LiFePO4-Spannungsdiagramm: Ein umfassender Leitfaden

Übersicht über die LiFePO4 -Batteriespannung

Lithium-Eisenphosphat-Batterien ( LiFePO4 ) werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, langen Lebensdauer und hohen Sicherheit bevorzugt in den Bereichen Elektrofahrräder, Elektrofahrzeuge, Gabelstapler, Schiffsanwendungen, AGVs und Bodenkehrmaschinen eingesetzt. Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung sind Lifepo4-Batterien die bevorzugte Wahl für Hochleistungsanwendungen geworden. Sie bieten stabile Spannung, konstante Leistungsabgabe und einen breiten Betriebstemperaturbereich. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Spannungsdiagramm von Lifepo4-Batterien und Lifepo4 im Vergleich zu NMC (Nickel-Mangan-Kobalt).

Was ist ein LiFePO4-Spannungsdiagramm?

Ein LiFePO4 -Batteriespannungsdiagramm zeigt normalerweise die für LiFePO4- Batterien spezifische Entladekurve. Die Spannung variiert je nach Kapazität von 100 % bis 0 %.

SOC	12V	24 V	36 V	48 V	100 % Ladung
100%	3,65 V	14,6 V	29,2 V	43,8 V	58,4 V
100 % Ruhe	3,4 V	13,6 V	27,2 V	40,8 V	58,4 V
90 %	3,35 V	13,4 V	26,8 V	40,2 V	53,6 V
80 %	3,32 V	13,28 V	26,56 V	39,84 V	53,12 V
70 %	3,3 V	13,2 V	26,4 V	39,6 V	52,8 V
60 %	3,27 V	13,08 V	26,16 V	39,24 V	52,32 V
50 %	3,26 V	13,04 V	26,08 V	39,12 V	52,16 V
40 %	3,25 V	13 V	26 V	39 V	52 V
30 %	3,22 V	12,88 V	25,76 V	38,64 V	51,52 V
20 %	3,2 V	12,8 V	25,6 V	38,4 V	51,2 V
10 %	3V	12V	24 V	36 V	48 V
0 %	2,5 V	10 V	20 V	30 V	40 V

Entladeschlussspannung der LiFePO4-Batterie: 2,5 V

Erhaltungsladespannung der LiFePO4-Batterie: 3,65 V

Nennspannung der LiFePO4-Batterie: 3,2 V

Lade- und Entladespannungsdiagramm für 3,2-V- LiFePO4 -Akkus

Lade- und Entladespannungsdiagramm für 12-V-LiFePO4- Zellen

12-V-100-Ah-LiFePO4-Batterien stellen eine erhebliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen 12-V-Blei-Säure-Batterien dar. Sie gelten als eine der sichersten Optionen für netzunabhängige Solarsysteme. Bei voller Ladung erreicht die Batteriespannung 14,6 V, während sie bei vollständiger Entladung auf 10 V abfällt. Das folgende Spannungsdiagramm veranschaulicht den Spannungsabfall im Verhältnis zur Batteriekapazität für eine 12-V-LiFePO4-Batterie:

Kapazität	Batteriespannung
100%	14,6 V
90 %	13,4 V
80 %	13,28 V
70 %	13,2 V
60 %	13,08 V
50 %	13,04 V
40 %	13 V
30 %	12,88 V
20 %	12,8 V
10 %	12V
0 %	10 V

Entladeschlussspannung der LiFePO4-Batterie: 10 V
Erhaltungsladespannung der LiFePO4-Batterie: 14,6 V
Nennspannung der LiFePO4-Batterie: 12,8 V

Lade- und Entladespannungsdiagramm für 24-V-LiFePO4- Zellen

Kapazität	Batteriespannung
100%	29,2 V
90 %	26,4 V
80 %	26,16 V
70 %	26 V
60 %	25,76 V
50 %	25,6 V
40 %	25,2 V
30 %	24,96 V
20 %	24,8 V
10 %	24 V
0 %	20 V

Entladeschlussspannung der LiFePO4-Zelle: 20 V
Erhaltungsladespannung der LiFePO4-Zelle: 29,2 V
Nennspannung der LiFePO4-Zelle: 25,6 V

Lade- und Entladespannungsdiagramm für 36-V-LiFePO4- Zellen

Sie können entweder eine 36-V-LiFePO4-Batterie kaufen oder drei identische 12-V-LiFePO4-Batterien erwerben und diese in Reihe schalten. Bei voller Ladung erreichen diese Batterien eine Spannung von 43,8 V und sinken beim Entladen auf 30 V.

