Akku-Fitness am Radweg

Akkus speichern die Energie für den Elektromotor und die elektronische Steuerung des E-Bikes sowie das Batteriemanagement des Akkus selbst. Es ist durchaus naheliegend, sie als „Stromtanks“ zu sehen. Doch im Gegensatz zum Benzintank im Auto, der ungeachtet der Nutzungsdauer und des Alters immer gleich funktioniert, befüllt und entleert wird, hängen bei einem Akku Funktion und Leistungsfähigkeit wesentlich von der Pflege, Lagerung, dem Alter des Akkus und den jeweiligen Einsatzbedingungen wie Kälte, Hitze, Belastung usw. ab. Gar nicht so trivial, aber mit der Beachtung einiger grundsätzlicher Regeln ist dem Akku schon viel geholfen (siehe auch Infobox auf der Folgeseite). Beim Akku und seiner Lebensdauer sind die Verlustarten, die im Betrieb des Akkus auftreten, das Um und Auf. Diese gilt es im Auge zu behalten und langfristig über eine optimale Nutzung möglichst zu minimieren. Denn die Energie, die in chemischer Form im Akku gespeichert ist, kann nicht verlustfrei in elektrische Energie umgewandelt werden. Selbstentladung und interne Spannungsverluste sind hier maßgeblich. Jedoch spielt die Selbstentladung beim heute in Akkus durchgängig verwendeten Li-Ionen-Akku mit rund 1% je Monat fast keine Rolle mehr. Das in jedem Li-Ionen-Akku-Pack enthaltene „Batterie Management System“ – kurz BMS – benötigt zwar nur wenig Energie, kann aber in einer mehrmonatigen Winterpause zu einem durchaus messbaren Ladungsverlust beitragen. Daher empfiehlt es sich, Akkus über eine längere Zeit geladen (zwischen 30–60 %) bei ­einer Temperatur zwischen 0 und 20° C zu lagern.

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In der Verlustenergie-Bilanz am schwersten wiegen jedoch die durch den Innenwiderstand des Akkus verursachten Spannungsverluste. Sie steigen proportional mit dem Entladestrom und dem Zellenwiderstand. Dieser wird durch den natürlichen Alterungsprozess der Zelle erhöht, der wiederum durch ungünstige externe Faktoren wie Fehlbehandlung oder eine mangelhafte Fertigung beschleunigt wird. Die Physik lässt sich hier nicht austricksen: Die Energieerzeugung von Akkus beruht auf elektrochemischen Reaktionen und hier unterscheidet man zwischen gewollten Hauptreaktionen und ungewollten Nebenreaktionen. Ungewollte Reaktionen haben ihre Ursache oft auch in kleinen Verunreinigungen, weshalb während der Zellenherstellung im gesamten Produktionsprozess auf ein Höchstmaß an Reinheit geachtet wird. Große Hersteller wie LG, Panasonic, Samsung, Sanyo oder Sony, deren Zellen in den Akku-Packs der bekannten Motorenhersteller verwendet werden, können dies weitestgehend garantieren. Billige No-Name-Nachrüstakkus sind hier kritisch zu betrachten, wer weiß schon, ob der Hersteller aufgrund von Schleuderpreisen eine durchgehende Qualitätskontrolle in der Fertigung garantieren kann.

