Temperaturverhalten von Batterien: Lebensdauer und Kapazität schützen

Eine Batterie, die ihre Nennkapazität im Labor erreicht, kann in einem kalten Telekommunikationsschutzraum weniger Energie liefern oder in einem heißen USV-Schaltschrank schneller altern. Käufer betrachten die Temperatur oft als einfache Umgebungsbedingung. Die Zelltemperatur verändert jedoch die Ladegrenzen, die verfügbare Leistung und die Lebensdauer. Eine passende Spezifikation muss die gesamte Betriebsumgebung berücksichtigen, nicht nur die Nennkapazität.

## Was sich durch die Temperatur ändert

Die Temperatur beeinflusst die elektrochemischen Reaktionen in einer Zelle. Kälte verlangsamt sie, erhöht den Innenwiderstand und verringert die an den Anschlüssen verfügbare Energie und Leistung. Wärme kann die Leistung bei kalter Witterung vorübergehend verbessern, anhaltend hohe Temperaturen beschleunigen jedoch den Abbau und können die Sicherheitsrisiken erhöhen. Die Auswirkungen hängen von der Zellchemie, dem Zelldesign, dem Strom und dem Wärmemanagement ab.

Für LiFePO4-Batterien gilt als gängiger Planungsbereich ungefähr 0 °C bis 45 °C beim Laden und -20 °C bis 60 °C beim Entladen. Diese Grenzen sind jedoch nicht allgemein gültig. Maßgeblich sind die Spezifikationen des Batterieherstellers und die Schutzfunktionen des BMS. Wird eine Lithium-Ionen-Zelle unterhalb der zulässigen Temperatur geladen, kann es zu Lithiumabscheidung kommen, die die Kapazität dauerhaft verringern oder interne Schäden verursachen kann.

## Laden, Entladen und Lagerung

Kälte schränkt vor allem das Laden ein. Ein Batteriepack muss möglicherweise den Ladestrom reduzieren oder den Ladevorgang unterbrechen, bis sich die Zellen erwärmt haben. Ein ungünstig platzierter Temperatursensor kann eine kalte Zelle übersehen. Prüfen Sie deshalb die Sensorposition und Messgenauigkeit sowie, ob das BMS den Ladevorgang anhand der Zelltemperatur und nicht anhand der Lufttemperatur im Gehäuse sperrt.

Hohe Temperaturen können die Zyklenlebensdauer verkürzen, selbst wenn die Batterie innerhalb ihres angegebenen Betriebsbereichs bleibt. Die kombinierte Belastung durch Wärme, einen hohen SOC und häufiges Laden mit hohem Strom kann schädlicher sein als jeder einzelne Faktor. Halten Sie sich bei längerer Lagerung an die Empfehlungen des Lieferanten zu SOC und Temperatur. Lassen Sie ein vollständig geladenes Batteriepack nicht in einer heißen Umgebung stehen.

Auch die Entladeleistung ist temperaturabhängig. Bei niedrigen Temperaturen können die verfügbare Kapazität und der Spitzenstrom sinken; der Spannungseinbruch kann eine Unterspannungsabschaltung früher auslösen. Dimensionieren Sie Systeme für USV-Kaltstarts oder Marineanwendungen anhand der benötigten Leistung bei der niedrigsten erwarteten Zelltemperatur und nicht nur anhand der Amperestunden bei Raumtemperatur.

## Praktische Maßnahmen für Käufer

- Fordern Sie getrennte Temperaturgrenzen für Laden, Entladen und Lagerung an, die genau für die jeweilige Zelle und Packkonfiguration gelten.

- Prüfen Sie die C-Raten-Grenzwerte für Laden und Entladen über den erwarteten Temperaturbereich, einschließlich möglicher Derating-Kurven.

- Vergewissern Sie sich, dass das BMS die Zelltemperatur erfasst, das Laden sperrt oder den Strom begrenzt und Alarme an die Systemsteuerung meldet.