Kapazität	Batteriespannung
100%	43,8 V
90 %	39,6 V
80 %	39,48 V
70 %	39,2 V
60 %	38,88 V
50 %	38,4 V
40 %	38 V
30 %	37,44 V
20 %	37,2 V
10 %	36 V
0 %	30 V

Entladeschlussspannung der LiFePO4-Batterie: 30 V
Erhaltungsladespannung der LiFePO4-Batterie: 43,8 V
Nennspannung der LiFePO4-Batterie: 38,4 V

 

Lade- und Entladespannungsdiagramm für 48-V-LiFePO4- Zellen

In größeren Solarstromanlagen werden üblicherweise 48-V-Batterien verwendet. Diese Hochspannungs-Solarsysteme halten die Stromstärke effektiv niedrig, was zu erheblichen Einsparungen bei den Kosten für Ausrüstung und Verkabelung führt.

Kapazität	Batteriespannung
100%	58,4 V
90 %	52,8 V
80 %	52,32 V
70 %	52 V
60 %	51,52 V
50 %	51,2 V
40 %	50,4 V
30 %	49,92 V
20 %	49,6 V
10 %	48 V
0 %	40 V

Entladeschlussspannung der LiFePO4-Batterie: 40 V
Erhaltungsladespannung der LiFePO4-Batterie: 58,4 V
Nennspannung der LiFePO4-Batterie: 51,2 V

Welche Beziehung besteht zwischen dem Ladezustand (SOC) und der Spannung des SOC?

SOC (%)	Spannung (V)
100%	3,65
90 %	3,50
80 %	3,40
70 %	3,30
60 %	3,20
50 %	3,15
40 %	3,10
30 %	3,05
20 %	3,00
10 %	2,90
0 %	2,50

Ladezustandskurve

Spannung: Je höher die Nennspannung des Akkus, desto vollständiger wird er geladen. Beispielsweise gilt ein LiFePO4-Akku mit einer Nennspannung von 4V als deutlich vollgeladen, wenn er eine Spannung von 3,65V erreicht.

Coulomb-Zähler: Er misst den Stromfluss in die und aus der Batterie und quantifiziert die Lade- und Entladeraten der Batterie in Amperesekunden (As).

Spezifisches Gewicht: Zur Messung des Spezifischen Gewichtes benötigen Sie ein Hydrometer. Es funktioniert, indem es die Dichte einer Flüssigkeit anhand des Auftriebs misst.

Ladeparameter für Lithium-Eisenphosphat-Batterien

Hier sind die Ladeparameter für LiFePO4-Batterien, einschließlich verschiedener Spannungsarten wie Ladespannung, Erhaltungsspannung, Maximalspannung/Minimalspannung und Nennspannung. Die folgende Tabelle enthält die Ladeparameter für LiFePO4-Batterien mit Spannungen von 3,2 V, 12 V, 24 V, 36 V und 48 V.

Nennspannung	Ladespannung	Erhaltungsspannung	Maximale Spannung	Minimale Spannung
3,2 V	3,65 V	3,50 V	3,80 V	2,00 V
12V	14,6 V	13,8 V	15,6 V	8,00 V
24 V	29,2 V	27,6 V	31,2 V	16,00 V
36 V	43,8 V	41,4 V	46,8 V	24,00 V
48 V	58,4 V	55,2 V	62,4 V	32,00 V

Entladekurve der LiFePO4-Batterie

Unter Entladung versteht man den Vorgang, bei dem einer Batterie elektrische Energie entzogen wird, um elektronische Geräte mit Strom zu versorgen. Eine Entladekurve einer Batterie stellt typischerweise die Beziehung zwischen Spannung und Entladezeit dar. Die folgende Grafik zeigt die Entladekurven einer 12-V-LiFePO4-Batterie bei unterschiedlichen Entladeraten.

Wie groß ist der Kapazitätsbereich von Lithium-Eisenphosphat-Batterien?

Der Kapazitätsbereich von LiFePO4-Batterien variiert je nach Modell und Hersteller. Übliche Kapazitäten für LiFePO4-Batterien sind 4 Ah, 10 Ah, 20 Ah, 50 Ah, 100 Ah, 150 Ah usw. Eine Erhöhung der Anzahl parallel geschalteter LiFePO4-Batterien führt zu einer höheren Gesamtkapazität. Darüber hinaus erhöht eine Erhöhung der Anzahl in Reihe geschalteter LiFePO4-Batterien die Gesamtspannung des Batteriepakets.

