Unter dem Gehäuse aus Kunststoff oder Aluminium steckt in Ihrem E-Bike-Akku nicht ein einziger grosser Speicher, sondern eine Anordnung aus Dutzenden kleiner Zellen, die miteinander verbunden sind und von einer Elektronikplatine überwacht werden: dem BMS. So funktioniert das Ganze.
Die Zelle als Grundbaustein
Die meisten Akkus für E-Bikes, E-Trottinette und Werkzeuge bestehen aus Rundzellen, die wie grosse Batterien aussehen:
- 18650: 18 mm Durchmesser, 65 mm lang, 2,5 bis 3,5 Ah;
- 21700: 21 mm Durchmesser, 70 mm lang, bis etwa 5 Ah.
Eine Lithium-Ionen-Zelle hat eine Nennspannung von 3,6 bis 3,7 V. Voll geladen hat sie 4,2 V und darf nicht unter etwa 2,5 bis 3 V fallen, sonst wird sie beschädigt. Gerade dieser enge Bereich macht eine elektronische Überwachung unverzichtbar.
In Serie: die Spannung addiert sich
Eine einzelne Zelle reicht nicht, um einen Motor anzutreiben. Deshalb schaltet man mehrere Zellen in Serie (Plus der einen an Minus der nächsten): Die Spannungen addieren sich. Die Anzahl Zellen in Serie wird mit einem S angegeben:
| Aufbau | Nennspannung | Ladeschlussspannung |
|---|---|---|
| 7S | 24 V | 29,4 V |
| 10S | 36 V | 42 V |
| 13S | 48 V | 54,6 V |
| 14S | 52 V | 58,8 V |
Deshalb zeigt ein «36-V-Akku» frisch vom Ladegerät 42 V auf dem Multimeter.
Parallel: die Kapazität addiert sich
Für mehr Reichweite schaltet man mehrere Zellen parallel (alle Pluspole zusammen, alle Minuspole zusammen). Die Spannung bleibt gleich, aber die Kapazitäten addieren sich. Die Anzahl paralleler Zellen wird mit einem P angegeben.
Diese parallel geschalteten Zellen bilden eine sogenannte Gruppe. Innerhalb einer Gruppe sind die Zellen miteinander verschweisst und verhalten sich wie eine einzige grosse Zelle: Sie haben immer genau dieselbe Spannung.
Einen Akku lesen: das Beispiel 10S4P
Ein 10S4P-Akku besteht aus 10 Gruppen in Serie, jede aus 4 parallelen Zellen, also insgesamt 40 Zellen. Mit Zellen zu 3,5 Ah ergibt das:
- Spannung: 10 × 3,6 V = 36 V;
- Kapazität: 4 × 3,5 Ah = 14 Ah;
- Energie: 36 V × 14 Ah = 504 Wh.
Die Wattstunden (Wh) sind das eigentliche Mass für die Reichweite: Diese Zahl sollten Sie vergleichen, wenn Sie zwei Akkus gegenüberstellen.
Der Aufbau eines Akkupacks
In einem sauber gebauten Pack:
- sind die Zellen mit punktgeschweissten Nickelbändern verbunden: ein sehr kurzer Stromimpuls, der die Zelle nicht erhitzt. Eine Zelle wird nie mit dem Lötkolben gelötet, die Hitze würde sie schädigen;
- schützen Isolierungen (Ringe und Isolierpapier) die Zellränder vor Kurzschlüssen;
- ist jede Gruppe über ein Balancer-Kabel mit dem BMS verbunden, damit es ihre Spannung messen kann;
- sind ein oder mehrere Temperaturfühler zwischen die Zellen geklebt;
- wird alles von Halterungen fixiert, mit einem Schrumpfschlauch geschützt und ins Gehäuse eingebaut.
Das BMS, das Gehirn des Akkus
Das BMS (Battery Management System) ist die Elektronikplatine, die den Pack ständig überwacht. Seine Aufgaben:
- Überladeschutz: Es unterbricht das Laden, wenn eine Gruppe etwa 4,2 V überschreitet;
- Tiefentladeschutz: Es schaltet den Ausgang ab, wenn eine Gruppe zu tief fällt;
- Schutz vor Überstrom und Kurzschluss;
- Temperaturüberwachung: Es unterbricht Laden oder Entladen, wenn der Pack zu kalt oder zu heiss ist;
- Balancing: Am Ende der Ladung bringt es die Gruppen auf dieselbe Spannung, indem es bei den vollsten Gruppen etwas Energie abbaut.
Wichtig: Das BMS denkt Gruppe für Gruppe. Es genügt, dass eine einzige Gruppe ihre Grenze erreicht, damit es den ganzen Akku abschaltet. Die schwächste Gruppe bestimmt also die Reichweite des Ganzen.
Bei Markenakkus (Bosch, Shimano, Yamaha, Stromer …) kann das BMS noch mehr: Es zählt die Ladezyklen, speichert die Vorgeschichte und kommuniziert mit Motor und Display. Mehr dazu im Artikel über gesperrte BMS und Kommunikationsfehler.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Akku besteht aus Zellen in Serie (Spannung) und parallel (Kapazität).
- Parallele Zellen bilden Gruppen; die schwächste begrenzt den ganzen Pack.
- Das BMS schützt die Zellen und gleicht die Gruppen aus: Ohne BMS wäre ein Lithium-Akku gefährlich.
Möchten Sie wissen, in welchem Zustand die Gruppen Ihres Akkus sind? Unser Kapazitätstest sagt es Ihnen genau.