Akkus

Batterie

Eine Batterie, die aus mehreren Zellen besteht, wird als Batteriepack bezeichnet. Ein Batteriepack ist ein zusammengesetztes System, das mehrere (elektrochemische) Zellen enthält, die elektrisch miteinander verbunden sind, um eine höhere Spannung, eine größere Kapazität oder beides zu erreichen.

Aufbau einer Batterie

Einzelzellen

Die grundlegende Einheit eines Batteriepacks ist die elektrochemische Zelle. Eine Zelle besteht aus:

• Anode (negative Elektrode): Meist aus Lithium, Graphit oder einer anderen geeigneten chemischen Substanz.
• Kathode (positive Elektrode): Hergestellt aus Materialien wie Lithium-Kobaltoxid oder Nickel-Mangan-Kobaltoxid.
• Elektrolyt: Eine ionenleitende Substanz, die zwischen Anode und Kathode liegt und den Ionenfluss ermöglicht. Der Elektrolyt kann flüssig, gelartig oder fest sein.
• ggf. Separator: Eine dünne, durchlässige Schicht, die die Anode von der Kathode trennt, um Kurzschlüsse zu vermeiden, während sie gleichzeitig den Ionenfluss zulässt.

Elektrische Konfiguration

Um ein Batteriepack zu bilden, werden mehrere Zellen in bestimmten Anordnungen verbunden. Es gibt zwei Hauptkonfigurationsarten:

• Serienschaltung (Reihenschaltung): Bei dieser Anordnung werden die Zellen hintereinander geschaltet. Der Pluspol einer Zelle ist mit dem Minuspol der nächsten verbunden. Diese Konfiguration erhöht die Spannung des Batteriepacks. Wenn jede Zelle z.B. 2 Volt hat und 6 Zellen in Serie geschaltet werden, beträgt die Gesamtspannung des Packs 12 Volt.

• Parallelschaltung: Hierbei sind alle Pluspole der Zellen miteinander verbunden und alle Minuspole ebenso. Diese Konfiguration erhöht die Kapazität (mAh bzw. Wh) des Batteriepacks, wobei die Spannung gleich der Spannung einer einzelnen Zelle bleibt. Wenn jede Zelle z.B. eine Kapazität von 2500 mAh hat und 4 Zellen parallel geschaltet werden, beträgt die Gesamtkapazität 10.000 mAh.

In vielen Batteriepacks werden beide Konfigurationsarten kombiniert, um sowohl eine höhere Spannung als auch eine höhere Kapazität zu erreichen.

Batterie-Management-System (BMS)

Ein wichtiges Element eines modernen Batteriepacks ist das Batterie-Management-System (BMS). Das BMS überwacht und steuert den Lade- und Entladeprozess jeder Zelle, um Überladung, Tiefentladung und Überhitzung zu verhindern. Es sorgt für ein Balancing der Zellen, um sicherzustellen, dass alle Zellen gleichmäßig geladen und entladen werden, was die Lebensdauer und die Sicherheit des Batteriepacks erhöht.

Gehäuse und Anschlüsse

Das gesamte Batteriepack ist in einem robusten Gehäuse untergebracht, das Schutz vor mechanischen Beschädigungen, Feuchtigkeit und Staub bietet. Das Gehäuse enthält oft Kühlvorrichtungen, um die durch den Betrieb entstehende Wärme abzuleiten. Die elektrischen Anschlüsse des Batteriepacks sind so ausgelegt, dass sie einfach und sicher mit den Verbrauchern oder Ladegeräten verbunden werden können.

Funktionsweise

Beim Entladen gibt die Batterie chemische Energie in Form von elektrischer Energie ab. Ionen bewegen sich durch den Elektrolyten von der Anode zur Kathode, während Elektronen durch den externen Stromkreis fließen, um Arbeit zu verrichten, z.B. ein Gerät zu betreiben.

Beim Laden wird dieser Prozess umgekehrt: Elektrische Energie wird verwendet, um Ionen zurück zur Anode zu bewegen und die chemische Energie wieder aufzuladen.

Kapazitätsangaben

Bei Kapazitätsangaben haben sich grundsätzlich zwei verschiedene Arten durchgesetzt. Einerseits die Angabe von Wattstunden (Wh), bzw. Kilowattstunden (kWh). Dies bezieht sich auf die Leistung über die Zeit.

Die andere, sehr übliche Angabe, ist die Angabe der Amperestunden (Ah), bzw. der Milliamperestunden (mAh). Hierbei bezieht sich die Angabe des Stroms auf die Nennspannung der Batterie.

Beispiel - Powerbank

Eine Powerbank hat eine Kapazitätsangabe $C$ von 10.000 mAh bzw. 37 Wh. Aus diesen beiden Angaben kann bereits herausgelesen werden, dass die indivuelle Zellenspannung 3,7 V ist. Dieser Wert ist sehr typisch für eine LiIon-Batterie.

Umgerechnet werden können die Angaben ineinander, indem sinngemäß $P=U\cdot I$ angewendet wird. und sich ergibt

$W=P\cdot t=U\cdot I\cdot t=3,7V\cdot 10.000mAh=37.000mVAh=37VAh=37Wh$ Wird die Powerbank dazu verwendet, um ein Handy mit einer Spannung von 5 V zu laden, so kann - unter der Vernachlässigung von Verlusten - gerechnet werden mit

$W=U\cdot I\cdot t$

entsprechend kann dies umgestellt werden zu:

$I\cdot t=\frac{W}{U}=\frac{37Wh}{5V}=7400mA{h}_{\text{bei 5V}}$

Fazit

Ein Batteriepack ist ein komplexes, gut abgestimmtes System, das aus mehreren elektrochemischen Zellen besteht, die in spezifischen Konfigurationen zusammengeschaltet sind. Ein effektives BMS und ein gut konzipiertes Gehäuse sind entscheidend für die sichere und effiziente Nutzung des Batteriepacks. Diese Konstruktion ermöglicht es, die Anforderungen an Spannung und Kapazität für verschiedene Anwendungen, wie z.B. Elektrofahrzeuge oder tragbare elektronische Geräte, zu erfüllen.

Quellen

• Teile dieses Textes wurden durch eine KI generiert und manuell überarbeitet.
• Andere Teile dieses Textes wurden vollständig manuell erstellt.