Welche Faktoren beeinflussen die Lade- und Entladeeffizienz von Lithiumbatterien?
Lithiumbatterien sind allgegenwärtig – von Smartphones und Laptops bis hin zu Powerstations und Elektrofahrzeugen. Unter realen Bedingungen erreichen sie jedoch selten die ideale Effizienz. Zu verstehen, was ihre Lade-/Entladeeffizienz beeinträchtigt, ist der Schlüssel zur Entwicklung besserer Systeme, insbesondere bei Premiumgeräten wie der Hulkman Mega Power Station.
In diesem Artikel behandeln wir:
- Was beeinflusst die Ladeeffizienz von Lithiumbatterien?
- Was beeinflusst die Entladeeffizienz von Lithiumbatterien?
- Praktische Erkenntnisse für Anwender und Entwickler
Was beeinflusst die Ladeeffizienz von Lithiumbatterien?
Temperatureinflüsse: Der mit Abstand wichtigste Faktor
Niedrige Temperatur (< 5 °C)
Bei niedrigen Temperaturen bewegen sich Ionen im Elektrolyten träge, der Innenwiderstand steigt und die Polarisation wird stark. Viele BMS-Controller reduzieren den Ladestrom zwangsweise auf 0,2 C oder weniger und erfordern eine Vorwärmphase vor dem vollständigen Laden.
Akademische Erkenntnis: In Niedertemperaturumgebungen dominieren Polarisations- & Widerstandskomponenten (ohmisch, Konzentration), was die Kapazität und Effizienz stark verschlechtert. (MDPI)
Eine weitere Studie identifiziert reduzierte ionische Leitfähigkeit, langsame Grenzflächenkinetik und erhöhte Desolvationsenergie als Hauptursachen für den Leistungsabfall bei niedrigen Temperaturen. (pubs.rsc.org)
In der Praxis berichten viele EV-Besitzer, dass die Batteriereichweite bei Temperaturen unter Null um 20–40 % schrumpft.
Hohe Temperatur (> 45 °C)
Wärme beschleunigt Nebenreaktionen und degradiert die Zellstruktur. Jede 10 °C-Erhöhung verdoppelt ungefähr die Rate parasitärer Reaktionen, was zu Gasbildung, Aufquellen oder Sauerstofffreisetzung führt. Daher reduzieren BMS-Systeme unter Last üblicherweise proaktiv den Ladestrom.
Zellentemperatur-Ungleichgewicht (> 5 °C)
Innerhalb eines Batteriepacks, wenn eine Zelle um > 5 °C heißer oder kälter als die Nachbarzellen ist, kann das BMS vorzeitig in den Konstantspannungsmodus wechseln oder den Strom reduzieren, wodurch das Schnellladefenster verkürzt wird.
Strom- / C-Rate-Effekte: Zu schnell, zu riskant
Laden oder Entladen > 1 C: Wenn Ströme ~1 C überschreiten, verstärken sich Polarisations-Effekte. Die Spannung weicht vom Ideal ab (Elektrodenpotenziale verschieben sich), aufgrund langsamer Ion-/Elektronentransporte im Vergleich zum angelegten Strom. Beim Laden kann das Anodenpotenzial unter 0 V vs. Li fallen, was Lithiumabscheidung (totes Lithium) auslöst. Beim Entladen können positive Elektrodenpotenziale sichere Schwellen überschreiten, was Nebenreaktionen verursacht.
Im Wesentlichen ist das Erzwingen eines höheren Stroms, als die interne Chemie der Batterie unterstützt, wie das Erzwingen von Verkehr durch eine verstopfte Straße: Stau und Ineffizienz entstehen.
Verkabelungs- und Kontaktwiderstand: Wenn Verkabelung oder Steckverbinder Spannungsabfälle >100 mV verursachen, können Ladesysteme den Strom drosseln oder die Ladezeit verlängern. Beispielsweise führt schlechter Kontakt in DC- oder Hochstromsteckern zu Energieverlusten, und das Ladegerät könnte den Strom begrenzen, um sichere Schwellenwerte einzuhalten.
Spannungsbezogene Einschränkungen
Tiefentladung (< 2 V): Wenn Zellen unter ~2 V fallen, muss die BMS-Logik eine Niedrigstrom-Erhaltungsladung (z. B. 0,1 C) verwenden, um die Batterie sanft „aufzuwecken“. Dieser Startvorgang kann 10–30 Minuten dauern, wodurch das erste Laden sich quälend langsam anfühlt.
