.
Das ist also weder ineffizient noch trägt es zur Erwärmung des Akkus bei.

 

[Hans]

Heute nun mal eine Messung/ Berechnung bei kühler AkkuTemperatur (9Grad) und alltagsüblichem Verbrauch (15kW).
Das kann man im ECO-Modus auf der Autobahn tatsächlich ziemlich konstant halten, wenn die rechte Spur sehr frei ist.

Leerlaufspannung= ~279V
Mit 15kW Belastung= ~276V
=> Spannungsabfall ~3V
(Genauigkeit +-0,3V)

=> Verlust durch Akkuerwärmung= ~0,16kW
=> Innenwiderstand ~0,05Ohm (wie bei „Vollstrom“ bei erster grober Messung)

Also den Innenwiderstand finde ich jetzt nicht wirklich niedrig und großartig… ich kenne aber auch nicht den Wert eines neuen Akkus bei kühler Temperatur und kann deswegen den Zustand nicht endgültig bewerten. Also neutral irgendwie.

Nur als Vergleichskriterium könnte ich ihn heranziehen, wenn ich den Wert (im doppelten Sinne des Wortes) eines gebrauchten SpringAkkus mit ähnlichem Alter und km-Stand bei gleicher Akkutemperatur mit meinem vergleichen würde.
Also Innenwiderstand <0,05Ohm: offenbar besser behandelter Akku

Die Genauigkeit des WiderstandsWerts würde ich aktuell noch bei der einstelligen Ziffer „5“ belassen.
Der gelegentliche Blick auf‘s MediaNav und das bloße Merken der Werte und Kopfrechnen während der Fahrt versüßt zwar eine langweilige Autofahrt… trägt aber nicht zur Genauigkeit bei

Vielleicht hat ja jemand einen Tipp, wie man bei CarScanner bei der Datenaufzeichnung die entsprechenden Parameter hinterlegen kann. Dann hätte man eine schicke Tabelle, könnte die Berechnung hinzufügen und so für eine Temperatur mal den Verlauf des Innenwiderstands über einen breiten kW-Wert darstellen. Mir mag das irgendwie nicht gelingen.

 

[Spring-zula*161123]

Herangehensweisen zur Überprüfung der Haltbarkeit und Nutzungsdauer​

von Li-ionen Batterien mit dem bekannten Degradationsverhalten habe ich gerade einen übersetzten Auszug
angehängt, veröffentlicht 09.12.24, nature energie, Verfasser

• Alexis Geslin,
• Le Xu,
• Devi Ganapathi,
• Kevin Moy,
• William C. Chueh &
• Simona Onori

"Abstrakt
Alterungskampagnen im Labor klären das komplexe Degradationsverhalten der meisten Technologien auf. In Lithium-Ionen-Batterien zielen solche Studien darauf ab, realistische Alterungsmechanismen zu erfassen, um die Zellchemie und das Zelldesign zu optimieren sowie zuverlässige Batteriemanagementsysteme zu entwickeln.

In dieser Studie haben wir systematisch dynamische Entladungsprofile verglichen, die für das Fahren von Elektrofahrzeugen repräsentativ sind, mit den allgemein akzeptierten Konstantstromprofilen.

Überraschenderweise haben wir festgestellt, dass die dynamische Entladung die Lebensdauer im Vergleich zur Konstantstromentladung erheblich verlängert. Insbesondere bei gleichem durchschnittlichen Strom- und Spannungsfenster führte die Variation des dynamischen Entladeprofils zu einer Steigerung von bis zu 38 % bei äquivalenten vollen Zyklen am Ende der Lebensdauer.

Erklärbares maschinelles Lernen zeigte, wie wichtig sowohl niederfrequente Stromimpulse als auch zeitinduzierte Alterung unter diesen realistischen Entladebedingungen sind. Diese Arbeit quantifiziert die Bedeutung der Bewertung neuer Batteriechemien und -designs mit realistischen Lastprofilen und zeigt die Möglichkeiten auf, unser Verständnis von Alterungsmechanismen auf chemischer, Material- und Zellebene zu überdenken."

Nach meinem Verständnis werden die bereits auf dem Markt befindlichen, verbauten Hybrid- und BEV- Akkusysteme regelrecht unterbewertet, einzelne Ausnahmen oder Ausreiser ... mal abgesehen.

