FAQ

Häufig werden die unterschiedlichen Zelltypen trotz unterschiedlicher Zellchemie einfach mit „Li-Ion“ bezeichnet. Aber ist das eigentlich alles das Gleiche?

Diese Frage kann man mit einem klaren „nein“ beantworten. Die wichtigsten Unterschiede liegen in der Nennspannung, der Energiedichte, der Zyklenfestigkeit, der Sicherheit und der Entladekurve.

Nennspannung

Einer der Hauptunterschiede ist die unterschiedliche Spannungslage. Li-Ionen-Zellen und LiPo Zellen haben eine Nennspannung von 3,6V-3,7V pro Einzelzelle und eine Ladeschlussspannung von 4,2V pro Einzelzelle. LiFePO4-Zellen haben eine Nennspannung von 3,2V (3,3V Leerlauf) pro Einzelzelle und eine Ladeschlussspannung von 3,6V.  Die unterste Spannung für LiFePO4 Zellen liegt bei 2,0-2,5V und für Li-Ionen bei 2,5V.

Bei einem typischen 12V-System, mit 4 seriell verschalteten Zellen, wird der Unterschied noch deutlicher.

12V Lithium-Eisen-Phosphat Batterie (LiFePO4): Die Nennspannung liegt bei 12,8V und die Ladeschlussspannung bei 14,4V (max. 14,6V). Damit liegt die Arbeitsspannung ziemlich genau im gleichen Spannungsbereich wie bei eine Bleibatterie.

12V/14V Li-Ionen Batterie (LiMnCo2, LiCoO2, Li-Po etc.): Die Nennspannung liegt mit 14,4V höher als bei einer LiFePO4 Batterie. Die Ladeschlussspannung ist 16,8V und liegt damit deutlich über der maximal zulässigen Spannung in einem für z.B. Bleibatterien ausgelegtem System.

Energiedichte

LiFePO4 Zellen: typisch 100-150Wh/kg

Li-Ionen Zellen: typisch 150-270Wh/kg

Zyklenfestigkeit / Lebensdauer

Man unterscheidet zwischen der Kalendarischen-Lebensdauer und der Zykluslebensdauer oder auch Zyklenfestigkeit einer Zelle bzw. Batterie.

Die Kalendarische-Lebensdauer beschreibt die Zeit zwischen Auslieferung/Herstellung und dem Zeitpunkt, an dem ein zuvor definierter Kapazitätswert (Speicherfähigkeit) unterschritten wird. Häufig ist dieser Wert mit 80% der Nennkapazität festgelegt. Wobei zu beachten ist, das die Kalendarische-Alterung nicht die Zyklen berücksichtigt, diese werden getrennt betrachtet.

Die Zyklenfestigkeit beschreibt die mögliche Anzahl an Zyklen bis ein zuvor definierter Kapazitätswert unterschritten wird. Von einem Vollzyklus spricht man, wenn die Zelle vollständig Entladen wurde (0%) und anschließend wieder aufgeladen wurde (100%). Bei einer teilweisen Entladung und anschließenden Aufladung spricht man von sog. Teilzyklen. Daher werden häufig so unterschiedliche Angaben zu den möglichen Zyklen gemacht. Je geringer die Entladetiefe, desto größer ist die mögliche Zyklenanzahl (korrekterweise: Teilzyklen).

Die Zyklenfestigkeit wird typischerweise so angegeben: 1000 (100% DoD), 3000 (80%DoD). DoD steht für Depth of Discharge, also die Entladetiefe. D.h. eine Batterie aus dem genannten Beispiel, kann 1000 x entladen und geladen werden und hat dann die vom Hersteller zuvor definierten 80% Restkapazität erreicht. Wird diese Batterie immer nur zu 80% entladen und wieder geladen, steigt die mögliche Zyklenanzahl schon auf 3000. So lassen sich natürlich immer größere Zyklenwerte schreiben, wenn gleichzeitig die Entladetiefe herabgesetzt wird.

Die Zyklenfestigkeit von LiFePO4 Zellen liegt deutlich über der von Li-Ionen Zellen. Häufig liegen gängige Li-Ionen Zellen bei 300-1000 Zyklen und LiFePO4 Zellen bei 2000-5000 Zyklen.

