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Lithium-Ionen-Batterien weisen typischerweise eine Energiedichte von etwa 150 bis 200 Wh/kg auf, was diese Batterien zu guten Wahlmöglichkeiten bei kompakten 48-V-Systemen macht, bei denen kaum Platz zur Verfügung steht. Andererseits zeichnet sich Lithium-Eisenphosphat oder LiFePO4 dadurch aus, dass es über deutlich mehr Ladezyklen hält. Letztes Jahr veröffentlichte EV-Lithium-Forschung spricht von über 2000 vollständigen Zyklen im Vergleich zu nur 800 bis 1200 Zyklen bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Die anfänglichen Kosten für LiFePO4 liegen ungefähr 10 bis 20 Prozent höher als bei Standard-Lithium-Ionen-Optionen. Was jedoch oft übersehen wird, ist, dass sich diese zusätzliche Investition langfristig auszahlt, da diese Batterien viel seltener ausgetauscht werden müssen. Langfristig ergibt sich so etwa eine Einsparung von 40 Prozent pro Zyklus im Vergleich zum wiederholten Kauf neuer Lithium-Ionen-Packs.
Die Eisenphosphat-Kathode in LiFePO4-Batterien bleibt stabil, selbst wenn die Temperaturen etwa 270 Grad Celsius erreichen, wodurch die Gefahr gefährlicher thermischer Durchlaufsituationen verringert wird. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien sieht die Situation anders aus. Laut einer Studie von Vatrer Power aus dem vergangenen Jahr beginnen diese traditionellen Chemieformulierungen bereits bei etwas über 60 Grad Celsius zu zerfallen. Dies verursacht ernsthafte Sicherheitsprobleme in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Aufgrund dieser inhärenten Stabilität setzen viele Hersteller mittlerweile auf LiFePO4 für ihre 48-Volt-Systeme in schweren Geräten. Denken Sie an Fabriken oder Baustellen, wo Maschinen ununterbrochen laufen und die Umgebungstemperatur regelmäßig über 50 Grad steigt. Die Batterie arbeitet dann weiterhin problemlos, ohne Überhitzung zu erfahren.
Die Wärmeentwicklung in 48-V-Systemen unter hoher Belastung resultiert hauptsächlich aus drei Quellen: dem inneren Widerstand beim Zyklen, der Jouleschen Erwärmung bei Stromspitzen und den exothermen Reaktionen, die während tiefer Entladungen auftreten. Wenn Batterien mit Entladeströmen von 3C betrieben werden, erreichen ihre Oberflächen gemäß einer 2023 von MDPI veröffentlichten Studie oft Temperaturen über 54 Grad Celsius, falls keine aktive Kühlung eingesetzt wird. Für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, wie beispielsweise Hilfssysteme in Elektrofahrzeugen, führt diese unkontrollierte thermische Ansammlung zu gefährlichen Hotspots im gesamten Batteriemodul. Diese heißen Bereiche beschleunigen die Alterung der Batteriezellen erheblich stärker als bei Systemen mit geeigneter thermischer Steuerung und können die Lebensdauer um etwa 40 Prozent oder mehr verkürzen.
Die Kombination aus indirekter Flüssigkeitskühlung mit Phasenwechselmaterialien, auch PCMs genannt, entwickelt sich zu einer der führenden Methoden, um sowohl eine gute Effizienz als auch Sicherheit in den neuen 48-Volt-Systemen zu erreichen, die heutzutage überall zu finden sind. Eine 2025 im Journal of Power Sources veröffentlichte Studie zeigte etwas ziemlich Interessantes: Bei Tests an hybriden Systemen, die sowohl Flüssigkeitskühlung als auch PCMs kombinierten, sanken die Spitzen temperaturen um etwa 18 Prozent bei Autobatterien, die bei einer Umgebungstemperatur von 35 Grad Celsius betrieben wurden. Ziemlich beeindruckend. Auch moderne thermische Steuerungssysteme werden immer intelligenter. Sie können den Kühlmittelfluss basierend auf den aktuellen Bedingungen anpassen. Diese dynamische Anpassung spart im Vergleich zu älteren Systemen mit fester Drehzahl etwa 70 Prozent Energie ein und hält dabei die Temperaturunterschiede zwischen den Zellen auf nur 1,5 Grad Celsius. Wenn man darüber nachdenkt, ist das durchaus logisch.
