1. Batteriekapazität

Die Kapazität einer Batterie wird im Allgemeinen durch die Menge des darin enthaltenen aktiven Materials bestimmt und üblicherweise in Milliamperestunden (mAh oder Ah) angegeben. Beispielsweise können 1000 mAh eine Stunde lang mit einem Strom von 1 A entladen werden.

1.1 Batteriekapazität verstehen: Nennleistung vs. tatsächliche Leistung vs. theoretische Leistung

Die Batteriekapazität kann je nach Bedingungen in tatsächliche Kapazität, theoretische Kapazität und Nennkapazität unterteilt werden.

Die Kapazität einer Batterie, die sie bei einer bestimmten Entladerate bei 25 °C bis zur Klemmenspannung bereitstellt, wird bei Design und Produktion als Batteriekapazität definiert. Dies wird als Nennkapazität für eine bestimmte Entladerate RH bezeichnet.

Die Batteriekapazität wird üblicherweise in Amperestunden (AH) gemessen. Eine andere Messmethode ist die Angabe der Zellen (pro Platteneinheit) in Watt (W/Zelle).

1. Zur Berechnung der Ah-Werte (Amperestunden) multiplizieren Sie den Entladestrom (Konstantstrom) I mit der Entladezeit (in Stunden) T. Beispielsweise hält eine 7-Ah-Batterie bei kontinuierlicher Entladung mit 0,35 A etwa 20 Stunden.
2. Die Standardladezeit beträgt 15 Stunden und der Ladestrom 1/10 der Akkukapazität. Schnelles Laden kann die Lebensdauer des Akkus verkürzen.

Die Batteriekapazität gibt die Größe der in einer Batterie gespeicherten elektrischen Ladung an. Die Einheit für die Batteriekapazität ist „mAh“, im Chinesischen als Milliamperestunden bekannt. Bei Batterien mit höherer Kapazität, wie etwa Blei-Säure-Batterien, wird der Einfachheit halber im Allgemeinen „Ah“ (Amperestunden) verwendet, wobei 1 Ah = 1000 mAh ist. Wenn eine Batterie eine Nennkapazität von 1300 mAh hat und Sie die Batterie mit einem Strom von 130 mA entladen, kann die Batterie etwa 10 Stunden lang betrieben werden (1300 mAh/130 mA = 10 h). Wenn der Entladestrom 1300 mA beträgt, sinkt die Betriebszeit auf etwa 1 Stunde. Diese Berechnungen gehen von idealen Bedingungen aus, und die tatsächliche Betriebszeit eines Geräts kann je nach Komponenten, wie etwa einem LCD-Bildschirm oder dem Blitz in einer Digitalkamera, variieren, die große Stromschwankungen verursachen können. Daher kann die tatsächliche Betriebszeit eines batteriebetriebenen Geräts nur geschätzt werden, in der Regel basierend auf Erfahrungen aus der Praxis.

1.2 Kapazitätseinheit

Die Batteriekapazität wird üblicherweise in Amperestunden (Ah) gemessen und für eine bestimmte Batterie bestimmt. Beispielsweise könnte die Frage lauten: Wie groß ist die Kapazität dieses Smartphone-Akkus? Oder: Wie groß ist die Kapazität dieses Elektroroller-Akkus? Diese Fragen sind für jede Batterie individuell. Wenn die Batteriespannung bereits definiert ist und nicht die Echtzeitspannung berücksichtigt wird, kann die Angabe der Amperestunden die Batteriekapazität wiedergeben.

Bei Batterien mit unterschiedlichen Spannungen kann man sich jedoch nicht einfach auf Amperestunden verlassen, um die Kapazität zu bezeichnen. Nehmen wir zum Beispiel eine MANLY 12V 20AH Batterie und eine MANLY 15V 20AH Batterie. Obwohl beide 20 Ah haben, funktioniert das Gerät bei gleicher Belastung einwandfrei, die Betriebsdauer ist jedoch unterschiedlich. Daher sollte die Standardkapazität anhand der Leistung gemessen werden.

