Zellengrundlagen
Zellengrundlagen
Der Wortschatz, den man braucht, bevor man ein Datenblatt lesen kann.
Zylindrische Lithium-Ionen-Zelle mit etwa 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge; das am breitesten verfügbare Format der Branche.
Der Name ist dimensional: 18 mm Durchmesser, 65 mm Länge, die abschließende Null steht für die zylindrische Bauform. Weil Halter, Nickelband, Schweißvorrichtungen und Pack-Werkzeuge auf 18 mm ausgelegt sind, bleibt die 18650 die Standardwahl, wo ein Design das zusätzliche Volumen einer 21700 nicht braucht. Aktuelle Modelle reichen von etwa 2,000 bis 3,500 mAh und von 8 A Dauerentladestrom bei Energiezellen bis 36 A bei Powerzellen.
Vollständiger Eintrag: 18650-Zelle im Pack-Design →
Siehe auch:
21700-Zelle, C-Rate, Bauform
Zylindrische Lithium-Ionen-Zelle mit etwa 21 mm Durchmesser und 70 mm Länge, die rund 50% mehr Volumen als eine 18650 bietet.
Das zusätzliche Volumen gegenüber einer 18650 wird entweder in Kapazität bei ähnlichem Strom oder in Strom bei ähnlicher Kapazität umgesetzt. Praktisch heißt das weniger Parallelstränge für eine gegebene Packkapazität, weniger Schweißnähte und ein einfacheres BMS. Sie ist zudem das einzige zylindrische Format, in dem 5,000 mAh und 60 A Dauerentladestrom derzeit in einem Bauteil zusammenkommen. Der Kompromiss ist thermisch: Die Hochstromvarianten setzen voraus, dass der Pack die Zelle unter einer Oberflächengrenze von 80 °C hält.
Vollständiger Eintrag: 21700-Zelle im Pack-Design →
Siehe auch:
18650-Zelle, Temperaturabschaltung, Bauform
Die mechanische Hülle einer Zelle — zylindrisch, prismatisch oder Pouch —, die Packungsdichte und Verbindungstechnik festlegt.
Zylindrische Zellen sind Stahlbecher mit standardisierten Abmessungen und etablierten Schweißverfahren. Prismatische Zellen sind rechteckige Aluminium- oder Stahlbecher, die sich effizienter in ein Gehäuse packen lassen. Pouch-Zellen bestehen aus Verbundfolie und erreichen die höchste volumetrische Effizienz, brauchen im Pack aber eine äußere Kompression. Die Wahl richtet sich meist nach der Gehäusegeometrie und dem vorhandenen Werkzeug, nicht allein nach der elektrischen Leistung.
Vollständiger Eintrag: Bauform im Pack-Design →
Siehe auch:
18650-Zelle, 21700-Zelle
Lade- oder Entladestrom, ausgedrückt als Vielfaches der Nennkapazität der Zelle, damit sich Zellen unterschiedlicher Größe auf derselben Skala vergleichen lassen.
Eine Zelle mit 3,000 mAh, die mit 3 A entladen wird, läuft bei 1 C; bei 30 A läuft sie bei 10 C. Derselbe Strom ist für eine Zelle mit 5,000 mAh eine ganz andere Belastung. Deshalb ist die C-Rate und nicht der Amperewert die Größe, die man über Formate hinweg vergleicht. Deshalb ist auch eine Angabe zur Zyklenlebensdauer ohne die C-Rate, bei der sie gemessen wurde, bedeutungslos: Ein Zyklus bei 0.5 C und ein Zyklus bei 3 C altern eine Zelle sehr unterschiedlich.
Vollständiger Eintrag: C-Rate im Pack-Design →
Siehe auch:
Kapazität, Zyklenlebensdauer, Entladetiefe (DoD)
Die Ladungsmenge, die eine Zelle zwischen Ladeschlussspannung und Entladeschluss abgeben kann, angegeben in Amperestunden oder Milliamperestunden.
Datenblätter nennen in der Regel zwei Werte: eine typische und eine minimale Kapazität. Wer auf den typischen Wert auslegt, legt auf einen Wert aus, den der Hersteller nicht garantiert. Die Kapazität hängt zudem von Rate und Temperatur ab: Eine Zelle mit 3,000 mAh bei 0.2 C liefert bei 10 A messbar weniger und bei niedriger Temperatur nochmals weniger. Der Minimalwert bei der Rate, die tatsächlich gefahren wird, ist die einzige belastbare Auslegungsgröße.
