{"id":24340,"date":"2017-10-24T07:00:57","date_gmt":"2017-10-24T05:00:57","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/10\/24\/das-bierglasmodell\/"},"modified":"2025-05-14T16:36:43","modified_gmt":"2025-05-14T14:36:43","slug":"das-bierglasmodell","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2017\/10\/24\/das-bierglasmodell\/","title":{"rendered":"Das Bierglasmodell"},"content":{"rendered":"

\"sb-wettbewerb_klein\"<\/a>Dieser Artikel ist Teil des ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2017<\/a>. Informationen zum Ablauf gibt es hier<\/a>. Leserinnen und Leser k\u00f6nnen die Artikel bewerten und bei der Abstimmung einen Preis gewinnen – Details dazu gibt es hier<\/a>. Eine \u00dcbersicht \u00fcber alle am Bewerb teilnehmenden Artikel gibt es hier<\/a>. Informationen zu den Autoren der Wettbewerbsartikel finden sich in den jeweiligen Texten.<\/i>
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\nDas Bierglasmodell<\/b><\/p>\n

von Marcus Zacher<\/p>\n

Ich bin Ingenieur in der Batterieentwicklung f\u00fcr Elektrofahrzeuge und betreibe seit anderthalb Jahren den Blog Generation Strom<\/a>, der sich mit Themen rund um die Elektromobilit\u00e4t befasst.<\/p>\n

Die elektrochemische Zelle ist der wichtigste Bestandteil einer Batterie f\u00fcr Elektrofahrzeug. Doch wie funktionert so eine Zelle eigentlich und welchen Einfluss hat dies auf die Batterie? Mit Hilfe des „Bierglasmodells“ m\u00f6chte ich die Funktionsweise veranschaulichen.<\/p>\n

Die Zukunft der (Auto-)Mobilit\u00e4t ist elektrisch. Egal ob Hybrid, Plug-In-Hybrid, Elektroauto oder Brennstoffzellenfahrzeug – alle Fahrzeuge ben\u00f6tigen einen Energiespeicher, der die notwendige elektrische Energie speichert. Dabei haben Hybride und Elektrofahrzeuge v\u00f6llig unterschiedliche Anforderungen an diesen Energiespeicher, welcher (fast) immer aus einem elektrochemischen Speicher besteht. Die wichtigsten Elemente dieser Energiespeicher sind dabei die elektrochemischen Zellen – die kleinsten Einheiten einer Batterie. Diese bedingen wesentliche Eigenschaften der Batterie und damit auch des (teil-)elektrifizierten Fahrzeugs: Leistung, Reichweite, Gewicht, Preis – um nur einige Punkte zu nennen. Aber wie funktioniert so eine Zelle eigentlich?
\nUm die Funktionsweise einer Zelle zu verdeutlichen, m\u00f6chte ich euch anhand des Bierglasmodells<\/b> die wichtigsten Eigenschaften erl\u00e4utern.<\/p>\n

Die Ma\u00df ist voll!<\/h3>\n

Fangen wir zun\u00e4chst mit einem einfachen Wert an: dem Ladezustand<\/b>. Der Ladezustand – oder State of Charge<\/b> (kurz: SOC) – ist sowohl f\u00fcr Elektroautos- als auch f\u00fcr Smartphone-Nutzer eines der meistbeachteten Werte. Er zeigt an, welche Restmenge an elektrischer Ladung sich noch in der Batterie bzw. der Zelle befindet.
\nAnalog dazu ist die F\u00fcllmenge eines Bierglases zu betrachten. Ist das Glas voll, spricht man \u00fcblicherweise von einem SOC von 100%. Ist das Glas leer, sind es entsprechend 0%. Dazwischen kann der SOC linear interpoliert werden.<\/p>\n

\"Das<\/a>
Das linke Bierglas weist einen SOC von 100% auf, das rechte ist noch zu ca. 50% gef\u00fcllt.<\/figcaption><\/figure>\n

Der Ladezustand zeigt also an, wie voll oder leer die Zelle ist. Um den Ladezustand einer Zelle festzustellen, muss ich die Spannung der Zelle ermitteln, da Ladezustand und Spannung der Zelle direkt zusammenh\u00e4ngen. Man stelle sich dazu die F\u00fcllh\u00f6he eines Bierglases vor. Dieser Zusammenhang ist normalerweise – wie bei einem konisch geformten Bierglas – nicht linear. Um den Zusammenhang aus Spannung (= F\u00fcllstandsh\u00f6he) und Ladezustand (= Restmenge im Bierglas) zu linearisieren, muss ich die F\u00fcllstandsh\u00f6he auf den relativen Wert des Ladezustands \u00fcbertragen: Man spricht von der SOC-OCV-Kennlinie.<\/p>\n

\"Aufgrund<\/a>
Aufgrund der konischen Form des Bierglases kann anhand der F\u00fcllh\u00f6he nicht direkt auf die (relative) Restbiermenge geschlossen werden.<\/figcaption><\/figure>\n

Die unbelastete Spannung einer Zelle wird OCV genannt: Open Circuit Voltage. Dies bedeutet in der Sprache des Bierglasmodells, dass ich diese Spannung ermittle, wenn nicht aus dem Bierglas getrunken wird, da ich sonst keinen verl\u00e4sslichen Messwert erhalte. F\u00fcr die Zelle bedeutet dies, dass ich im Moment der Messung der Zelle keinen Strom entnehme.<\/p>\n

Und noch einen wichtigen Zusammenhang gibt es: Die Spannung einer Zelle darf nie 0V werden, da die Zelle sonst irreparabel defekt w\u00e4re. Lithium-Ionen-Zellen werden \u00fcblicherweise in einem Spannungsbereich von ca. 3,0 Volt (SOC = 0%) bis 4,2 Volt (SOC = 100%) betrieben. Dies ist auch der Bereich, auf den sich die weiteren Kennwerte der Zelle beziehen.<\/p>\n

Im Bierglasmodell w\u00fcrde das hei\u00dfen, dass ich ein Bierglas mit 0,5 Litern Fassungsverm\u00f6gen eigentlich nur im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 Liter betreiben w\u00fcrde. \u00dcber die 0,5 Liter hinaus darf ich das Bierglas auch nicht bef\u00fcllen, da es sonst \u00dcberladen w\u00e4re In diesem Bereich w\u00fcrde ich eine Zelle ebenfalls sch\u00e4digen.<\/p>\n

Zum besseren Verst\u00e4ndnis, und weil es auch der \u00fcblichen vorgehensweise entspricht, definieren wir f\u00fcr den weiteren Beitrag das leere Bierglas mit dem SOC von 0% und das volle Bierglas mit dem SOC von 100%.<\/p>\n

Merke:<\/i><\/b><\/p>\n