Wie schnell soll oder darf ein Batterie-Speicher eigentlich geladen werden und wie viel Ampere oder Watt sind gut? Wie wird die Ladegeschwindigkeit eigentlich gemessen? Was ist die Batterie-Kapazität und welche Rolle spielen Strom und Spannung? Diese Fragen klären wir in diesem Beitrag und zeigen Ihnen, wie Sie alles berechnen können.
Batteriegröße bestimmen
Die maximal zulässige Ladegeschwindigkeit von Batterien hängt häufig mit der vorhanden Batteriegröße (Kapazität) zusammen. Eine große Batterie darf oftmals schneller geladen werden als eine kleinere Batterie. Aber warum ist das so?
Eine Batterie besteht immer aus mehreren Zellen, welche es wiederum in verschiedenen Größen gibt. Die Kapazität einer Batterie wird daher umso größer, je mehr Zellen in einer Batterie vorhanden sind. Da jede Zelle mit einem bestimmten Strom belastet werden kann, steigt die Belastbarkeit der gesamten Batterie mit Zunahme der Zellenzahl (und Zellengröße).
Batteriekapazität
Die Kapazität (Formelzeichen C) einer Batterie wird unter anderem in Ah (Ampere-Stunden) angegeben. Aber was sind Ampere-Stunden? Die Kapazität in Ampere-Stunden gibt an, wie viel Strom eine Batterie über einen bestimmten Zeitraum abgeben kann, bis sie leer ist (oder wie viel Energie sie aufnehmen kann, bis sie wieder voll ist).
Beispiel: Wir nehmen eine Batterie mit einer Kapazität von 100 Ah an. Entnehmen wir nun einen Strom (Formelzeichen I) von 5 Ampere kontinuierlich aus der Batterie, so entleert sich diese. Die Dauer, wie lange dieser Strom entnommen werden kann, errechnet man, indem man die Kapazität von 100 Ah durch den Strom teilt. Zeit = 100 Ah / 5 A = 20 h. Dies bedeutet also, dass die Batterie 20 Stunden lang mit einem Strom von 5 Ampere entladen werden kann.
Formeln:
C = I * t [Kapazität = Strom * Zeit]
t = C / I [Zeit = Kapazität / Strom]
I = C / t [Strom = Kapazität / Zeit]
Allgemeine Formeln:
P = U * I [Leistung = Spannung * Strom]
I = P / U [Strom = Leistung / Spannung]
U = P / I [Spannung = Leistung / Strom]
Nun gibt die Kapazität in Ah aber wenig Aussage über die Energie, die in einer Batterie steckt, denn die Batteriespannung ist in der Kapazität nicht mit einbezogen. Hierfür wird die Kapazität häufig auch in Wh oder kWh (Watt-Stunden oder Kilowatt-Stunden) angegeben, was streng genommen aber nicht die Kapazität ist, sondern die elektrische Energie/Arbeit (Formelzeichen E oder W) genannt wird. Der Unterschied ist hier lediglich, dass dort auch die Spannung eine Berücksichtigung findet. Denn multipliziert man die Kapazität (C) mit der Spannung (U), dann erhält man die elektrische Energie (E). Hat also eine 100 Ah Batterie eine Nenn-Spannung von 51,2 V, dann ergibt sich eine Kapazität von 5120 AVh, was abgekürzt als 5120 Wh bezeichnet werden kann (Leistung = Strom * Spannung), aus AV wird also W. Dies wird häufig wegen der großen Zahl als kWh angegeben (5120 Wh = 5,12 kWh). Watt (W) und Kilowatt (kW) werden mit dem Faktor 1000 umgerechnet.