- Legen Sie Heizung, Belüftung oder Kühlung fest, wenn die Installation den zugelassenen Bereich überschreiten kann, und prüfen Sie die Leistung bei den kältesten und heißesten Auslegungsbedingungen.

- Prüfen Sie die Garantiebedingungen zu Umgebungstemperatur, Betriebs-SOC, DoD und Zyklenprofil.

Ein aussagekräftiger Vergleich ist ein LiFePO4-Pack mit 100 Ah, dessen Werte für 25 °C angegeben sind, gegenüber demselben Pack im Betrieb nahe 0 °C. Die Nennkapazität beträgt weiterhin 100 Ah, doch der Lieferant kann nahe dem Gefrierpunkt eine geringere nutzbare Kapazität und einen niedrigeren zulässigen Ladestrom angeben. Unterhalb der zugelassenen Ladetemperatur kann der Ladevorgang vollständig gesperrt werden. Fordern Sie Messwerte für Kapazität und Leistung sowie Ladegrenzwerte bei Ihren Auslegungstemperaturen an, statt pauschale Abschläge anzusetzen.

## Temperatur bei der Systemauslegung

Passen Sie bei Solarspeichern die Ladegrenzen der Batterie an Wechselrichter und Ladeprofil an, besonders an kalten Morgen, wenn die Solarleistung ansteigen kann, bevor sich das Pack erwärmt. Prüfen Sie in Telekommunikations- und USV-Installationen die Gehäusetemperatur, Belüftung, nahe gelegene Wärmequellen und die Überbrückungszeit bei den saisonalen Extremwerten am Standort. Berücksichtigen Sie bei Antriebs- und Marinesystemen den Arbeitszyklus, die Luftführung im Gehäuse und den wiederholten Betrieb mit hohem Strom.

Nutzen Sie bei der Leistungsbewertung SOC- und SOH-Daten zusammen mit dem Temperaturverlauf. Der SOC gibt den aktuellen Ladezustand an, während der SOH den verbleibenden Gesundheitszustand schätzt. Keiner der beiden Werte ersetzt temperaturabhängige Grenzwerte. Ein Batterieüberwachungssystem, das Zelltemperaturen, Strom, Spannung und Alarme aufzeichnet, kann helfen, temperaturbedingtes Derating von Kapazitätsverlust oder einem unterdimensionierten Pack zu unterscheiden.

Fordern Sie beim Einkauf das Datenblatt und die Prüfbedingungen für die angegebene Zyklenlebensdauer an. Sie hängt von DoD, C-Rate, Temperatur und den Kapazitätskriterien am Lebensende ab. Ohne diese Bedingungen lässt sich ein Kennwert nur schwer vergleichen. Prüfen Sie die geltenden Transport- und Produktanforderungen, einschließlich UN38.3 für den Transport von Lithiumbatterien sowie, sofern für das System relevant, die Zertifizierung nach IEC 62619 oder UL 1973.

Newbeebattery ist Partner für kundenspezifische OEM/ODM-Packs und stimmt Zellenauswahl, BMS-Einstellungen und thermische Auslegung auf die Anforderungen von Telekommunikation, USV, Solarenergie, Marineanwendungen und weiteren Einsatzbereichen ab. Teilen Sie bei der Packauslegung die minimale und maximale Zelltemperatur, die erforderliche Laufzeit, das Ladeprofil und die Installationsbeschränkungen mit.

## Fazit

Das Temperaturverhalten einer Batterie ist eine Auslegungsgröße und keine Fußnote. Legen Sie realistische Zelltemperaturgrenzen fest, prüfen Sie das temperaturabhängige Lade- und Entladeverhalten und stellen Sie sicher, dass BMS und Wärmedesign diese Grenzen einhalten. So erhalten Käufer eine verlässlichere Grundlage für den Vergleich von Kapazität, Zyklenlebensdauer und Gesamtbetriebskosten.