Neue chinesische Norm für EV-Batterien definiert Leistungstests neu
Ein entscheidender Meilenstein in der Entwicklung der Elektromobilität in China ist mit der Veröffentlichung der Norm GB/T 31467—2023 erreicht worden. Diese aktualisierte nationale Spezifikation, betitelt Elektrische Prüfverfahren für Lithium-Ionen-Traktionsbatteriepacks und -systeme in Elektrofahrzeugen, stellt einen umfassenden Rahmen dar, der die Bewertung von Batterieleistung auf eine neue, realitätsnähere Ebene hebt. Die Neufassung ersetzt die zuvor getrennten Standards GB/T 31467.1—2015 für leistungsorientierte Anwendungen und GB/T 31467.2—2015 für energiedichte Systeme durch eine einheitliche, integrierte Testmethodik, die den technologischen Fortschritt und die sich verändernden Anforderungen des Marktes widerspiegelt.
Die Entwicklung der neuen Norm wurde vom China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd. (CATARC) geleitet, einer der führenden Forschungs- und Standardisierungsorganisationen im asiatischen Automobilsektor. Angesichts des rasanten Wachstums des chinesischen Elektrofahrzeugmarktes und der zunehmenden Komplexität moderner Batteriesysteme war eine Überarbeitung der bestehenden Standards unumgänglich. Die alten Prüfverfahren, die Mitte der 2010er Jahre verabschiedet wurden, basierten auf einem technologischen Stand, der den heutigen Anforderungen an Reichweite, Ladeleistung und thermische Stabilität nicht mehr gerecht wird. GB/T 31467—2023 reagiert auf diese Entwicklungen, indem es die Testmethoden modernisiert, harmonisiert und um neue, marktrelevante Prüfparameter erweitert.
Ein zentrales Anliegen der Revision war die bessere Abbildung realer Fahrbedingungen. Während frühere Standards oft auf konstanten Strom- und Spannungsprofilen basierten, die in Laboren einfach zu reproduzieren waren, erkennt die neue Norm an, dass die Leistung einer Batterie im täglichen Einsatz durch dynamische Lasten, wechselnde Umgebungsbedingungen und komplexe Batteriemanagementsysteme bestimmt wird. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, wurden drei neue Testverfahren eingeführt: die Bestimmung der Energiedichte, die Prüfung der Ladeleistung und der sogenannte „Betriebsentladungstest“.
Die Einführung eines standardisierten Verfahrens zur Messung der Energiedichte ist von besonderer Bedeutung. Dieser Parameter, der das Verhältnis von gespeicherter Energie zur Masse oder zum Volumen angibt, ist ein entscheidender Faktor für die Reichweite und die Fahrzeugarchitektur. Bislang fehlte eine einheitliche nationale Norm für diese Messung, was zu inkonsistenten Angaben seitens der Hersteller führte. Durch die Integration in GB/T 31467—2023 wird nun ein verbindlicher Rahmen geschaffen, der Transparenz und Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Batterietechnologien und Anbietern gewährleistet. Dies stärkt nicht nur die Position der Verbraucher, sondern auch die Glaubwürdigkeit der gesamten Branche.
Die Prüfung der Ladeleistung ist ein weiterer Meilenstein. Mit dem Ausbau der Schnellladeinfrastruktur in China und weltweit gewinnt die Frage, wie schnell ein Elektrofahrzeug aufgeladen werden kann, immer mehr an Bedeutung. Die neue Norm adressiert dies direkt, indem sie Ladeprüfungen unter vier verschiedenen Temperaturbedingungen vorschreibt: Raumtemperatur, 40 °C, 0 °C und Tmin – eine vom Hersteller und Kunden vereinbarte Mindesttemperatur. Diese breite Temperaturspanne stellt sicher, dass Batteriesysteme nicht nur unter idealen Bedingungen, sondern auch in extremen Umgebungen evaluiert werden, wo thermische Belastungen und die Gefahr von Lithium-Abscheidung (Plating) am höchsten sind. Die Prüfanweisungen verlangen zudem, dass die Ladealgorithmen die realen Strategien des Batteriemanagementsystems widerspiegeln, einschließlich dynamischer Anpassungen basierend auf dem Ladezustand (SOC) und der Zelltemperatur. Die Ergebnisse müssen detaillierte Kurven enthalten, die Spannung, Strom, Temperatur und SOC über die Zeit darstellen, was eine tiefere Analyse des Ladeverhaltens ermöglicht.
