Praktische Erklärung eines Datenblatts

Ich möchte dir die gängigsten Angaben und Werte eines Datenblatts einer LiFePO4-Batterie erklären, damit du weißt auf welche Faktoren du bei der Wahl einer Batterie achten solltest.

Die Nennspannung gibt die Spannung der Batterie im Normalbetrieb an. Hierbei ist wichtig zu verstehen, dass man zwar immer von “12 V Batterien” spricht, allerdings ist diese Spannung nicht immer gleich. Ist eine Batterie vollständig geladen, ist die Spannung höher. Unter Last, d.h. wenn du der Batterie Strom entziehst, fällt die Spannung ab. Deswegen dient die Nennspannung eher als grobe Orientierung, nicht als fester Wert.

Die Nennkapazität gibt die “Größe” einer Batterie bzw. die Menge an Strom, die du dieser entziehen kannst. Den Begriff Kapazität haben wir bereits im Kapitel – Batterietypen erklärt. Teilweise werden in Datenblätter die Kapazitäten nicht nur in Amperestunden, sondern auch oder nur in Wattstunden [Wh] angegeben. Die Wattstunde gibt nicht an, wie viel Strom du der Batterie über eine Stunde entziehen kannst, sondern wie viel Leistung. Diese beiden Werte kann man, wie schon im Kapitel – Grundlagen erläutert, in einander umrechnen.

Die nächsten beiden Werte betrachten wir gemeinsam. Die Effizienz gibt an, wie viel elektrische Energie dir aus deiner Batterie wirklich zur Verfügung steht. Diese hängt direkt vom Innenwiderstand ab. Wenn du deine Batterie lädst oder entlädst, erhältst du nicht die gesamte gespeicherte Energie, sondern ein Teil davon wird in Wärme umgewandelt. Wie viel Energie in Wärme umgewandelt wird, hängt direkt vom Innenwiderstand ab. In diesem Fall sind das 1 % der hinzugefügten oder entzogenen Energie. Das bedeutet, umso geringer der Innenwiderstand in der Batterie ist, desto höher ist die Effizienz und damit die elektrische Energie, die du nutzen kannst. Ein Benzin oder Diesel betriebenes Auto hat im Durchschnitt eine Effizienz (Wirkungsgrad) von ca. 20 %. Das bedeutet, dass 80 %(!) der Energie, die wir durch den Kraftstoff erhalten, in Wärme umgewandelt werden. Deswegen werden Motoren auch so heiß und müssen gekühlt werden.

Die Selbstentladung gibt an, um wie viel Prozent sich die Batterie entlädt, während sie nicht genutzt wird. Beispielsweise könnte die Rate bei 1,5 % pro Monat liegen. Dies würde bedeuten, dass sie jeden Monat 1,5 % ihrer aktuelle Kapazität verliert. Betrachtet man eine 100 Ah Batterie mit einer Selbstentladung von 1,5 %, würde sich die Kapazität folgendermaßen verändern:
Nach dem 1. Monat: 98,5 Ah – Verlust: 1,5 Ah
Nach dem 2. Monat: 97,02 Ah – Verlust: 1,48 Ah
Nach dem 3. Monat: 95,57 Ah – Verlust: 1,45 Ah

Die max. Batterieanzahl in Reihen-/ Parallelverschaltung gibt an, wie viele Batterie du in Reihe- bzw. Parallel verschalten darfst.

Der Begriff Ladezyklen wurde bereits im Kapitel – Batterietypen erklärt. Hier steht noch zusätzlich die Abkürzung DoD, welche für “depth of discharge” steht. Übersetzt bedeutet dies Entladetiefe. Dieser Wert gibt das Verhältnis zwischen der entnommenen Kapazität zur Nennkapazität an.

Ist in einem Datenblatt beispielsweise angegeben, dass eine Batterie bei einer Entladungstiefe von 90 % eine Zyklenlebensdauer von 3000 Zyklen hat, bedeutet dies, dass die Batterie über 3000 Zyklen zur Verfügung stellt bis sie ihr “Ende der Lebenszeit” erreicht hat. Die zusätzliche Angabe des DoDs ist im Falle der Zyklenlebensdauer sehr wichtig. Zwar kannst du eine LiFePO4-Batterie auch zu 100% entladen, aber umso weniger tief du sie entlädst, desto länger hält deine Batterie. Dazu folgt weiter unten eine Erklärung an einem Graphen.

In jedem Datenblatt finden sich verschiedene Angaben zu den Lade- und Entladeströmen. Es gibt maximale und empfohlene Ströme, sowie Dauer- oder Pulsströme. Jeder Wert erklärt sich durch die Begrifflichkeit von alleine. Diese Werte spielen vor allem bei der Auslegung von Sicherungen und Leitungen eine Rolle, sowie bei der Einstellung deiner Ladegeräte. Zusätzlich können die Angaben auch wichtig sein, wenn du große Verbraucher, wie z.B. ein Induktionskochfeld, in deinem Wohnmobil planst.

