Die richtige Ladespannung ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für das sichere und zuverlässige Laden eines Akkus. Dabei wird häufig angenommen, dass die Nennspannung des Akkus genau der Ausgangsspannung des Ladegeräts entsprechen muss. Das ist bei vielen wiederaufladbaren Batterien nicht der Fall.
Ein Lithium-Ionen-Akku, der beispielsweise als „12V-Akku“ bezeichnet wird, kann eine maximale Ladespannung von 12,6V benötigen. Ein 12V-LiFePO4-Akku benötigt typischerweise eine Ladespannung von 14,6V.
Der Grund dafür liegt in der Zellchemie und der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen.
Dieser Leitfaden erklärt den Unterschied zwischen Nennspannung und Ladespannung und zeigt praktische Spannungstabellen für Lithium-Ionen-, LiFePO4- und Blei-Säure-Batterien.
Die Ladespannung ist die vom Ladegerät bereitgestellte Gleichspannung, die für den Ladevorgang eines Akkus erforderlich ist.
Ein vereinfachter Ladepfad sieht so aus:
AC-Eingang → Batterieladegerät → DC-Ladespannung → Akku
Je nach Akkuchemie und Zellkonfiguration kann ein Ladegerät beispielsweise folgende Ausgangsspannungen haben:
Die richtige Spannung hängt hauptsächlich von zwei Faktoren ab:
Deshalb sollte ein Ladegerät nicht allein anhand der Bezeichnung „12V“, „24V“ oder „48V“ ausgewählt werden.
Eine der häufigsten Fehlerquellen bei der Auswahl eines Batterieladegeräts besteht darin, die Nennspannung des Akkus mit der maximalen Ladespannung gleichzusetzen.
Die Nennspannung ist ein Referenzwert, mit dem die ungefähre Betriebsspannung eines Akkus oder Akkupacks bezeichnet wird.
Eine Lithium-Ionen-Zelle wird beispielsweise häufig mit 3,6V oder 3,7V Nennspannung angegeben.
Die tatsächliche Zellspannung bleibt jedoch während des Betriebs nicht konstant.
Vereinfacht kann eine Lithium-Ionen-Zelle folgende Werte aufweisen:
Bei drei in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Zellen ergibt sich daher:
3 × 3,7V ≈ 11,1V Nennspannung
während die maximale Ladespannung beträgt:
3 × 4,2V = 12,6V
Aus diesem Grund wird ein solcher Akkupack häufig als „12V-Lithium-Ionen-Akku“ bezeichnet, obwohl das passende Ladegerät 12,6V liefern muss.
Nennspannung ≠ Ladespannung
Für die Auswahl des Ladegeräts muss die vom Batteriehersteller angegebene Ladespannung berücksichtigt werden.
Weitere Informationen finden Sie im Leitfaden zur Ladespannung von Batterieladegeräten.
Lithium-Ionen-Akkus bestehen häufig aus Zellen mit einer Nennspannung von etwa 3,6–3,7V und einer maximalen Ladespannung von typischerweise 4,2V pro Zelle.
Die genaue Zellspannung hängt jedoch von der verwendeten Zellchemie und den Angaben des Herstellers ab.
Für eine Standard-Lithium-Ionen-Konfiguration kann die maximale Ladespannung vereinfacht berechnet werden als:
Maximale Ladespannung = Anzahl der Zellen in Reihe × 4,2V
|
Konfiguration |
Nennspannung |
Maximale Ladespannung |
|---|---|---|
|
1S |
3,6–3,7V |
4,2V |
|
2S |
7,2–7,4V |
8,4V |
|
3S |
10,8–11,1V |
12,6V |
|
4S |
14,4–14,8V |
16,8V |
|
5S |
18,0–18,5V |
21,0V |
|
6S |
21,6–22,2V |
25,2V |
|
7S |
25,2–25,9V |
29,4V |
|
8S |
28,8–29,6V |
33,6V |
|
10S |
36,0–37,0V |
42,0V |
|
13S |
46,8–48,1V |
54,6V |
|
14S |
50,4–51,8V |
58,8V |
Die Nennspannung kann je nach Zelltyp leicht variieren. Die maximale Ladespannung richtet sich dagegen nach der spezifizierten maximalen Zellspannung und der Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen.
