SOC-Anzeige nicht linear

Hallo zusammen,

hier im Nachbarthread kam auf, dass die SOC-Anzeige scheinbar nicht mit den gefahrenen Strecken und Verbräuchen nach Bordcomputer zusammenpasst. Als mögliche Erklärung hatte ich darauf hingewiesen, dass die SOC-Anzeige bei Hyundai nicht auf den Energieinhalt normiert ist sondern stattdessen auf den SOC entsprechend verbleibender Ladung (Amperestunden / Ah) bezieht. Da die Thematik im Allgemeinen interessant sein könnte, habe ich dazu mal ein neues Thema eröffnet.

Da bei Li-Ion-Zellen mit zunehmender Entladung die Zellspannung fällt, bedeutet das, dass eine Ah bei hohen SOCs mehr Energieinhalt mitbringt als bei niedrigen SOCs. Entsprechend stehen die Prozente in der SOC-Anzeige bei hohen SOCs auch für mehr verbleibende Kapazität als bei niedrigen SOCs. Im Alltag ergeben sich entsprechende Abweichungen wenn man über den angezeigten SOC die verbleibende Energiemenge und damit die Restreichweite bestimmen möchte.

Um dieses Verhalten zu dokumentieren habe ich den Ioniq 6 (53er Akku) weitestgehend leer gefahren, anschließend bis 90% aufgeladen und dabei alle 10 Prozentpunkte die via Car Scanner ausgelesenen Werte dokumentiert. Bei großem Akku dürftet ihr alle Werte mit ca. 1,45 multiplizieren (77 vs 53 kWh).

Was bedeuten die Spalten?

• SOC-Komiinstrument - Der SOC der dem Fahrer im Kombiinstrument angezeigt wird (Parameter "SOC")
• Remaining Energy - Der in der Batterie verfügbare Energieinhalt in kWh (Parameter "Remaining Energy")
• deltaE pro 10% - Der Energieinhalt der in den 10 Prozentpunkten zwischen dem aktuellen und dem niedrigeren Wert stecken (z.B. 5.52 kWh zwischen 90% - 80%)
• SOC normiert (51 kWh) - Remaining Energy, bezogen auf den nominellen Energieinhalt von 51 kWh und daraus resultierend der "reale SOC"

Ergebnis

Der kleine Akku wird mit 51 kWh nutzbar angegeben. Demnach wäre zu erwarten, dass 10% SOC im Display, bei gesundem Akku, anfangs für rund 5,1 KWh entnehmbare Energie stehen. Stattdessen bedeuten 10 Prozentpunkte bei hohen SOCs rund 5,5 kWh, während 10 Prozentpunkte am unteren Ende nurmehr etwa 4,5 kWh beinhalten. Der größe Akku (77er) ist rund 45% größer, entsprechend wären dort etwa 8 kWh vs. 6,5 kWh pro 10 Prozentpunkte zu erwarten.

Warum hat sich Hyundai für diese Art der Darstellung entscheiden? (wilde Spekulation)

• Mein persönlicher Tipp: Ausgedacht hat sich das das gleiche Team, welches auch für den Speed Limit Assist (SLA) und die übrigen Warntöne im Auto verantwortlich war
• Der SOC nach Ladung (Ah) ist eine Schätzung, aber noch relativ gut zu messen, da keine Ladungsträger ("Amperestunden") verloren gehen (abgesehen von Alterung des Akkus, aber das ist eine längerfristige Sache). Möchte ich aber den verbleibenden Energieinahlt darstellen, müsste ich auf Basis des geschätzten SOC eine weitere Schätzung aufbauen. Darin begründet, dass die Spannung des Akkus u.a. von der Temperatur und dem Entladestrom (-> Innenwiderstand) abhängt. Eine zuverlässige Schätzung des verbleibenden Energieinhaltes ist also ein bisschen schwieriger und unzuverlässiger als nur den SOC nach Ladung darzustellen.
• Beim Leerfahren des Akku werden die niedrigen SOC-Stände mit der gewählten Darstellung später erreicht. Werden für einen Elektroautotestbericht beispielsweise alle Kandidaten bis von 100% bis 10% SOC nach Anzeige leergefahren, stecken im Ioniq etwa 1 - 2% mehr Reichweite als in der Darstellung mit SOC nach Energieinhalt
• Ladevorgänge von 10 - 80% verschieben sich etwas in Richtung der niedrigen SOCs, also zu einem Berich in dem schneller geladen werden kann. Gleichzeitig werden bereits 80% angezeigt, wenn der Akku eigentlich erst bei 79% ist. Überschlägig könnte man damit grob 30 Sekunden von 10 - 80% gewinnen.

