Internationale Normenlücke bei E-Auto-Batterietests im Winter
Die weltweite Elektromobilität steht vor einer entscheidenden Herausforderung: die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien bei extremen Temperaturen, insbesondere in kalten Klimazonen. Während die Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs) kontinuierlich zunimmt, bleibt die Diskrepanz zwischen angegebenen Reichweiten und realer Winterleistung ein zentrales Problem für Verbraucher und Hersteller gleichermaßen. Ein aktueller Fachartikel im renommierten Journal Battery Bimonthly beleuchtet die bestehenden Defizite in den internationalen Teststandards für die Kaltstartfähigkeit und Leistung von Antriebsbatterien und fordert eine umfassende, harmonisierte Norm, die den technologischen Fortschritt und die globalen Einsatzbedingungen widerspiegelt.
Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien ist stark temperaturabhängig. Bei sinkenden Temperaturen verlangsamen sich die elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Zellen, die innere Widerstandskraft steigt, und sowohl die verfügbare Kapazität als auch die Spannung nehmen ab. Dies führt direkt zu einer verkürzten Reichweite, längeren Ladezeiten und einer reduzierten Leistungsabgabe – Effekte, die in Regionen mit langen, kalten Wintern besonders ausgeprägt sind. Viele Hersteller werben mit Reichweitenangaben, die unter idealen Bedingungen ermittelt wurden, was in der Praxis, besonders bei Temperaturen unter -20 °C, zu erheblichen Enttäuschungen führen kann. Fahrer berichten oft von Reichweitenverlusten von über 40 Prozent, was das Vertrauen in die Technologie untergräbt.
Die Wurzel dieses Problems liegt in der Fragmentierung der globalen Testlandschaft. Derzeit existiert kein einheitlicher, weltweit anerkannter Standard, der die Leistung von Batterien unter realistischen Winterbedingungen umfassend bewertet. Stattdessen greifen Hersteller und Normungsorganisationen auf eine Vielzahl von regionalen und internationalen Richtlinien zurück, die sich in ihrer Methodik, den Testtemperaturen, den Zustandsparametern (State of Charge, SOC) und den gemessenen Leistungsgrößen erheblich unterscheiden. Diese Diskrepanz erschwert nicht nur den fairen Vergleich verschiedener Batterietechnologien, sondern behindert auch die transparente Kommunikation gegenüber den Kunden und verzögert die Marktdurchdringung in kälteren Regionen.
Eine detaillierte Analyse von Xingchun Sun, einem erfahrenen Patentprüfer und Spezialisten für geistiges Eigentum am Patent Examination Cooperation (Beijing) Center der chinesischen Nationalen Verwaltung für geistiges Eigentum (CNIPA), liefert einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand der Normung. Suns Forschung vergleicht systematisch die wichtigsten internationalen und nationalen Standards, darunter ISO, IEC, SAE, JIS sowie die chinesischen GB- und DB-Normen, und identifiziert sowohl deren Stärken als auch kritische Schwächen.
Ein zentraler Punkt der Analyse ist die unterschiedliche Reichweite und Tiefe der vorhandenen Normen. Der internationale Standard ISO 12405-4:2018 gilt als einer der umfassendsten. Er legt detaillierte Verfahren für die Prüfung von Energie, Kapazität, Entlade- und Laderaten, Zyklenlebensdauer und der sogenannten Kaltstartleistung (Cold Cranking Power) unter Temperaturen bis zu -25 °C fest. Besonders hervorzuheben ist die granulare Prüfung über verschiedene SOC-Stufen, beispielsweise von 90 % auf 20 % in mehreren Schritten, was die dynamischen Anforderungen im realen Fahrbetrieb besser abbildet. Die Vorgabe, die Prüfung bei maximaler Herstellerstromstärke durchzuführen, stellt sicher, dass auch die Leistungsfähigkeit bei hoher Belastung, wie beim Beschleunigen oder Rekuperieren, bewertet wird. Diese Komplexität macht ISO 12405-4:2018 zu einem sehr wertvollen Werkzeug, allerdings auch zu einem, das aufwändiger und kostenintensiver in der Anwendung ist.
Demgegenüber steht der IEC 62660-1:2018, der sich primär auf Zellen (Cells) konzentriert. Seine Prüfungen für die Kapazität finden bei 0 °C statt, während die Leistungstests bei -20 °C und 0 °C durchgeführt werden, wobei der SOC auf 50 % fixiert ist. Obwohl dieser Standard eine wichtige Grundlage für den Vergleich von Zellen schafft, bleibt er in seiner Aussagekraft begrenzt. Er berücksichtigt nicht die Leistung über einen breiten SOC-Bereich oder unter extremen Temperaturen und vernachlässigt zudem die Systemebene, wo Batteriemanagementsysteme (BMS) und thermische Managementstrategien eine entscheidende Rolle spielen.
