Nennspannung, Leerlaufspannung & Ladeschlussspannung einfach erklärt
Auf einem Akku steht beispielsweise 3,6 V, am Ladegerät 4,2 V und mit dem Multimeter messen Sie noch einmal einen anderen Wert. Der Grund: Nennspannung, Leerlaufspannung und Ladeschlussspannung beschreiben völlig unterschiedliche Zustände. Wer die Begriffe auseinanderhält, kann Akkus, Ladegeräte und Messwerte wesentlich besser beurteilen.
Nennspannung: der definierte beziehungsweise typische Spannungswert, mit dem eine Zelle oder Batterie bezeichnet wird.
Leerlaufspannung: die aktuell an den Polen messbare Spannung, wenn kein nennenswerter Strom fließt.
Ladeschlussspannung: die obere Spannungsgrenze, bis zu der ein wiederaufladbarer Akku nach Herstellervorgabe geladen wird.
Entladeschlussspannung: die untere Spannungsgrenze, bei der die definierte Entladung beendet wird.
Nennspannung, Leerlaufspannung und Ladeschlussspannung im direkten Vergleich
| Begriff | Bedeutung | Beispiel Li-Ion |
|---|---|---|
| Nennspannung | definierter Bezugswert der Zellchemie beziehungsweise Batterie | beispielsweise 3,6 V |
| Leerlaufspannung | aktuell gemessene Spannung ohne angeschlossene Last | abhängig von Ladezustand, Temperatur und Zellzustand |
| Ladeschlussspannung | obere Spannungsgrenze beim vorgesehenen Ladevorgang | bei vielen klassischen Li-Ion-Zellen 4,2 V |
| Entladeschlussspannung | untere definierte Spannungsgrenze für den Entladetest beziehungsweise Betrieb | abhängig von der konkreten Zelle |
Die Werte in diesem Artikel sind typische Beispiele. Bei einem konkreten Akku gelten immer Datenblatt, Batteriemanagement und Herstellerangaben.
Was ist die Nennspannung?
Die Nennspannung ist ein festgelegter beziehungsweise typischer Bezugswert, mit dem eine Batterie, Akkuzelle oder ein kompletter Akkupack bezeichnet wird.
Sie ist ausdrücklich nicht die Spannung eines vollständig geladenen Akkus.
Typische Beispiele sind:
- AA-Alkaline-Batterie: 1,5 V
- NiMH-Akku: 1,2 V
- LiFePO4-Zelle: häufig 3,2 V
- klassische Li-Ion-Zelle: häufig 3,6 beziehungsweise 3,7 V
- AGM-/Bleibatterie: beispielsweise 12 V
Während des Betriebs kann die tatsächlich messbare Spannung deutlich oberhalb oder unterhalb der Nennspannung liegen.
Die Nennspannung ist in erster Linie ein Bezeichnungs- und Vergleichswert – kein Messwert, den der Akku zu jedem Zeitpunkt exakt besitzen muss.
Beispiel: Warum hat ein 3,6-V-Li-Ion-Akku beim Laden 4,2 V?
Eine typische klassische Lithium-Ionen-Zelle kann beispielsweise folgende Werte besitzen:
Nennspannung: 3,6 V
Ladespannung / obere Ladegrenze: 4,2 V
Entladeschlussspannung: beispielsweise 2,5 V bei einer entsprechend spezifizierten Zelle
Die Angabe „3,6 V“ auf der Zelle bedeutet deshalb nicht, dass ein Ladegerät nur 3,6 V liefern darf.
Ebenso bedeutet ein Messwert von beispielsweise mehr als 4 V bei einer entsprechend geladenen Zelle nicht automatisch, dass der Akku überspannt ist.
Entscheidend ist immer die Spezifikation der konkreten Zelle beziehungsweise des Akkupacks.
Was ist die Leerlaufspannung?
Die Leerlaufspannung, häufig auch als Open Circuit Voltage oder OCV bezeichnet, ist die Spannung zwischen Plus- und Minuspol, wenn keine beziehungsweise nur eine vernachlässigbar kleine Last angeschlossen ist.
Vereinfacht: Sie messen die Batterie mit einem geeigneten Multimeter, ohne dass das Gerät gleichzeitig nennenswert Strom aus ihr zieht.
Zeigt die Leerlaufspannung den Ladezustand?
Teilweise – aber nicht universell und nicht exakt.
Bei einigen Batterietechnologien besteht eine brauchbare Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand.
Die Aussagekraft hängt jedoch unter anderem ab von:
- Zellchemie,
- Temperatur,
- vorheriger Belastung,
- vorherigem Laden,
- Ruhezeit vor der Messung,
- Zellalter und Innenwiderstand.
Besonders bei LiFePO4 verläuft die Spannung über einen großen Teil des Ladezustands relativ flach. Eine reine Spannungsmessung kann dort nur eingeschränkt Auskunft über den Ladezustand geben.
