Die Spannungseigenschaften von LiFePO4-Batterien verstehen

Lithium-Eisenphosphat -Batterien (LiFePO4) erfreuen sich aufgrund ihrer hervorragenden Sicherheit, langen Zyklenlebensdauer und ihrer im Vergleich zu anderen Lithium-Ionen-Batterien geringen chemischen Eigenschaften großer Beliebtheit in verschiedenen Anwendungen. Um LiFePO4-Batterien effizient nutzen zu können, ist es wichtig, ihre Spannungseigenschaften zu kennen und zu verstehen. In diesem Artikel besprechen wir die Spannungsschwankungen von LiFePO4-Batterien, einschließlich ihrer Nennspannung, Vollladespannung, Ladeschlussspannung, Entladeschlussspannung und deren Auswirkungen auf verschiedene Anwendungsfälle.

Die meisten Menschen wissen, dass eine einzelne LiFePO4-Zelle eine Nennspannung von 3,2 Volt hat. Kommen wir also zum Hauptinhalt. Dieser Wert gibt die Spannung der Batterie während des Entladezyklus an. Die Nennspannung ist wichtig, da sie uns hilft, die Gesamtspannung eines Batteriepacks zu bestimmen, das aus mehreren in Reihe geschalteten Zellen besteht. So hätte beispielsweise ein Pack aus vier in Reihe geschalteten Zellen (sogenannte 4S-Konfiguration) eine Nennspannung von.

4 Zellen × 3,2 Volt/Zelle = 12,8 Volt

Vollständig geladene Spannung

Eine typische Vollladespannung für eine LiFePO4-Batteriezelle beträgt 3,6 bis 3,0 V. Wenn wir die Batterie auf diese Spannung laden, wissen wir, dass die maximal mögliche Energiemenge gespeichert wurde, ohne sie zu überladen, was die Gesundheit und Sicherheit der Batterie schädigen würde. Ein 4-Zellen-LiFePO4-Akkupack hätte eine Vollladespannung von:

4 Zellen × 3,65 Volt pro Zelle = 14,6 Volt

Verwenden Sie immer ein speziell für LiFePO4-Batterien entwickeltes Ladegerät, um eine Überladung zu vermeiden. Bei einer Überladung kann es zu einer erhöhten Wärmeentwicklung kommen, die Batterie kann anschwellen und das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.

Entladeschlussspannung

Dies ist die niedrigste Spannung, bis zu der eine LiFePO4-Zelle sicher entladen werden kann. Bei LiFePO4-Zellen liegt diese zwischen 2,0 und 2,5 Volt pro Zelle. Es wird jedoch allgemein empfohlen, die Entladung bei 2,5 V abzuschalten, um Tiefentladungen zu vermeiden, da diese schädlich für die Batterie sein können. Bei einem 4-Zellen-Pack beträgt die Entladeschlussspannung:

4 Zellen × 2,5 Volt pro Zelle = 10 Volt

Eine Entladung unterhalb dieser Spannung würde zu einer irreversiblen Schädigung der Zellen führen, was langfristig zu einer geringeren Kapazität und Zyklenlebensdauer führen würde.

Spannung und Pack-Konfiguration : Die Zellenkonfiguration eines LiFePO4-Akkupacks bestimmt die Spannung. Zellen können in Reihe, parallel oder in einer Kombination aus beidem angeordnet werden, um die erforderliche Spannung und Kapazität zu erreichen.

Reihenschaltung : Bei einer Reihenschaltung wird die Spannung erhöht, während die Kapazität wie bei einer Einzelzelle erhalten bleibt. Das bedeutet, dass Sie ein Paket mit einer Nennspannung von 12,8 Volt erhalten (wie bei einem 4S-LiFePO4-Paket beträgt die Spannung jeder Zelle 3,2 Volt).

Parallelschaltung (P): Die Kapazität addiert sich, wenn Zellen mit gleicher Spannung parallel geschaltet werden. Werden beispielsweise vier Zellen mit je 10 Ah Kapazität parallel geschaltet, ergibt sich eine Kapazität von 40 Ah.

SP-Schaltung (Seriell-Parallel) : Kombination aus Reihenschaltung einer Parallelzelle für höhere Kapazität und Spannung. Das gängigste Format besteht aus zwei Reihen von je vier in Reihe geschalteten Zellen, um eine Batterie mit nominal 12,8 Volt oder 4S2P zu erzeugen.

Spannungsanwendungen 

Um LiFePO4-Batterien in praktischen Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, der Speicherung erneuerbarer Energien, Schiffsanwendungen und tragbaren elektronischen Geräten einsetzen zu können, ist es wichtig, ihre Spannungseigenschaften zu verstehen.

