Zellspannungen einer LiFePO4-Batterie

Immer wieder kommt es zu Unklarheiten beim Thema Zellspannung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien

Die Zellspannung von Batterien ist ein wichtiges Thema, da eine Nicht-Beachtung zu dauerhaften Schäden ab der Batterie führt. Daher ist es wichtig, sich von Beginn an mit diesem Thema zu befassen.

Ein Batterie-Management-System (BMS) hilft Ihnen auf jeden Fall, die richtigen Spannungen für Ihre Batterie-Zellen einzuhalten. Welche genauen Spannungen das sind, erklären wir in diesem Beitrag.

Prismatische LiFePo4-Zellen

Spannungskurve von LiFePO4-Zellen

Lithium-Eisenphosphat-Batterien haben eine nicht lineare Spannungskurve. Das bedeutet, mit zunehmender Ladung steigt die Spannung der Batterie-Zelle zunächst nur langsam an. Kurz vor vollständiger Ladung der Batterie-Zelle steigt die Spannung jedoch sehr schnell an. Genauso verhält es sich beim Entladen einer LiFePo4-Zelle. Mit abnehmender Ladung fällt die Spannung nur langsam ab, bis sie fast komplett leer ist und sie Spannung stark abfällt.

Dies bedeutet, dass sich anhand der Spannung kaum die Restladung der Batterie-Zelle ableiten lässt.

Quelle: Wikipedia

Batterie-Zellen und deren Spannung

Da eine einzelne Lithium-Eisenphosphat-Batterie-Zelle immer eine Nennspannung von 3,2 V hat, besteht ein Batterie-Block immer aus mehreren LiFePo4-Zellen. Diese Zellen sind in Reihe geschaltet, wodurch sich die Spannungen der einzelnen Zellen addieren. Je mehr Zellen in Reihe geschaltet werden, desto höher ist die Spannung des Batterie-Blocks.

Eine 25,6 Volt Batterie (häufig auch 24V Batterie genannt) besteht aus 8 Zellen. Eine 51,2 Volt Batterie (auch 48V Batterie genannt) besteht hingegen aus 16 Zellen. Es gibt auch Batterie-Blöcke mit mehr oder weniger Zellen, diese sind aber in der Regel uninteressant für PV-Speicher.

Zell-Spannungen von LiFePO4 (Lithium-Eisenphosphat)

Zwar hat eine Batterie-Zelle eine Nennspannung von 3,2 Volt, diese verändert sich aber je nach Ladung. Die tatsächliche Zellspannung hängt vom Ladezustand einer Batterie-Zelle ab. Die Betriebsspannung einer Zelle ist jedoch nach oben (Ladeschlussspannung) und unten (Entladeschlussspannung) beschränkt, denn außerhalb dieser sicheren Betriebsspannung kann und wird eine Batterie-Zelle Schaden nehmen. Der sichere Arbeitsbereich liegt zwischen 2,6 Volt und 3,65 Volt. Diese Spannungen sollten zu keiner Zeit über- oder unterschritten werden. Aber auch die Spannungen von 2,6 und 3,65 Volt sind für Batterie-Zellen schädlich, wenn sie länger in diesem sehr niedrigen oder sehr hohem Ladezustand gehalten werden, denn die Zellen verändern sich chemisch. Diese extrem niedrigen bzw. hohen Spannungen sollten vermieden werden, denn Sie verkürzen die Lebenszeit einer Batterie extrem. Aus 5000 Ladezyklen werden so schnell nur noch 2000 Ladezyklen Lebenszeit.

Lebenszeit der Batterie verlängern - Optimale Zell-Spannung

Eine minimale Begrenzung des Arbeitsbereichs verbessert die Batteriegesundheit deutlich und verlängert die Lebensdauer. Daher wird empfohlen, die unter Spannung nicht unter 2,8 Volt fallen und nicht über 3,45 Volt steigen zu lassen. Dadurch verlängern Sie die Lebenszeit deutlich auf mehr als 5000 Zyklen.

Wie viel Kapazität bleibt dabei ungenutzt? Tatsächlich verringert sich die nutzbare Batterie-Kapazität nur um etwa 5 %. Denn unterhalb von 2,8 Volt steckt ohnehin kaum noch Energie in der Batterie-Zell und oberhalb von 3,45 Volt kann die Batterie kaum noch zusätzliche Energie aufnehmen.

Konstante Spannung zwischen 10 % und 90 %

Zwar variiert die Spannung einer Zelle in Abhängigkeit zur Ladung, jedoch verhält sich die Spannung relativ konstant zwischen 10 % und 90 % Ladung. Erst ober- bzw. unterhalb reißt die Spannung aus und steigt stark an bzw. fällt stark ab.

Für eine längerfristige Lagerung der Batterie empfiehlt sich eine Zellspannung von 3,3 bis 3,33 Volt. Die Selbstentladung von LiFePo4-Zellen ist sehr gering. Alle 6 Monate empfiehlt sich eine Kontrolle der Batteriespannung vorzunehmen.

Je roter die Spannung, desto schädlicher ist die Spannung auf Dauer für die Batterie-Zelle. Diese Werte sind keine exakte Angabe, je nach Hersteller kann es Abweichungen geben.

Ideale Zell-Spannung für LiFePO4-Batterie-Zellen

Minimale zulässige Zells-Mindestspannung

2,60 Volt

Empfohlene Zell-Mindestspannung

2,80 Volt

Empfohlene Zell-Höchstspannung

3,45 Volt

Maximale zulässige Zell-Höchstspannung

3,65 Volt

Das absolute Minimum, auf das Sie eine LiFePO4-Zelle entladen sollten, ist 2,6 Volt. Bei Spannungen darunter drohen unumkehrbare und langfristige Schäden an der Batterie-Zelle. Für eine gute Schonung sollten Sie eine Spannung von 2,8 Volt nicht unterschreiten. Zwischen 2,8 und 2,6 Volt liegen ohnehin nur etwa 3% nutzbare Energie.