Zur Veranschaulichung betrachten wir ein Gerät, das sowohl 12 V als auch 24 V unterstützt. Mit einer MANLY 12 V 20 Ah Batterie kann es eine Stunde lang betrieben werden. Werden jedoch zwei solcher Batterien in Reihe geschaltet (24 V 20 Ah), bleiben die Amperestunden unverändert, die Betriebszeit verdoppelt sich jedoch. In diesem Zusammenhang sollte die Kapazität im Hinblick auf die Leistung betrachtet werden, die die Batterie speichern kann, nicht nur im Hinblick auf die Amperestunden.

Leistung (W) = Leistung (P) * Zeit (T) = Strom (I) * Spannung (U) * Zeit (T).

Dieser Ansatz zur Diskussion der Akkukapazität ist sinnvoller. Man muss realistisch und sachlich bleiben; sonst könnte man zu der unlogischen Behauptung gelangen, ein Smartphone-Akku habe eine größere Kapazität als der Akku eines Elektrorollers, was eindeutig unwissenschaftlich ist.

2. Nennspannung

Die Potentialdifferenz zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie wird als Nennspannung der Batterie bezeichnet. Die Nennspannung wird durch das Elektrodenpotential des Plattenmaterials und die Konzentration des inneren Elektrolyten bestimmt. Das Entladediagramm einer Lithiumbatterie ist parabolisch: 4,3 V fallen auf 3,7 V und 3,7 V auf 3,0 V ab. Beide Werte ändern sich schnell. Nur die Entladezeit von etwa 3,7 V ist die längste und macht fast drei Viertel der Zeit aus. Daher bezieht sich die Nennspannung der Lithiumbatterie auf die Spannung, die die längste Entladezeit aufrechterhält.

1. Ternäre Lithiumbatterie

Die Nennspannung einer ternären Lithiumzelle beträgt 3,6 V, der Betriebsspannungsbereich liegt zwischen 2,5 V und 4,2 V. Bei einem Akkupack multipliziert man die Spannung mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen. Beispielsweise beträgt die Nennspannung eines ternären Lithiumakkupacks der 10er-Serie 36 V, der Betriebsspannungsbereich reicht von 25 V bis 42 V.

2. Lithium-Eisenphosphat-Batterie

Die Nennspannung einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle beträgt 3,2 V, der Betriebsspannungsbereich liegt zwischen 2,0 V und 3,65 V. Für den entsprechenden Akkupack multipliziert man den Wert mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen. Beispielsweise hat ein Lithium-Eisenphosphat-Akkupack der Serie 15 eine Nennspannung von 48 V und einen Betriebsspannungsbereich von 30 V bis 54,75 V.

Welche Auswirkungen hat eine niedrige Spannung auf Lithiumbatterien?

Es wird empfohlen, Lithiumbatterien langfristig mit einer Ladung von ca. 70 % zu lagern. Bei Nichtgebrauch für 3 bis 6 Monate empfiehlt es sich, die Batterien einmal vollständig zu laden und wieder zu entladen. Dies verlängert die Lebensdauer des Akkus.

Bei längerer Lagerung ohne Verwendung und bei sehr niedriger Spannung können die Materialien der Lithiumbatterie beeinträchtigt werden. Ihre chemische Reaktivität kann nachlassen, was wiederum die Lebensdauer des Akkupacks beeinträchtigt.

Lithium-Ionen-Akkus arbeiten mit Spannungen zwischen 2,5 V und 4,2 V. Fällt die Spannung unter 2,5 V, wird die Entladung beendet. Durch das Schließen des Entladekreises sinkt der Stromverlust der internen Schutzschaltung auf den niedrigsten Wert. In der Praxis kann die Entladeschlussspannung jedoch aufgrund von Materialunterschieden zwischen 2,5 V und 3,0 V liegen. Übersteigt die Spannung 4,2 V, wird der Ladekreis zum Schutz des Akkus abgeschaltet.