Angehängt findet ihr noch die Screenshots für 6,5%, 10%, 20%, 80% und 90% SOC.

Heute noch ein kleiner Nachtest bei kalter Batterie und bis 100% an AC. Der gestrige Test am Schnelllader startete bei etwa 10 - 15 Grad Batterietemperatur und endete im Bereich von 35 - 46°C. Hier wäre es möglich, dass das BMS berücksichtigt, dass ein kalter Akku weniger entnehmbare Energie hat und daher der Wert "Remaining Energy" am Anfang des Ladevorgangs auf Grund der niedrigen Temperatur niedriger lag.

Beginnen wir aber erstmal bei einem SOC von 100%, kurz nach dem AC-Ladevorgang bei relativem kühlem Akku (9 - 11 Grad).

Hier werden für "Remaining Energy" rund 50,94 kWh angegeben, entsprechend ziemlich genau der Nettokapazität von 51 kWh. Hier wäre natürlich denkbar, dass der noch relativ junge Akku bei z.B. 23 Grad etwa 51,5 - 52 kWh nutzbar hätte.

Der interne Wert "SOC BMS" mit 96,5% sowie die Zellspannung von 4,14V deutet übrigens darauf hin, dass Hyundai hier einen kleinen Topbuffer von etwa 1,8 kWh gelassen hat. Das schont die Batterie ein wenig und ermöglicht ggf. noch etwas Rekuperation bei bereits "voller" Batterie (SOC 100%). Gestern hatte ich bis 6,5% SOC entladen und der Wert "SOC BMS" stand bei 10,5%. Damit wäre unter "0% SOC" am unteren Ende noch ein weiterer Puffer ebenfalls grob 1,8 kWh zu erwarten. Das macht in Summe für meinen 53er Akku im kalten Zustand etwa (50,9 + 2* 1,8 kWh) 54,5 kWh. Insofern plausibel als dass die Kapazität von Batteriezellen ein wenig streut und ggf. anfangs etwas höher liegt als die vom Hersteller angegebene Nominalkapazität.

Nun zu den Abweichungen der geschätzten "Remaining Energy" in Abhängigkeit der Temperatur. Am Schnelllader ging der Ladevorgang bis 90% bei 35 - 46°C. Es resultierten 45,93 kWh nutzbare Kapazität. Heute habe ich ihn nochmal auf 90% bei kaltem Akku heruntergefahren (5 - 11°C). Hier stehen etwa 45,3 kWh in der Schätzung, entsprechend einer Abweichung von 0,65 kWh bzw. 1,4%. Die Abweichung wäre natürlich auch durch eine Neukalibrierung des BMS beim Aufladen bis 100% möglich bzw. ggf. auch nur eine Ungenauigkeit der Schätzung des BMS. Ich würde hier aber annehmen, dass wir den Einfluss der Temperatur sehen. Überträgt man die Abweichung von 1,4% auf den gestrigen "Energy Remaining"-Wert bei einem SOC von 10%, käme man auf ca. 4,53 kWh für einen warmen Akku ggü. den 4,47 kWh beim kalten Akku. Auch damit wäre man weiterhin unter den ca. 5,1 kWh die zu erwarten wären, wenn sich der SOC auf die verfügbare Energie bezieht.

Kurzes Fazit

• Wie zu erwarten gibt es wahrscheinlich Puffer am oberen sowie am unteren Ende des SOC
• Die Batterietemperatur wird in der Schätzung der verbleibenden Energie vermutlich berücksichtigt, der Effekt ist aber eher klein
• Wer es genauer und mit weniger potentiellen Fehlerquellen wissen möchte, sollte das Fahrzeug bei milden Sommertemperaturen bis 0% leer fahren, anschließend per AC auf 100% aufladen und dann während einer gemächlichen Fahrt "Remaining Energy" und "SOC" durchgehend aufzeichnen

Danke euch für die vielen, positiven Rückmeldungen! Für wissenschaftliches Arbeiten sollte es aber wohl noch ein paar Validierungen der Daten geben

Habe über das Wochenende übrigens nochmal eine Batterie leergefahren und mitgeloggt. Diesmal von 100% auf 3% runter.

