C-Rate von Lithiumbatterien erklärt: Auslegung für reale Lasten

Eine Batterie kann auf dem Papier genügend Amperestunden haben und sich unter Last dennoch abschalten. Das passiert häufig, wenn Käufer Kapazitäten vergleichen, ohne die Entladegrenzen der Zellen und des BMS zu prüfen. Wer die C-Rate von Lithiumbatterien praktisch versteht, kann die Batterie sowohl auf die Laufzeit als auch auf den Spitzenstrom auslegen.

## Bedeutung der C-Rate Die C-Rate gibt den Lade- oder Entladestrom im Verhältnis zur Nennkapazität einer Batterie an. Bei einer Batterie mit 100 Ah entsprechen 1C einem Strom von 100 A, 0,5C einem Strom von 50 A und 2C einem Strom von 200 A. Dabei handelt es sich um Stromberechnungen, nicht um die Garantie, dass eine bestimmte Batterie diesen Strom sicher liefern kann.

Die grundlegende Beziehung lautet: Strom (A) = Kapazität (Ah) × C-Rate. Um die für eine Last erforderliche Rate abzuschätzen, teilen Sie deren Stromaufnahme durch die Batteriekapazität. Eine Last von 60 A an einer 100-Ah-Batterie entspricht 0,6C. Bei einer Last mit konstantem Strom ergibt sich die ideale Laufzeit in Stunden ungefähr aus der Kapazität geteilt durch den Strom. Die tatsächliche Laufzeit hängt jedoch von der nutzbaren Kapazität, der Temperatur, den Spannungsgrenzen und den Entladebedingungen ab.

## Auf Dauer- und Spitzenlasten auslegen Ermitteln Sie zunächst den maximalen Dauerstrom des Geräts sowie den kurzzeitigen Anlauf- oder Einschaltstrom. Motoren, Wechselrichter, Pumpen und Sender können für kurze Zeit deutlich mehr Strom aufnehmen als im stabilen Betrieb. Prüfen Sie, wie lange die Spitze anhält und wie oft sie auftritt; die zulässige Spitzenstromangabe einer Batterie gilt möglicherweise nur für eine bestimmte Anzahl von Sekunden.

- Erfassen Sie Dauerleistung, Spitzenleistung, Betriebsspannung und den erwarteten Arbeitszyklus.

- Rechnen Sie die Leistung in Strom um: Der Strom (A) entspricht ungefähr der Leistung (W) geteilt durch die Batteriespannung (V). Verwenden Sie für eine konservative Abschätzung die niedrigste Betriebsspannung.

- Vergleichen Sie den berechneten Strom mit den Dauer- und Impulsentladewerten der Zellen sowie den Grenzwerten des BMS.

- Planen Sie zusätzliche Kapazität für die erforderliche Laufzeit, Reserven, Alterung und temperaturbedingte Leistungsreduzierung ein, statt die Spitzenstromangabe als Laufzeitschätzung zu verwenden.

Ein Wechselrichter mit 24 V, der 1.200 W liefert, nimmt beispielsweise bei Nennspannung etwa 50 A auf, also ungefähr 0,5C aus einer 100-Ah-Batterie. Sinkt die Spannung auf 20 V, steigt der Strom vor Berücksichtigung der Umwandlungsverluste auf etwa 60 A; durch Einbeziehung des Wechselrichterwirkungsgrads steigt er weiter. Ein Motor mit einem Anlaufstrom von 100 A erfordert außerdem eine separate Prüfung des Spitzenstroms.

## Technische Daten auf gleicher Grundlage vergleichen Betrachten Sie zwei LiFePO4-Akkupacks mit nominal 25,6 V und 100 Ah. Pack A ist für 100 A Dauerentladung und einen Spitzenstrom von 200 A für 5 Sekunden ausgelegt. Pack B ist für 150 A Dauerentladung und einen Spitzenstrom von 250 A für 10 Sekunden ausgelegt. Beide speichern nominal etwa 2,56 kWh, aber Pack B unterstützt eine höhere Dauerlast und eine längere angegebene Spitzenlast. Keine der beiden Spitzenstromangaben belegt für sich allein die Kompatibilität: Prüfen Sie das Abschaltverhalten des BMS, die Zellgrenzwerte, den Temperaturbereich und die Dauer des Gerätespitzenstroms.

