Batteriebündel

Ein Batteriepack ist eine Zusammenfassung einzelner Batteriezellen, die in Reihen-, Parallelschaltung oder einer Kombination aus beiden verbunden sind. Es soll elektrische Energie mit einer festgelegten Spannung und Kapazität an eine Last oder ein Gerät liefern. Die Zellen werden normalerweise in einem Kunststoff- oder Metallgehäuse untergebracht mit Anschlüssen, und in modernen industriellen Anwendungen fast immer mit einem Batterieverwaltungssystem (BMS) gekoppelt, das die Zellgesundheit, Temperatur und den Ladezustand überwacht.

Die Schaltungsart bestimmt die elektrische Leistung. Reihenschaltung multipliziert die Spannung: vier Lithium-Ionen-Zellen mit je 3,7V in Reihe ergeben 14,8V. Parallelschaltung multipliziert die Kapazität und Strombelastbarkeit bei gleichbleibender Spannung: vier Zellen parallel geschaltet mit 3,7V liefern immer noch 3,7V, aber die vierfache Amperestundenkapazität. Industriepacks verwenden oft eine gemischte Topologie, manchmal 2S2P genannt (zwei Reihenketten, jede Kette mit zwei parallel geschalteten Zellen), um Spannung, Kapazität und Stromabgabe gegen Kosten und Wärmebewirtschaftung auszugleichen.

Übliche Chemien und praktische Grenzen

Lithium-Ionen beherrschen heute industrielle Batterypacks wegen der hohen Energiedichte, etwa 150 bis 250 Wattstunden pro Kilogramm je nach Chemie. Ältere Blei-Säure-Packs, noch in unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Notleuchten anzutreffen, liefern etwa 40 bis 50 Wattstunden pro Kilogramm, kosten aber wesentlich weniger und vertragen physikalische Belastungen besser. Nickel-Metallhydrid-Packs kommen in einigen industriellen Akkuwerkzeugen und Hybridfahrzeugen vor. Die Chemiewahl bestimmt Zyklenzahl, Selbstentladungsrate, Betriebstemperaturbereich und Sicherheitsverhalten bei Fehlerzuständen.

Das Batterieverwaltungssystem ist in modernen Industriepacks nicht optional. Es misst einzelne Zellspannungen, Packstrom und Temperatur mit Widerstands-Messnetzwerken und Thermistoren. Das BMS erzwingt maximale Ladespannung, verhindert Überentladung, gleicht Zellspannungen aus um Verschleiß auszugleichen, und unterbricht die Stromzufuhr, wenn eine Zelle sichere Betriebsgrenzen überschreitet. Ohne diese Schutzvorrichtungen können Lithium-Ionen-Zellen in thermisches Durchgehen geraten, eine Kettenreaktion die Wärme erzeugt, Ausgasungen und gelegentlich Brand verursacht.

Batterypacks sind überall in der Industrietechnik anzutreffen, wo tragbare oder vorübergehende Stromversorgung gefordert ist: Gabelstapler, Elektrofahrzeuge, Backup-Stromsysteme, Elektrowerkzeuge und Notleuchten. Die Nutzungsdauer eines Packs wird in Ladezyklen gemessen, typisch 500 bis 3000 Zyklen für Lithium-Ionen je nach Entladettiefe und Betriebstemperatur. Die Kapazität lässt irreversibel nach, wenn das Elektrolyt degradiert und die Elektroden Widerstand entwickeln; ein Pack gilt oft als Lebensende erreicht, wenn die Kapazität auf 80 Prozent der Originalkapazität fällt, obwohl einige Anwendungen weitere Degradation tolerieren.