Der LiFePo4-Akku im PUMA

Lithium Ionen (LiFePo4) Batterien im PUMA

Was sollte man beachten?

Richtiger Umgang mit LiIon-Batterien


Wir kennen das von unseren Fahrzeugen, die mit klassischen Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind. Das Herz eines Autos oder Motorrades ist sein Motor. Er hat die PS (meist viel zu viel), er ist drehfreudig, geschmeidig, robust, zuverlässig oder aber er kann auch anfällig, laut, ruppig sein. Es gibt viele Attribute um einen Verbrennungsmotor und damit auch das Fahrzeug zu charakterisieren.

Bei Elektrofahrzeugen ist das aber ganz anders: hier ist nicht der Motor das wichtigste Teil, sondern die Batterien!

Es klingt ein wenig so, als wenn jemand bei einem konventionellen Auto vom Tank und der Benzinpumpe schwärmt. Bei eFahrzeugen ist das aber so. Gut, der eMotor muss richtig dimensioniert sein ud er muss das nötige Drehmoment zur Verfügung stellen. Aber die technische Auslegung von modernen eMotoren ist nicht das Problem, sondern das sofortige Bereitstellen der benötigten Energie für diese Motoren.
Einen Elektromotor mit viel PS in ein Auto einzubauen ist kein Kunststück! Je höher die Leistung und auch je höher das Drehmoment des eMotors, umso höhere Ströme holt er sich aus den Batterien. Daher müssen die Batteriespannungen (Anzahl der Zellen) immer höher werden, damit die Batterieströme geringer gehalten werden können, weil die sonst die Batterien recht schnell zerstören würden. Und wenn eine Batteriebank aus vielen Zellen besteht, dann ist die Gefahr größer, dass schwächere Zellen aus der Bank ausscheren und ein elektrische Eigenleben führen, was für die gesamte Bank schlecht ist. Da werden teure und komplizierte Batterie Management Systeme (BMS) nötig.

Das BMS in PUMA

Beim PUMA kommen 24-28 LiFePO4-Zellen zum Einsatz, was eine überschaubare Anzahl ist. Der PUMA hat zwar ein BMS eingebaut, aber dieses ist nur ein Monitoring System und kein Batteriemanagement. Dh., es ist vorgekommen, bei PUMA Fahrern, die viel auf Autobahnen mit >100km/h unterwegs waren (Ströme von >2C), dass die einzelnen Zellspannungen sehr stark auseinander gelaufen sind. Mit dem Ergebnis, dass das BMS sehr früh abgeschaltet hat und die Reichweite, sehr stark zurück gegangen ist. Die Philosophie von Erider ohne ausgleichendes BMS funktioniert nur bei sehr zurückhaltender Fahrweise und geringen Fahrströmen, bereitet in der Praxis aber Probleme. Nachsatz: ein gutes echtes BMS, das mit den höhen Strömen auch fertig wird, kostet nun einmal gutes Geld, was Erider offenbar sparen wollte.


Der Akku ist aber nicht nur das wichtigste Teil im eFahrzeug, sondern auch das teuerste. Daher sollte bei allen sportlichen Ambitionen der eMotorrad-Fahrer, eine lange Lebensdauer der Batterien oberstes Ziel sein. Förderung grüner Mobilität und sparsamer Elektrofahrzeuge bedeutet aber nicht nur, dass deren Energieverbrauch gering sein sollte, sondern auch, dass sie einen möglichst langen Produktlebenszyklus erreichen (was die Wirtschaft nicht unbedingt will). Die Batterien sind ein großer Kostenfaktor und es hat keinen Sinn, wenn gute Elektrofahrzeuge in Garagen vergammeln, weil die Akkus kaputt sind und neue nicht gekauft werden, weil sie momentan zu teuer sind. Abgesehen davon ist zur Herstellung der Batterien ein sehr hoher Energieaufwand nötig, der in die Gesamtenergiebilanz eines eFahrzeuge eingerechnet werden muss.
Noch einmal: Batterien sollten so behandelt werden, dass sie lange gut funktionieren!