Falls ich die kommenden Tage Zeit finde folgt noch eine richtige Auswertung, ansonsten hier ein paar erste Eindrücke und Erkenntnisse:

• Der Effekt, dass in den hohen SOC mehr kWh stecken als in den niedrigen SOC bleibt auch, wenn die Batterie durchgehend die etwa gleiche Temperatur hat. (Beim ersten Versuch hätten die steigenden Temperaturen während des Aufladens oder eine Neukalibrierung des BMS die Werte verfälscht haben können.)
• 252 km mit 19,1 kWh/100km (BC) mit 100% --> 3% SOC .
• Davon grob 3/4 auf Autobahn und 1/4 Kurzstrecke.
• Insbesondere die Kurzstrecken und ein wenig die Höhendifferenz zwischen Start und Ziel (+275m) haben den Verbrauch hochgetrieben. Ohne Höhendifferenz ca. 18 kWh/100km und ohne Kurzstrecken ca. 17 kWh/100km, bzw. auf flacher Strecke wären noch ca. 15km drin gewesen.
• Gestartet mit 50,75 kWh im Akku, angekommen mit 1,28 kWh; entsprechend einem Verbrauch von 49,47 kWh bzw. 19,63 kWh/100km --> hier habe ich eine Abweichung zur Anzeige im Bordcomputer bzw. ca. 1,3 kWh unterwegs verloren .
• Die Geschwindigkeitsanzeige im Display und der Wert "Vehicle Speed" via OBD weichen je nach Geschwindigkeit um rund 3 - 5 km/h ab. Müsste man noch mit GPS nachmessen aber wahrscheinlich ist das die Tachovoreilung.
• Den 53er Akku leer zu fahren kann ich nicht empfehlen bzw. würde zur Landstraße im Sommer raten. Auf den letzten Prozenten waren noch etwa 50 - 70 kW entnehmbar. Bei 130 km/h wird das merklich träge! Mit dem großen Akku sollten hier noch 70 - 100 kW möglich sein. Auch nicht mehr üppig, aber besser fahrbar!
• 45 Minuten Autobahn mit max. 120 km/h (34 --> 3% SOC) haben den Akku von ca. 1 - 2 Grad auf 7 - 11 Grad gebracht.
• Im Winter ohne Vorkonditionierung an den Schnelllader zu fahren bringt zwar ein wenig Reichweite, spart aber keine/kaum Energie. Während des "Schnelladens" wurde der Akku für rund 20 Minuten mit grob 3 - 4 kW geheizt, ähnlich der Vorkonditionierung unterwegs. Beim ganzen Ladevorgang (begonnen mit 7 - 11 Grad in der Batterie) ist die Ladeleistung aber nicht mehr über 75 kW gekommen. Dann lieber mit vorgeheiztem Akku an die Säule und 120 - 150 kW genießen.

Zitat von mango

Was wir jetzt leider noch nicht wissen: Stimmt denn die "Remaining Energie" überhaupt?

Gar nicht so einfach herauszufinden... Wenn ich meinem Fahrzeug vertrauen will, war die Energie bei niedrigen Batterietemperaturen aber nicht entnehmbar

Nun noch ein paar der angekündigten Auswertungen. Beginnen wir mit der Frage, inwieweit denn die gefahrene Strecke stimmt.

Ergebnis: Vermutlich, ja, so in etwa. Und was ist eigentlich Strecke?

Laut Fahrzeug habe ich über das gesamte Wochenende rund 308,2 km zurückgelegt.

Versuche ich den Streckenverlauf in Google Maps nachzubauen komme ich auf 310 km, es fehlen aber einzelne Fahrten über Parkplätze, durch Tiefgaragen und ähnliches.

Wenn ich es über die mit Car Scanner aufgezeichneten GPS-Daten versuche komme ich auf grob 315 - 320km, abhängig davon wie grob ich den GPS-Track filtere.

Macht in meinem Fall dann eine Abweichung grob zwischen 0,5 - 4%, die der Ioniq möglicherweise zu wenig zählt. Damit bin ich also auch grob so schlau wie zuvor, die geplotteten Tracks waren aber hübsch anzusehen und sehen bis auf kleine Ausreißer eigentlich recht genau aus:

Einmal die gesammte Strecke (ca. 100 km Ausdehnung):

track_total.png

Und noch der nord-westliche Zipfel, ein paar Stadtstrecken auf etwa 5km. Hier sieht man dann auch die einzelnen Ausreißer:

track_small.png

Nun nochmal zur eigentlichen Frage, ob die SOC-Anzeige linear ist:

remaining at soc.png

Hier sehen wir für einen Zyklus (100% - 3%) die laut BMS verfügbare Energie (Wh) in Abhängigkeit des im Kombiinstrument angezeigten SOCs. Die blauen Punkte sind dabei die Werte via OBD. In Rot dazu die mittlere Batterietemperatur ((T_min + T_max /2)). Sowie als blaue gerade der Erwartungswert bei linearer Anzeige.