🫰 Das haben sich die Hersteller bestimmt nicht gewünscht, oder eher doch ?
Zugegebener Maßen profitieren WIR gerade noch als unbedarfte Konsumenten und BEV- Käufer:innen davon, daß die Hersteller ihre AKKU- Auslegungen " im linearen Experimentalbereich einer Industrieanwendung" mit entwickeln haben lassen, die Kombination aus den ganzen realen Alltagsanforderungen im BEV plötzlich eine lebensverlängernde Wirkung nachgesagt werden muss.. ".total unnötiges , nachhaltiges Verhalten" ...aus Sicht des Herstellers gerade auf Verbreitung durch Verkäufe, Stückzahl / Modellzyklen und Umsätze bezogen als kapitalistisches Verständnis.

Meine bescheidene Erfahrung im Selbstversuch hatten den " Ni-mH " Akku im Toyota Prius 2*** ab 2003 (!) weit über 200tkm beschleunigt, baugleich der austauschbaren Akku-Einzel-Module aus P2/P3/P4 problemlos austauschbar gemacht.

... Falls die Politik die Fahrzeugflotte mit Verbräuchen unter 5 Liter Kraftstoff tatsächlich
als " Sozialprojekt " (-Frankreich ) bezuschussen werden möchte..., könnte Bewegung für gemiedene Real-Sparbüchsen*** mit geforderten Realverbräuchen auch auf dem Gebrauchtwagenmarkt kommen, in einer Zeit der "unsäglichen Abgasschleuder der Petrolhaedgeneration" und Schluckspechte, gerade wieder an der Ampel im Feierabendverkehr, Stop and Go... bei draußen 0 Grad regeneriert werden.
Scheint aber niemanden zu stören
Business as usual
und wir fahren den kleinen Dacia Spring extreme anderst im Vorausdenken...
LG

 

[Chrisbei]

Der Innenwiderstand der Li-Ion Zellen und damit des Akkus im Spring ist auf jedenfall vom aktuellen Ladestand, Temperatur und der Alterung abhängig.
Der reale minimale Innenwiderstand kann meines Erachtens sehr gut mit der Heizung bestimmt werden, weil da die Veränderung der Temperatur des Akkus keine Rolle spielt. Falls aber mit 15kW Verbrauch auf der Autobahn mit dem gleichen Akku der Innenwiderstand gemessen wird darf er nicht wärmer, leerer (oder gealterter vernachlässigbar) sein. Das Zelleninnere wird ja durch Stromabgabe sofort warm und es verteilt sich erst langsam auf die Temperatursensoren. Deshalb muss man aufpassen da nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen.

@Spring-zula*161123: Pulsladung mit viel höheren Strömen und dazwischen Pausen um im Mittel auf den gleichen Ladestrommittelwert zu kommen erhöht auch die Kapazität (wenn es zum Akku angepasst ist). Das kommt vielleicht noch in Zukunft von der Ladesteuerung...

LG Chris

 

[Hans]

Der Innenwiderstand der Li-Ion Zellen und damit des Akkus im Spring ist auf jedenfall vom aktuellen Ladestand, Temperatur und der Alterung abhängig.
Der reale minimale Innenwiderstand kann meines Erachtens sehr gut mit der Heizung bestimmt werden, weil da die Veränderung der Temperatur des Akkus keine Rolle spielt. Falls aber mit 15kW Verbrauch auf der Autobahn mit dem gleichen Akku der Innenwiderstand gemessen wird darf er nicht wärmer, leerer (oder gealterter vernachlässigbar) sein. Das Zelleninnere wird ja durch Stromabgabe sofort warm und es verteilt sich erst langsam auf die Temperatursensoren. Deshalb muss man aufpassen da nicht Äpfel mit Birnen zu vergleichen.

@Spring-zula*161123: Pulsladung mit viel höheren Strömen und dazwischen Pausen um im Mittel auf den gleichen Ladestrommittelwert zu kommen erhöht auch die Kapazität (wenn es zum Akku angepasst ist). Das kommt vielleicht noch in Zukunft von der Ladesteuerung...

LG Chris

Die laufende Heizung führt leider nicht zu einem ausreichend konstanten Verbrauch.
Bei mir arbeitete sie zwischen 3,0-3,6kW.