Übermäßige Abschaltspannung (> 4,2 V für NCM-Zellen): Bei NCM-Chemie, die mit der Hulkman Power Station ausgestattet ist, birgt das Überladen über ~4,20 V das Risiko von Sauerstofffreisetzung und struktureller Degradation. Die letzten 1 % der Ladung erhöhen die Zellenspannung nur um ~0,03 V. Um dies sicher zu erkennen, muss das BMS den Strom drastisch reduzieren, oft von 1 C auf bis zu 0,05 C, um interne Spannungen ausgleichen zu lassen und Überschwinger zu vermeiden.
Zellungleichgewicht (> 10 mV in LFP-Packs): Die LFP-Chemie ist herausfordernd, da die Spannung über den größten SOC-Bereich nahezu konstant ist. Driftet eine Zelle um 10 mV voraus, muss das BMS den Strom drosseln und aktiv ausgleichen (Energie ableiten). Da das Balancieren langsam ist, zieht sich die letzten 5–10 % des Ladevorgangs oft hin.
Alterungseffekte & interne Degradation
Anstieg des Innenwiderstands (DCIR): Mit zunehmendem Alter der Batterie steigt ihr Innenwiderstand (bedingt durch SEI-Verdickung, Elektrodenabbau, Partikelfrakturen). Bei höherem Widerstand führen gleiche Ladestromstärken zu größeren Spannungsabfällen (Polarisation), wodurch der Controller die Konstantstromphase um 15–30 % verkürzt.
Lithiumabscheidung & Risse: Mit der Zeit können wiederholte Belastungen Mikrorisse erzeugen oder Diffusionswege blockieren. Lithiumabscheidung wird wahrscheinlicher, die Diffusion verlangsamt sich und die CV-Phase (Endladung) verlängert sich.
Systembedingte Einschränkungen
Kühlversagen: Fällt die Kühlung des Packs aus (Lüfter stoppt, Pumpe versagt), kann die Innentemperatur >1 °C/min steigen. Das BMS reduziert dann den Strom oder stoppt das Laden ganz, um die Zellen zu schützen.
Quellen- / Infrastrukturgrenzen: In vielen Netzen unterstützen Strom- oder Kabelinfrastrukturen nicht die vollen Ladestromstärken. Spannungseinbrüche oder Versorgungsgrenzen erzwingen eine Hardware-Drosselung. Zum Beispiel kann ein 3-kW-Ladegerät an schwachen Netzpunkten oder mit dünnen Leitungen auf 2 kW drosseln.
Was beeinflusst die Entladeeffizienz von Lithiumbatterien?
Wenn eine Lithiumbatterie ein Gerät versorgt, ist ihre Effizienz nicht einfach eine Funktion der Kapazität. Viele Faktoren – vom Steckertyp bis zur Systemkühlung – spielen eine Rolle. Grob lassen sie sich in vier Kategorien einteilen: Steckertyp / Anschlussart, Verbindungs- / Leitungsverluste, intrinsische Batterie-Faktoren, systembedingte Einschränkungen.
Zusammen bestimmen diese, ob Ihre „schnelle Entladung“ wie beabsichtigt funktioniert oder im realen Einsatz gedrosselt wird. Nachfolgend eine tiefere Betrachtung jeder Kategorie und wie sie sich in der Praxis auswirkt.
Steckertyp / Anschlussart
Die Schnittstelle zwischen Batterie und Last spielt eine grundlegende Rolle:
Gleichstromanschlüsse: Der Kabeldurchmesser und der Steckertyp sind entscheidend. Überschreitet die Last ~240 W, erzwingt die Verwendung von zu dünnen DC-Leitungen oder schlechten Steckern eine Leistungsreduzierung – oder es werden hochwertigere Stecker wie Anderson oder XT90 benötigt.
USB-A: Verwendet einen 5 V Buck-Wandler-Chip; Effizienz und Wärmeverluste hängen stark von der Qualität dieses Chips ab.
USB-C PD / bidirektionaler Buck-Boost: Hervorragend für Lasten ≤100 W. Sobald die Lastanforderungen steigen, muss das System auf Wechselstrom (Inversion) umschalten, um die Effizienz zu erhalten.