Die Temperatur lag anfangs bei rd. 8 Grad und stieg während der ersten Autobahnetappe auf ca. 10 Grad. Danach kommt ein Sprung auf 0 - 2 Grad, weil der Wagen über Nacht stand und anschließend auf Kurzstrecken bewegt wurde. Zu letzt geht es dann sehr gleichmäßig von 0 auf 9 Grad hoch - hier entsprechend wieder eine Autobahnetappe.

Zu sehen ist, dass die Schätzung zwischen 90 - 100% gut der Geraden folgt, bzw. leicht darüber liegt. Danach entfernt sie sich zunehmend von dem, was bei einem linearen SOC-Verlauf noch an Energie in der Batterie verbleiben sollte. Auf den letzten 20% nähert es sich scheinbar wieder der Geraden an, das liegt aber eher daran, dass z.B. 10% Abweichung in diesem Bereich nur 0,5 kWh ausmachen, also kaum sichtbar sind. Während 10% Abweichung bei SOC 50% grob 2,5 kWh bedeuten würden und damit sichtbarer sind.

Den Einfluss der Temperaturen in der Batterie kann ich hier nicht gänzlich ausschließen, nachfolgend aber meine Argumente dafür, dass dieser eher klein ausgefallen ist:

Die Abweichung ist bereits bei 90% SOC sichtbar, während die Temperatur in der Batterie noch steigt

Bei etwa 50% SOC springt die Temperatur um ca. 7 - 8 Grad durch Auskühlen der Batterie, die Schätzung zur Restenergie ist aber praktisch ohne Sprungstelle.

remaining at soc_relative.png

Besser sichtbar wird das alles noch, wenn wir uns den Energieinhalt der jeweiligen SOC-Bereiche anschauen.

Hierzu habe ich immer einen Bereich von 10% genommen - d.h. z.B. bei SOC 83% die Differenz zum Energieinhalt bei SOC 73% gerechnet. In Türkis seht ihr den Erwartungswert von 5,07 kWh pro "10%" auf Basis von 50,7 kWh bei Abfahrt mit SOC 100%.

Die Schätzungen des BMS scheinen ein wenig zu streuen, die rote Ausgleichsgerade zeigt aber sehr schön die Tendenz auf.

Der Verlauf deckt sich gut mit dem Eingangspost, die Werte liegen aber etwas geringer (ca. 0,1 - 0,2 kWh Abweichung). Hier wäre meine These, dass wir da den Einfluss der Temperatur sehen. Die Werte im Eingangspost sind am Schnelllader mit Batterietemperaturen zwischen 20 - 35 Grad aufgenommen.

Und zu guter Letzt eine kurze Auswertung zur abgerufenen Leistung ab Batterie:

remaining battery power.png

Hier dargestellt in blau, das Power-Limit der Batterie über den SOC. Die obere, rote Linie ist zur Orientierung bei 111 kW gesetzt (Motorleistung). Die tatsächlich aus der Batterie abgerufenen Leistungen liegen nochmal etwas höher, bedingt durch Verluste im Wechselrichter, Motorwirkungsgrad und sonstige Verbraucher wie z.B. Heizung.

Erkennbar sind auch die städtischen Fahrten zwischen ca. 60 - 30% SOC - niedrigere Leistungen und mehr Rekuperation. Sowie eine starke Steigung auf der Autobahn um ca. 20% SOC. Insgesamt liegen nach meinem Eindruck die meisten Betriebspunkte unter 50 kW / 70 PS bzw. unter 1C-Entladerate der Batterie.

Spannend wird es ab rund 20% SOC, wenn die verfügbare Leistung bereits unter ca. 120 - 130 kW fällt. Ab hier kommt eine mehr oder minder spürbare Einschränkung. Gut sichtbar dann auch, wie unter 10% SOC einige der orangenen Punkte auf dem Leistungslimit liegen.

Nachfolgend der genannte Bereich unter 20% SOC im AUsschnitt:

remaining battery power_focus.png