Lesen Sie das Datenblatt einer Lithium-Zelle: Kapazität, Strom, Innenwiderstand
Ein Akku für ein Elektroroller ist im Wesentlichen eine Anordnung identischer Zellen, oft im Format 21700 oder 18650. Seine Leistung hängt daher direkt von den technischen Daten dieser Zellen ab. Das Verständnis dieser Daten ermöglicht es zu erklären, warum zwei Akkus mit der gleichen Spannung und der gleichen Kapazität sich bei voller Beschleunigung völlig unterschiedlich verhalten können.
Das Wichtigste
- Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen bestimmt die Spannung; die Anzahl der parallel geschalteten Zellen erhöht die Kapazität und den verfügbaren Strom.
- Eine Zelle mit hoher Kapazität bedeutet nicht zwangsläufig, dass sie auch eine hohe Stromabgabe ermöglicht. Oftmals muss man eine bewusste Wahl treffen.
- Der interne Widerstand bestimmt den Spannungsabfall und die Erwärmung bei hoher Stromstärke.
- Die Angaben zur Lebensdauer werden unter bestimmten, oft milderen Bedingungen gemessen, die sich von der tatsächlichen Nutzung unterscheiden können.
Die Formate
Die Bezeichnung eines Akkuformats gibt seine Abmessungen an: Ein 18650-Akku hat einen Durchmesser von 18 mm und eine Länge von 65 mm, während ein 21700-Akku einen Durchmesser von 21 mm und eine Länge von 70 mm hat. Der 21700-Akku enthält mehr aktives Material und leitet die Wärme besser ab, weshalb er sich in Hochleistungsbatterien durchgesetzt hat.
Die Zahlen einer Tabelle, einzeln betrachtet
Die Spannungen
- `Nennspannung: Die durchschnittliche Spannung während der Entladung, typischerweise etwa 3,6 V für die meisten Lithium-Ionen-Zellen.`
- `Endladespannung: In der Regel 4,2 V. Darüber hinaus wird die Zelle beschädigt und kann gefährlich werden.`
- Endspannung der Entladung: Der untere Grenzwert, der nicht überschritten werden sollte, oft um 2,5 V. In der Praxis wird jedoch in der Regel bei einem höheren Wert gestoppt, um die Lebensdauer zu verlängern.
Die Kapazität
In Milliampere-Stunden (mAh): Die Menge an Ladung, die die Zelle abgibt, gemessen bei geringem Strom. Bei hohem Strom ist die tatsächlich nutzbare Kapazität geringer, da die Spannung früher den unteren Grenzwert erreicht. Gute Datenblätter zeigen Entladekurven bei verschiedenen Strömen – genau diese sollte man beachten.
Der kontinuierliche Entladestrom
Der Strom, den eine Zelle kontinuierlich liefern kann, ohne ihre Temperaturgrenze zu überschreiten, unter den vom Hersteller festgelegten Bedingungen. Dies ist ein entscheidender Wert für einen leistungsstarken Elektroroller. Die Spitzenwerte, die nur für wenige Sekunden erreicht werden, werden separat angegeben.
Der interne Widerstand
In Milli-Ohm: Der Widerstand, den die Zelle dem Stromfluss entgegensetzt. Er verursacht einen Spannungsabfall, der proportional zum Strom ist, und eine Wärmeentwicklung, die proportional zum Quadrat des Stroms ist. Ein niedriger Innenwiderstand bedeutet, dass der Akku seine Spannung auch bei voller Beschleunigung hält und weniger Wärme erzeugt. Der Innenwiderstand steigt mit der Kälte und mit zunehmendem Alter.
Die Lebensdauer
Die Anzahl der Ladezyklen wird ermittelt, bis die Kapazität auf einen bestimmten Prozentsatz ihres ursprünglichen Wertes sinkt, oft 80 %. Dieser Wert hängt stark von den Testbedingungen ab: Strom, Entladetiefe, Temperatur. Er dient dazu, Zellen zu vergleichen, die unter den gleichen Bedingungen getestet wurden, und nicht dazu, eine tatsächliche Lebensdauer vorherzusagen.
Kapazität oder Leistung: ein Kompromiss
Innerhalb einer Zelle entscheiden die Hersteller zwischen der Menge des aktiven Materials (für die Kapazität) und der einfachen Stromdurchlässigkeit (für die Leistung). Daher gibt es zwei Haupttypen:
| Abteilung "Energie" | "Leistungsmodul" | |
|---|---|---|
| Kapazität | Maximale | Etwas schwächer, oder gleichwertig bei neueren, hochwertigen Zellen |
| Gleichstrom | Moderat | Erweitert |
| Innenwiderstand | Höchster Wert | Niedriger |
| Ideale Anwendung | Reichweite, ruhige Fahrt | Starke Beschleunigung, Rennstrecke |
Zwei Modelle, die in unseren Batterien verwendet werden, verdeutlichen die Auswahl: die Samsung 50S, eine 21700-Zelle mit 5.000 mAh, und die Molicel P45B, eine 21700-Zelle mit 4.500 mAh, die für besonders hohe Entladeströme ausgelegt ist. Die Datenblätter der Hersteller geben die genauen Stromwerte unter den jeweiligen Messbedingungen an.
Von der Zelle zum Akku
Ein Akku wird durch die Anzahl seiner in Reihe (S) und parallel (P) geschalteten Zellen beschrieben:
- `Nennspannung = Anzahl in Reihe × Nennspannung einer Zelle. 20S ergibt 20 × 3,6 = 72 V, und 84 V bei voller Ladung;`
- `Kapazität = Anzahl in Reihe × Kapazität einer Zelle. 10 Parallelschaltungen von Zellen mit 5.000 mAh ergeben 50 Ah;`
- `Energie = Nennspannung × Kapazität. 72 V × 50 Ah = 3600 Wh;`
- Theoretischer Gleichstromwert = Anzahl der parallel geschalteten Zellen × Gleichstromwert einer Zelle, vor den Begrenzungen des Batteriemanagementsystems (BMS), der Verbindungen und der Gesamtwärmeentwicklung.
Dies erklärt die Unterbrechungen bei voller Beschleunigung, die im Detail in unserem Leitfaden Batterie und BMS, die die Beschleunigung unterbrechen beschrieben sind: Eine Batterie mit großer Kapazität und "Energiezellen" kann weniger Leistung abgeben als eine kleinere Batterie mit "Leistungszellen". Dies unterscheidet die Standard- und Performance-Versionen unserer Batterien für E-Scooter.
Häufig gestellte Fragen
Warum haben zwei Batterien mit jeweils 72 V und 40 Ah nicht die gleiche Leistung?
Da ihre Zellen unterschiedliche Innenwiderstände und unterschiedliche Gleichstromströme haben. Spannung und Kapazität geben an, wie viel Energie gespeichert ist, aber nicht, wie schnell sie entnommen werden kann.
Kann man verschiedene Zellen in einer Batterie miteinander kombinieren?
Nein. Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten oder Widerständen geraten aus dem Gleichgewicht: Die schwächeren Zellen arbeiten stärker, altern schneller und enden schließlich damit, die gesamte Batterie zu beeinträchtigen, oder werden sogar gefährlich.
Reduziert Kälte tatsächlich die Leistung?
Ja. Kälte erhöht den inneren Widerstand der Zellen: Die Spannung fällt unter Last stärker ab, und der Akku erreicht schneller seinen Abschaltwert.