In den Vereinigten Staaten hat die Society of Automotive Engineers (SAE) mit der Norm SAE J1798-1:2020 einen empfohlenen Praxisleitfaden für die Bewertung von Batteriemodulen veröffentlicht. Diese Norm sieht Entladetests bei -20 °C vor, wobei das Modul vor dem Test mindestens 16 Stunden bei der Prüftemperatur akklimatisiert werden muss. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Moduls. Der Fokus liegt jedoch klar auf der Modul-Ebene und nicht auf dem vollständigen Batteriepack oder dem Fahrzeugsystem. Zudem beschränkt sich der Test auf die Kapazität und geht nicht auf die Effizienz des Ladens bei Kälte oder die dynamische Leistung ein.
Japan setzt mit der Norm JIS D 1303:2004 einen spezifischen Schwerpunkt auf die Ladeeffizienz bei -20 °C. Diese Orientierung ist einzigartig und spiegelt die Bedeutung schnellen, effizienten Ladens in einem Land wider, das eine hohe Dichte an Ladestationen besitzt. Allerdings ist der Umfang der Norm sehr eng gefasst. Sie bietet keine Informationen zur Entladeleistung, zur Zyklenlebensdauer unter Kältebedingungen oder zur Gesamtleistung des Batteriesystems, was ihre Aussagekraft für die Gesamtbewertung eines Elektrofahrzeugs stark einschränkt.
In China, dem weltweit größten Markt für Elektrofahrzeuge, hat sich ein vielschichtiges Normungssystem entwickelt. Die nationalen Standards GB/T 31486—2015 und GB/T 31467—2023 legen strenge Anforderungen an die Kaltentladung bei -20 °C fest. So muss eine Batterie nach GB/T 31486—2015 bei -20 °C noch mindestens 70 % ihrer Anfangskapazität bereitstellen können. Diese Normen sind für die Mehrzahl der chinesischen Regionen angemessen, aber sie stoßen an ihre Grenzen, wenn es um die extremen Bedingungen in Nordchina geht.
Hier setzt die lokale Norm DB22/T 3410—2022 aus der Provinz Jilin an, die als eine der fortschrittlichsten und anspruchsvollsten weltweit gilt. Sie wurde explizit für „frigid regions“ entwickelt, in denen die Temperaturen regelmäßig auf -40 °C sinken. Ihre Anforderungen gehen weit über die internationalen Standards hinaus. Sie verlangt Prüfungen bei -20 °C, -30 °C und sogar -40 °C, was eine bisher unerreichte Tiefe bietet. Darüber hinaus definiert sie Mindestanforderungen an den SOC für den Betrieb unter diesen extremen Bedingungen, was die Nutzbarkeit des verbleibenden Energiepotenzials sichert. Ein weiterer Meilenstein ist die Vorgabe zur Zyklenlebensdauer: Eine Batterie mit aktivem Wärmemanagement muss nach 100 Zyklen bei -40 °C noch über 85 % ihrer Anfangskapazität verfügen. Dies ist eine entscheidende Anforderung für die langfristige Zuverlässigkeit in kalten Klimazonen.
Besonders bemerkenswert ist die quantitative Vorgabe zur Effizienz des Wärmemanagementsystems. Die Norm schreibt vor, dass der Energieverbrauch des Systems im Durchschnitt unter 6 % der Gesamtenergie liegen und im Spitzenbetrieb 30 % nicht überschreiten darf. Dies ist ein entscheidender Schritt, um sicherzustellen, dass nicht ein zu großer Teil der Batterieenergie dafür aufgewendet wird, die Batterie selbst warm zu halten, was die Reichweite weiter reduzieren würde.
Suns Analyse zeigt jedoch, dass auch dieser hochentwickelte Standard Lücken aufweist. Er beinhaltet keine umfassenden Tests zur Kaltstartleistung oder zur dynamischen Entladung über verschiedene SOC-Stufen, wie sie im ISO-Standard beschrieben sind. Dies verdeutlicht, dass kein einzelner Standard derzeit alle relevanten Aspekte abdeckt.
