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Wieso sinkt die Reichweite eines E-Bike-Akkus im Winter?

E-Bike-Akkus sind auch nur Menschen. Herrschen draußen eisige Temperaturen, geht das nicht spurlos an ihnen vorüber. Irgendetwas geschieht mit ihnen. Der Akku, der euch vor kurzem noch auf beispielsweise 80 Kilometern klaglos unterstützte, mag plötzlich schon nach 60 Kilometern nicht mehr. Warum verkürzt sich regelmäßig mit Beginn des Winters die Reichweite eines E-Bike-Akkus?

1. Schwimmt, Ionen, schwimmt
2. Was bedeutet ein verlangsamter Stromfluss für den E-Bike-Akku?
3. Alter oder neuer Akku – macht das einen Unterschied?
4. Tipps für den Umgang mit dem E-Bike-Akku im Winter
5. Ausblick auf bessere Zeiten?
6. Was leisten Neopren-Cover für E-Bike-Akkus?

1. Schwimmt, Ionen, schwimmt

Wer dem Phänomen auf die Spur kommen möchte, muss sich – wohl oder übel – an die eigene Schulzeit erinnern. Physik und Chemie sind gefragt. Vermutlich nicht unbedingt die Lieblingsfächer von allen. Das Thema lautet: Stromkreislauf. Bei Begriffen wie Kathode als Bezeichnung für den Minuspol und Anode als Bezeichnung für den Pluspol macht es bestimmt klick. Diese beiden gehören zu einem Akku. Beim Entladen gelangen positive Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode, damit elektrischer Strom fließt. Während des Ladens vollziehen die Teilchen eine komplette Kehrtwende und streben von der Anode zur Kathode.

Leider passiert dies nicht im luftleeren Raum. Dann hätte sich unser Kälteproblem schnell erledigt. Stattdessen ist der Prozess an ein Medium gekoppelt, das Elektrolyt. Jene chemische Lösung gilt bei jedem Hersteller von Akkus als ein wohlgehütetes Betriebsgeheimnis. Gemein ist ihnen jedoch, dass sie bei sinkenden Temperaturen immer träger werden und in einen zähflüssigeren Zustand wechseln. Das erschwert den Ionen das Hin und Her zwischen den verschiedenen Polen. Der Kraftakt lässt den inneren Widerstand des Akkus ansteigen. Schlussendlich verlangsamt sich der Stromfluss und der Akku verliert an Leistungsfähigkeit.

Darstellung der Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus
Die graue Fläche in der Mitte symbolisiert das Elektrolyt im Inneren eines Lithium-Ionen-Akkus.

In heutigen E-Bike-Akku sorgt das Batteriemanagementsystem (BMS) dafür, dass dieser Prozess nicht ins Unendliche getrieben wird. Gäbe es keine Sicherheitsmaßnahmen, könnte die Kälte den Akku sogar vollends zerstören. Kennt ihr vielleicht von dem einen oder anderen Smartphone. Darin sind ähnliche Systeme verbaut, die einen automatischen Shutdown veranlassen, um ein solches Fiasko zu verhindern.

2. Was bedeutet ein verlangsamter Stromfluss für den E-Bike-Akku?

Moderne BMS bewahren uns und den Akku also vor dem Schlimmsten. Naturgesetze und die ihnen folgenden chemischen und physikalischen Reaktionen können sie allerdings noch nicht austricksen. Folglich verliert ein Akku bereits ab Temperaturen von weniger als zehn Grad Celsius an Leistungsfähigkeit, was sich beim E-Bike in geringeren Reichweiten niederschlägt. Ob das linear, exponentiell oder wie auch immer verläuft und zu welchen Verlustraten dies führt, können wir euch nicht sagen. Unseres Wissens nach gibt es bis heute für den Fall der E-Bike-Akkus keine wissenschaftlich fundierten Studien.

Etwas Licht ins Dunkel bringen Untersuchungen an E-Autos. Damit haben sich diverse Institutionen weltweit beschäftigt. In einem Test ermittelte der ADAC 2022 Reichweitenverluste von 30 Prozent und mehr. Beim VW ID.3 sank der Ausgangswert bei 14 Grad Celsius sogar um die Hälfte bei winterlichen minus sieben Grad Celsius. Norwegens Automobilclub NAF kam 2020 Marken und Modell übergreifend auf durchschnittlich 18,5 Prozent.

Ja, E-Autos sind keine E-Bikes. Dennoch zeigen die Untersuchungen auf, von welchen Maßstäben ihr ausgehen könnt. Wie gesagt, das BMS reagiert sehr wohl auf kühlere Umgebungstemperaturen und kühlere Eigentemperaturen des Akkus. Normalerweise seht ihr auf eurem Display auch das Ergebnis der jeweiligen Berechnung, sodass ihr der Angabe tendenziell eher glauben könnt. Auch wenn das die Anzeige euch vielleicht frustriert aufstöhnen lässt.