Vergleich der Parameter zwischen LiFePO4- und Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen)

Parameter	NMC (Nickel-Mangan-Kobalt)	LFP (Lithium-Eisenphosphat)
Nennspannung	3,6 V	3,2 V
Ladespannung	4,2 V	3,65 V
Minimale Spannung	2,5 V	2,5 V
Maximale Spannung	4,2 V	3,65 V
Batteriekapazität (mAh/g)	~195	~145
Energiedichte (Wh/kg)	~240	~170
Lebensdauer	3000	5000
Thermische Stabilität und Sicherheit	150-200°C	300°C

Parameter	LiFePO4 (Lithium-Eisenphosphat)	Li-Ionen (Lithium-Ionen)
Nennspannung	Typischerweise 3,2 V pro Zelle	Typischerweise 3,6 V bis 3,7 V pro Zelle
Energiedichte	Geringer im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien	Höher im Vergleich zu LiFePO4-Batterien
Lebensdauer	Längere Lebensdauer, typischerweise über 2000 Zyklen	Relativ kürzere Zyklenlebensdauer, typischerweise etwa 500-1000 Zyklen
Sicherheit	Gilt als sicherer und stabiler	Erfordert zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen
Temperaturverhalten	Bessere Leistung bei extremen Temperaturen	Empfindlich gegenüber hohen Temperaturen
Kosten	Generell höhere Kosten	Relativ geringere Kosten
Anwendungen	Elektrofahrzeuge, Speicherung erneuerbarer Energien, medizinische Geräte	Tragbare elektronische Geräte, Elektrowerkzeuge, Unterhaltungselektronik

Visuelle Energiestruktur und Funktionsprinzip der LiFePO4-Batterie

Struktur

Auf der rechten Seite dient LiFePO4 als positive Elektrode der Batterie und ist über Aluminiumfolie mit dem Pluspol der Batterie verbunden. In der Mitte trennt ein Polymerseparator die positiven und negativen Elektroden. Er lässt Lithiumionen (Li+) passieren, verhindert aber den Durchgang von Elektronen (e-). Auf der linken Seite besteht die negative Elektrode der Batterie aus Kohlenstoff (Graphit) und ist über Kupfer mit dem Minuspol der Batterie verbunden.

Arbeitsprinzip

Während des Ladevorgangs:

1. LiFePO4 durchläuft eine Oxidationsreaktion, bei der Lithiumionen (Li+) und Elektronen (e-) freigesetzt werden.
2. Lithiumionen (Li+) bewegen sich durch den Elektrolyten und den Separator und erreichen die negative Elektrode.
3. An der negativen Elektrode werden die Lithiumionen (Li+) in der Kohlenstoffstruktur (Graphit) gespeichert.

Während des Entladens:

1. Die an der negativen Elektrode gespeicherten Lithiumionen (Li+) wandern durch den Elektrolyten und den Separator zurück zur positiven Elektrode.
2. An der positiven Elektrode reagieren die Lithiumionen (Li+) mit dem LiFePO4, es kommt zu einer Reduktionsreaktion und zur Freisetzung von Elektronen (e-).
3. Die freigesetzten Elektronen (e-) fließen durch den externen Schaltkreis und erzeugen elektrische Energie zum Betreiben von Geräten.
4. Beim Laden und Entladen der Batterie wechseln die Lithiumionen (Li+) und Elektronen (e-) kontinuierlich hin und her.

So messen Sie die Kapazität einer LiFePO4-Batterie

Stellen Sie sicher, dass der Akku vollständig aufgeladen ist: Verwenden Sie ein mit dem Akku kompatibles Ladegerät und laden Sie ihn vollständig auf.

Verwenden Sie Spezialgeräte: Nutzen Sie einen speziellen Batterietester (Multimeter), um genaue Messwerte zu erhalten und die tatsächliche Kapazität der Batterie zu bestimmen.

Führen Sie einen Entladetest durch: Schließen Sie die Batterie an eine konstante Last an, die innerhalb des sicheren Betriebsbereichs der Batterie liegt. Notieren Sie die Entladezeit, um sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb des gewünschten Zeitrahmens vollständig entladen wird (bis die Mindestspannung erreicht ist).

Berechnen Sie die Kapazität: Verwenden Sie die folgende Formel, um die Batteriekapazität zu berechnen: Kapazität (Ah) = Entladestrom (A) x Entladezeit (Stunden).

Wenn sich die Batterie beispielsweise 1 Stunde lang mit 5 Ampere entlädt, beträgt die Kapazität 5 Ah.