Vollständiger Eintrag: Kapazität im Pack-Design →
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C-Rate, Energiedichte
Gespeicherte Energie pro Volumeneinheit (Wh/L) oder pro Masseeinheit (Wh/kg); diese Werte entscheiden, wie groß und wie schwer ein Pack werden muss.
Die volumetrische Dichte begrenzt, wenn die Gehäusegröße festliegt; die gravimetrische Dichte begrenzt, wenn der Pack getragen oder gehoben werden muss. Eine Zelle kann bei einem der beiden Werte stark sein und beim anderen unauffällig. Die Energiedichte muss zudem gegen die Entladerate gelesen werden: Ein bei 0.2 C angegebener Wert beschreibt nicht, was die Zelle bei 10 C liefert, wo der Spannungseinbruch nutzbare Energie entzieht, bevor die Kapazität erschöpft ist.
Vollständiger Eintrag: Energiedichte im Pack-Design →
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Kapazität, Innenwiderstand
Der Widerstand gegen den Stromfluss im Inneren der Zelle, gemessen als Wechselstromimpedanz bei angegebener Frequenz und angegebenem Ladezustand oder als Gleichstromwiderstand über einen Strompuls.
Die Impedanz bestimmt den Spannungseinbruch unter Last und den Anteil der Kapazität, der nutzbar bleibt, bevor der Pack seine Abschaltspannung erreicht. Sie ist außerdem der Parameter, der sich mit dem Alter am stärksten verschiebt: Eine Zelle, die neu eine Stromvorgabe sicher erfüllt, kann im Laufe ihres Lebens aus der Spezifikation fallen. Wechselstrom- und Gleichstromwerte sind nicht austauschbar, und ein Gleichstromwert ist ohne Pulsdauer und Ladezustand, bei dem er ermittelt wurde, bedeutungslos.
Vollständiger Eintrag: Innenwiderstand im Pack-Design →
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Gesundheitszustand (SoH), C-Rate
Die Oberflächentemperatur der Zelle, ab der eine Entlade- oder Ladeangabe des Herstellers nicht mehr gilt, bei Hochstrom-Zylinderzellen üblicherweise 80 °C oder 83 °C.
Ein Dauerentladewert ist eine bedingte Aussage, keine absolute. Eine Angabe von 60 A, die nur gilt, solange der Pack die Zelle unter 80 °C Oberflächentemperatur hält, lässt sich in einem geschlossenen Gehäuse ohne Wärmepfad nicht nutzen. Wenn ein Hersteller eine Bedingung nennt, gehört sie neben die Zahl; sie herauszustreichen, damit eine Vergleichstabelle ordentlich aussieht, ist der Weg zu Packs, die auf unerreichbaren Werten gebaut sind.
Vollständiger Eintrag: Temperaturabschaltung im Pack-Design →
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C-Rate, Thermisches Durchgehen
Chemie
Chemie
Woraus die Zelle besteht und was diese Wahl bedeutet.
Eine Lithium-Ionen-Kathodenchemie mit Nickel, Mangan und Cobalt, vorherrschend in zylindrischen Powerzellen und in den meisten Traktionspacks.
Die Anteile variieren: nickelreiche Rezepturen erhöhen die Energiedichte, Mangan trägt zur thermischen Stabilität bei, Cobalt stützt Ratenfähigkeit und Zyklenlebensdauer. Die meisten Hochstrom-Zylinderzellen, darunter die Samsung-INR-, Molicel-INR- und LG-INR-Familien, sind nickelreiches NMC. Einige Varianten geben Silicium oder Siliciumoxid zur Graphitanode hinzu, um Kapazität zu gewinnen; daher die Bezeichnung NMC-Si.
Vollständiger Eintrag: NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) im Pack-Design →
Siehe auch:
NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid), LFP (Lithium-Eisenphosphat)
Eine nickelreiche Kathodenchemie mit Aluminium als stabilisierendem Element, verbunden mit hoher Energiedichte in zylindrischen Zellen.
NCA ist die Chemie hinter den zylindrischen Panasonic-NCR- und NCA-Familien. Sie liefert eine hohe spezifische Energie, weshalb sie in Zellen erscheint, die auf Kapazität statt auf extreme Entladeströme ausgelegt sind. Wie bei jeder nickelreichen Chemie hängt die Zelle davon ab, dass der Pack Spannungs- und Temperaturfenster sauber führt, und nicht davon, dass die Chemie nachsichtig ist.
Vollständiger Eintrag: NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid) im Pack-Design →
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NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid), LFP (Lithium-Eisenphosphat)
Eine Lithium-Ionen-Kathodenchemie auf Basis von Eisenphosphat, die Energiedichte gegen thermische Stabilität und lange Zyklenlebensdauer tauscht.
