Was ist Zyklenfestigkeit?
Definition
Zyklenfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Akkumulators, wiederholt aufgeladen und entladen zu werden, ohne dabei signifikant an Leistung oder Kapazität zu verlieren. Je höher die Zyklenfestigkeit, desto länger hält der Akku und desto zuverlässiger arbeitet er über seine gesamte Lebensdauer hinweg.
Ein „Zyklus“ bezeichnet dabei einen vollständigen Lade- und Entladevorgang. Wird ein Akku beispielsweise von 0% auf 100% geladen und dann wieder vollständig entladen, entspricht das einem Zyklus. In der Praxis werden Akkus jedoch selten komplett entladen, sondern bewegen sich meist in einem optimalen Ladebereich zwischen 20% und 80%.
Wie wird Zyklenfestigkeit gemessen?
Die Zyklenfestigkeit wird ermittelt, indem Akkus unter kontrollierten Bedingungen wiederholt ge- und entladen werden[9]. Dabei wird die Anzahl der Zyklen gezählt, bis die Kapazität des Akkus auf einen bestimmten Prozentsatz der ursprünglichen Kapazität abfällt, meist 70% oder 80%.
Moderne Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in Elektroautos und Solarstromspeichern zum Einsatz kommen, erreichen oft mehrere tausend Zyklen. Einige hochwertige Akkus schaffen sogar über 10.000 Zyklen, bevor sie das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.
Welche Faktoren beeinflussen die Zyklenfestigkeit?
- Entladetiefe (DoD): Je tiefer ein Akku entladen wird, desto stärker wird er belastet und desto schneller altert er. Häufige Tiefentladungen unter 20% sollten vermieden werden.
- Ladezustand (SoC): Akkus sollten möglichst im mittleren Ladebereich zwischen 20% und 80% gehalten werden. Dauerhaft hohe Ladezustände über 80% können die Lebensdauer verkürzen.
- Temperatur: Sowohl Hitze als auch Kälte setzen Akkus zu. Ideal sind Temperaturen zwischen 10°C und 25°C
- Laderate: Schnelles Laden mit hohen Strömen belastet den Akku stärker als langsames Laden. Gelegentliches Schnellladen ist okay, sollte aber nicht zur Regel werden.
- Alter: Mit zunehmendem Alter verlieren Akkus an Kapazität, selbst wenn sie nicht genutzt werden. Dieser Effekt lässt sich nicht komplett vermeiden, aber durch schonenden Umgang hinauszögern.
Welche Rolle spielt das Batteriemanagementsystem (BMS)?
Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist die intelligente Schaltzentrale moderner Akkus. Es überwacht permanent den Zustand der Batteriezellen und greift regulierend ein, um die Lebensdauer zu maximieren.
Zu den Aufgaben des BMS gehören:
- Überwachung von Spannung, Strom und Temperatur der einzelnen Zellen
- Schutz vor Überladung, Tiefentladung und Überhitzung
- Ausbalancieren der Ladezustände zwischen den Zellen
- Berechnung von Lade- und Entladeströmen
- Kommunikation mit dem Ladegerät und dem Verbraucher
Welche Bedeutung hat die Zyklenfestigkeit für Elektroautos?
Bei Elektroautos ist die Zyklenfestigkeit der Antriebsbatterie von zentraler Bedeutung. Schließlich soll das E-Auto viele Jahre und viele tausend Kilometer zuverlässig fahren, ohne ständig eine neue Batterie zu benötigen.
Moderne Lithium-Ionen-Akkus in E-Autos erreichen in der Regel 1.000 bis 2.000 volle Ladezyklen. Das entspricht bei einer durchschnittlichen Reichweite von 300 km pro Ladung einer Gesamtlaufleistung von 300.000 bis 600.000 km. Selbst danach ist die Batterie noch nicht komplett unbrauchbar, sondern hat typischerweise noch 70-80% ihrer ursprünglichen Kapazität.
Viele Hersteller geben deshalb 8 bis 10 Jahre Garantie auf die Antriebsbatterie, meist gekoppelt an eine Mindestkapazität von 70%. Erfahrungen aus der Praxis und Studien zeigen jedoch, dass die tatsächliche Lebensdauer oft deutlich höher liegt. Manche Experten gehen davon aus, dass aktuelle E-Auto-Akkus 15 bis 20 Jahre halten, bevor eine spürbare Alterung eintritt.
Um die Zyklenfestigkeit ihrer Antriebsbatterien zu erhöhen, setzen die Hersteller auf verschiedene Maßnahmen:
- Optimierte Zellchemie und Materialien für maximale Langlebigkeit
- Präzise Fertigung für geringe Toleranzen zwischen den Zellen
- Intelligentes Thermomanagement zum Schutz vor Hitze und Kälte
- Ausgeklügeltes BMS zur Überwachung und Regelung der Zellen
- Puffer-Bereiche an den Enden des Ladezustands, die nicht genutzt werden
- Begrenzung der Ladeleistung beim Schnellladen
- Laden im mittleren Bereich zwischen 20% und 80%
- Volle Ladung auf 100% nur bei Bedarf vor langen Strecken
- Vermeidung von häufigen Schnellladevorgängen
- Parken möglichst im Schatten oder in der Garage, nicht in der prallen Sonne
- Regelmäßige Wartung und Software-Updates
Welche Rolle spielt die Zyklenfestigkeit bei Solarstromspeichern?
Solarstromspeicher, auch Photovoltaik-Batterien genannt, puffern den tagsüber erzeugten Solarstrom, um ihn abends und nachts nutzen zu können. Auch hier ist eine hohe Zyklenfestigkeit gefragt, damit der Speicher über viele Jahre zuverlässig arbeitet.
Übliche Solarstromspeicher erreichen 5.000 bis 10.000 Zyklen. Bei 250 bis 350 Zyklen pro Jahr entspricht das einer Lebensdauer von 15 bis 30 Jahren. Voraussetzung dafür ist eine gute Abstimmung von Speichergröße, Solaranlage und Verbrauch.
Ist der Speicher zu klein dimensioniert, wird er häufig stark entladen und muss oft nachgeladen werden. Das verkürzt die Lebensdauer. Ist er zu groß, wird er selten voll ge- und entladen, was ebenfalls ungünstig ist. Die optimale Größe liegt meist bei einer Speicherkapazität von 1 kWh pro 1 kWp installierter Solarleistung.
Auch die Wahl der richtigen Batterietechnologie ist entscheidend. Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP) haben sich als besonders langlebig und zyklenfest erwiesen. Sie erreichen oft mehr als 10.000 Zyklen und überdauern damit sogar die Solarmodule selbst. Blei-Akkus hingegen kommen meist nur auf 2.000 bis 3.000 Zyklen und müssen früher ersetzt werden.
Weitere Faktoren für eine hohe Zyklenfestigkeit von Solarstromspeichern sind:
- Hochwertiges BMS zur Überwachung und Steuerung der Zellen
- Gute Kühlung, am besten aktiv mit Lüftern oder Wasserkühlung
- Aufstellung in einem trockenen, belüfteten Raum bei 10-25°C
- Regelmäßige Wartung und Updates der Steuerungssoftware
- Beachtung der Herstellerhinweise zu Betrieb und Lagerung