Sicherheit

Lithium Batterien haben eine sehr hohe Energiedichte und beinhalten teilweise entzündliche Elektrolyte. Daher sollte je nach Einsatzgebiet auf mögliche Risiken und Gefahren geachtet werden. Typische Gefahren sind Beschädigung durch Kollision, Scheuern, Deformation, Unfall, Thermische Einflüsse, Kurzschluss oder Überladung.

Insbesondere Li-Ionen Zellen (z.B. Lithium-Cobalt-Oxid, Lithium-Nickel-Mangan-Oxid, Lithium-Nickel-Aluminium-Oxid etc.) können teilweise bei einer Überladung oder Kurzschluss „thermisch durchgehen“ und im schlimmsten Fall einen Brand auslösen oder explodieren. Durch die Oxide kann es im Schadensfall zur Entwicklung von Sauerstoff kommen, wodurch ein Brand begünstigt wird.

Daher sollten Li-Ionen Systeme nur mit einer passenden Schutzbeschaltung betrieben werden.

Elektrodenmaterialien wie Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) sind eigensicherer und bis >300°C thermisch unproblematisch und damit die erste Wahl für sichere Batteriesysteme.

Entladekurve

LiFePO4 Zellen haben eine sehr flache Spannungskurve, die Spannung bricht je nach Belastung meist erst bei einer Restkapazität von 3-5% ein. Eine Kapazitätsüberwachung oder ein Rückschluss auf den Ladezustand über die Spannung ist nicht möglich. Zur Überwachung des Ladezustandes von LiFePO4 Batterien eignen sich Batteriemonitore mit Messshunt (Coulombmeter).

Li-Ionen Zellen haben, je nach Belastung, einen nahezu linearen Spannungsabfall über die gesamte Kapazität, wodurch eine Überwachung anhand der Spannung recht gut funktioniert.

Fazit:

Für Anwendungen, die sehr platzkritisch sind und eine hohe Energiedichte fordern, sind Li-Ionen Zellen eine gute Wahl. Hinzu kommt, dass Li-Ionen Zellen auf die Wh günstiger sind und gerade bei preissensiblen Produkten punkten können.

LiFePO4 Batterien kommen überall dort zum Einsatz, wo das Thema Sicherheit und Langlebigkeit, Zyklenfestigkeit im Vordergrund stehen. Darüber hinaus bietet die LiFePO4 Technik bei allen Anwendungen, bei denen zuvor eine Bleibatterie verbaut war, klare Vorteile. Durch die gleiche Spannungslage und in der Regel identische Ladecharakteristik, ist ein Austausch vorhandener Bleibatterien ohne großen Aufwand möglich.

ZELLTYP / EIGENSCHAFT	Li-Ion (NMC, NCA)	LiFePO4
SPANNUNGSLAGE	3,6V/3,7V	3,2V/3,3V
LADESCHLUSSSPANNUNG	4,2V	3,6V
ENERGIEDICHTE	+++ (150-270Wh/kg)	++ (100-150Wh/kg)
ZYKLENFESTIGKEIT	+ (300-1000)	+++ (2000-5000)
TEMPERATURBEREICH	+	++
HOCHSTROMFÄHIGKEIT	+ (1C – 10C)	+++ (3C – 50C)
SICHERHEIT	++	+++

Allgemeines zur Verwendung eines Balancer/BMS:

In einem Batterie-/Akkusystem bestimmt immer die schwächste Zelle die Kapazität des Gesamtsystems. Durch unterschiedliche Alterungsgeschwindigkeiten der einzelnen Zellen in einem System wird die Streuung untereinander im Laufe der Zeit immer größer, ganz egal wie gut die Zellen in einem System ursprünglich selektiert wurden. Um das Auseinanderdriften der einzelnen Zellen untereinander zu verhindern, sollte jedes Batterie-/Akkusystem mindestens über eine Balancer-Elektronik verfügen.

Was ist ein Balancer:

Ein Balancer ist für die Balancierung der in Reihe geschalteten Einzelzellen verantwortlich. Für die Auswahl des Balancers spielen also erst einmal nur die in Reihe geschalteten Zellen eine Rolle. Wenn mehrere Zellen parallel geschaltet sind, brauchen diese keinen extra Balancer, da sich parallel geschaltete Zellen untereinander ausgleichen.