LiFePO4-Akkus verwenden eine andere Zellchemie als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus.
Eine LiFePO4-Zelle hat typischerweise:
Daher lautet die vereinfachte Berechnung:
Maximale Ladespannung = Anzahl der Zellen in Reihe × 3,65V
|
Konfiguration |
Nennspannung |
Maximale Ladespannung |
|---|---|---|
|
1S |
3,2V |
3,65V |
|
2S |
6,4V |
7,30V |
|
3S |
9,6V |
10,95V |
|
4S |
12,8V |
14,60V |
|
5S |
16,0V |
18,25V |
|
6S |
19,2V |
21,90V |
|
7S |
22,4V |
25,55V |
|
8S |
25,6V |
29,20V |
|
9S |
28,8V |
32,85V |
|
10S |
32,0V |
36,50V |
|
11S |
35,2V |
40,15V |
|
12S |
38,4V |
43,80V |
|
16S |
51,2V |
58,40V |
Beispielsweise benötigt ein typischer 4S-LiFePO4-Akku mit 12,8V Nennspannung ein Ladegerät mit einer Ladespannung von 14,6V.
Die Zellchemie bestimmt die zulässige Ladespannung.
Deshalb kann ein 4S-Lithium-Ionen-Akku eine maximale Ladespannung von 16,8V benötigen, während ein 4S-LiFePO4-Akku typischerweise mit maximal 14,6V geladen wird.
Obwohl beide Akkus vier Zellen in Reihe verwenden, sind ihre Ladeparameter unterschiedlich.
Die Zellanzahl allein reicht daher nicht aus. Die Batteriechemie muss ebenfalls bekannt sein.
Blei-Säure-Batterien funktionieren anders als Lithium-Ionen- und LiFePO4-Batterien.
Eine typische 12V-Blei-Säure-Batterie besteht aus sechs Zellen und hat eine Nennspannung von etwa 12V.
Die Ladespannung liegt jedoch über der Nennspannung.
Bei einer 12V-Blei-Säure-Batterie kann die Ladespannung während bestimmter Ladephasen typischerweise im mittleren 14V-Bereich liegen. Der genaue Wert hängt unter anderem vom Batterietyp, der Ladephase, der Temperatur und den Herstellerangaben ab.
Deshalb sollte für Blei-Säure-Batterien nicht einfach ein fester Multiplikator verwendet werden.
Typische Ladephasen können beispielsweise umfassen:
|
Batteriesystem |
Nennspannung |
Typischer Ladebereich* |
|---|---|---|
|
6V |
6V |
ca. 7,0–7,4V |
|
12V |
12V |
ca. 14,0–14,8V |
|
24V |
24V |
ca. 28,0–29,6V |
|
36V |
36V |
ca. 42,0–44,4V |
|
48V |
48V |
ca. 56,0–59,2V |
* Diese Werte dienen nur als allgemeine Orientierung. Die tatsächliche Ladespannung muss anhand des Batterietyps, der Ladephase, der Temperatur und der Herstellerangaben bestimmt werden.
Ein gewöhnliches 12V-Netzteil sollte daher nicht automatisch als geeignetes 12V-Blei-Säure-Ladegerät betrachtet werden.
Die folgende Übersicht zeigt den grundlegenden Unterschied:
|
Batterie |
Typische Nennspannung |
Typische maximale bzw. Lade-Spannung |
|---|---|---|
|
3S Li-Ion |
10,8–11,1V |
12,6V |
|
4S Li-Ion |
14,4–14,8V |
16,8V |
|
4S LiFePO4 |
12,8V |
14,6V |
|
8S LiFePO4 |
25,6V |
29,2V |
|
13S Li-Ion |
46,8–48,1V |
54,6V |
|
14S Li-Ion |
50,4–51,8V |
58,8V |
|
16S LiFePO4 |
51,2V |
58,4V |
Die Beispiele zeigen:
Eine Batterie mit einer bestimmten Nennspannung benötigt nicht unbedingt ein Ladegerät mit derselben Ausgangsspannung.
Bei Lithium-Ionen- und LiFePO4-Akkus kann die maximale Ladespannung anhand der Reihenschaltung berechnet werden.