LFP-Zellen haben eine Nennspannung nahe 3.2 V gegenüber etwa 3.6 V bei NMC und NCA und eine geringere Energiedichte nach Volumen wie nach Masse. Dafür gewinnt man ein deutlich flacheres und sichereres Temperaturverhalten sowie Zyklenzahlen, die zu stationären Speichern passen. Deshalb dominiert LFP die private und gewerbliche Energiespeicherung, während nickelreiche Chemien Traktion und mobile Stromversorgung bestimmen, wo Volumen und Gewicht begrenzen.
Vollständiger Eintrag: LFP (Lithium-Eisenphosphat) im Pack-Design →
Siehe auch:
NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid), NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid)
Packdesign
Packdesign
Von der einzelnen Zelle zum konfektionierten Pack.
Die Elektronik, die Zellspannungen, Strom und Temperatur überwacht und den Pack trennt, sobald einer dieser Werte das Herstellerfenster verlässt.
Für ungeschützte Industriezellen ist ein BMS nicht optional. Es setzt Ladeschlussspannung, Entladeschluss, Stromgrenzen und Temperaturfenster durch und entscheidet, wann das Laden endet, weil eine Zellgruppe gegenüber dem Rest aus dem Gleichgewicht ist. Entscheidend ist nicht die Funktionsliste, sondern ob die Schwellwerte zur tatsächlich verbauten Zelle passen: Ein BMS, das für eine andere Chemie oder ein anderes Spannungsfenster konfiguriert ist, schaltet entweder zu früh ab oder schützt nicht.
Vollständiger Eintrag: BMS (Batteriemanagementsystem) im Pack-Design →
Siehe auch:
Zellbalancing, Entladetiefe (DoD)
Das Angleichen des Ladezustands in Reihe geschalteter Zellen, entweder durch Ableiten überschüssiger Ladung aus den höchsten Zellen oder durch Verschieben von Ladung zwischen ihnen.
Zellen in Reihe sehen denselben Strom, driften aber auseinander, weil sie nicht identisch sind. Ohne Balancing begrenzt die schwächste Gruppe den Pack: Das BMS muss das Laden beenden, wenn die höchste Zelle voll ist, und das Entladen, wenn die niedrigste leer ist; die nutzbare Kapazität schrumpft damit auf die schmalste Zelle statt auf den Durchschnitt. Passives Balancing verheizt Energie aus hohen Zellen, aktives verschiebt sie — um den Preis zusätzlicher Hardware.
Vollständiger Eintrag: Zellbalancing im Pack-Design →
Siehe auch:
BMS (Batteriemanagementsystem), Ladezustand (SoC)
Die Verschaltung von Zellen, um die geforderte Spannung (Reihe, geschrieben S) und Kapazität oder Strombelastbarkeit (parallel, geschrieben P) zu erreichen.
Ein 4S2P-Pack hat vier Gruppen in Reihe mit je zwei Zellen: Die Nennspannung ist das Vierfache der Zellspannung, die Kapazität das Doppelte der Zellkapazität, die Strombelastbarkeit etwa doppelt so hoch. Reihenstränge brauchen Balancing; Parallelgruppen brauchen Zellen, die in Kapazität, Impedanz und Ladezustand zueinander passen. Die Konfiguration ergibt sich meist aus Lastspannung und geforderter Laufzeit und bestimmt die Kanalzahl des BMS.
Vollständiger Eintrag: Reihen- und Parallelschaltung im Pack-Design →
Siehe auch:
Zellbalancing, BMS (Batteriemanagementsystem)
Das Verbinden von Zellen mit Stromschienen durch Widerstands- oder Laserschweißen statt durch Löten; das ist das übliche Verfahren für die Montage zylindrischer Zellen.
Direktes Löten am Zellbecher bringt Wärme in ein dichtes Bauteil, das dafür nicht ausgelegt ist, und ist in Stückzahlen kaum wiederholbar. Widerstands- und Laserschweißen erzeugen die Verbindung in Millisekunden mit kontrollierter Wärmeeinflusszone. Die Schweißnaht ist zugleich ein elektrisches Bauteil: Eine schlechte Verbindung erhöht den Widerstand, erzeugt lokale Erwärmung und ist eine der häufigeren Ursachen für einen Pack, der im Test besteht und im Feld ausfällt.
Vollständiger Eintrag: Verschweißen der Verbinder im Pack-Design →
Siehe auch:
Reihen- und Parallelschaltung, Innenwiderstand
Lebensdauer und Alterung
Lebensdauer und Alterung
Wie Zellen altern und welche Zahlen das ehrlich beschreiben.