3. Ladeabschlussspannung

Wenn der Akku vollständig geladen ist, ist das aktive Material auf der Elektrodenplatte gesättigt. Die Batteriespannung steigt bei weiterem Laden nicht an. Die Spannung zu diesem Zeitpunkt wird als Ladeschlussspannung bezeichnet. Die ternäre Lithiumbatterie hat eine Spannung von 4,2 V, die Lithiumeisenphosphatbatterie eine von 3,65 V.

4. Entladeschlussspannung

Die Entladeschlussspannung bezeichnet die niedrigste zulässige Spannung beim Entladen der Batterie. Die Entladeschlussspannung hängt mit der Entladerate zusammen.

5. Innenwiderstand der Batterie

Der Innenwiderstand der Batterie wird durch den Widerstand der Elektrodenplatte und den Widerstand des Ionenstroms bestimmt. Während des Lade- und Entladevorgangs bleibt der Widerstand des Bildmotors und der Elektrodenplatte unverändert, der Widerstand des Ionenstroms nimmt jedoch mit der Konzentration des Elektrolyten und der geladenen Ionen zu oder ab. Mit abnehmender Leerlaufspannung einer Lithiumbatterie steigt auch die Impedanz. Daher muss beim Laden mit geringer Leistung (unter 3 V) zunächst eine Vorladung (Erhaltungsladung) durchgeführt werden, um zu verhindern, dass zu viel Strom zu einer übermäßigen Erwärmung der Batterie führt.

Zusammensetzung des Innenwiderstands einer Lithiumbatterie

Der ohmsche Widerstand entsteht hauptsächlich durch das Elektrodenmaterial, den Elektrolyten, den Separatorwiderstand sowie den Kontaktwiderstand von Stromkollektoren und Laschenverbindungen. Er hängt mit der Größe, dem Aufbau und den Anschlussmethoden der Batterie zusammen.

Der Polarisationswiderstand, der sofort nach Anlegen von Strom entsteht, stellt die kumulative Tendenz verschiedener Barrieren innerhalb der Batterie dar, geladene Ionen daran zu hindern, ihr Ziel zu erreichen. Dieser Widerstand lässt sich weiter in elektrochemische Polarisation und Konzentrationspolarisation unterteilen.

Derzeit hat die gängigste 18650-Lithiumbatterie einen Innenwiderstand von etwa 12 Milliohm, während typische Batterien zwischen 13 und 15 Milliohm liegen. Da die Impedanz die Leistung der Batterie beeinträchtigen kann, gelten 50 Milliohm im Allgemeinen als normal. Zwischen 50 und 100 Milliohm bleibt die Batterie funktionsfähig, die Leistung lässt jedoch nach. Über 100 Milliohm ist eine Parallelschaltung erforderlich, und alles über 200 Milliohm ist praktisch unbrauchbar.

Auswirkungen des Innenwiderstands von Lithiumbatterien

Alle Faktoren, die die Bewegung von Lithium-Ionen und Elektronen von einem Pol zum anderen innerhalb der Lithiumbatterie behindern, tragen zu ihrem Innenwiderstand bei. Idealerweise gilt: Je niedriger der Innenwiderstand, desto besser. Ein höherer Innenwiderstand führt zu erhöhten Wärmeverlusten und verhindert so eine Entladung mit hohem Strom. Darüber hinaus führt ein hoher Innenwiderstand dazu, dass sich die Batterie während des Betriebs erwärmt. Erhöhte Temperaturen können dazu führen, dass die Entladespannung der Batterie sinkt und die Entladedauer verkürzt wird, was Leistung und Lebensdauer der Batterie erheblich beeinträchtigt. Im Extremfall besteht sogar die Gefahr einer Selbstentzündung.