Der Betriebsentladungstest markiert einen Paradigmenwechsel in der Leistungsbewertung. Statt auf konstanten Entladeströmen zu basieren, empfiehlt die Norm die Verwendung von Fahrzyklen, die auf dem China Light-duty Vehicle Test Cycle (CLTC) basieren. Dieser Zyklus wurde speziell entwickelt, um die typischen Fahrprofile in chinesischen Städten – mit ihren häufigen Stopps, Beschleunigungen und moderaten Geschwindigkeiten – realistisch abzubilden. Durch die Simulation realer Straßenbedingungen können Ingenieure ein viel genaueres Bild davon erhalten, wie sich ein Batteriesystem unter tatsächlichen Betriebsbedingungen verhält. Dieser Ansatz berücksichtigt transiente Leistungsanforderungen, rekuperatives Bremsen und variable Lasten, die in traditionellen Labortests nicht erfasst werden. Die Ergebnisse dieses Tests liefern wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung und Validierung von Batteriesystemen, die für den täglichen Einsatz optimiert sind.
Neben diesen neuen Prüfungen wurden zahlreiche bestehende Testverfahren erheblich überarbeitet, um ihre Genauigkeit, Konsistenz und Relevanz zu verbessern. Ein besonderer Fokus lag auf der Harmonisierung der Testbedingungen. So wurden die Temperaturpunkte für verschiedene Prüfungen – wie den Leerlauf-Kapazitätsverlust, die Energieeffizienz und die Kaltstartleistung – aufeinander abgestimmt. Die Hochtemperatur-Lagerung für den Leerlauf-Kapazitätsverlust wurde von 40 °C auf 45 °C angehoben, um die zunehmende Häufigkeit extremer Hitzewellen und die damit verbundene thermische Belastung für Batterien besser zu reflektieren. Diese Anpassung stellt sicher, dass die Langzeitstabilität und Haltbarkeit von Batterien unter realistischeren, anspruchsvolleren Bedingungen bewertet wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Definition des thermischen Gleichgewichts. In der Vergangenheit wurde dieses oft allein anhand einer festgelegten Ruhezeit bestimmt. Die neue Norm setzt hier einen präziseren Maßstab: Ein Batteriepack oder -system gilt erst dann als thermisch ausgeglichen, wenn innerhalb eines Zeitfensters von einer Stunde, ohne aktive Kühlung, die Temperatur der einzelnen Zellen um nicht mehr als 2 °C von der Zielumgebungstemperatur abweicht. Dieses Verfahren gewährleistet, dass thermische Gradienten innerhalb des Packs minimiert sind, bevor ein Test beginnt, was zu wiederholbaren und zuverlässigen Ergebnissen führt.
Die Anforderungen an die Datenaufzeichnung wurden verschärft, um eine detaillierte Analyse und Modellvalidierung zu ermöglichen. Der maximale Abstand zwischen den Datenpunkten wurde von einer Aufzeichnung pro 1 % der Lade- oder Entladezeit auf maximal 100 Sekunden reduziert. Diese feinere Auflösung ist entscheidend, um schnelle Spannungstransienten und dynamische Reaktionen während Pulsprüfungen, Effizienzmessungen und transienten Ereignissen genau zu erfassen.
Im Bereich der Leistungs- und Innenwiderstandsprüfung wurde die Präzision durch die Vorgabe eines maximalen Abtastintervalls von 100 Millisekunden während der Pulsereignisse erhöht. Dies ermöglicht eine genaue Erfassung der sofortigen Spannungsantwort, was für die Bewertung der Fähigkeit einer Batterie entscheidend ist, Beschleunigungsanforderungen, rekuperatives Bremsen oder Stützfunktionen im Fahrzeugnetz zu bewältigen. Um Schäden während der Hochleistungsprüfung zu verhindern, enthält die Norm einen Schutzmechanismus: Wenn die Batteriespannung während eines Pulsversuchs vorzeitig einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, ist eine Stromreduzierung erlaubt, um Überlastung zu vermeiden. Zudem ist das Laden bei Temperaturen unterhalb des vom Hersteller festgelegten Mindestwerts ausdrücklich verboten, um irreversible Schäden wie Lithium-Plating zu verhindern.