Anzahl der Zellen in Reihe × 4,2V
Beispiel:
3S Li-Ion:
3 × 4,2V = 12,6V
13S Li-Ion:
13 × 4,2V = 54,6V
14S Li-Ion:
14 × 4,2V = 58,8V
Anzahl der Zellen in Reihe × 3,65V
Beispiel:
4S LiFePO4:
4 × 3,65V = 14,6V
8S LiFePO4:
8 × 3,65V = 29,2V
16S LiFePO4:
16 × 3,65V = 58,4V
Die tatsächlichen Ladeparameter müssen immer mit den Angaben des Akku-, Zell- und BMS-Herstellers abgeglichen werden.
Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen bestimmt maßgeblich die Spannung des Akkupacks.
Bei einer Parallelschaltung steigt dagegen hauptsächlich die Kapazität.
Bei einer Reihenschaltung werden die Zellen hintereinander verbunden.
Beispiel:
3,2V + 3,2V + 3,2V + 3,2V = 12,8V
Ein 4S-LiFePO4-Akkupack besitzt daher typischerweise:
12,8V Nennspannung
und:
14,6V maximale Ladespannung
Reihenschaltung → höhere Spannung
Bei einer Parallelschaltung werden mehrere gleiche Zellen oder Zellgruppen parallel verbunden.
Beispiel:
Vier Zellen mit jeweils 3,2V und 10Ah:
4P → 3,2V, 40Ah
Die Spannung bleibt grundsätzlich gleich, während die Kapazität steigt.
Parallelschaltung → höhere Kapazität
Bei einer 4S2P-Konfiguration werden vier Zellgruppen in Reihe geschaltet und jede Gruppe besteht aus zwei parallel geschalteten Zellen.
Bei Zellen mit:
3,2V / 10Ah
ergibt sich:
Nennspannung = 4 × 3,2V = 12,8V
Kapazität = 2 × 10Ah = 20Ah
Die 4S-Konfiguration bestimmt also die Spannung, während die 2P-Konfiguration die Kapazität erhöht.
Die Auswahl einer falschen Ladespannung kann verschiedene Probleme verursachen.
Eine zu niedrige Spannung kann dazu führen, dass:
Eine zu hohe Ladespannung kann wesentlich kritischer sein.
Sie kann:
Ein Ladegerät mit der richtigen Spannung ist nicht automatisch für jede Batteriechemie geeignet.
Ein Ladegerät für Lithium-Ionen-Akkus sollte beispielsweise nicht einfach durch ein LiFePO4-Ladegerät ersetzt werden, nur weil die nominalen Spannungswerte ähnlich erscheinen.
Batteriechemie + Zellkonfiguration + Ladespannung + Ladestrom + Ladeprofil müssen zusammen betrachtet werden.
Die richtige Ladespannung ist nur ein Teil der Auswahl.
Der Ladestrom beeinflusst, wie schnell Energie in den Akku übertragen wird.
Die grundlegende Beziehung zwischen Spannung, Strom und Leistung lautet:
Leistung = Spannung × Strom
Beispiele:
14,6V × 4A = 58,4W
58,8V × 2A = 117,6W
58,8V × 5A = 294W
Ein 14,6V-4A-Ladegerät hat somit eine nominelle Ausgangsleistung von etwa 58,4W.
Das bedeutet jedoch nicht, dass der Akku während des gesamten Ladevorgangs konstant 4A erhält. Der tatsächliche Ladestrom kann sich abhängig vom Ladeverfahren und Ladezustand verändern.
Weitere Informationen finden Sie im Leitfaden zum Ladestrom von Batterieladegeräten.
Nicht jedes Netzteil ist automatisch ein Batterieladegerät.
Ein herkömmliches AC/DC-Netzteil ist hauptsächlich dafür ausgelegt, eine elektrische Last mit einer geregelten DC-Spannung zu versorgen.
Ein Batterieladegerät muss dagegen häufig zusätzliche Ladefunktionen berücksichtigen, beispielsweise:
Deshalb sollte ein Standard-Netzteil nicht einfach als Ersatz für ein Batterieladegerät verwendet werden, ohne die Ladeanforderungen des Akkus zu prüfen.
