Theorie des Ladens und Entladens von Lithiumbatterien

Theorie des Ladens und Entladens von Lithiumbatterien

1.1 Ladezustand (SOC)

Der Ladezustand kann als der Zustand der verfügbaren elektrischen Energie in einer Batterie definiert werden, üblicherweise ausgedrückt in Prozent. Da die verfügbare elektrische Energie je nach Lade- und Entladestrom, Temperatur und Alterungsphänomenen variiert, wird auch die Definition des Ladezustands in zwei Typen unterteilt: Absoluter Ladezustand (ASOC) und Relativer Ladezustand (RSOC). Der Bereich des relativen Ladezustands liegt normalerweise zwischen 0 % und 100 %, während der Akku bei voller Ladung 100 % und bei vollständiger Entladung 0 % beträgt. Der absolute Ladezustand ist ein Referenzwert, der auf der Grundlage des festgelegten festen Kapazitätswerts bei der Herstellung der Batterie berechnet wird. Der absolute Ladezustand einer brandneuen, vollgeladenen Batterie beträgt 100 %; Selbst wenn der alternde Akku vollständig geladen ist, kann er unter verschiedenen Lade- und Entladebedingungen nicht 100 % erreichen.

Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Batteriekapazität bei unterschiedlichen Entladeraten. Je höher die Entladerate, desto geringer ist die Batteriekapazität. Bei niedrigen Temperaturen sinkt auch die Akkukapazität.

                          Abbildung 1. Zusammenhang zwischen Spannung und Kapazität bei unterschiedlichen Entladeraten und Temperaturen

1.2 Maximale Ladespannung

Die höchste Ladespannung hängt von der chemischen Zusammensetzung und den Eigenschaften der Batterie ab. Die Ladespannung von Lithiumbatterien beträgt normalerweise 4,2 V und 4,35 V, wobei die Spannungswerte je nach Kathoden- und Anodenmaterialien variieren können.

1.3 Vollständig aufgeladen

Wenn die Differenz zwischen der Batteriespannung und der höchsten Ladespannung weniger als 100 mV beträgt und der Ladestrom auf C/10 sinkt, kann die Batterie als vollständig geladen betrachtet werden. Die Eigenschaften von Batterien variieren und auch die Bedingungen für eine vollständige Aufladung variieren.

Die folgende Abbildung zeigt eine typische Ladekennlinie einer Lithiumbatterie. Wenn die Batteriespannung der höchsten Ladespannung entspricht und der Ladestrom auf C/10 sinkt, gilt die Batterie als vollständig geladen.

                             Abbildung 2. Ladekennlinie für Lithiumbatterien

1.4 Mindestentladespannung

Die minimale Entladespannung kann als Entladeschlussspannung definiert werden, normalerweise die Spannung bei 0 % Ladezustand. Dieser Spannungswert ist kein fester Wert, sondern ändert sich mit der Belastung, der Temperatur, dem Alterungsgrad oder anderen Faktoren.

1,5 Vollständige Entladung

Wenn die Batteriespannung kleiner oder gleich der minimalen Entladespannung ist, spricht man von einer vollständigen Entladung.

1.6 Lade-Entladerate (C-Rate)

Die Lade-Entlade-Rate ist eine Darstellung des Lade-Entlade-Stroms im Verhältnis zur Batteriekapazität. Wenn beispielsweise eine Stunde lang 1C zum Entladen verwendet wird, wird der Akku im Idealfall vollständig entladen. Unterschiedliche Lade- und Entladeraten führen zu unterschiedlichen verfügbaren Kapazitäten. Normalerweise gilt: Je höher die Lade-Entladerate, desto geringer ist die verfügbare Kapazität.

1.7 Lebenszyklus

Die Anzahl der Zyklen gibt an, wie oft eine Batterie vollständig geladen und entladen wurde, was anhand der tatsächlichen Entladekapazität und der Auslegungskapazität geschätzt werden kann. Immer wenn die kumulierte Entladekapazität der Auslegungskapazität entspricht, beträgt die Anzahl der Zyklen eins. Normalerweise nimmt die Kapazität eines vollständig geladenen Akkus nach 500 Lade- und Entladezyklen um 10 bis 20 % ab.

                          Abbildung 3. Zusammenhang zwischen Zykluszeiten und Batteriekapazität

1.8 Selbstentladung

Die Selbstentladung aller Batterien nimmt mit steigender Temperatur zu. Selbstentladung ist grundsätzlich kein Herstellungsfehler, sondern eine Eigenschaft der Batterie selbst. Aber auch eine unsachgemäße Handhabung während des Herstellungsprozesses kann zu einer erhöhten Selbstentladung führen. Normalerweise verdoppelt sich die Selbstentladungsrate bei jedem Anstieg der Batterietemperatur um 10 °C. Lithium-Ionen-Batterien haben eine monatliche Selbstentladungskapazität von etwa 1–2 %, während verschiedene Batterien auf Nickelbasis eine monatliche Selbstentladungskapazität von 10–15 % haben.

                             Abbildung 4. Leistung der Selbstentladungsrate von Lithiumbatterien bei verschiedenen Temperaturen