Eine weitere bedeutende Anpassung betrifft die Stromraten für Standardzyklen und Kapazitätsprüfungen. Für energiedichte Anwendungen wurde die Entladestromrate von 1 C auf 1/3 C geändert. Diese Anpassung spiegelt besser die typischen Entladeprofile von Langstrecken-Elektrofahrzeugen wider, die meist im mittleren Leistungsbereich operieren, anstatt die extremen Anforderungen von Hochleistungssportwagen zu simulieren. Dieser Schritt trägt dazu bei, die Testmethoden enger an die reale Nutzung anzupassen.
Die SOC-Anpassungsverfahren wurden optimiert, um den Testaufwand zu reduzieren. Früher erforderte die Anpassung auf einen Ziel-SOC oft einen vollständigen Lade-Entlade-Zyklus, selbst wenn die Batterie bereits nahe am gewünschten Zustand war. Die neue Norm erlaubt, dass wenn die letzte SOC-Anpassung innerhalb der letzten 24 Stunden erfolgte, der Prozess von einem beliebigen Ausgangspunkt aus beginnen kann. Dies spart unnötige Zyklen, verkürzt die Testdauer und reduziert den Verschleiß an den Testmustern.
Die Prüfung der Energieeffizienz wurde aktualisiert, um den heutigen technologischen Möglichkeiten gerecht zu werden. Frühere Standards verlangten feste, hohe Stromraten (z. B. 20 C Entladung, 15 C Ladung), unabhängig davon, ob die Batterie diese überhaupt unterstützen konnte. Diese starren Vorgaben wurden nun entfernt. Stattdessen wird die Prüfung an die tatsächlichen maximal zulässigen Pulsströme der Batterie (I’max(SOC,T,t)) angepasst. Dieser Ansatz macht den Test realistischer und vermeidet, dass Batterien in unrealistische Betriebsbereiche gedrängt werden, nur um einen Testkriterium zu erfüllen.
Für energiedichte Batteriesysteme wurde der Niedrigtemperatur-Ladetest bei Tmin vereinfacht, indem veraltete Anforderungen für 1 C-Laden entfernt wurden, die mit modernen Niedrigtemperatur-Ladeprotokollen nicht kompatibel waren. Stattdessen wird nun auf die Konsistenz zwischen den Vorbehandlungszyklen und der Berechnung der Energieeffizienz (E_charge und E_discharge) geachtet, um sicherzustellen, dass die gemessenen Werte unter identischen Bedingungen ermittelt werden.
Die Rolle des thermischen Managementsystems während der Prüfung wurde klarer definiert. Für Tests, die direkt mit der Fahrzeuganwendung zusammenhängen – wie Energieeffizienz, Ladeleistung und Betriebsentladung – wird empfohlen, das aktive Kühl- oder Heizsystem einzuschalten, um reale Bedingungen zu simulieren. Für andere Tests, die die intrinsischen elektrochemischen Eigenschaften der Zellen bewerten sollen, sollte das thermische Management deaktiviert werden, es sei denn, es wird zwischen Hersteller und Prüfstelle anders vereinbart. Diese Unterscheidung ermöglicht eine gezielte Analyse, ob eine Leistungseinschränkung auf die Zellchemie oder auf das Systemmanagement zurückzuführen ist.
Auch die Messung von Masse und Abmessungen wurde überarbeitet. Die Norm definiert nun explizit, welche Komponenten in die Massenberechnung einfließen – wie integrierte thermische Managementsysteme – und welche ausgeschlossen werden, wie z. B. abnehmbare externe Kühlschläuche. Die Volumenmessung, die bisher verpflichtend war, wurde aufgrund ihrer begrenzten Relevanz für die Leistungsbewertung gestrichen.
Für Kapazitäts- und Energieprüfungen wurden zusätzliche Anforderungen an die Datenaufzeichnung eingeführt. Es muss nun der zeitliche Verlauf der Gesamtspannung des Packs, der höchsten und niedrigsten Zellspannung sowie der überwachten Temperaturpunkte dokumentiert werden. Diese Daten sind unerlässlich, um Zellungleichgewichte, das Risiko von thermischem Durchgehen und die Effektivität des Batteriemanagementsystems zu diagnostizieren.