Ein typischer 12,8V-LiFePO4-Akku entspricht einer 4S-Konfiguration.
4 × 3,65V = 14,6V
→ Typische maximale Ladespannung: 14,6V
Ein 13S-Lithium-Ionen-Akkupack liegt nominal bei etwa 46,8–48,1V.
13 × 4,2V = 54,6V
→ Typische maximale Ladespannung: 54,6V
14 × 4,2V = 58,8V
→ Typische maximale Ladespannung: 58,8V
6 × 4,2V = 25,2V
→ Typische maximale Ladespannung: 25,2V
Bei der Auswahl eines Batterieladegeräts kann folgende Reihenfolge hilfreich sein:
Ist es:
Ermitteln Sie, wie viele Zellen in Reihe geschaltet sind.
Beispiele:
Verwenden Sie die vom Batterie- bzw. Zellhersteller angegebene maximale Ladespannung.
Prüfen Sie die empfohlene und maximal zulässige Ladeleistung bzw. den Ladestrom.
Bei Lithium-Akkus sollte geprüft werden, ob das BMS für die vorgesehene Ladeart und Ladespannung geeignet ist.
Erst danach sollte das passende Ladegerät anhand von:
Ladespannung + Ladestrom + Ladeprofil + Anschluss + BMS + Anwendung
ausgewählt werden.
Ein 12V-Lithium-Ionen-Akku benötigt nicht automatisch ein 12V-Ladegerät.
Auch der Ladestrom, die Batteriechemie und das Ladeprofil müssen berücksichtigt werden.
Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen ist entscheidend für die Ladespannung.
Beide gehören zu den Lithium-basierten Batterien, haben aber unterschiedliche Ladeparameter.
Ein geregeltes Netzteil bietet nicht automatisch den erforderlichen Ladealgorithmus.
Das BMS kann wichtige Grenzen für Ladespannung, Ladestrom und Ladeverhalten vorgeben.
Ein Ladegerät sollte nicht allein anhand der Wattzahl ausgewählt werden.
Bei Standardanwendungen können fertige Ladegeräte mit definierten Spannungs- und Stromwerten ausreichend sein.
Bei OEM- und Industrieprojekten sind die Anforderungen jedoch häufig spezifischer.
Beispielsweise können folgende Parameter individuell festgelegt werden:
Der Entwicklungsprozess beginnt typischerweise mit den technischen Daten des Akkus und führt über die Definition der Ladeparameter, Prototypen und Tests bis zur Serienproduktion.
Guangdong QINX Technology Co., Ltd. entwickelt AC/DC-Batterieladegeräte und kundenspezifische Ladelösungen für unterschiedliche Batteriechemien, Spannungen, Ströme und Anwendungen.
Für OEM-Projekte können Sie mehr über kundenspezifische Batterieladegeräte und OEM- und kundenspezifische Stromversorgungslösungen erfahren.
Standard- oder kundenspezifisches Ladegerät?Ein Standardladegerät kann sinnvoll sein, wenn alle wichtigen Anforderungen bereits durch ein verfügbares Modell abgedeckt werden.
Ein kundenspezifisches Ladegerät kann dagegen sinnvoll sein, wenn beispielsweise:
Die richtige Lösung sollte immer auf den tatsächlichen Anforderungen des Akkupacks und der Anwendung basieren.
|
Batterie / Konfiguration |
Typische Nennspannung |
Typische Ladespannung |
|---|---|---|
|
1S Li-Ion |
3,6–3,7V |
4,2V |
|
2S Li-Ion |
7,2–7,4V |
8,4V |
|
3S Li-Ion |
10,8–11,1V |
12,6V |
|
4S Li-Ion |
14,4–14,8V |
16,8V |
|
6S Li-Ion |
21,6–22,2V |
25,2V |
|
13S Li-Ion |
46,8–48,1V |
54,6V |
|
14S Li-Ion |
50,4–51,8V |
58,8V |
|
4S LiFePO4 |
12,8V |
14,6V |
|
8S LiFePO4 |
25,6V |
29,2V |
|
12S LiFePO4 |
38,4V |
43,8V |
|
16S LiFePO4 |
51,2V |
58,4V |
|
12V Blei-Säure |
12V |
typischerweise mittlerer 14V-Bereich* |
|
24V Blei-Säure |
24V |
typischerweise oberhalb 28V* |
|
48V Blei-Säure |
48V |
typischerweise oberhalb 56V* |
* Die tatsächliche Ladespannung hängt bei Blei-Säure-Batterien unter anderem vom Batterietyp, Ladezustand, Ladeverfahren, Temperatur und den Herstellerangaben ab.