15kW Verbrauch entspricht beim Spring-Akku 0,5C. Da ist sicherlich mit mäßiger Erwärmung zu rechnen. Merkt man ja auch während Langstrecken.
Den Fehler wird man wahrscheinlich erst abschätzen können, wenn der Test auch bei anderen Temperaturen durchgeführt wird.

Zu dem taktenden Laden:
Da gab es vor 1-2Jahren mal einen Beitrag hier im Forum. Da wurde hochfrequent mit taktendem Gleichstrom geladen, glaube ich.

 

[Chrisbei]

Die laufende Heizung führt leider nicht zu einem ausreichend konstanten Verbrauch.
Bei mir arbeitete sie zwischen 3,0-3,6kW.

15kW Verbrauch entspricht beim Spring-Akku 0,5C. Da ist sicherlich mit mäßiger Erwärmung zu rechnen. Merkt man ja auch während Langstrecken.
Den Fehler wird man wahrscheinlich erst abschätzen können, wenn der Test auch bei anderen Temperaturen durchgeführt wird.

Zu dem taktenden Laden:
Da gab es vor 1-2Jahren mal einen Beitrag hier im Forum. Da wurde hochfrequent mit taktendem Gleichstrom geladen, glaube ich.

Im proffesionellen Bereich misst man den Innenwiderstand auch so mit schnellen hohen Entladepulsen während denen man die Spannung misst eben um die Eigenerwärmung und Kapzitätsveränderung zu minimieren (während der Messung).
LG Chris

 

[bruder-maert]

Jo, und auf dem Datenblatt von meinem Zellen im eDobló steht auch was von "AC-Impedance (1khz) <3mOhm". Und weil gestern eeFahrer Fahrer-Stammtisch war und es da standesgemäß Drehstrom mit 32 A gibt hab ich den Akku mal voll gemacht. (Anfahrt war schon mit leichtem Gebimmel vom BMS - ab 3,3 Volt/Z piepst es bis zu Dauerwarnton unter 3 V/Z). Hat sich leider bei im Schnitt 18kW Ladeleistung (Nennkapa 47kWh) kaum groß erwärmt auf 7-14 GradC je nach Einbauort (Motorraum / Batt Boxen um die HA im Freien). "Dank" mangelnder Balancierung (passiv) Zellen nur stellenweise voll, zwischen 4,07 und 4,11 Volt.
Beim Beschleunigen mit gut 200A brach die Spannung um ca. 20 Volt (!) ein. Nennspannung liegt dazu noch etwas höher als im Spring und die 200 A sind zu den 160 Ah (20 Ah in 8p82s) nun auch keine dramatische Belastung. Dafür ist der im Kopf zu errechnende Ri mit 0,1 Ohm doch schon beachtlich/erschreckend hoch.
Das war bestimmt mal besser aber der Block ist eben auch schon seit 6 Jahren am werkeln mit den Problemen der Innhomogenität in Bezug auf die Temp und ohne aktives Anpassen der Zellen.
Hoffe ich hab da jetzt kein Denk oder Rechenfehler zu früher Stunde aber wollte es noch schreiben bevor es hell wird und ich bis dahin die Hälfte schon vergessen habe...

 

[Hans]

200A Belastung bei 160Ah-Akku (mit 47kWh) bedeutet dann, das Du dem Akku ca. 60kW Leistung entnommen hast?
Und der Spannungsabfall von 20V trat bei der Leistung nach einer Leerlaufspannung von wahrscheinlich ca. 300V auf?
Das wäre dann also etwa 4kW, die den Akku erwärmen?

Wie verhält sich Dein eDoblo, wenn Du im Sommer längere Strecken (>400km) mit 110-120km/h fährst?
Sorgt dann die Akkuerwärmung bereits zu einer reduzierten Ladegeschwindigkeit oder wird das evtl durch die größere Akkumasse „geschluckt“?

Weil: eigentlich halte ich persönlich eine Akkugröße von 50kWh für ideal, wenn man hauptsächlich kürzere Distanzen fährt (wegen noch akzeptablem AkkuPreis/ -Masse) aber auch mal 600-700km mit 1-2 Zwischenladungen fahren möchte.