Energiebedarf ermitteln: Wh aus Last und Laufzeit
Der erste Schritt ist die Bestimmung des Energiebedarfs in Wattstunden (Wh). Die Grundformel lautet: Wh = V × Ah — oder gleichwertig: Wh = W × h. Für eine Anwendung, die im Mittel 500 W verbraucht und 4 Stunden pro Zyklus betrieben wird, beträgt der Energiebedarf 2.000 Wh.
In der Praxis ist die Last selten konstant. Ein fahrerloses Transportsystem (AGV) zieht beim Anfahren kurzzeitig ein Vielfaches des Fahrstroms, läuft dann im Teillastbereich und steht zwischen Aufträgen still. Für die Dimensionierung verwendet man deshalb nicht den Spitzenstrom, sondern den mittleren Energieverbrauch pro Zyklus — ermittelt aus dem Lastprofil oder aus Messwerten an einem Referenzsystem. Fehlt ein Lastprofil, ist ein Aufschlag von 20–30 % auf den Nominalverbrauch ein vertretbarer Ausgangspunkt; dieser Aufschlag wird später durch die DoD-Reserve ersetzt oder ergänzt.
Bei Anwendungen mit stark wechselnder Last — Hebehubwerke, Schweißmaschinen, Pressen — ist der Begriff der mittleren Leistung ungenügend. Hier muss zusätzlich die thermische Energie (I²t) berücksichtigt werden, weil hohe Pulsströme den Pack thermisch belasten, auch wenn der Energieinhalt pro Zyklus gering ist.
Spannungslage und Zellkonfiguration: Reihenschaltung (S) und Parallelschaltung (P)
Die Nennspannung des Packs ergibt sich aus der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen (S) multipliziert mit der Nennspannung einer Einzelzelle. LiFePO4-Zellen haben eine Nennspannung von etwa 3,2 V, Li-NMC-Zellen von etwa 3,6–3,7 V. Ein 48-V-Pack aus LiFePO4 benötigt typischerweise 15 Zellen in Reihe (15S × 3,2 V = 48 V nominal). Die tatsächliche Betriebsspannung schwankt zwischen dem vollgeladenen Zustand (15 × 3,6 V = 54 V) und der Entladegrenze (15 × 2,5 V = 37,5 V). Diesen Spannungshub muss der nachgeschaltete DC/DC-Wandler oder der Antriebsumrichter tolerieren.
Die Kapazität in Ah ergibt sich aus der Anzahl der parallel geschalteten Zellstränge (P) multipliziert mit der Kapazität einer Einzelzelle. Zwei parallele Stränge mit je 100 Ah ergeben 200 Ah. Die Gesamtenergie des Packs berechnet sich dann als: Wh = V_nominal × Ah_gesamt. Bei einem 48-V/200-Ah-Pack wären das 9.600 Wh.
Für die Dimensionierung der S-Zahl ist die Systemspannung der Anwendung maßgeblich — Motorsteuerung, BMS-Eingangsspannung und Ladegerät definieren das Spannungsfenster. Die P-Zahl folgt aus dem Energiebedarf und der C-Rate-Anforderung: Mehr parallele Stränge erhöhen nicht nur die Kapazität, sondern verteilen auch den Strom auf mehr Zellen — was die C-Rate je Zelle senkt und die Lebensdauer verlängert.
C-Rate und Dauer- sowie Spitzenstrom richtig auslegen
Die C-Rate beschreibt den Lade- oder Entladestrom bezogen auf die Nennkapazität: C-Rate = Strom [A] / Kapazität [Ah]. Bei einer Kapazität von 100 Ah und einem Entladestrom von 100 A beträgt die C-Rate 1C — das Pack wäre in einer Stunde vollständig entladen. Bei 200 A wären es 2C und 30 Minuten theoretische Laufzeit.
Für die Dimensionierung relevant sind zwei Stromwerte: der Dauerentladestrom, den der Pack dauerhaft ohne thermische Überlastung liefern kann, und der Spitzenstrom, der kurzfristig (typisch für Sekunden bis Minuten) erlaubt ist. Beide Werte sind zellchemieabhängig und werden vom Zellhersteller im Datenblatt spezifiziert. LiFePO4-Zellen vertragen im Allgemeinen höhere Dauerströme als Li-NMC-Zellen gleicher Kapazität, weil ihre thermische Stabilität größer ist. Li-NMC bietet dafür höhere Energiedichte.
Ein häufiger Dimensionierungsfehler: Der Spitzenstrom der Anwendung wird als Dauerstrom angesetzt. Richtig ist: Den Dauerstrom am typischen Arbeitspunkt ermitteln; den Spitzenstrom (z. B. Anlaufstrom) separat prüfen und mit dem zulässigen Pulsstrom der Zelle abgleichen. Das BMS begrenzt in beiden Fällen den Strom und schützt die Zellen — aber es ersetzt keine saubere Dimensionierung, die ausreichend thermische Reserve lässt.