Die meisten Balancer-Systeme arbeiten als sogenannte „Passive Balancer“, d.h. das bei Zellen die die Ladeschlussspannung erreicht haben bzw. überschritten haben, ein Lastwiderstand parallel zur Zelle aufgeschaltet wird. Dadurch wird diese Zelle mit einem kleinen Strom belastet und ggf. wieder etwas entladen. Gleichzeitig fließt der Ladestrom weiter über alle Zellen, so dass die üblichen Zellen in der Reihenschaltung weiterhin Ladung aufnehmen können, bis alle die vorgegebene Ladeschlussspannung erreicht haben. Der über den Lastwiderstand fließende Strom wird in Form von Wärme abgeführt. Je besser die Zellen, die Selektion, die Vorladung und der Aufbau sind, desto weniger muss ein Balancer während der Ladung eingreifen. Bei guten Batterie-/Akkusystemen reichen daher schon sehr geringe Balancerleistungen von wenigen mA (Milliampere) aus.

Andere Balancersysteme arbeiten als sog. „Aktive Balancer“ oder „Equalizer“. Equalizer arbeiten im Vergleich zum passiven Balancer nicht nur bei der Ladung sondern immer dann, wenn ein ausreichend großer Spannungsunterschied zwischen den Zellen vorhanden ist. Die überschüssige Energie einzelner Zellen wird nicht in Wärme umgesetzt, sondern auf die nächste Zelle im System übertragen. Die dabei entstehenden Verluste fallen deutlich geringer aus.

Equalizer benötigen häufig eine größere Spannungsdifferenz der einzelnen Zellen als passive Balancer. Die Balancierung über einen reinen Equlizer ist daher häufig nicht so fein, wie über einen passiven Balancer.

Achtung: Immer häufiger finden sich im Internet günstige „Aktive Balancer“, doch die Qualität und Zuverlässigkeit stimmen in der Regel nicht. Bei schlechten Systemen kann es z.B. zum unkontrollierten Entladen einzelner Zellen kommen, bis hin zur Tiefentladung oder die Grenzspannungen sind falsch kalibriert, so dass der Zelldrift im Gesamtsystem vergrößert wird anstatt ins Gleichgewicht zu kommen.

BMS (Batterie-Management-System)

Ein BMS bietet neben der Zellbalancierung noch weitere Überwachungs- und Schutzfunktionen, z.B. bei Unterspannung (drohende Tiefentladung), Überspannung (drohende Überladung), zu hoher Strom und Temperatur. Ein entscheidender Vorteil von Battery-Management-Systemen ist, das auf Zellebene überwacht wird und nicht wie z.B. bei einem klassischen Unterspannungsschutz nur die Gesamtspannung erfasst wird. D.h., sobald eine Zelle oder ein Zellstrang (bei mehreren parallel verschaltete Zellen) den festgelegten Grenzbereich unter- oder überschreitet, greift der Schutz und eine weitere Ladung/Entladung wird unterbunden.

Bei den meisten BMS erfolgt die Leistungsschaltung nicht über Relais sondern über MOSFets. Der Vorteil daran ist, dass über einen gemeinsamen Anschlusspunkt sowohl die Unterspannungsabschaltung als auch die Überspannungsabschaltung realisiert werden kann, ohne eine sog. harte Trennung.
Das heißt im Detail: Sollte das BMS während des Ladevorgangs die Ladung unterbrechen/blockieren (Überspannungsabschaltung), bleiben die angeschlossenen Verbraucher davon unberührt, da die Batteriespannung weiterhin zur Verfügung steht. Ebenso verhält es sich im Falle einer Unterspannungsabschaltung, wobei Verbraucher keinen weiteren Strom aus der Batterie entnehmen können, eine Ladung aber jederzeit möglich ist. Durch eine Ladung schaltet das BMS dann wieder für Verbraucher frei.

Viele BMS sind für die jeweilige Zellchemie (z.B. LiIon oder LiFePO4) fest eingestellt und nicht veränderbar, was in den meisten Anwendungsfällen passend ist. Für spezielle Anwendungen können parametrierbare BMS verwendet werden, bei denen alle wichtigen Werte entsprechend eingestellt werden können. Darüber hinaus lassen sich bei solchen BMS auch Systemrelevante Daten auslesen und ggf. mitloggen, was eine Batterieprüfung vereinfacht.