Thermische Konzepte müssen an die jeweiligen Einsatzumgebungen angepasst werden:
Modulare Flüssigkaltplatten haben sich als skalierbarer Standard etabliert und ermöglichen eine nahtlose Erweiterung von 5-kWh-Haushaltsgeräten bis hin zu 1-MWh-Netzspeichern, ohne die kerntechnischen Komponenten neu gestalten zu müssen.
Forscher der Applied Thermal Engineering führten 2025 Tests durch, bei denen untersucht wurde, wie ein spezielles mehrschichtiges PCM-Flüssigkeitssystem mit 48-Volt-Gabelstaplerbatterien in Lagern funktioniert, in denen Temperaturen von etwa 45 Grad Celsius erreicht werden. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Diese Batterien blieben kühl und hielten ihre maximale Temperatur während der langen achtstündigen Arbeitsschichten bei etwa 29,2 Grad Celsius. Das ist tatsächlich 7,3 Grad kühler als bei herkömmlichen Batterien ohne Kühlsystem. Und es gibt noch weitere gute Nachrichten: Der jährliche Kapazitätsverlust der Batterie sank dramatisch von 15 Prozent auf nur 2,1 Prozent. Bei Tests unter realen Bedingungen zeigten diese Systeme minimale Temperaturunterschiede von weniger als 2 Grad über alle 96 Zellen hinweg, selbst während intensiver 150-Ampere-Schnellladeprozesse. Ziemlich bemerkenswerte Ergebnisse für alle, die mit anspruchsvollen Batterieanwendungen arbeiten.
Die Hauptquellen für Energieverluste in 48-V-Systemen umfassen einen inneren Widerstand, der zwischen 3 und 8 Prozent liegt, sowie thermische Verluste von etwa 2 bis 5 Prozent pro Ladezyklus, ganz zu schweigen von den störenden Ineffizienzen an den Elektrodenoberflächen. Wenn das Laden nicht ordnungsgemäß erfolgt, können ohmsche Verluste laut einigen aktuellen Studien zur Optimierung des Lithium-Ionen-Ladens bis zu 12 Prozent höher sein als bei gut ausbalancierten Ladeverfahren. Für alle, die mit Hochleistungsanwendungen wie Antriebssystemen von Elektrofahrzeugen arbeiten, sind diese Verluste von großer Bedeutung, da das ständige schnelle Zyklen die Komponenten im Laufe der Zeit schneller verschleißt.
Batteriemanagementsysteme heutzutage sorgen dafür, dass Dinge besser laufen, da sie den Stromfluss intelligent anpassen. Dadurch werden die lästigen ohmschen Verluste an ihren kritischsten Stellen um 18 bis 22 Prozent reduziert. Sie balancieren auch die Zellen äußerst präzise und halten die Spannungen innerhalb nur 1,5 % Unterschied über alle Zellen hinweg. Und wenn es draußen kalt wird, gleichen diese Systeme Temperaturschwankungen während des Ladevorgangs aus, sodass keine Lithium-Abscheidung auftritt. Wie Forschungsergebnisse zeigen, verlieren Batterien, die dieses mehrstufige Konstantstromverfahren nutzen, im Laufe der Zeit weniger Kapazität. Tests an 48-Volt-LiFePO4-Systemen zeigten etwa 16,5 % geringere Alterung im Vergleich zu älteren Ladekontrollmethoden. Es ist daher verständlich, warum immer mehr Unternehmen auf diese fortschrittlichen Systeme für langlebigere Stromlösungen umsteigen.