Reserven einplanen: DoD, Alterung und Temperatur
Die Nennkapazität einer Zelle ist der Laborwert bei definierten Bedingungen (meist 25 °C, 0,2C Entladestrom). Im realen Betrieb ist die nutzbare Kapazität kleiner — aus drei Gründen:
Erstens die Tiefentladetiefe (DoD, Depth of Discharge): Ein Pack, der stets bis 0 % entladen wird, altert wesentlich schneller als einer, der nur bis 20 % Restladung geht. Die Praxis empfiehlt, den nutzbaren Bereich auf 80–90 % DoD zu begrenzen, also 10–20 % Kapazitätsreserve nach unten einzuplanen. Das BMS setzt die entsprechende Entladegrenze auf Zellspannungsebene.
Zweitens die Alterung: Lithiumzellen verlieren mit jedem Zyklus und mit der Zeit (Kalenderalterung) Kapazität. Ein Pack, der nach 1.000 Zyklen noch 80 % seiner Anfangskapazität haben soll, muss von Anfang an entsprechend größer dimensioniert werden — oder die Anwendung muss eine sinkende Laufzeit akzeptieren. Als Faustregel gilt: Bei LiFePO4 mit moderater C-Rate und 80 % DoD sind 2.000–3.000 Zyklen bis zur 80-%-Grenze erreichbar; Li-NMC liegt je nach Auslegung darunter.
Drittens die Temperatur: Bei niedrigen Temperaturen sinkt die nutzbare Kapazität spürbar. Bei 0 °C kann die verfügbare Kapazität eines LiFePO4-Packs 10–20 % unter dem 25-°C-Wert liegen; bei −20 °C ist der Abfall erheblich größer. Anwendungen im Außenbereich oder in Kühllagern müssen diesen Effekt in der Dimensionierung berücksichtigen und gegebenenfalls eine aktive Heizung einplanen.
Typische Fehler bei der Dimensionierung
Fehler 1 — Nennkapazität gleich nutzbarer Kapazität gesetzt: Wer 10 kWh Energiebedarf hat und einen 10-kWh-Pack bestellt, erhält unter realen Bedingungen weniger. DoD-Reserve, Alterungsmarge und Temperaturrückgang summieren sich leicht auf 30–40 %. Ein 10-kWh-Bedarf erfordert je nach Anwendung 13–15 kWh Nennkapazität.
Fehler 2 — Spannungshub nicht berücksichtigt: Ein 48-V-Pack (LiFePO4, 15S) liefert vollgeladen 54 V und entladen 37,5 V. Motorsteuerungen und Wandler, die nur bis 48 V specced sind, werden im vollgeladenen Zustand überspannt. Die komplette Spannungslage — von vollgeladen bis Entladegrenze — muss in die Systemauslegung einfließen.
Fehler 3 — C-Rate der Zelle ignoriert: Handelsübliche 18650-Zellen für Consumer-Elektronik sind für 0,5C ausgelegt. Im AGV-Betrieb mit 2C Dauerstrom überhitzen sie, altern schnell und werden gefährlich. Nur für die jeweilige C-Rate geeignete Zellen verwenden — im Datenblatt unter „continuous discharge current“ nachsehen.
Fehler 4 — BMS als Dimensionierungsersatz: Das BMS schützt den Pack vor Grenzwertverletzungen, gleicht aber keine strukturelle Unterdimensionierung aus. Ein Pack, der dauerhaft an seinen thermischen oder elektrischen Grenzen betrieben wird, altert beschleunigt — auch wenn das BMS nie auslöst.
Checkliste für die Akkupack-Dimensionierung
- ✓Energiebedarf in Wh aus Lastprofil oder Messwerten ermittelt — nicht geschätzt?
- ✓Spannungslage definiert — vollgeladene Spannung, Nennspannung und Entladegrenze mit der Systemelektronik abgestimmt?
- ✓Dauerentladestrom und Spitzenstrom getrennt ermittelt und mit dem Zell-Datenblatt abgeglichen?
- ✓DoD-Reserve eingeplant (typisch 10–20 % Restkapazität als untere Grenze)?
- ✓Alterungsmarge berücksichtigt — Dimensionierung auf Endkapazität nach Ziellaufzeit, nicht auf Anfangskapazität?
- ✓Temperaturbereich der Anwendung berücksichtigt — bei Kältebetrieb Kapazitätsabfall und Ladestrombegrenzung einkalkuliert?
- ✓BMS-Grenzen auf die gewählte Zellchemie und Zellkonfiguration abgestimmt (Spannungsfenster, Stromlimits, Thermik)?
Die ersten drei Punkte legen die Grundgröße des Packs fest. Die Punkte vier bis sechs bestimmen, ob der Pack über die gesamte Lebensdauer und unter allen Betriebsbedingungen ausreicht. Wenn Sie unsicher sind, welche Kapazitätsmarge für Ihre Anwendung sinnvoll ist, klären wir das gerne anhand Ihres Lastenhefts.