Einfluss von Temperatur und Spannung auf Ladung und Zustand von Lithium-Ionen-Batteriemodulen in leichten Elektrofahrzeugen

Warum heiße Tage für E-Bike-Akkus wichtig sind

Elektrische Fahrräder und Roller versprechen sauberere, einfachere Mobilität, doch die Batterien, die sie antreiben, kämpfen still mit Hitze. Diese Studie blickt in den Akkupack eines leichten Elektrofahrzeugs, um zu untersuchen, wie realer Fahrbetrieb und unterschiedliche Temperaturen — von gemäßigten Raumtemperaturen bis hin zu wüstenähnlicher Hitze — die Energiespeicherkapazität und die Lebensdauer beeinflussen. Die Ergebnisse helfen zu erklären, warum die Reichweite an sehr heißen Tagen sinkt und warum klügere Kühl- und Ladekonzepte für sichere, langlebige urbane E-Mobilität entscheidend sind.

Blick ins Innere eines kleinen E-Fahrzeugs

Die Forschenden konzentrierten sich auf einen verbreiteten Typ leichtes Elektrofahrzeug, vergleichbar mit einem leistungsunterstützten Fahrrad, ausgestattet mit einem 48-Volt-Lithium-Ionen-Akkupack, der aus 52 kleinen zylindrischen Zellen besteht. Anstatt das Pack als eine schwarze Box zu behandeln, demontierten sie es, um jede Zelle an einem speziellen Prüfstand einzeln zu messen. Für jede Zelle bestimmten sie die speicherbare Ladungsmenge und den „Gesundheitszustand“ im Vergleich zum Neuzustand. Anschließend bauten sie das Pack wieder zusammen, stellten das Fahrzeug auf Rollen und durchliefen einen standardisierten Fahrzyklus, der für Motorradtests verwendet wird und Stop-and-Go-Stadtverkehr sowie kurzzeitige höhere Geschwindigkeiten simuliert.

Gezielte Erhitzung im kontrollierten Umfeld

Um zu sehen, wie Temperatur das Verhalten der Batterie verändert, platzierten die Forschenden das gesamte Pack in einer verschlossenen Metallbox, in der sie die Umgebung auf 25, 35, 45 oder 65 Grad Celsius einstellen konnten. Während das Fahrzeug auf den Rollen „fuhr“, zeichneten Sensoren Spannung, Strom und Temperatur in Echtzeit auf — sowohl außen am Pack als auch nahe dessen Zentrum. Nach jedem Testblock bei einer bestimmten Temperatur wurde das Pack erneut demontiert, sodass Ladungskapazität und Zustand jeder einzelnen Zelle erneut gemessen werden konnten. Thermalkameraaufnahmen lieferten ein direktes Bild davon, wie sich Wärme während Betrieb und Laden im Modul aufbaute und ausbreitete.

Was mit Ladung und Zustand bei steigender Hitze passiert

Bei moderaten Temperaturen — etwa 25 bis 35 Grad Celsius — verhielt sich die Batterie gut. Das Pack konnte nahe an seine Zielspannung geladen werden, und die simulierte Fahrt entnahm Energie gleichmäßig mit nur geringen Temperaturanstiegen. In diesem Bereich blieben Ladezustand (wie voll die Batterie ist) und Gesundheitszustand (wie viel Kapazität im Vergleich zu neu verbleibt) innerhalb wünschenswerter Grenzen. Mit steigender Temperatur auf 45 Grad und besonders bei 65 Grad traten jedoch Probleme auf. Das Pack verlor während des Fahrzyklus schneller Spannung, was eine geringere Reichweite bedeuten würde. Einige Zellen verloren einen merklichen Anteil ihrer ursprünglichen Kapazität und fielen unter übliche Gesundheitsgrenzen für den Weiterbetrieb in Fahrzeugen.

Wärme versteckt sich in der Mitte

Thermalaufnahmen und Sensorwerte zeigten, dass sich Wärme nicht gleichmäßig verteilte. Die zentralen Zellen im Modul liefen konstant heißer als die an den Seiten. Beim milden 25-Grad-Test erreichte die wärmste Stelle im Pack knapp unter 30 Grad, im 65-Grad-Test jedoch stieg der heiße Kern auf über 80 Grad. Beim Laden verschärfte sich die Lage: Das Pack hielt die Wärme in seiner Mitte, während auch Schutz-Elektronik und Kabel sich erwärmten. Bei der höchsten Temperatur unterbrach das Batteriemanagementsystem das Laden vorzeitig, um Schäden zu verhindern — wodurch das Pack geschützt, aber einige Zellen im Vergleich zu anderen unterladen blieben. Diese Ungleichheit reduzierte die nutzbare Energie weiter und beschleunigte die Alterung der am stärksten belasteten Zellen.

Konstruktionslehren für sicherere, langlebigere Fahrten

Insgesamt zeigt die Studie, dass Batterien leichter Elektrofahrzeuge nur in einem relativ engen Temperaturfenster komfortabel arbeiten, grob 25 bis 35 Grad Celsius. Darüber hinaus verlieren sie schneller Energie, altern schneller und entwickeln ungleichmäßige Hotspots — insbesondere im Kern des Packs — während Schutz-Elektronik Schwierigkeiten hat, sie sicher zu halten. Für Fahrende bedeutet das geringere Reichweiten und ein erhöhtes Risiko vorzeitiger Batteriewechsel in heißen Klimazonen. Für Entwickler und Stadtplaner betont die Arbeit die Notwendigkeit einfacher, aber effektiver Kühl- oder Belüftungslösungen, intelligenter Pack-Layouts, die überhitzte Kerne vermeiden, sowie sorgfältiger Überwachung des Zellenzustands. Mit solchen Maßnahmen können kleine Elektrofahrzeuge saubere Mobilität liefern, ohne Sicherheit oder Batterielebensdauer zu opfern.

Zitation: Quintana, J.M., Paredes-Rojas, J.C., Vázquez-Medina, R. et al. Temperature and voltage effects on the charge and health of lithium-ion battery modules in light electric vehicles. Sci Rep 16, 9408 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40094-5

Schlüsselwörter: Lithium-Ionen-Batterien, E-Bikes, Batterietemperatur, Batteriezustand, Thermomanagement