Wechselstromausgang (Wechselrichter): Effizienzverluste durch die Umwandlung werden hier berücksichtigt; aber bei Lasten über ~100 W ist Wechselstrom oft der effizientere Weg.
Verbindungs- / Leitungsverluste
Selbst perfekte Batterien und Anschlüsse leiden in realen Systemen unter Leitungs- und Kontaktverlusten:
Spannungsabfall in Verkabelung oder Steckverbindern: In einem gut ausgelegten System liegt der Widerstand im Milliohm-Bereich, was zu vernachlässigbaren Verlusten führt. Schlechte Kabel oder Kontakte können jedoch dazu führen, dass von 100 W nur 15 W nutzbare Leistung übrig bleiben.
Wachstum des Kontaktwiderstands: Nach vielen Ein- und Aussteckzyklen (z. B. 500 Mal) kann sich der Kontaktwiderstand verdreifachen. Das führt zu höherem Spannungsabfall und messbarem Effizienzverlust (z. B. ca. 1 %).
Forennutzer berichten, dass „USB-Ports im Laufe der Zeit an Leistung verlieren“ – einige berichten, dass die Spannung von 5,1 V auf ca. 4,8 V fällt, was geringeren Strom und langsameres Laden bedeutet. (All About Circuits)
Temperaturanstieg am Kontakt oder im Steckverbindergehäuse: Eine Kunststoff-USB-C-Hülle kann sich unter Last um ca. 20 °C erwärmen, während Metallgehäuse nur etwa 8 °C ansteigen. Dieser thermische Stress kann die Effizienz des Wandlers senken und Leistungsgrenzen erzwingen.
Batterie-intrinsische Faktoren
Diese Faktoren resultieren aus dem internen Zustand, der Chemie und dem Zustand der Batterie:
Niedrige Temperatur (<5 °C): Der Innenwiderstand steigt, und die Gesamteffizienz der Verbindung kann um 2–3 % sinken. Der USB-C-Controller selbst kann einen geringeren Strom erzwingen.
Verdopplung des DCIR (Innenwiderstand): Ältere oder degradierte Batterien zeigen unter Last höhere Spannungsabfälle. Das verringert den Spielraum und zwingt das System zur Leistungsdrosselung. Ein Spannungsabfall von 0,1 V kann einem Leistungsverlust von 30 % entsprechen.
Zellungleichgewicht (>10 mV Unterschied, besonders bei LFP): Das BMS kann die Ausgangsleistung frühzeitig reduzieren, um Überentladung/Überspannung einzelner Zellen zu vermeiden. Das kann die verfügbare Stromabgabe vorübergehend um 2 % oder mehr verringern.
Systembedingte Einschränkungen
Egal wie ideal die Batterie oder Verkabelung ist, systembedingte Probleme bestimmen oft, ob die volle Leistung fließen kann:
Kühlversagen: Wenn das Thermalsystem ausfällt und die Temperatur steigt (z. B. wenn sich der Steckverbinder oder die Leiterplatte um +20 °C erwärmt), kann das BMS die Leistung um 5 % oder mehr drosseln, um die Komponenten zu schützen.
Niedriger Ladezustand (SOC): Viele BMS-Designs reduzieren die Stromgrenzen, wenn der SOC unter ca. 20 % fällt. Beispielsweise kann ein 100-W-USB-C-Anschluss auf 50 W gedrosselt werden, was von Nutzern als „langsames Laden“ wahrgenommen wird.
Praktische Erkenntnisse für Anwender & Entwickler
Bei Lasten über 100 W bevorzugen Sie immer AC-Ausgang statt USB-C, es sei denn, Ihr System ist für hohe USB-C-Leistung ausgelegt.
Verwenden Sie hochwertige Kabel und Steckverbinder, minimieren Sie den Kontaktwiderstand und überwachen Sie den Verschleiß der Steckverbinder.
Entwerfen Sie BMS-Systeme, die Temperaturdrift, SOC-Grenzen und Zellungleichgewicht berücksichtigen.
Bauen Sie redundante Kühlung und eine Fallback-Drossellogik ein, sodass die Effizienz unter ungünstigen Bedingungen nur allmählich abnimmt.
Indem Ingenieure diese vier Bereiche verstehen – Steckverbinder-Design, Leitungsverluste, Batteriezellen und systemische Einschränkungen – können sie die reale Leistung optimieren, nicht nur ideale Spezifikationen.