Der Überarbeitungsprozess von GB/T 31467—2023 war geprägt von umfangreichen Konsultationen mit der Industrie, der Auswertung von realen Fahrzeugdaten und der engen Abstimmung mit internationalen Standards, insbesondere mit ISO 12405-4:2018. Die chinesische Norm ist jedoch keine bloße Übernahme; sie enthält mehrere Verbesserungen, die auf die spezifischen Bedingungen in China zugeschnitten sind, wie die Verwendung von CLTC-basierten Fahrzyklen und spezifischen Temperaturpunkten, die für die klimatischen Gegebenheiten in verschiedenen Regionen Chinas relevant sind.
Diese Balance zwischen internationaler Harmonisierung und lokaler Anpassung stärkt Chinas Position in der globalen Standardisierung der Elektromobilität. Sie ermöglicht es chinesischen Herstellern, Batterien zu produzieren, die sowohl den nationalen als auch den Anforderungen ausländischer Märkte entsprechen, und trägt gleichzeitig zur Entwicklung internationaler Best Practices bei.
Aus regulatorischer und verbraucherorientierter Sicht verbessert die aktualisierte Norm die Transparenz und Vergleichbarkeit. Automobilhersteller und Batterielieferanten verfügen nun über einen klareren und rigoroseren Rahmen für die Validierung ihrer Produkte. Unabhängige Prüflabore können Bewertungen mit größerer Konsistenz durchführen, was Unterschiede zwischen den Ergebnissen verschiedener Labore reduziert. Die Verbraucher profitieren von verlässlicheren Leistungsangaben, da sie wissen, dass beworbene Werte wie Reichweite, Ladegeschwindigkeit und Kaltstartverhalten durch standardisierte und wiederholbare Tests untermauert sind.
Für Forscher und Entwickler bietet die Norm eine solide Grundlage für Innovation. Durch die Festlegung klarer Testmethoden und Annahmekriterien reduziert sie Unsicherheiten in Entwicklungsprogrammen und beschleunigt den Entwicklungszyklus. Die Einbeziehung fortschrittlicher Metriken wie Energieeffizienz und Betriebsentladung fördert die Entwicklung intelligenterer Batteriemanagementsysteme und robusterer Zellchemien.
Darüber hinaus schließt die Betonung der Realitätsnähe die Kluft zwischen Laborergebnissen und der tatsächlichen Fahrzeugleistung. Dies ist entscheidend, da die Branche sich zunehmend auf anspruchsvollere Anwendungen wie Vehicle-to-Grid (V2G), die zweite Nutzung von Batterien und prädiktive Wartungssysteme zubewegt – alles Anwendungen, die auf genauen Modellen des Batterieverhaltens unter dynamischen Bedingungen basieren.
Die Veröffentlichung von GB/T 31467—2023 signalisiert auch eine Reifung des chinesischen Ökosystems der Elektromobilität. Frühere Standards waren oft reaktiv, um mit technologischen Trends Schritt zu halten. Heutige Standards sind proaktiv, sie gestalten die Richtung der Innovation und setzen Leistungserwartungen, bevor neue Technologien die Massenproduktion erreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die überarbeitete Norm GB/T 31467—2023 einen bedeutenden Schritt nach vorn in der Bewertung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge darstellt. Durch die Integration neuer Testmethoden, die Verfeinerung bestehender Verfahren und die Ausrichtung an realen Nutzungsszenarien bietet sie eine genauere, zuverlässigere und aussagekräftigere Beurteilung der Batterieleistung. Während China weiterhin weltweit führend bei der Elektrifizierung des Verkehrs ist, wird diese Norm eine entscheidende Rolle dabei spielen, die Qualität zu sichern, den technologischen Fortschritt voranzutreiben und das Vertrauen der Verbraucher in die Elektromobilität zu stärken.
Niu Pingjian, Hao Weijian, Su Zhiyang, Shi Shengkun, Liu Shaohui, China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Energy Storage Science and Technology, doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0288