Eine Batterie ist im Wesentlichen ein chemischer Prozess in einer Box. Die Batterie verfügt über chemische Energie, die bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt wird.

In der Batterie fließen Elektronen von einer Elektrode zur anderen. Dieser Fluss erzeugt einen elektrischen Strom. Dieser Stromfluss ist der Strom, den Sie zum Betreiben von Geräten verwenden.

Leerlaufspannung #

Zu den Eigenschaften einer Zelle gehört, dass die Spannung von der Menge der verbleibenden Energie abhängt – dem Ladezustand (State of Charge, SoC). Je mehr Energie vorhanden ist, desto höher ist die Spannung im Leerlauf. Diese Leerlaufspannung wird Leerlaufspannung (kurz OCV) genannt. Der genaue Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung und SoC hängt jedoch von den chemischen Eigenschaften der Batterie ab. Beispielsweise weist LiFePO4 eine relativ flache Kurve auf, insbesondere zwischen 40% und 80%, während NMC- und NCA-Chemikalien eine steilere Steigung aufweisen.
Beispiel für die Steigung von LiFePO4 OCV vs. SoC:

Innenwiderstand #

Jede Batteriezelle hat ihre eigene Impedanz. Der Einfachheit halber besprechen wir nur den Gleichstromwiderstand. Der Innenwiderstand der Batteriezelle hängt von Faktoren wie Batterietyp, Herstellungsprozess, Alter der Batterie und Temperatur ab. Im Allgemeinen möchten Sie einen möglichst geringen Widerstand. Weniger Widerstand bedeutet weniger Leistungsverlust und weniger Probleme. Ein BMS hält die Batterie so gesund wie möglich, um den Innenwiderstand niedrig zu halten.

Spannungsabfall #

Der Innenwiderstand hat Auswirkungen auf die gemessene Spannung. Der Spannungsabfall über dem Zellwiderstand lässt sich mit der bekannten Formel berechnen:
U = I x R
Das bedeutet, dass der Spannungsabfall der Entladestrom multipliziert mit dem Zellwiderstand ist.
Nehmen wir eine generische LiFePO4-90-Ah-Zelle, die bei 20 °C einen Innenwiderstand (bei Gleichströmen) von etwa 1 mΩ aufweist. Wenn Sie dieser Zelle 40 A entnehmen, beträgt der Spannungsabfall:
40A x 0,001Ω = 0,040V
Mit anderen Worten: Wenn Sie mit 40 A entladen, sinkt die Zellenspannung direkt auf 40 mV unter die Leerlaufspannung. Wenn die Leerlaufspannung 3,30 V betrug, sinkt die Zellenspannung direkt auf 3,26 V. Wenn die Last entfernt wird, verschwindet der Abfall und die Spannung kehrt auf die Leerlaufspannung zurück.

Höhere Spannung beim Laden
Beim Laden kehrt sich der Spannungsabfall um. Statt einer niedrigeren Spannung wird die Zellenspannung beim Laden höher. Je höher der Ladestrom, desto höher ist die gemessene Spannung über der Zelle. Folgt man dem gleichen Beispiel wie oben, führt ein Ladestrom von 40 A dazu, dass die Zellenspannung auf 40 mV über der Leerlaufspannung ansteigt. Die Zelle mit 3,30 V Leerlaufspannung steigt beim Laden mit 40 A sofort auf 3,34 V an.

Einflüsse auf den Widerstand #

Einer der größten bestimmenden Faktoren für den Innenwiderstand ist die Kapazität der Batterie. Generell gilt: Je größer die Kapazität, desto geringer ist der Innenwiderstand. Ein kleinerer Widerstand bedeutet, dass Sie mit höheren Strömen laden und entladen können.
Ein weiterer Faktor ist die Temperatur. Die optimale Temperatur liegt zwischen 20 und 40 Grad und ergibt den geringsten Widerstand. Unterhalb von 10 Grad nimmt der Widerstand schnell zu. Aus diesem Grund müssen Elektroautos die Batterie vor dem Aufladen zunächst aufwärmen!

Zeit zum ausruhen #

Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass die Zelle beim Beenden des Ladevorgangs langsam auf eine niedrigere Spannung zurückfällt, selbst wenn der Ladestrom vor einiger Zeit abgeschaltet wurde? Dies ist auf den chemischen Prozess zurückzuführen. Eine Zelle braucht Zeit, bis sie vollständig zur Ruhe kommt. Bei LiFePO4 kann dies sogar bis zu 24h dauern.