Formeln:
E = P * t [Energie= Leistung * Zeit]
t = E / P [Zeit = Energie / Leistung]
P = E / t [Leistung = Energie / Zeit]
Wird eine Batterie mit 5,12 kWh (100 Ah bei 51,2 Volt) mit 5 Ampere entladen, entspricht dies einer Entladeleistung von 256 Watt (51,2 Volt * 5 Ampere) bzw. 0,256 kW. Auch hier lässt sich die verbleibende Zeit errechnen, bis die Batterie leer ist. In diesem Fall sind es 5,12 kWh / 0,256 kW = 20 Stunden. Entladestrom (Ampere) und Entladeleistung (Watt) sind also miteinander gekoppelt.
Laderate / Entladerate
Eine weitere häufige Größe ist die Laderate (C-Rate). Sie gibt an, wie schnell eine Batterie entladen wird. Eine Laderate (oder Entladerate) von 1C gibt dabei an, dass die Batterie innerhalb einer Stunde um seine Nennkapazität entladen oder geladen wird. Bei einer 100 Ah Batterie müssten demzufolge 100 Ampere fließen, denn bei 100 Ampere Stromfluss ist die Batterie rechnerisch nach einer Stunde entladen.
Eine Laderate von 0,5C bedeutet beispielsweise, dass die Batterie mit halber Geschwindigkeit entladen oder geladen wird, also 2 Stunden zum Entladen oder Laden braucht. Eine Laderate von 2C hingegen gibt an, dass die Batterie mit doppelter Geschwindigkeit entladen oder geladen wird, also in 0,5 Stunden entladen oder geladen ist. Die Zeit ergibt sich also aus dem Kehrwert der Laderate).
Formeln:
t = 1 / C-Rate [Zeit = 1 / Laderate] (Zeit für eine vollständige Entladung, angegeben in Stunden)
I = C * C-Rate [Strom = Kapazität * C-Rate]
P = E * C-Rate [Leistung = Energie * C-Rate]
C-Rate = I / C [C-Rate = Strom / Kapazität]
C-Rate = P / E [C-Rate = Leistung / Energie]
Wie schnell darf eine Batterie also entladen oder geladen werden?
Häufig macht der Hersteller Vorgaben, wie schnell eine Batterie ent- und geladen werden sollte. Hier werden aber oftmals unterschiedliche Parameter angegeben. Manchmal wird die Laderate angegeben, manchmal die Leistung und manchmal der Strom. Mit dem zuvor gesammelten Wissen können Sie die Einheiten ohne Probleme umrechnen.
Wird beispielsweise eine max. zulässige Ladegeschwindigkeit von 0,5C angegeben, bedeutet das, dass Sie eine 100 Ah Batterie mit 50 Ampere entladen können (Strom = 100 Ah * 0,5C). Wenn die Batterie 51,2 Volt Nenn-Spannung hat, entspricht dies einer Leistung von 2560 Watt. Die maximal zulässige Leistung lässt auch einfach errechnen. Bei 5,12 kWh ist die zulässige Ladeleistung 2,56 kW (Leistung = 5,12 kWh * 0,5C)
Wie schnell ist gut?
Grundsätzlich gilt, je langsamer eine Batterie geladen oder entladen wird, desto besser ist das für die Batterie. Denn hohe Ströme belasten die Zellen. Dabei sind Laderaten von weniger als 0,5C für die meisten Batterien gut verträglich. Teilen Sie also die Kapazität in Ah durch 2 Stunden (entspricht 0,5C). Bei einer 100 Ah Batterie sind dies 50 Ampere. Sie können auch die Energie der Batterie in Wh durch 2 Stunden teilen, dann erhalten Sie bei einer 5,12 kWh Batterie 2,56 kW Leistung.
Nicht nur die Ladegeschwindigkeit beachten
Eine noch viel wichtigere Rolle als die Ladegeschwindigkeit spielt die Lade- und Entladetiefe. Batterien, die sehr weiter entladen oder geladen werden, nehmen ebenfalls frühzeitig Schaden. Einen ausführlichen Beitrag haben wir hier verfasst: https://www.lumentree-portal.de/hilfe/zell-spannungen-lifepo4-batterie/