Ebenso gibt es auch nach oben Limits, die Sie beachten sollten. So sollten Sie 3,65 Volt nicht überschreiten, da auch darüber hinaus permanente Schäden drohen. Eine maximale Spannung von 3,45 Volt hingegen verlängert die Lebenszeit einer LiFePO4-Battetrie erheblich, bei kaum Einbußen. Denn auch hier liegen zwischen 3,45 und 3,65 Volt kaum nutzbare Energiemengen (3-4%).

Lebensdauer von LiFePO4 Batterien verlängern und Zellschäden vermeiden

Durch Begrenzung der Spannung gehen etwa 5-7 % der nutzbaren Kapazität verloren, dadurch verlängert sich die Lebenszeit aber um 40 bis 70 %. Dies ist eine erhebliche Verbesserung und sollte daher unbedingt beachtet werden. Denn die Zellschäden durch niedrige oder hohe Spannungen (Extremspannungen) gehen schleichend einher. Je länger die Batterie einer Extremspannung ausgesetzt ist und je extremer die Spannung ist, desto stärker schreitet die Schädigung voran. Diese Schäden bemerken Sie häufig erst nach liegen Jahren und sind unumkehrbar.

Batterie-Blöcke verschalten

Ein Batterie-System kann aus mehreren Batterie-Blöcken bestehen, die wahlweise parallel oder in Reihe verschaltet sind. Dadurch lässt sich festlegen, wie hoch die Gesamtspannung des Batterie-Systems sein soll und wie viel Arbeitsstrom zur Verfügung steht.

Parallelschaltung von Blöcken

In einer Parallelschaltung erhöht sich der insgesamt zur Verfügung stehende Strom, währen die Spannung gleich bleibt.

Die Kapazität in Ah erhöht sich um den Faktor der angeschlossenen Blöcke. Damit erhöht sich auch die verfügbare potenzielle Arbeit (kWh) gleichermaßen.

Reihenschaltung von Blöcken

In einer Reihenschaltung erhöht sich die Spannung des gesamten Systems, während der zur Verfügung stehende Strom gleich bleibt.

Die Kapazität in Ah erhöht sich nicht. Durch die Erhöhung der Spannung erhöht sich auch die verfügbare potenzielle Arbeit (kWh) gleichermaßen.

Balancer einsetzen bei der Reihenschaltung von mehreren LiFePO4-Blöcken

Mit der Reihenschaltung addiert man die Spannung jedes einzelnen Batterie-Blocks. Wie die Zellen in einem Batterie-Block unterschiedlich sind, unterscheiden sich auch die einzelnen Batterie-Blöcke in Ihrer Kapazität. Dies führt bei längerem Betrieb dazu, dass die Ladungen der verschiedenen Blöcke auseinander driften und sich voneinander entfernen. Da ein Balancing immer nur innerhalb eines Batterie-Blocks stattfindet, aber nicht zwischen den verschiedenen Batterie-Blöcken selbst, wird dieser Unterschied nicht ausgeglichen. Bereits eine andere Batterie aus einer anderen Charge kann sich von den anderen Batterie-Blöcken unterscheiden. Ebenso spielen die Zyklenzahlen und das Alter der Batterien eine Rolle.

In dieser Konsequenz schaltet ein BMS eines bereits frühzeitig entladenen/aufgeladenen Batterieblocks den gesamten String ab, wodurch die gesamte Batterie nicht mehr zur Verfügung steht/aufgeladen wird. Dieser Effekt kann beim Laden und Entladen auftreten. Daher sollten fertige Batterie-Blöcke nicht in Reihe geschaltet werden, wenn diese nicht untereinander ausgeglichen werden.

Ein Balancer schützt hier Ihre Batterie-Blöcke und sorgt für gleichmäßige Spannungen zwischen den Blöcken, sodass Ihnen unterm Stich eine höhere nutzbare Kapazität zur Verfügung steht.

Parallel- oder Reihenschaltung?

Diese Frage stellen sich viele PV-Heimwerker. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass eine Reihenschaltung häufig die beste Lösung ist. In einigen besonderen Fällen, kann jedoch eine Reihenschaltung bevorzugt werden.

Eine Reihenschaltung ist möglich, wenn:

Eine Parallel-Schaltung ist zu bevorzugen, wenn:

Die Batterie-Zellen von unterschiedlichen Herstellern oder aus unterschiedlichen Produktionen stammen
Die Kapazität der Batterie-Blöcke unterschiedlich hoch sind
Eine bestimmte Gesamt-Systemspannung darf nicht überschritten werden
Aber: Die Spannung und Zellchemie der Zellen oder Blöcke muss identisch sein (keine LiFePO4 mit Säure-Batterien mischen)
Vorteil: Keine extra Balancer notwendig

Vorteile der Reihenschaltung

In einer Reihen-Schaltung fließen geringere Ströme
Durch geringere Ströme können kleinere Leiter-Querschnitte gewählt werden
Durch geringere Ströme entsteht weniger Wärme
Geringerer Spannungsverlust
Einfachere Verschaltung, da keine Kreuzverschaltung notwenig ist; gleichzeitig eine gleichmäßigere Entladung der Blöcke
Aber: Balancer sind notwendig, da die Spannung zwischen den Blöcken auseinander driften kann