Aufbau der Zelle eines E-Bike-Akkus
Aufbau der Zelle eines E-Bike-Akkus
Akku Bosch Powertube 750 für E-Bikes in der Explosionszeichnung
Innenansicht eines Bosch Powertube 750

3. Alter oder neuer Akku – macht das einen Unterschied?

Weniger überraschend bereiten ältere Akkus tatsächlich eher Probleme. Da ist er wieder, der menschliche Faktor des E-Bike-Akkus. Genau wie wir altern auch Batterien grundsätzlich. Neben den schieren Jahren sind vor allem die Anzahl der jeweiligen Ladezyklen entscheidend. Je älter ein Akku und je öfter er schon komplett ge- und entladen wurde, desto mehr Schäden finden sich in seiner Struktur. Ein weiterer Grund dafür, warum die elektrische Spannung bei Kälte abrupt sinken kann.

Diagramm zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen de Energieinhalt eines E-Bike-Akkus und dessen Alter bzw. dessen Anzahl der Ladezyklen
Ab einem bestimmten Alter des E-Bike-Akkus beziehungsweise einer bestimmten Anzahl der Ladezyklen sinkt der Energieinhalt rapide.

4. Tipps für den Umgang mit dem E-Bike-Akku im Winter

Wie allgemein bekannt, liegt die ideale Temperatur für Lithium-Ionen-Akkus liegt bei ungefähr 20 Grad Celsius. Am besten also, ihr gönnt eurem E-Bike über den Winter einfach einen Urlaub an einem Ort mit etwa dieser Temperatur. Wie es zum Beispiel mit den Kanaren? Für alle, die nicht weg wollen oder können, haben wir vier rudimentäre Tipps:

  • Ladet den E-Bike-Akku bei Zimmertemperatur auf. Das Laden in der Kälte schadet Lithium-Ionen-Akkus nachweislich. Kommt der Akku aus der Kälte, lasst ihn sich ausreichend lang akklimatisieren und steckt ihr erst dann an das Ladegerät.
  • Lagert euren Akku, im E-Bike oder separat, wenn möglich über Nacht bei Temperaturen zwischen 15 Grad Celsius und 25 Grad Celsius.
  • Vermeidet kurze Fahrten mit direkt darauffolgenden langen Standzeiten.
  • Vermeidet schnelle Wechsel zwischen kalt und warm. Dadurch setzt sich eventuell Kondensat im Akku ab. Und welche Folgen Nässe für ein elektrisches Gerät haben kann, muss an der Stelle sicher niemandem erklärt werden.

 

5. Ausblick auf bessere Zeiten?

Möglicherweise haben sich bereits in einigen Jahren diese Tipps erübrigt. Mit dem Boom des E-Autos gewinnt natürlich auch die Wintertauglichkeit von Lithium-Ionen-Akkus an neuer Brisanz. In vielen Ecken der Welt laufen Forschungslabore auf Hochtouren – und vermelden erste Erfolge. So haben Mitarbeitende der Jiatong-Universität in Peking und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen Akku entwickelt, der bei Temperaturen im Minus-Bereich trotzdem rund 86 Prozent seiner Ladekapazität abrufen kann. Forschende der University of California San Diego setzen sogar noch einen drauf. Ein Prototyp ihres Akkus weist bei minus 40 Grad Celsius noch rund 88 Prozent seiner Kapazität auf. Eine Ursache für die Fortschritte liegen dort zum Beispiel in einem neuartigen Elektrolyt, das auf einem Mix aus Dibutylether und Lithiumsalz beruht.

6. Was leisten Neopren-Cover für E-Bike-Akkus?

Bis solche Technologien in Akkus für E-Bikes auftauchen, vergehen garantiert noch etliche Jahre. Bis dahin ihr dem Akku eures Fahrrades ja auch ein schützendes Winterkleid aus Neopren verpassen. Solche Cover bieten sowohl Fahrradhersteller selbst als auch Spezialisten wie Fahrer aus Berlin an. Das Prinzip diese Isolierung ist denkbar einfach. Während des Motor läuft und der Akku den für die Unterstützung nötigen Strom liefert, erwärmt er sich gleichzeitig. Diese Wärme strahlt gewöhnlich ungebremst in die Umgebung ab und geht aus Sicht des Akkus selbst somit verloren. Mit dem umgelegten Neopren-Schutz behält der E-Bike-Akku eine höhere Eigentemperatur, funktioniert besser und verringert so den unvermeidbaren Verlust an Reichweite.

Wie viel Nutzen ein Neopren-Cover bietet, wird in diversen Foren und Youtube-Kanälen fleißig diskutiert. Im Wust der unterschiedlichsten Meinungen und Erfahrungsberichte glauben wir, folgende vier Erkenntnisse als relativ gesichert erkannt zu haben:

  • Mit dem Schutz durch ein Neopren-Cover kühlt der Akku während und nach der Fahrt nicht so schnell aus.
  • Der Temperaturunterschied zwischen dem Fahren mit und ohne Hülle fällt in niedrigeren Unterstützungsstufen größer aus. In höheren Fahrmodi entwickelt der Akku so viel Eigenwärme, dass sich der Effekt des Covers weniger zeigt.
  • Ab Temperaturen von minus fünf Grad Celsius und kälter erhöht sich die Schutzwirkung der Neoprenhülle deutlich.
  • Wer Cover und Akku vorher bei Zimmertemperatur gelagert hat und beides erst vor kurz Fahrtantritt am E-Bike anbringt, erhöht den Wärmeschutz zusätzlich.

 

In dem Sinne, stets eine wohltemperierte Fahrt.

Neopren-Cover für den Akku eines E-Bikes

Bilder: Bosch eBike Systems; retyre AS

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