Hersteller wie Tesla, Ford – und inzwischen auch Mercedes-Benz – fordern ihre Kunden explizit dazu auf, den Akku ihres Elektroautos regelmäßig auf 100 Prozent (SoC – State of Charge) voll zu laden. Was auf den ersten Blick wie ein Widerspruch zur Akkuschonung wirkt, hat einen klaren technischen Hintergrund. Denn bei den entsprechenden Fahrzeugen handelt es sich um Modelle mit günstigeren, robusteren und langlebigeren Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP). Im Gegensatz zu herkömmlichen NMC-Zellen (steht für Nickel-Mangan-Cobalt-Chemie), kommen diese LFP-Akkus ohne kostbares Nickel und Kobalt aus.
Auch LFP-Akkus haben einen Wohlfühlbereich
Der LFP-Akku gilt als besonders robust, thermisch stabil und langlebig. Diese Eigenschaften sind einer der Gründe, warum immer mehr Hersteller auf diese Zellchemie setzen. Unverwüstlich sind jedoch auch LFP-Zellen nicht. Studien zeigen deutlich, dass auch LFP-Akkus ein lebensdauerrelevantes Betriebsfenster besitzen. Am schnellsten altern die Zellen, die ausschließlich zwischen 75 und 100 Prozent SoC betrieben werden.
Deutlich länger halten die Zellen, die in niedrigen Ladezuständen genutzt werden. Selbst ein Betrieb über das komplette Fenster von 0 bis 100 Prozent SoC führt zu weniger Alterung als der dauerhafte Aufenthalt im oberen Ladebereich. Die Ursache sind unerwünschte Nebenreaktionen bei hohen Zellspannungen, bei denen Lithium-Ionen dauerhaft gebunden werden. Da diese Ionen für den Stromfluss verantwortlich sind, sinkt mit ihrer Bindung zwangsläufig die nutzbare Kapazität.
Warum Hersteller auf Vollladungen bestehen
Warum also verlangen Hersteller bei LFP-Akkus dennoch regelmäßige Vollladungen? Der Hauptgrund für das regelmäßige Laden auf 100 % ist kein chemischer Zwang, sondern ein messtechnisches Problem des Batteriemanagementsystems (BMS). Das BMS überwacht jede einzelne Zelle im Akku. Es misst Zellspannungen, Temperaturen sowie Lade- und Entladeströme und berechnet daraus unter anderem den aktuellen Ladezustand (SoC) und die Reichweite. Damit das zuverlässig funktioniert, benötigt das System möglichst eindeutige Messwerte.
Bei NMC-Zellen sinkt die Spannung während der Entladung sehr linear und deutlich ab. Das BMS kann also präzise ablesen, ob der Akku noch 60 % oder 40 % Ladung hat. LFP-Zellen haben dagegen eine extrem flache Spannungskurve. Über weite Strecken (ca. zwischen 10 % und 90 % Ladestand) bleibt die Spannung fast identisch.
LFP- und NMC-Zellen entscheiden sich grundlegend beim Spannungsprofil. NMC-Zellen besitzen eine relativ steile OCV-Kurve (Open Circuit Voltage). Mit steigendem oder sinkendem Ladezustand verändert sich die Zellspannung also deutlich. Dadurch kann das BMS den SoC allein anhand der gemessenen Spannung relativ präzise bestimmen. LFP-Zellen hingegen weisen ein sehr flaches Spannungsprofil auf. Über einen großen Bereich – grob zwischen 20 und 80 Prozent SOC – bleibt die Zellspannung nahezu konstant. Erst kurz vor der vollständigen Entladung oder nahe der Vollladung steigt beziehungsweise fällt sie deutlich ab.
Für das BMS ist das problematisch: Bei einer Zellspannung von rund 3,3 Volt kann der Ladezustand sowohl bei 20 als auch bei 80 Prozent liegen. Die Spannung liefert also kaum Informationen über den tatsächlichen Energieinhalt.
Kalibrierung statt Akkuschonung
Um den Ladezustand dennoch zu berechnen, nutzt das BMS bei LFP-Akkus das sogenannte Coulomb-Counting. Dabei wird die ein- und ausfließende Strommenge über die Zeit integriert. Diese Methode ist jedoch nicht perfekt. Messungenauigkeiten, Temperaturschwankungen, Alterung und unterschiedliche Lastprofile führen dazu, dass sich mit der Zeit Fehler aufsummieren. Die Folge: SoC- und Reichweitenanzeige werden zunehmend ungenau.
Abhilfe schafft ein eindeutiger Referenzpunkt – und den liefert die LFP-Zelle kurz vor der Vollladung. In diesem Bereich steigt die Zellspannung deutlich an. Dieser Spannungsanstieg ermöglicht es dem BMS, seine Berechnungen neu zu kalibrieren und die SoC-Ermittlung wieder auf eine verlässliche Basis zu stellen. Das regelmäßige Laden auf 100 Prozent dient bei LFP-Akkus daher nicht primär der Nutzung der maximalen Kapazität, sondern der Kalibrierung des Batteriemanagementsystems.
Praxisbeispiel: Mercedes CLA 200 EQ
Mit dem CLA 200 EQ setzt Mercedes-Benz erstmals im CLA auf eine Hochvoltbatterie mit LFP-Zellchemie. Der 58-kWh-Akku gilt als besonders kosteneffizient und langlebig. Mercedes weist jedoch ausdrücklich auf eine Besonderheit der LFP-Technologie hin. Hinweise zur Kalibrierung finden sich im Handbuch des CLA 200 EQ. Zusätzlich unterstützt das Fahrzeug den Fahrer aktiv: Erkennt das System, dass eine erneute Kalibrierung sinnvoll ist, weist die Head-Unit automatisch darauf hin. Voraussetzung sind unter anderem eine Außentemperatur von mindestens 10 Grad Celsius und ein eingestellter maximaler Ladezustand von 100 Prozent.
Für eine vollständige Kalibrierung sieht Mercedes unter anderem vor, das Fahrzeug zunächst mit niedrigem Ladezustand abzustellen, anschließend wie gewohnt zu nutzen und bei einem der nächsten Ladevorgänge im verriegelten Zustand vollständig zu laden. Danach sollte das Fahrzeug mehrere Stunden – idealerweise über Nacht – verbunden mit der Ladeinfrastruktur stehen bleiben. Ein eventuell notwendiges Nachladen erfolgt automatisch.
Im Alltag gilt jedoch: Wer den CLA 200 EQ gelegentlich bis 100 Prozent lädt, muss sich um dieses Procedere nicht kümmern. Die Kalibrierung erfolgt dann im Hintergrund, ohne dass ein aktives Eingreifen notwendig ist. Unterbleibt die Kalibrierung über längere Zeit, arbeitet das System vorsichtiger. Reichweite, Ladezustand und mögliche Ladeleistung werden konservativ berechnet, um die Batterie zu schützen. Nach einer erfolgreichen Kalibrierung stehen wieder präzise Anzeigen zur Verfügung.