Die empfohlene Ladespannung ist die Spannung, die du in deinen Ladegeräten einstellen musst, damit dieses deine Batterie auf 100 % lädt und nicht darüber hinaus. Jede Batterie kann auch mehr als 100 % geladen werden. Das würde die Batterie jedoch in einen kritischen Zustand bringen. Deshalb ist es sehr wichtig diese Grenzen nach den Vorgaben im Datenblatt korrekt in den Ladegeräten zu hinterlegen.

Wenn du eine Batterie mit einem BMS (Batterie Management System) hast, sind in diesem bereits Abschaltschwellen einprogrammiert. Diese liegen grundsätzlich etwas höher als die empfohlenen Spannungen. In diesem Falle schaltet das BMS automatisch bei einer erreichten Spannung von beispielsweise 15V die Batterie vom restlichen System ab, damit diese nicht in einen kritischen Zustand gebracht wird.

Auch für die Entladung gibt es eine empfohlene Last-Abschaltwelle, die du in deinen Ladegeräten hinterlegen kannst. Diese sorgt dafür, dass du deine Batterie nicht unter 0 % entlädst. Denn auch das ist möglich, aber ebenfalls gefährlich. Sofern deine Batterie ein BMS hat, sind auch hier Werte einprogrammiert, die das Entladen unter eine Spannung von beispielsweise 11V verhindern.

Der angegebene Temperaturbereich in einem Datenblatt ist gerade im Wohnmobilbereich sehr wichtig. Gängige Werte könnten ein Bereich von -20 °C – 60 °C für das Entladen und 0 – 45 °C für das Laden sein. Diesen Bereich sollte man im optimal Fall nicht vollständig ausreizen. Vereinfacht kann man sich merken: Sind Temperaturen für einen Menschen angenehm (aus haltbar), fühlt sich auch eine Batterie wohl.

Es gibt extra Tieftemperaturbatterien, die unter Umständen sinnvoll sein können, wenn ihr viele Touren in den hohen Norden plant. Zusätzlich können Batterien mit einem integrierten BMS auch Abschaltgrenzen bei bestimmten Temperaturen.

Wichtig ist es bei einer Batterie zu verstehen, dass beim Laden und Entladen chemische Reaktionen stattfinden, die unterschiedlich schnell oder langsam bei verschiedenen Temperaturen ablaufen. Deshalb ist eine Batterie so abhängig von der Temperatur.

Unter allgemeine Informationen findet man Daten wie Abmaße, Gewicht oder die Artikelnummer. Die Schutzart, beispielsweise IP 65, gibt an, wie gut das Innere der Batterie vor Fremdkörpern/Berührung und Wasser geschützt ist. Die erste Ziffer bezieht sich dabei auf den Schutz vor Fremdkörpern bzw. Berührung. Die “6” ist der höchste Schutz und besagt, dass die Batterie staubdicht ist und ein vollständiger Schutz vor Berührung besteht. Die zweite Ziffer beschreibt den Schutz vor Wasser. Die Ziffer “5” besagt, dass die Batterie vor Strahlwasser aus allen Winkeln geschützt ist. Sprich ihr könnt die Batterie (theoretisch!) mit eurem Gartenschlauch sauber machen. Ich würde allerdings davon abraten.

In den meisten Datenblättern, wirst du viele Graphen finden, die dir die unterschiedlichsten Zusammenhänge zeigen. Diese Graphen sind wichtig, da sich die Batterie bei unterschiedlichen Temperaturen, Ladezuständen, Lade-/Entladegeschwindigkeiten verschieden verhält. Diese Zusammenhängen kann man nicht mit einzelnen Werten beschreiben, sondern nur in einem Graphen. Ich werde dir im folgenden zwei wichtige Graphen erklären.

Graph 1: Zusammenhang Ladezustand und Spannung (0,5 C bei 25 °C)

Vorab schauen wir uns den Graphen erst mal genauer an. Grundsätzlich findet dieser Ladevorgang bei einer Temperatur von 25 °C und mit einem Ladestrom von 0,5 C statt. Bei einer 100 Ah Batterie wäre es ein Ladestrom von 50 A. Auf der horizontalen Achse (x-Achse) ist die Zeit des Ladevorgangs in Minuten abgebildet. Auf der linken vertikalen Achse (y-Achse) ist die Spannung der Batterie angegeben und auf der Rechten ist der Ladezustand in % angegeben. Ein Graph mit zwei y-Achsen ermöglicht einen Abgleich der beiden Werte, da sich diese auf die gleiche x-Achse und in unserem Fall auf die gleiche Zeit beziehen. Hierzu später mehr.