Variable Lasten in der Robotik und bei erneuerbaren Mikrogrids bringen Effizienzherausforderungen mit sich:
| Lastkennlinie | Effizienzimpact | Minderungsstrategie |
|---|---|---|
| Stromspitzen mit hoher Intensität (≥3C) | 8–12 % Spannungseinbruch | Kondensatoren mit ultraniedrigem ESR |
| Frequenzschwankungen (10–100 Hz) | 6 % Welligkeitsverluste | Aktive Oberschwingungsfilterung |
| Vorübergehende Leerlaufphasen | 3 % Selbstentladung/Stunde | Tiefschlaf-BMS-Modi |
Daten von Telekommunikations-Notstromsystemen zeigen, dass die Lastanpassung den Rundum-Wirkungsgrad bei 48-V-Lithiumbatterien von 87 % auf 93 % erhöht und den Energiebedarf für das thermische Management um 40 % senkt.
Der Kapazitätsverlust bei 48-Volt-Batteriesystemen geschieht hauptsächlich aus drei Gründen: Wachstum der festen Elektrolytschicht (SEI), Bildung von Lithiumablagerungen auf den Elektroden und mechanische Belastung durch das ständige Ausdehnen und Zusammenziehen der Materialien während der Ladezyklen. Bei steigenden Temperaturen beschleunigen sich diese unerwünschten chemischen Reaktionen erheblich. Letztes Jahr veröffentlichte Forschungsergebnisse zeigen, dass, wenn die Betriebstemperatur um nur 10 Grad Celsius über 30 Grad ansteigt, die Anzahl der Ladevorgänge, die eine Batterie durchhalten kann, bevor sie ausfällt, sich halbiert. Für Automobilhersteller, die mit realen Fahrbedingungen umgehen müssen, wird dieser mechanische Verschleiß im Laufe der Zeit noch schlimmer, da Fahrzeuge die Batterien unterwegs unterschiedlichsten Vibrationen und plötzlichen Lastwechseln aussetzen.
Der Betrieb von 48-V-Batterien im Ladezustandsbereich (SOC) von 20 % bis 80 % reduziert die SEI-Bildung um 43 % im Vergleich zum vollen Zyklen. Laut der Analyse des NREL aus dem Jahr 2023 erhält eine Laderate von 0,5C (3-Stunden-Ladung) nach 800 Zyklen 98 % der anfänglichen Kapazität, während bei 1C nur 89 % erhalten bleiben.
| Gebührenpreis | Zyklen bis 80 % Kapazität | Jährlicher Kapazitätsverlust |
|---|---|---|
| 0,3C | 2,100 | 4.2% |
| 0,5c | 1,700 | 5.8% |
| 1,0C | 1,200 | 8.3% |
Tabelle: Auswirkung der Laderate auf die Lebensdauer von 48-V-Lithium-Ionen-Batterien (NREL 2023)
Schnellladen mit 1C verkürzt die Wartezeit definitiv, hat aber einen Nachteil: Die Batterien laufen im Inneren um etwa 55 bis 70 Prozent heißer im Vergleich zur langsameren Laderate von 0,5C. Ein kürzlich durchgeführter Blick auf kommerzielle Energiespeicher aus dem Jahr 2024 zeigt jedoch etwas Interessantes. Dort wurde ein Ansatz verfolgt, bei dem mit voller Geschwindigkeit (1C) geladen wurde, bis etwa 70 % des Ladezustands erreicht waren, danach wurde auf nur noch 0,3C heruntergeregelt. Nach 1.200 Ladezyklen behielt diese Methode etwa 85 % der ursprünglichen Kapazität, was tatsächlich ziemlich nahe an den Ergebnissen extrem vorsichtiger Langsamlademethoden liegt. Und hier kommt der entscheidende Punkt: Wenn diese Systeme eine gute thermische Steuerung besitzen, die die Temperaturen um mindestens 30 % senken kann, wird teilweises Schnellladen zu einem intelligenten Kompromiss zwischen schnellem Laden und einer möglichst langen Batterielebensdauer.