Lebensdauer und Faktoren, die sich auf die LiFePO4-Batterie auswirken

Laden und Entladen

Die Batterie darf nicht überladen oder überentladen werden. Es ist wichtig, das Ladegerät umgehend anzuschließen und zu trennen. Überladen und Überentladen können die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen.

Wie kann die Lebensdauer der LiFePO4-Batterie verlängert werden?

Um die Lebensdauer einer LiFePO4-Batterie zu verlängern, beachten Sie die folgenden Tipps:

1. Optimale Temperatur: LiFePO4-Batterien funktionieren am besten in einem gemäßigten Temperaturbereich. Vermeiden Sie es, sie extremen Temperaturen auszusetzen, sowohl hohen als auch niedrigen, da dies die Batterieleistung negativ beeinflussen und die Lebensdauer verkürzen kann. Lagern und verwenden Sie die Batterie in einer temperaturkontrollierten Umgebung.
2. Richtiges Laden: Laden Sie den LiFePO4-Akku mit einem Ladegerät, das speziell für die Chemie von LiFePO4 entwickelt wurde. Befolgen Sie die Empfehlungen des Herstellers hinsichtlich Ladespannung und Stromgrenzen. Vermeiden Sie ein zu schnelles Laden des Akkus oder mit hohen Strömen, da dies zu übermäßiger Hitze führen und den Akku möglicherweise beschädigen kann.
3. Überentladung vermeiden: LiFePO4-Batterien sollten nicht regelmäßig vollständig oder tief entladen werden. Überentladung kann zu irreversiblen Schäden führen und die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen. Halten Sie die Entladetiefe (DoD) möglichst unter 80 %.
4. Regelmäßige Wartung: Führen Sie eine regelmäßige Wartungsroutine für Ihre LiFePO4-Batterie durch. Dazu gehört, die Batteriespannung regelmäßig zu überprüfen, die richtigen Anschlüsse sicherzustellen und die Anschlüsse bei Bedarf zu reinigen. Eine ordnungsgemäße Wartung kann dazu beitragen, Probleme frühzeitig zu erkennen und eine optimale Leistung sicherzustellen.
5. Ausgewogenes Laden: Wenn Sie LiFePO4-Batterien in einer Mehrzellenkonfiguration verwenden, verwenden Sie ein ausgewogenes Ladesystem. Dadurch wird sichergestellt, dass jede Zelle im Batteriepack gleichmäßig geladen und entladen wird. So werden Zellungleichgewichte vermieden, die zu einer verringerten Kapazität und Lebensdauer führen können.
6. Vermeiden Sie physische Schäden: Gehen Sie vorsichtig mit LiFePO4-Batterien um und vermeiden Sie physische Schäden. Schützen Sie die Batterie vor Stößen, Vibrationen und übermäßiger mechanischer Beanspruchung. Beschädigte Zellen oder Akkus können die Sicherheit beeinträchtigen und die Lebensdauer verkürzen.

Spannung (V)	Kapazität (Ah %)	Ladezyklen (bei täglichem Laden und Entladen auf jede dieser Spannungen)	Lebensdauer (über 80 % der ursprünglichen Kapazität)
14,4 V	100%	3200 Zyklen	9 Jahre
13,6 V	100%	3200 Zyklen	9 Jahre
13,4 V	99 %	3200 Zyklen	9 Jahre
13,3 V	90 %	4500 Zyklen	12,5 Jahre
13,2 V	70 %	8000 Zyklen	20 Jahre
13,1 V	40 %	8000 Zyklen	20 Jahre
13,0 V	30 %	8000 Zyklen	20 Jahre
12,9 V	20 %	8000 Zyklen	20 Jahre
12,8 V	17 %	6000 Zyklen	16,5 Jahre
12,5 V	14 %	4500 Zyklen	12,5 Jahre
12,0 V	9 %	4500 Zyklen	12,5 Jahre
10,0 V	0 %	3200 Zyklen	9 Jahre

Abschluss

Das LiFePO4-Spannungsdiagramm bietet eine umfassende Anleitung zum Verständnis der Spannungseigenschaften von LiFePO4-Batterien und ihrer entsprechenden Kapazitäten, Ladezyklen und erwarteten Lebensdauer. Dieses Diagramm dient Benutzern als wertvolle Referenz, um die Leistung und Lebensdauer ihrer LiFePO4-Batterien zu optimieren.

Anhand dieser umfassenden Spannungstabellen können Benutzer fundierte Entscheidungen hinsichtlich Spannungsniveaus, Ladezyklen und zu erwartender Lebensdauer treffen. So können sie ihre LiFePO4-Batterien effektiv nutzen und warten, um optimale Leistung und längere Lebensdauer zu erzielen.