Wie erreicht man eine lange Batterielebensdauer?

1) Hohe Ströme beim Entladen (Fahren) und auch beim Laden vermeiden
2) Je geringer die Entladetiefe, desto mehr Lade/Entladezyklen kann man mit den Akku durchführen
3) Die ideale Betriebstemperatur eines LiFePo4 Akkus ist 20-25°C, sehr hohe Temperaturen >50°C und sehr tiefe <0°C verkürzen die Lebensdauer
4) Das Laden unter 0°C sollte unbedingt vermieden werden (Abhilfe: Akkuheizung)

Wie sieht das jetzt aber im PUMA aus? Es wird hier auf den 90V PUMA eingegangen, denn von diesem gibt es zur Zeit wesentlich mehr Daten als vom neuen 76V PUMA (der kam Ende 2014 heraus).
90V PUMA: 28 Zellen CHL, 50Ah Kapazität (4500Wh), max. Batteriestrom 120A
76V PUMA: 24 Zellen Winston, 60Ah Kapazität (4560Wh), max. Batteriestrom 150A

Der PUMA ist mit Lithium Eisen Phosphat (LiFePo4) Batterien ausgerüstet. Diese Art der Lithium Ionen Akkus gehört zu den sichersten am Markt. Lithium Polymer Akkus zB. haben eine größere Kapazität (sie haben mehr Energie), sie sind aber auch anfälliger für Brände, bei falscher Behandlung oder bei technischen Defekten. Daher ist es richtig, zu Gunsten der Sicherheit, auf etwas Reichweite zu verzichten.

Die Strombelastung von Akkus allgemein wird in C angegeben. Dabei ist 1C die Kapazität des Akkus in Ampere. Zum Beispiel: ein Akku hat eine Kapazität von 50Ah; wenn er mit 1C belastet wird, dann liefert er 50A. 2C Belastung entsprechen also 100A.
Je größer die Akkukapazität ist, umso größer kann auch die Strombelastung des Akkus sein!
Die LiFePo4 Hersteller geben oft mögliche Dauerstrombelastungen von 3C an und Kurzzeitbelastungen von 5C an. Dann steht gleich daneben, dass der Akku 2000 Lade/Entladezyklen bei 80% Entladetiefe erreicht und sogar 3000 Zyklen bei 70% Entladetiefe. Das klingt alles unheimlich toll, aber was man dabei beachten muss, ist die Tatsache, dass diese hohen Lade/Entladezyklen nur bei 0,3C erreicht werden und das sind beim 50Ah CHL Akku nur 15 Ampere!!! Bei 15A Batteriestrom fährt der PUMA ungefähr 25 km/h. Das ist also für die Praxis ein vollkommen unrealistischer Wert.
Ein anderes Extrembeispiel: jemand fährt seinen PUMA nur am Wochenende und will dabei richtig Spaß haben. Er beschleunigt immer voll (120A) und fährt so oft es geht 100 km/h (>100A). Und weil es bei dieser Fahrweise nicht anders geht, fährt er den Akku recht leer (>90%). Unter diesen Umständen kann es leicht vorkommen, dass der Akku nach 150-300 Lade/Entladezyklen unbrauchbar geworden ist, weil die Kapazität auf ein sehr niedriges Niveau gefallen ist. Geht man davon aus, dass bei dieser Fahrweise ungefähr 30 km zurückgelegt werden können, dann würde der Akku eine Lebensleistung von ca. 5000-10.000 km haben.
Ein anderes Beispiel: eine Fahrweise mit normalem, sanften Beschleunigen, Geschwindigkeiten von 60-80 km/h und ca. 50% Entladetiefe, was einer Fahrstrecke von 45-50 km entspricht. Unter diesen Bedingungen wäre eine Lade/Entladezyklenzahl von ungefähr 1500 realistisch, was einer Akkulaufleistung von 70.000 bis 80.000 km entsprechen würde. Also über den Daumen gerechnet hält ein Akku in einem Elektromotorrad um den Faktor >8 länger, wenn man es nicht wie eine Rennmaschine behandelt, sondern wie ein Transportmittel für den täglichen Bedarf. Und dafür ist der PUMA, unserer Meinung nach, eigentlich da!