Ein typischer 3S-Lithium-Ionen-Akku mit etwa 10,8–11,1V Nennspannung benötigt eine maximale Ladespannung von 12,6V.
Ein typischer 4S-LiFePO4-Akku mit 12,8V Nennspannung benötigt typischerweise eine maximale Ladespannung von 14,6V.
Ein typischer 13S-Lithium-Ionen-Akku der 48V-Klasse benötigt eine maximale Ladespannung von 54,6V.
Die genaue Konfiguration sollte jedoch anhand der Batteriespezifikation überprüft werden.
Ein 14S-Lithium-Ionen-Akku benötigt bei einer maximalen Zellspannung von 4,2V:
14 × 4,2V = 58,8V
Daher wird typischerweise ein 58,8V-Ladegerät verwendet.
Bei einer maximalen Zellspannung von 3,65V ergibt sich:
16 × 3,65V = 58,4V
Ein typischer 16S-LiFePO4-Akku mit 51,2V Nennspannung benötigt daher eine maximale Ladespannung von 58,4V.
Nicht automatisch.
Ein 12V-Netzteil und ein 12V-Batterieladegerät erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Entscheidend sind Batteriechemie, maximale Ladespannung, Ladestrom und Ladeprofil.
Ja. Die Ladespannung liegt bei vielen Lithium-Akkus über der Nennspannung.
Beispielsweise:
3S Li-Ion → 11,1V nominal → 12,6V Ladeendspannung
und:
4S LiFePO4 → 12,8V nominal → 14,6V Ladeendspannung
Beides ist wichtig, aber sie erfüllen unterschiedliche Funktionen.
Die Ladespannung muss mit Batteriechemie und Zellkonfiguration kompatibel sein. Der Ladestrom bestimmt zusammen mit der Batteriekapazität, wie schnell der Akku geladen werden kann.
„4S“ bedeutet, dass vier Zellen bzw. Zellgruppen in Reihe geschaltet sind.
Die Reihenschaltung bestimmt hauptsächlich die Spannung.
„2P“ bedeutet, dass zwei Zellen oder Zellgruppen parallel geschaltet sind.
Die Parallelschaltung erhöht hauptsächlich die Kapazität.
Eine LiFePO4-Zelle hat typischerweise eine maximale Ladespannung von 3,65V.
Daher:
4 × 3,65V = 14,6V
Nicht automatisch.
Bei Batterieladegeräten müssen die maximal zulässigen Ladeparameter des Akkus und BMS berücksichtigt werden. Ein höherer Ladestrom kann bei einer dafür ausgelegten Batterie möglich sein, sollte aber nicht allein anhand der verfügbaren Ladegerätleistung ausgewählt werden.
Für weitere Informationen siehe den Leitfaden zum Ladestrom von Batterieladegeräten.
Die Auswahl der richtigen Batterieladespannung beginnt nicht mit der Zahl auf dem Ladegerät, sondern mit den technischen Daten des Akkus.
Die wichtigsten Parameter sind:
Batteriechemie → Zellkonfiguration → Nennspannung → maximale Ladespannung → Ladestrom → Ladeprofil → BMS-Anforderungen
Die wichtigsten Beispiele sind:
Der entscheidende Punkt lautet:
Wählen Sie ein Batterieladegerät nach der spezifizierten Ladespannung und den Ladeanforderungen des Akkus – nicht einfach nach dessen Nennspannung.
Für Standard- und OEM-Anwendungen bietet Guangdong QINX Technology Co., Ltd. AC/DC-Batterieladegeräte und kundenspezifische Ladelösungen mit unterschiedlichen Spannungs-, Strom-, Stecker-, Kabel- und Gehäuseanforderungen.