6. Selbstentladungsrate

Es bezieht sich auf den Prozentsatz der Gesamtkapazität, der automatisch verloren geht, wenn die Batterie für einen bestimmten Zeitraum nicht verwendet wird. Im Allgemeinen beträgt die Selbstentladungsrate von Lithium-Ionen-Batterien bei Raumtemperatur 5%-8%.

6.1 Wie wirkt sich die Entladerate auf die Batteriekapazität aus?

Die Entladerate wirkt sich direkt auf die effektive Kapazität einer Batterie aus. Insbesondere kann eine höhere Entladerate die verfügbare Kapazität verringern, da die Batterie bei schneller Entladung möglicherweise nicht ihre maximale Nennkapazität halten kann. Daher muss bei der Bewertung der nutzbaren Kapazität einer Batterie die Entladerate berücksichtigt werden.

6.2 Wie hoch ist die Entladerate von Elektrofahrradbatterien?

Die Entladerate von E-Bike-Akkus kann je nach Akkuchemie und -design variieren. E-Bikes verwenden aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Leistung typischerweise Lithium-Ionen-Akkus. Diese Akkus weisen in der Regel eine Entladerate von 1C bis 4C oder sogar mehr auf. So kann beispielsweise ein 1-Ah-Akku mit einer Entladerate von 10C einen Dauerentladestrom von 10 Ampere liefern, während eine Entladerate von 4C einen Dauerentladestrom von 40 Ampere ermöglicht.

6.3 Was gilt als hohe Entladerate bei Lithiumbatterien?

Bei Lithiumbatterien gilt eine Entladerate typischerweise ab 1C als „hoch“. Wichtig ist jedoch, dass die als hoch empfundene spezifische Entladerate je nach Batteriedesign, chemischer Zusammensetzung und Einsatzzweck variieren kann.

6.4 Was ist eine gute Entladerate für Batterien?

Die optimale C-Rate einer Batterie hängt von den spezifischen Anforderungen ihrer Anwendung ab. In der Regel gilt eine Entladerate, die eine effiziente Energieübertragung ermöglicht, ohne die Batterie übermäßig zu belasten, als günstig. Es wird empfohlen, die Spezifikationen und Richtlinien des Herstellers zu konsultieren, um die beste Entladerate für eine bestimmte Batterie zu ermitteln.

6.5 Wie berechnet man die C-Rate?

C-Rate (C) = Lade- bzw. Entladestrom in Ampere (A) / Nennkapazität der Batterie (Ah)

Sehen wir uns ein Beispiel mit einer 100-Ah-Lithiumbatterie an:

1C steht für einen Entladestrom von 100 Ampere. Das bedeutet, dass die Batterie eine Stunde lang eine kontinuierliche Entladung von 100 Ampere liefern kann. Einfacher ausgedrückt: Sie kann 60 Minuten lang einen Laststrom von 100 Ampere bewältigen.

Wenn wir die C-Rate auf 2C erhöhen, beträgt der Entladestrom 200 Ampere. Das bedeutet, dass die Batterie nun einen Entladestrom von 200 Ampere liefern kann, allerdings für eine kürzere Dauer. Bei einer 2C-Rate kann die Batterie einen Ladestrom von 200 Ampere 30 Minuten oder eine halbe Stunde lang aufrechterhalten.

Eine Reduzierung der C-Rate auf 0,5 C führt hingegen zu einem Entladestrom von 50 Ampere. Bei einer C-Rate von 0,5 C kann die Batterie einen Entladestrom von 50 Ampere liefern, wodurch sich die Entladezeit verlängert. Unter diesen Bedingungen kann die Batterie einen Ladestrom von 50 Ampere für 2 Stunden oder 120 Minuten aufrechterhalten.

Bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit und Kapazität von Lithium-Batterien ist die C-Rate ein entscheidender Faktor, da sie sowohl den verfügbaren Entladestrom als auch die entsprechende Entladedauer bestimmt.

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