Ein aussagekräftiger Spezifikationsvergleich sollte neben der Kapazität und den Prüfbedingungen den Dauer- und Impulsstrom, die Impulsdauer, die Abschaltspannung, die Betriebstemperatur und die empfohlene DoD angeben. Eine Entladeangabe von 1C ist beispielsweise unvollständig, wenn der Lieferant nicht angibt, ob sie für den Dauerbetrieb gilt, welche Abschaltspannung zugrunde liegt oder ob die Grenze durch die Zellen oder das BMS bestimmt wird. Fordern Sie Entladekurven an, wenn die Laufzeit bei wechselnder Last wichtig ist.

## Betriebsbedingungen und Systemlebensdauer prüfen Höhere Entladeraten verstärken den Spannungseinbruch und die Wärmeentwicklung; außerdem kann die verfügbare Kapazität mit zunehmendem Strom sinken. Niedrige Temperaturen können die Leistungsabgabe zusätzlich begrenzen, insbesondere beim Laden. Stimmen Sie die Batterie auf das tatsächliche Lastprofil und die Umgebungsbedingungen ab und bestätigen Sie die Stromgrenzwerte des Herstellers für den gesamten erforderlichen Temperaturbereich.

Eine Batterie, die die Anforderungen an Spitzenlasten erfüllt, kann für den täglichen Betrieb trotzdem falsch dimensioniert sein. Häufige Entladungen mit hoher Rate können die Zyklenlebensdauer beeinträchtigen, während eine größere DoD in der Regel pro Zyklus mehr von der Nennenergie nutzt. Halten Sie eine Reservekapazität vor, wenn die Anwendung sie erfordert, und prüfen Sie den Bedarf an SOC- und SOH-Überwachung, damit Betreiber Ladezustand und Batteriezustand dauerhaft verfolgen können.

Prüfen Sie bei installierten Systemen, ob Ladegeräteeinstellungen, Unterspannungsabschaltungen des Wechselrichters, Verkabelung, Sicherungen und Steckverbinder für Spannung und Strom der Batterie geeignet sind. Ein Hochstrom-Akkupack kann weder eine zu knapp dimensionierte Verkabelung noch ein BMS ausgleichen, das unterhalb der Lastspitze abschaltet. Fordern Sie bei gewerblichen Beschaffungen die geltenden Transport- und Produktunterlagen an, darunter Nachweise der UN38.3-Prüfung und einschlägige IEC-62619- oder UL-1973-Zertifizierungen für den vorgesehenen Markt und Einsatzbereich.

## Fragen vor der Bestellung klären - Ist der angegebene Entladestrom ein Dauerstrom, ein Impulsstrom oder beides, und wie lange dauert der Impuls?

- Wie hoch sind der maximale BMS-Strom und die Abschaltschwellen, und wie verhält sich das System beim Wiederanlauf?

- Wie verändern sich Kapazität und Leistungsabgabe bei den minimalen und maximalen Projekttemperaturen?

- Wie lauten MOQ und Lieferzeit, und welche Validierungsmuster sowie Änderungsregelungen gelten für eine kundenspezifische Konfiguration?

Bei anwendungsspezifischen Anforderungen an Spannung, Strom, Kommunikation, Gehäuse oder Steckverbinder kann Newbeebattery als OEM/ODM-Partner für kundenspezifische Akkupacks tätig sein. Stimmen Sie das Design vor der Produktionsbestellung mit dem Lastprofil des Geräts und den erforderlichen Konformitätsanforderungen ab.

Die C-Rate ist ein Parameter für die Auslegung und kein eigenständiges Maß für die Batteriequalität. Berechnen Sie Dauer- und Spitzenstrom und prüfen Sie anschließend die Werte für Zellen und BMS anhand der Projektanforderungen an Spannung, Temperatur, Laufzeit und Zertifizierung. So erhalten Sie eine zuverlässigere Spezifikation, als wenn Sie nur nach der Kapazität auswählen.