Elektrofahrzeuge (EVs)

LiFePO4-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Sicherheit, langen Lebensdauer und stabilen Spannung häufig in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die Spannung des Batteriepacks in einem Elektrofahrzeug bestimmt die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad. Ein Standard-Elektrofahrzeug könnte beispielsweise eine 100S-Konfiguration (100 Zellen in Reihe) für eine Nennspannung von 320 Volt (100 Zellen x 3,2 Volt pro Zelle) aufweisen. In diesem Fall ist der Elektromotor für Hochspannung ausgelegt, was zu einem Motor führt, der viel Leistung liefern kann und dem Elektrofahrzeug hilft, diese Leistung gleichzeitig auf die Straße zu bringen, während der Verbrennungsmotor sie benötigt.

Die Umwandlung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind ist mit LiFePO4-Batterien möglich. Diese speichern die gewonnene Energie während der Zeit mit der höchsten Produktion und geben sie während der Zeit mit der geringsten Produktion wieder ab. Die Systemspannung sollte der Spannung des Batteriepacks entsprechen. Ein 48-Volt-System könnte beispielsweise ein 15-Zellen-LiFePO4-Batteriepack mit 3,2 Volt pro Zelle verwenden (15S LiFePO4 = 48 Volt nominal). Dieser Aufbau ist mit herkömmlichen Solarladereglern und Wechselrichtern für erneuerbare Energiesysteme kompatibel.

LiFePO4-Batterien in maritimen Anwendungen 

Ein weiterer Einsatzbereich von LiFePO4-Batterien sind ihre Umweltbeständigkeit, Stabilität und Sicherheit im Schiffsbau. Je nach eingesetzter Ausrüstung und Systemen gelten unterschiedliche Spannungsanforderungen. Für ein 12-Volt-System könnte dies ein 4S-LiFePO4-Akkupack sein, während für ein 24-Volt-System eine 8S-Konfiguration verwendet werden könnte. Diese Option ist ideal, da sie Navigationssysteme, Beleuchtung und andere Schiffsgeräte stets vor Ausfällen schützt.

LiFePO4-Batterien dienen als saubere Stromquelle für tragbare Elektronikgeräte wie Laptops, Powerbanks und medizinische Geräte. Um eine einwandfreie Funktion und Nutzung zu gewährleisten, muss die Batteriespannung jedoch mit der des Geräts übereinstimmen. Eine Ladebank kann eine 3S-Konfiguration (drei Zellen in Reihe) verwenden, um eine Nennspannung von 9,6 Volt zum Laden verschiedener Geräte zu erreichen.

Tipps zum Laden und Warten

Um die Lebensdauer einer LiFePO4-Batterie optimal zu nutzen, sind ordnungsgemäßes Laden und Wartung entscheidend.

Überlegungen zum Aufladen

Verwenden Sie ein geeignetes Ladegerät: Verwenden Sie zum Laden Ihres Akkus ein spezielles LiFePO4-Ladegerät. Diese Ladegeräte verfügen über die richtigen Spannungs- und Stromeinstellungen, um ein bequemes Aufladen Ihrer Geräte zu gewährleisten.

Überladeschutz: Lithiumzellen vertragen keine Überladung, da dies mit der Zeit zu Schäden führt. Stellen Sie sicher, dass sich das Ladegerät selbstständig abschaltet, um ein Überladen der Batteriezellen zu verhindern, bis diese ihre Endspannung (3,6–3,65 Volt pro Zelle) erreicht haben.

Überwachung des Entladezustands: Lassen Sie die Batterien idealerweise nicht unter die empfohlene Entladeschlussspannung (2,5 Volt pro Zelle) entladen. Eine Tiefentladung kann zu dauerhaften Zellschäden führen und die Kapazität deutlich verringern.

Balance-Laden: Beim Balance-Laden wird der Akku vollständig aufgeladen und anschließend überladen. Ziel ist es, alle Zellen eines Akkupacks auf den gleichen Ladezustand einzustellen und so ein Überladen oder Tiefentladen zu verhindern. Die meisten LiFePO4-Akkupacks verfügen über ein internes Batteriemanagementsystem (BMS), das den internen Ausgleich steuert.

Zusammenfassung

Das Verständnis der Spannungskennlinie ist für den bestimmungsgemäßen Einsatz der LiFePO4-Batterie von entscheidender Bedeutung. Diese Parameter sind Nennspannung, Gesamtladespannung und Entladeschlussspannung, die für Betrieb und Lebensdauer der Batterie entscheidend sind. Anwender können die Zellen in Reihen- und Parallelschaltung miteinander verbinden, um die gewünschte Spannung und Kapazität je nach Bedarf zu erreichen. Dies sowie die ordnungsgemäße Ladung und Wartung sind entscheidende Faktoren für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von LiFePO4 und machen es zu einer hervorragenden Option für eine Vielzahl moderner Energiespeicher- und Stromversorgungstechnologien.