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Die wichtigsten Parameter zu Auswahl und Design der idealen Lithium-Polymer-Batterie

Lithium-Ionen und Lithium-Polymer-Batterien setzen auf dem Batteriemarkt aktuell die Maßstäbe in puncto Leistungsfähigkeit, Zellspannung und Lebensdauer. Während Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft die große Mehrheit unserer Autos antreiben sollen, versorgen Lithium-Polymer Batterien schon heute unsere Handys und Laptops mit Strom.

Beide Zelltypen basieren auf einer identischen Zellchemie, die chemischen Vorgänge beim Laden und Entladen der Zelle sind also dieselben. Dagegen unterscheiden sich Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Zellen in ihrem Aufbau. Lithium-Ionen-Zellen verfügen standardmäßig über ein metallisches Gehäuse mit genormter Größe. Der Aufbau von Lithium-Polymer-Zellen ermöglicht dagegen eine deutlich größere Flexibilität: Anstatt eines festen Gehäuses sind die flachen, sandwichartig aufgebauten Lithium-Polymer-Zellen von einer dünnen Schicht kunststoffkaschierter Aluminiumfolie umschlossen.

Auf diese Weise können Lithium-Polymer-Batterien in über einhundert verschiedenen Bauformen bzw. Baugrößen realisiert werden. Nicht einfach, hier den Überblick zu behalten. Um die passende Lithium-Polymer-Batterie für die eigene Anwendung zu finden, gibt es deswegen einige wichtige Parameter zu beachten. 

Wichtige Parameter für die Entwicklung von Lithium-Polymer Batteriepacks

An erster Stelle steht natürlich die Frage nach der Leistungsfähigkeit der Batterie. Welche Kapazität wird benötigt, um die Anwendung mit ausreichend Strom zu versorgen? 

Neben der Kapazität spielt auch die benötigte Zellspannung eine wichtige Rolle. Diese liegt bei einer einzelnen Lithium-Polymer-Zelle standardmäßig bei 3,6 Volt. Die Abschaltspannung beträgt 3,0 Volt und die maximale Ladespannung 4,2 Volt. Benötigt die Anwendung eine höhere Spannung, lässt sich dies durch Reihenschaltung mehrerer Zellen erreichen.

Für jede Batterie müssen zudem unterschiedliche Strombelastungsprofile erstellt werden. Diese geben an, wie viel Strom die jeweilige Anwendung aus der Batterie anfordert. Dies umfasst sowohl die mittleren kontinuierlichen Ströme als auch die maximalen Pulsströme sowie die Pulslängen. Auch die Einschaltströme und deren Länge müssen berücksichtigt werden.

In Zusammenhang mit diesen Strombelastungsprofilen gilt ein besonderes Augenmerk zudem den Umgebungstemperaturen, denen die Anwendung ausgesetzt ist. Standardmäßig sind Lithium-Polymer-Zellen für einen Temperaturbereich zwischen -20 und 60 Grad Celsius spezifiziert. Beim Aufladen der Zellen sollten Temperaturen zwischen 0 und 45 Grad Celsius vorherrschen. Für den Einsatz unter extremen Temperaturbedingungen ober- oder unterhalb dieser Bandbreite stehen jeweils spezielle Zellen zur Verfügung.

Natürlich spielt auch das Thema Sicherheit eine wichtige Rolle. Um Kurzschlüsse, Überladungen oder Tiefentladungen zu verhindern, sind Lithium-Polymer-Batterien mit einer Schutzelektronik ausgestattet. Je nach Komplexität der Batterie ist zudem die Programmierung eines individuellen Batterie-Management-Systems notwendig, das beispielsweise individuelle Abschaltwerte für die Batterie definiert.

Neben all diesen elektronischen Parametern sind natürlich auch die Maße der Batterie von Bedeutung. Die Maße des Batteriefachs der Anwendung sollten unbedingt bereits im Vorfeld klar definiert sein. Bei der Planung muss zudem berücksichtigt werden, dass Lithium-Polymer-Zellen sich im Laufe der Zeit ausdehnen. Dieses „Swelling“ genannte Phänomen sorgt dafür, dass die Zellen im Laufe der Zeit um bis zu 10% dicker werden. Dementsprechend großzügig sollte das Batteriefach ausgelegt sein. Zudem sind scharfe Kanten oder ähnliches in unmittelbarer Nähe des Batteriefachs unbedingt zu vermeiden.

Zu guter Letzt müssen natürlich auch gewisse rechtliche Rahmenbedingungen bei der Batterieentwicklung berücksichtigt werden. Jede Batterie muss die entsprechenden Voraussetzungen erfüllen, um für den Verkauf bzw. den Transport zugelassen zu werden. Die erfolgreiche Zertifizierung der Batterie nach UL- und IEC-Standards ist hier ebenso wichtig wie das Bestehen des UN 38.3-Transportests.

Jauch: Kompetenter Entwicklungspartner für Lithium-Polymer Batteriepacks

Die genannten Parameter sind die Eckpfeiler des Batterie-Entwicklungsprozesses. Sie bilden die Leitplanken bei der Suche nach einer perfekt auf die spezifische Anwendung abgestimmten Batterielösung. Die Jauch Quartz GmbH steht Unternehmen in diesem Prozess als zuverlässiger Entwicklungspartner zur Seite. Von der Auswahl der passenden Zellen über die Programmierung der Schutzelektronik bis hin zur Zertifizierung des fertigen Batteriepacks nach UN 38.3 begleitet Jauch seine Kunden durch den gesamten Entwicklungsprozess. Mehr dazu lesen Sie hier.

Für alle, die sich einen schnellen Überblick über das umfangreiche Portfolio an Lithium-Polymer-Zellen verschaffen möchten, hat Jauch Quartz den Lithium-Polymer-Finder entwickelt. Eine Datenbank, in der sämtliche verfügbaren Zelltypen hinterlegt sind und die der Nutzer anhand der Maße und der Kapazität der Zellen durchsuchen kann. Hier geht's zum Finder.

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