Beispiele für menschliche Fehlbehandlung und daraus resultierende ungewollte Nebenreaktionen: Der Innenwiderstand bei allen elektrochemischen Stromquellen wie einer Akkuzelle steigt kurzfristig bei Kälte an. Bei Wärme fällt er ein wenig, allerdings begünstigen hohe Temperaturen wiederum schädliche Nebenreaktionen in Zellen. Die optimale Arbeitstemperatur liegt bei Li-Ionen-Akkus im Bereich zwischen 15–40° C, weshalb das Batteriemanagement zusammen mit der Motorsteuerung bei hohen Temperaturen die Leistung des Motors und die Stromentnahme reduziert. Zu den Akku-Todsünden gehört es daher, ein Rad länger in der prallen Sonne stehen zu lassen oder Akkus im Sommer im heißen Innenraum eines Autos zu lagern. Genauso, wie im tiefsten Winter bei Temperaturen unter null Grad mit kaltem Akku loszuballern, ohne den Akku vorher auf Zimmertemperatur akklimatisiert zu haben. Das schadet Akkus immens. Es spricht übrigens bei einer Hitzewelle nichts gegen eine gute Tourenplanung, bei der der Aufstieg entweder im Schatten oder frühmorgens erfolgt. Und es spricht auch nichts gegen einen Fahrradhersteller, der den Akkus in seinen Bikes durch besondere Rahmenkonstruktionen eine optimierte Kühlung bietet (Airflow etc).   

Nun altern Akkus durch die Chemie, aber auch auf natürliche Art und Weise. Wann ist diese Altersgrenze erreicht? Davon spricht man bei Lithium-Ionen-Akkus, wenn sie nur noch über 70–80 % ihrer ursprünglichen Kapazität verfügen, was in etwa 1000 vollen Ladezyklen entspricht. Ein voller Ladezyklus ist erreicht, wenn der Akku von unter 50 % geladen wurde, ein halber Ladezyklus bei einer Ladung über 50 % Ladezustand. Allerdings gibt es auch die sogenannte „kalendarische Alterung“, bei der nach ca. 6–7 Jahren erkennbare Degenerationserscheinungen auftreten können. Degenerative Veränderungen innerhalb einer Batteriezelle sind der Eigenart des Ionenstroms geschuldet: Lade- und Entladevorgänge basieren auf dem Ionenfluss zwischen den Polelektroden und dem Anlagern von Ionen an der aktiven Elektrodensubstanz. Hierbei treten am sogenannten Separator, einer Trennschicht zwischen Akku-Anode und -Kathode, über längere Zeit unregelmäßige Ablagerungen an der Anode auf. Bemerkbar machen sich dauerhaft erhöhte Innenwiderstände der Akkuzellen bei erreichen der Altersgrenze durch eine verringerte Reichweite, deutlich frühere Abschaltung und deutlich erhöhte Ladezeiten des Akkus. Bei einer Kapazität von 60 % dauert die Ladezeit dann schon eine gefühlte Ewigkeit, wobei der Akku dann auf Tour ohnehin mit einem frühen Abschalten nervt. Zeit für Recycling.

Last but not least verliert der Akku mit jedem Lade-/Entladevorgang einen kleinen Teil seiner Kapazität. Entscheidend ist dabei der Energiedurchsatz, also die gesamt abgegebene Energie während der täglichen Nutzung. Noch entscheidender für die Lebensdauer bei Li-Ionen-Akkus sind allerdings extreme Ladezustände, die die Alterung beschleunigen: extrem leere oder volle Akkus. Es ist besser einen Akku nie ganz leer zu fahren, sondern maximal auf 15–20% (in etwa ein „Balken“). Genauso wie es die Lebenserwartung erhöht, den Akku immer nur bis zu 80–85% vollzuladen. Klingt blöd, denn auf einer Tour will man ja möglichst viel Reichweite haben, aber es gibt auch kurze Touren, wo man eigentlich keinen vollen Akku braucht und mit 80 % Ladung sein Auslangen findet. Oder man fährt ohnehin auf größeren Touren mit zweitem Akku und tauscht früher. Besonders clever ist hier das Bosch-Dual-Battery System, bei dem zwei Akkus jeweils scheibchenweise immer für kurze Zeit entladen und so im Betrieb deutlich weniger belastet werden. Was tut dem Akku also wirklich gut, sodass er lange seine Kapazität behält? Wie ihr seht, ist eine Menge Physik und Chemie im Spiel, aber wenn man ein paar Regeln beachtet, halten eure Akkus definitiv länger. Im Kasten im Anschluss haben wir für euch die Basics zusammengefasst! Gute Fahrt!