Innerhalb des Graphen gibt es zwei verschiedene Kurven, die wir uns nacheinander anschauen.

Die rote Kurve zeigt die Veränderung der Ladezustands über den Verlauf des Ladevorgangs an. In diesem Fall startet der Ladevorgang bei einem Ladezustand von 40% der Batterie. Über die nächsten 90 Minuten erhöht sich der Ladezustand gleichmäßig bis etwas über 90 %. Danach flacht die Kurve etwas ab und die Geschwindigkeit des Ladens nimmt ab.

Das ist ein typisches Verhalten einer Batterie. Man kann sich den Ladevorgang einer Batterie wie das Parken von Autos auf einem großen Parkplatz vorstellen. Die Elektronen müssen wieder alle einen Platz finden, damit die Batterie wieder voll geladen ist. Am Anfang sind noch so viele Plätze frei, dass es kein Problem ist für die Elektronen freie Plätze zu finden. Nährt sich die Batterie aber den 100 %, so wird es für die Elektronen immer schwieriger freie Plätze zu finden, sodass der Ladevorgang langsamer abläuft.

Die grüne Kurve zeigt die Veränderung der Spannung über den Verlauf des Ladevorgangs an. Beispielsweise sehen wir in den ersten Minuten des Ladevorgangs, dass die Spannung sehr schnell ansteigt bis sie einen Wert von ungefähr 13,6 V erreicht hat. Ab diesem Zeitpunkt steigt die Spannung deutlich langsamer und nahezu linear (gerade) an. Nach 90 Minuten nimmt die Geschwindigkeit des Spannungszuwachs wieder zu bis kurz danach ein Plateau erreicht.

Auf Grund der Abbildung von beiden Kurven in einem Graphen kann man zusätzlich auch direkte Zusammenhänge sehen. Beispielsweise erreicht die Batterie nach 30 Minuten einen Ladezustand von ca. 55 % und hat dabei eine Spannung von 13,8 V. Nach 60 Minuten erreicht sie bereits einen Ladezustand von knapp über 70 % und eine Spannung von 13,9 V

Hierbei erkennt man auch gut, warum es so schwierig ist mit Hilfe der Spannung den Ladezustand der Batterie zu messen. Bei einem Ladezustand zwischen 55 % und 80 % steigt die Spannung nur um ca. 0,2 V. In diesem Bereich ist es damit sehr schwierig zu erkennen welchen Ladezustand die Batterie hat einzig und allein durch eine Spannungsmessung.

Graph 2: Zyklenfestigkeit in Relation zur Entladetiefe

Der folgende Graph ist etwas anders aufgebaut. Auf der horizontalen Achse ist die Anzahl der Ladezyklen und auf der vertikalen Achse ist die verbleibende Kapazität der Batterie in Prozent abgebildet.

Dieser Graph beinhaltet 4 verschiedene Kurven. Diese Kurven geben an wie tief die Batterie entladen wurde. Schauen wir uns beispielsweise die rote Kurve an. In diesem Fall wurde die Batterie immer um 100% entladen und danach wieder aufgeladen. Wenn du diese Batterie also immer von 100% bis 0% nutzt, erreichst du 2500 Ladezyklen bis die Kapazität der Batterie auf 80% sinkt. Damit ist laut Definition das Ende der Lebenszeit der Batterie erreicht.

Blicken wir auf die violette Kurve sehen wir, dass die Batterie auch 8500 volle Ladezyklen erreichen kann, wenn diese immer nur von 100 % auf 70 % entladen wird und im Anschluss wieder geladen wird. Sprich je geringer die Entladetiefe ist, desto länger lebt die Batterie.

Anhand dieser beiden Beispiele erkennt man, dass die einzelnen Werte in einem Datenblatt zwar als gute und wichtige Anhaltspunkte dienen, aber dass das reale Verhalten einer Batterie von mehreren Faktoren abhängig ist und daher nur in Graphen dargestellt werden kann. Diese können einen sehr detaillierten Einblick liefern, auch wenn sie manchmal auf den ersten Blick komplex wirken.

Hast du Graphen gefunden, die du nicht verstehst, oder zu denen du Fragen hast? Dann nutze gerne unser Kontaktformular oder schau auf unserem Instagram Profil vorbei und wir helfen dir schnellstmöglich.

Bevor du dich jedoch für eine bestimmte Batterie entscheidest, solltest du dir auch Gedanken darüber machen, wie viele Batterien du überhaupt einsetzen möchtest – und vor allem, wie du sie miteinander verschalten kannst. Denn je nach Verschaltungsart verändert sich das Verhalten deines gesamten elektrischen Systems deutlich. Welche Möglichkeiten es gibt und worauf du achten solltest, erfährst du im nächsten Kapitel – Batterie Verschaltung.