Ein zweites wichtiges Kriterium für ein langes Akkuleben ist die Entladetiefe und die wird direkt von den Spannungsgrenzen eines LiFePo4 Akkus beeinflusst. Jeder Akku hat eine untere Spannungsgrenze, die nicht unterschritten werden darf und auch eine obere Grenze, die nicht überschritten werden sollte. Im Fall des PUMA (90V 50Ah CHL-Akku) sind das für die untere Grenze 2,0 Volt und beim Laden für die obere Grenze 3,65 Volt. Je weiter man von diesen Grenzen wegbleibt, desto wohler fühlt sich der Akku. Im Fall des PUMA wären das 3,0-3,5 Volt pro Batteriezelle. Das ist der Bereich in dem absolut nichts passieren kann. Das Kunststück ist jetzt die gesamte Akkubank, also alle 28 Zellen so zu halten, dass sie innerhalb dieser Grenzen bleiben. Manche Hersteller lösen diese Aufgabe mit teuren, komplizierten Battery Management Systemen, die einen ständigen Spannungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen herbeiführen. Der PUMA-Hersteller Erider setzt hier auf ein Battery MONITORING System, das die Zellen nicht ausgleicht, sondern nur die Spannungsgrenzen einer jeden Zelle kontrolliert. Dafür werden hier die Zellen ausbalanciert, bevor sie zu einer Akkubank zusammengeschlossen werden. Die Zellen werden bis zur oberen Grenze von 3,65V geladen und das BMS würde das Ladegerät abschalten, sollte eine Zelle diese Grenze überschreiten.
Während dem Entladen des Akkus fällt die Akkuspannung langsam ab. Der PUMA hat ein Voltmeter eingebaut an dem man die Summenspannung aller Zellen (Spannung der gesamten Akkubank) ablesen kann. Nach dem Laden, wenn der 90V-PUMA eine Zeit gestanden ist, erreicht die Akkubank ihre Ruhespannung und die beträgt 93,3V. Fährt man los, sinkt sie auf unter 90V und sie sinkt immer weiter, je länger man fährt.
Unser Tipp: fahren sie nicht weiter als bis zur Summenspannung von 84V, das sind die 3,0V pro Zelle. Spätestens bei 80V (2,85V pro Zelle) fällt die Spannung eines LiFePo4-Akkus so steil ab, dass man sowieso nicht mehr weit kommt. Also, wenn man bei einer gewissen Geschwindigkeit, realistisch wären hier 70 km/h, die 84V in der Anzeige erreicht, dann zum Aufladen fahren. Wie schnell man diese 84V erreicht, hängt von der Fahrweise, der Landschaft und der Temperatur ab.
(Diese Spannungswerte gelten für den 90V-PUMA mit 28 Zellen. Der 76V PUMA mit 24 Zellen hat andere Summenspannungen, weil 4 Zellen fehlen!)

Wenn ein LiFePo4 Akkus so behandelt wird, dass seine Strombelastung großteils unter 1C bleibt, dann wird man sehr lange Freude an ihm haben. Es ist aber auch klar, dass diese Akku-Behandlung in der Realität nicht immer durchführbar ist und auch gelegentliches Schnellfahren und starkes "Gasgeben" wird der Akku durchaus verzeihen können. Es geht aber um das Bewußtsein, was, wann mit dem Akku passiert und wie man ihn schonen kann. Dann wird man auch keine Enttäuschungen erleben.
Alle diese Eigenschaften des LiFePo4-Akkus kann man auch auf Wikipedia - LiFePo4 nachlesen, denn das Geschriebene gilt für alle Fahrzeuge, die diesen Akkutyp verwenden.

Bericht: Gerald Harbusch (2015)
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