Inhaltsübersicht
Dieser Leitfaden erklärt aus ingenieurtechnischer Perspektive die Natur des Batterie-Innenwiderstands, seine Einflussgrößen und die Wechselwirkung mit dem Motorwirkungsgrad. Ziel ist es, die oft ignorierte Verlustkette sichtbar zu machen – und pragmatische Stellhebel zu zeigen, mit denen sich die Gesamteffizienz spürbar steigern lässt.
1. Der übersehene Energiefresser
In Off-Grid-Systemen, RV-Energiesystemen oder Elektro-Booten achten Nutzer häufig auf Kapazität, Entladestrom und Reichweite – der Innenwiderstand der Batterie bleibt jedoch oft unbeachtet, obwohl er die Effizienz stark prägt.
Startet ein Motor, können Ströme sprunghaft auf Dutzende bis über 100 A ansteigen. Der Innenwiderstand bestimmt dann, wie viel elektrische Energie bereits an der Batterie in Wärme verloren geht. Diese Verluste sieht man nicht direkt, sie treten jedoch bei jedem Anlauf und jeder Laständerung auf – mit Folgen für Systemleistung und Reichweite.
Merksatz: Je größer der Innenwiderstand, desto höher die Verluste bei gleichem Strom – und desto weniger nutzbare Leistung erreicht den Motor.
2. Was ist Batterie-Innenwiderstand?
Der Batterie-Innenwiderstand (Ri) ist die Gesamtheit aller Widerstände, die dem Stromfluss im Inneren der Batterie entgegenstehen. Er setzt sich zusammen aus:
- Ohmischer Anteil: Leiter, Elektrodenmaterial, Stromableiter u. a.
- Polarisationsanteil: Reaktionskinetik und Ionenwanderung; abhängig von Temperatur, Stromrate (C-Rate) und SOC.
Beim Entladen fällt über Ri eine Spannung ab (Udrop = I × Ri), die die Klemmen-Spannung reduziert – die Quelle der Verluste.
3. Mathematische Beziehung der Verluste
Leistungsverlust: Ploss = I² × Ri
Wirkungsgradeinschätzung (vereinfachte Näherung): η ≈ 1 − (I × Ri / Ubatt)
Beispiel
LiFePO₄-Batterie 12,8 V, Ri = 5 mΩ (0,005 Ω), Motorstrom 80 A:
- Verlustleistung: Ploss = 80² × 0,005 = 32 W
- Bei 1000 W Motoreingangsleistung sind das ≈ 3,2 % Verlust – bei Dauerlast oder 100 A-Peaks summiert sich das schnell und kann Erwärmung und Alterung beschleunigen.
4. Kettenreaktion: Innenwiderstand → Controller → Motor
Die Energiekette lässt sich in drei Abschnitte gliedern:
- Batterie → Innenwiderstandsverluste → Controller
- Controller → MOSFET/Leiterbahn-Verluste → Motoranschlüsse
- Motor → Kupfer- & Eisenverluste → Mechanische Leistung
Ist Ri groß, steigen die Verluste in Abschnitt 1, was zu folgenden Effekten führt:
- Niedrigerer Anlaufmoment: weniger wirksame Spannung am Controller/Motor.
- Eingangsspannungs-Einbruch: mögliche Unterspannungsabschaltung des Controllers.
- Gesamteffizienz sinkt: kürzere Laufzeit/Reichweite.
5. Fünf Hauptfaktoren für Ri
- Zellchemie & Qualität: LiFePO₄-Zellen typ. 1,5–3 mΩ/Zelle; deutlich besser als Blei (≈ 10–15 mΩ/Zelle). A+-Sortierung erhöht Konsistenz.
- Temperatur: Bei Kälte steigt der Polarisationsanteil deutlich; bei −10 °C kann Ri auf > das Dreifache anwachsen.
- SOC-Zustand: Am Randbereichen (nahe voll/nahe leer) steigt Ri; optimal ist 20–80 % SOC.
- Alterung/Zyklen: Elektrolyt-Alterung und Materialverlust erhöhen Ri – sichtbarer Indikator für Kapazitätsabbau.
- Kontakt- & Übergangswiderstände: Polklemmen, Busbars, Crimps, Schraubverbindungen – Oxidation/Lockerung addieren Widerstand.
6. So senkt man Systemwiderstand & Verluste
1. Zellen & Aufbau
Hochwertige A+-Zellen mit niedrigerem Ri einsetzen; lasergeschweißte Verbinder und Kupfer-Busbars minimieren Übergänge.
2. BMS-Design
Leistungs-MOSFETs in Parallelstruktur, dicke Kupferlagen (PCB) und widerstandsarme Schutzpfade halten den Spannungsabfall klein.
3. Leitungen & Klemmen
Ausreichender Querschnitt und normgerechtes Anzugsdrehmoment (z. B. 12 N·m) reduzieren Leitungsverlust und Erwärmung.
4. Temperaturmanagement
Bei Kälte vorwärmen bzw. Selbstheiz-Batterien nutzen. Pro −10 °C kann Ri um ≈ 20–30 % steigen.
5. Betriebsfenster
20–80 % SOC bevorzugen; dauerhaftes Voll- oder Tiefentladen erhöht Ri und Alterung.
6. Monitoring & Balance
Bluetooth-Überwachung (Zellspannung, Temperatur, Ri-Trend) und regelmäßige Balance vermeiden Hot-Spots.
7. Systemabstimmung: Batterie & Motor
Die Dauerentladerate der Batterie muss zur Motorleistung passen – nur Kapazität zu betrachten ist ein häufiger Fehler.
Beispiel
- Motor: 800 W, Spitzenstrom 100 A.
- Passende Batterie: Dauer ≥ 100 A, Spitze ≥ 200 A, Ri ≤ 5 mΩ → Spannungsabfall ≈ 0,5 V, η bleibt ≈ 96 %.
- Unpassende Batterie: Ri = 10 mΩ → Abfall ≈ 1 V; ≈ 8 % Verlust, spürbar weniger Drehzahl.
Daumenregel: Ri × I ≤ 3 % der Nennspannung, damit die Motorspannung stabil bleibt.
8. Fazit
Der Batterie-Innenwiderstand wird oft unterschätzt – er bestimmt jedoch Entladeeffizienz, Temperaturverhalten, Motorleistung, Controller-Stabilität und Reichweite maßgeblich.
- Jeder +1 mΩ bedeutet bei 100 A zusätzliche 10 W Verlust.
- +10 °C Batterietemperatur kann die Alterungsrate verdoppeln.
- Jede Unterspannungsabschaltung kostet Verfügbarkeit und Lebensdauer.
Hohe Gesamteffizienz entsteht aus vielen Details: Zellauswahl, Leiterquerschnitt, Thermik, BMS-Topologie – echte Effizienzgewinne liegen oft in wenigen Milli-Ohm.
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