Die Zahl der Lade- und Entladezyklen, die eine Zelle durchläuft, bevor ihre Kapazität unter einen angegebenen Anteil des Ausgangswerts fällt, üblicherweise 80%.
Ein Wert zur Zyklenlebensdauer ist nur mit einem anderen vergleichbar, wenn Laderate, Entladerate, Entladetiefe und Temperatur übereinstimmen. Das ist die am häufigsten missbrauchte Zahl im Batterieeinkauf: Eine Angabe, gemessen bei 0.5 C und 20% Entladetiefe, ist nicht mit einer bei 1 C und 90% gemessenen vergleichbar. Fragen Sie vor dem Angebotsvergleich nach der Testbedingung, und behandeln Sie jeden Wert ohne Bedingung als Marketing.
Vollständiger Eintrag: Zyklenlebensdauer im Pack-Design →
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Entladetiefe (DoD), C-Rate
Der Anteil der Zellkapazität, der bei einer Entladung entnommen wird, angegeben in Prozent.
Entladetiefe und Zyklenlebensdauer verhalten sich gegenläufig: Flache Zyklen kosten pro Zyklus deutlich weniger Alterung als tiefe. Ein Pack, das auf 20% DoD gefahren wird, schafft viel mehr Zyklen als dasselbe Pack bei 90%, weshalb Garantiebedingungen für Speicher gegen eine angegebene DoD geschrieben werden. Das heißt auch: Zyklen allein sind keine vergleichbare Einheit für Batterielebensdauer; der Energieumsatz über die Lebensdauer kommt dem näher.
Vollständiger Eintrag: Entladetiefe (DoD) im Pack-Design →
Siehe auch:
Zyklenlebensdauer, Ladezustand (SoC)
Die in einer Zelle zu einem Zeitpunkt verbleibende Ladung, angegeben als Prozentsatz ihrer aktuellen nutzbaren Kapazität.
Der SoC ist ein relatives Maß und hängt daher von der Kapazität ab, gegen die er gemessen wird; dieser Wert sinkt mit dem Alter der Zelle. Er ist zudem nicht direkt messbar, sondern wird aus Spannung, Stromintegration und Temperatur geschätzt, wobei die Schätzung zwischen Vollade-Referenzen driftet. Die Spitzenleistung hängt stark vom SoC ab, weshalb Leistungsangaben für Hochstromzellen bei einem angegebenen SoC genannt werden.
Vollständiger Eintrag: Ladezustand (SoC) im Pack-Design →
Siehe auch:
Entladetiefe (DoD), Gesundheitszustand (SoH)
Der aktuelle Zustand einer Zelle, angegeben als Prozentsatz ihrer ursprünglichen Fähigkeit, meist der Kapazität, teils des Widerstands.
Der SoH entscheidet, ob ein Pack für seine Anwendung noch taugt. Kapazitätsbasierter SoH erfasst, wie viel Energie die Zelle hält; widerstandsbasiert erfasst, wie gut sie noch Strom liefert. Eine Zelle kann einen Kapazitätstest bestehen und in einer Leistungsanwendung dennoch versagen, weil ihre Impedanz gewachsen ist. Deshalb zählt der Impedanzanstieg über die Zyklen ebenso wie die Zyklenzahl selbst.
Vollständiger Eintrag: Gesundheitszustand (SoH) im Pack-Design →
Siehe auch:
Innenwiderstand, Zyklenlebensdauer
Alterung, die mit der Zeit und nicht durch Nutzung eintritt, vor allem getrieben von Temperatur und Ladezustand während der Lagerung.
Auch eine Zelle, die nie geladen oder entladen wird, altert. Lagerung bei hoher Temperatur und hohem Ladezustand beschleunigt sie; kühle Lagerung bei mittlerem SoC verlangsamt sie. Bei stationären Speichern und Backup-Anwendungen, in denen der Pack den größten Teil seines Lebens nahe Vollladung steht, kann die Kalenderalterung die Zyklenalterung überwiegen. Deshalb nennen Garantiebedingungen für Speicher sowohl eine Zyklenzahl als auch einen Zeitraum.
Vollständiger Eintrag: Kalenderlebensdauer im Pack-Design →
Siehe auch:
Ladezustand (SoC), Zyklenlebensdauer
Sicherheit und Konformitat
Sicherheit und Konformitat
Transport, Sicherheit und was die Dokumente tatsachlich abdecken.