Die Schlussfolgerungen aus diesem Vergleich sind eindeutig. Erstens fehlt eine universelle Norm, die von der einzelnen Zelle über das Modul bis zum vollständigen Batteriesystem und schließlich zum Fahrzeug gilt. Die Leistung auf Systemebene wird durch das Zusammenspiel von Zellen, BMS, Kühlung und Gehäuse bestimmt, was durch Tests auf Zell- oder Modulebene nicht adäquat erfasst werden kann. Zweitens ist die Vielfalt der Testbedingungen – Temperatur, Akklimatisierungszeit, Entlade-/Ladestrom, SOC-Profil – ein großes Hindernis für den internationalen Vergleich. Eine Batterie, die nach einem Standard „bestanden“ hat, könnte nach einem anderen durchfallen, obwohl die nominellen Bedingungen ähnlich erscheinen.
Drittens sind viele bestehende Normen in ihrer Betrachtung der Kaltleistung zu einseitig. Während die verbleibende Kapazität ein wichtiges Maß ist, sind andere Faktoren wie die Ladeeffizienz bei Kälte, die Zunahme des Innenwiderstands, die Leistungsabschwächung (Power Fade) und die langfristige Degradation durch wiederholtes Kaltzyklen ebenso entscheidend für die Nutzererfahrung und die Lebensdauer des Fahrzeugs. Die derzeitige fragmentierte Herangehensweise führt zu einem unvollständigen Bild.
Diese Defizite haben weitreichende Konsequenzen. Für Automobilhersteller bedeutet die Vielzahl an Standards einen erheblichen zusätzlichen Aufwand bei der Entwicklung und Zertifizierung von Fahrzeugen für den globalen Markt. Für Verbraucher ist es nahezu unmöglich, die reale Winterleistung verschiedener Modelle objektiv zu vergleichen, was zu Skepsis und Kaufzurückhaltung, insbesondere in kälteren Regionen, führt. Für die Politik untergräbt die fehlende Harmonisierung die Bemühungen, Elektromobilität als eine echte Alternative zu Verbrennungsmotoren in allen Klimazonen zu etablieren.
Um diese Herausforderungen zu meistern, plädiert Sun Xingchun für die Schaffung eines umfassenden chinesischen Nationalstandards, der die Stärken der bestehenden Normen bündelt. Ein solcher Standard würde die breite Temperaturspanne und die dynamischen Tests des ISO 12405-4:2018 integrieren, die strengen Anforderungen an die Zyklenlebensdauer und das Wärmemanagement der DB22/T 3410—2022 übernehmen und den systemorientierten Ansatz der GB/T 31467—2023 beibehalten. Dies würde eine ganzheitliche Bewertung der Kaltleistung ermöglichen, die der Realität des Fahrzeugbetriebs viel besser entspricht.
Ein solcher nationaler Standard könnte als Blaupause für eine zukünftige internationale Harmonisierung dienen. Die Schaffung eines global einheitlichen Testverfahrens ist entscheidend, um fairen Wettbewerb zu gewährleisten, das Verbrauchervertrauen zu stärken und die globale Akzeptanz von Elektrofahrzeugen voranzutreiben. Der Weg dorthin erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen internationalen Normungsgremien wie ISO und IEC, nationalen Behörden, Automobilherstellern, Zulieferern und Forschungseinrichtungen.
Darüber hinaus ist ein Paradigmenwechsel von einfachen „bestanden/durchgefallen“-Kriterien hin zu komplexen, leistungsbezogenen Kennzahlen nötig. Zukünftige Standards sollten realitätsnahe Fahrzyklen einbeziehen, die den Einfluss von Klimatisierung, Heizung und Fahrstil berücksichtigen, und die Effektivität verschiedener Wärmemanagementstrategien bewerten. Die Integration von Datenanalyse und prädiktiven Modellen könnte helfen, Labortestergebnisse besser mit der realen Fahrzeugnutzung zu korrelieren und so genauere und aussagekräftigere Normen zu entwickeln.
Die Weiterentwicklung der Normen für die Kaltleistung von Batterien ist mehr als nur eine technische Feinabstimmung; sie ist eine strategische Notwendigkeit für die Zukunft der Elektromobilität. Zuverlässig funktionierende Batterien in kalten Klimazonen sind der Schlüssel zur Massenakzeptanz. Ohne robuste, transparente und weltweit anerkannte Testverfahren bleibt das Versprechen der Elektromobilität unvollständig. Die Arbeit von Forschern wie Xingchun Sun zeigt den Weg auf: durch die Synthese bestehender Ansätze und die Schließung der identifizierten Lücken kann die Branche eine vertrauenswürdige und zukunftssichere Grundlage für die nächste Generation der Elektromobilität schaffen.
Xingchun Sun, Patent Examination Cooperation (Beijing) Center of the Patent Office, CNIPA, published this analysis in Battery Bimonthly, Volume 54, Issue 6, December 2024, DOI: 10.19535/j.1001-1579.2024.06.021.