Das Transport-Testprogramm, das Lithiumzellen und -batterien bestehen müssen, bevor sie per Luft oder See befördert werden dürfen; es umfasst acht Prüfungen, darunter Höhe, Temperatur, Vibration, Stoß und äußeren Kurzschluss.
UN38.3 betrifft den Transport, nicht die Produktsicherheit im Betrieb. Käufer erhalten in der Regel die Test Summary und nicht den vollständigen Laborbericht, und diese Zusammenfassung ist das Dokument, das Frachtführer oder Spediteur anfordern. Sie gilt modellspezifisch: Eine Zusammenfassung für ein Modell deckt kein Schwestermodell ab, das später in das Sortiment aufgenommen wurde.
Vollständiger Eintrag: UN38.3 im Pack-Design →
Siehe auch:
IEC 62133, MSDS / SDS
Die internationale Sicherheitsnorm für dichte, tragbare Lithium-Sekundärzellen und -batterien, deren Teil 2 Lithiumsysteme behandelt.
IEC 62133 ist die Referenz für tragbare Anwendungen: Geräte, Werkzeuge, Instrumente. Ist der Einsatzzweck industriell oder stationär statt tragbar, gilt normalerweise IEC 62619 als die anwendbare Norm. Beide sind modellbezogen: Das Zertifikat listet, was es abdeckt, und die Prüfung besteht darin, ob das gekaufte Modell in dieser Liste steht.
Vollständiger Eintrag: IEC 62133 im Pack-Design →
Siehe auch:
IEC 62619, UN38.3
Die internationale Sicherheitsnorm für Lithium-Sekundärzellen und -batterien in industriellen Anwendungen, einschließlich stationärer Energiespeicher.
Geht der Pack in ein Energiespeichersystem, eine UPS oder eine fest installierte Industrieanlage, gilt meist IEC 62619 statt IEC 62133. Sie behandelt die für große stationäre Anlagen relevanten Fehlerarten, einschließlich der thermischen Ausbreitung zwischen Zellen. Wie bei jedem Zertifikat zählt die Abdeckungsliste, nicht die Existenz des Zertifikats.
Vollständiger Eintrag: IEC 62619 im Pack-Design →
Siehe auch:
IEC 62133, Thermisches Durchgehen
Die nordamerikanische Norm für Lithiumzellen; UL 2054 deckt die daraus gefertigten Akkupacks ab.
Die Anerkennung wird unter einer File Number erteilt, die die abgedeckten Modelle auflistet. Die sinnvolle Frage ist daher nicht, ob ein Lieferant ein UL-Zertifikat hat, sondern ob das konkret gekaufte Modell in dieser Akte steht. Ein Lieferant mit UL-Akte ist nicht dieselbe Aussage wie eine Zelle, die darin gelistet ist.
Vollständiger Eintrag: UL 1642 im Pack-Design →
Siehe auch:
IEC 62133, UN38.3
Ein selbsterhaltender interner Erwärmungsprozess, bei dem eine Zelle schneller Wärme erzeugt, als sie abgeben kann, was zum Ausgasen, Brand oder Übergreifen auf benachbarte Zellen führt.
Thermisches Durchgehen wird durch inneren Kurzschluss, Überladung, mechanische Beschädigung oder äußere Wärme ausgelöst und lässt sich nach dem Start nicht durch Abschalten des Stroms beenden. Die konstruktive Antwort ist gestaffelt: Auslöser mit einem korrekt konfigurierten BMS verhindern, Ausbreitung durch thermische Barrieren oder Abstände zwischen den Zellen begrenzen, Folgen über Ausgaswege und Gehäusedesign führen. Die Chemiewahl zählt hier, weshalb LFP für stationäre Speicher bevorzugt wird.
Vollständiger Eintrag: Thermisches Durchgehen im Pack-Design →
Siehe auch:
BMS (Batteriemanagementsystem), IEC 62619
Das Sicherheitsdatenblatt, das die chemischen Gefahren einer Zelle, die Anforderungen an die Handhabung und das Vorgehen bei Brand, Austritt oder Exposition beschreibt.
Das SDS reist mit der Sendung und ist das Dokument, das Lager, Frachtführer und Feuerwehr anfordern. Es muss zur tatsächlichen Versandkonfiguration passen: Zellen, Batterien und in Geräte eingebaute Batterien sind unterschiedlich eingestuft, und die Dokumentation unterscheidet sich entsprechend. Ein SDS, das eine andere Konfiguration beschreibt, ist schlechter als keines, weil es die Einsatzkräfte zum falschen Verfahren schickt.
Vollständiger Eintrag: MSDS / SDS im Pack-Design →
Siehe auch:
UN38.3, Thermisches Durchgehen