Eine Batterie kann eine scheinbar normale Leerlaufspannung zeigen und trotzdem stark an Kapazität oder Leistungsfähigkeit verloren haben. Für die tatsächliche Kapazität benötigt man einen kontrollierten Entlade- beziehungsweise Kapazitätstest.
Leerlaufspannung oder Spannung unter Last – ein wichtiger Unterschied
Sobald ein Verbraucher angeschlossen wird, fließt Strom.
Dann messen Sie nicht mehr die reine Leerlaufspannung, sondern die Klemmenspannung unter Belastung.
Aufgrund des Innenwiderstands einer Batterie fällt die Spannung unter Last normalerweise ab.
Je höher:
- der entnommene Strom
- und der Innenwiderstand des Akkus,
desto größer kann dieser Spannungseinbruch ausfallen.
Genau deshalb kann ein alter Akku ohne Last noch eine scheinbar gute Spannung zeigen und beim Einschalten eines leistungsstarken Verbrauchers plötzlich stark einbrechen.
Was ist die Ladeschlussspannung?
Die Ladeschlussspannung beschreibt die obere Spannungsgrenze, die bei einem vorgesehenen Ladevorgang erreicht beziehungsweise eingehalten werden darf.
Sie hängt unmittelbar von:
- Zellchemie,
- Zelltyp,
- Batteriekonstruktion,
- Ladeverfahren,
- teilweise der Temperatur
ab.
Eine pauschale Aussage wie „Lithium wird immer mit 4,2 V geladen“ wäre deshalb zu ungenau.
Viele klassische Li-Ion-Zellen nutzen 4,2 V, es existieren jedoch auch andere Lithium-Zellchemien und Hochvolt-Ausführungen mit abweichenden Werten.
Warum ist die Ladeschlussspannung so wichtig?
Besonders bei Lithium-Akkus muss der Ladevorgang exakt zur Zellchemie passen.
Ein klassisches Li-Ion-Ladeverfahren arbeitet typischerweise nach dem CC-CV-Prinzip:
- Zunächst wird mit kontrolliertem Strom geladen.
- Beim Erreichen der vorgesehenen oberen Spannung wird diese gehalten.
- Der Ladestrom sinkt zunehmend.
- Bei einem definierten Reststrom wird der Ladevorgang beendet.
Das bedeutet auch: Das Erreichen der Ladeschlussspannung allein ist nicht immer identisch mit dem vollständigen Ende des gesamten Ladeprozesses.
Ein Lithium-Akku wird bei Erreichen seiner oberen Ladegrenze nicht einfach unbegrenzt weitergeladen, wobei „überschüssige Energie nur zu Wärme wird“. Ladegerät und Batteriemanagement müssen den Vorgang kontrolliert begrenzen.
Was ist die Entladeschlussspannung?
Die Entladeschlussspannung ist das Gegenstück zur oberen Ladegrenze.
Sie definiert, bis zu welcher Spannung eine Zelle unter festgelegten Bedingungen entladen wird beziehungsweise werden darf.
Unterhalb dieser Grenze sollte eine weitere Entladung vermieden werden.
Bei modernen Lithium-Akkupacks überwacht üblicherweise das Batteriemanagementsystem die einzelnen Zellspannungen und schaltet den Pack ab, bevor kritische Zellspannungen erreicht werden.
Auch für Kapazitätsangaben ist die Entladeschlussspannung wichtig: Eine Kapazität von beispielsweise 3.000 mAh gilt immer nur unter den vom Hersteller definierten Prüfbedingungen.
Typische Spannungen verschiedener Akku-Chemien
| Technologie | Typische Nennspannung | Laden | Besonderheit |
|---|---|---|---|
| Alkaline AA / AAA | 1,5 V | keine Ladeschlussspannung für normalen Gebrauch | Primärbatterie – nicht wiederaufladen |
| NiMH | 1,2 V/Zelle | keine einfache universelle feste Ladeschlussspannung | Ladeende wird unter anderem über Spannungsverlauf und Temperatur erkannt |
| Li-Ion, klassisch | häufig 3,6–3,7 V/Zelle | bei vielen Zellen 4,2 V/Zelle | Herstellerdatenblatt beachten |
| LiFePO4 | häufig 3,2 V/Zelle | häufig bis 3,65 V/Zelle | nicht mit klassischem 4,2-V-Li-Ion-Ladeverfahren verwechseln |
| Blei / AGM / Gel | etwa 2 V/Zelle beziehungsweise 12 V bei 6 Zellen | Lade- und Erhaltungsspannung abhängig von Batterietyp und Betriebsart | Temperatur und Herstellerkennlinie beachten |
Warum darf ein LiFePO4-Akku nicht wie ein klassischer Li-Ion-Akku geladen werden?
Beide gehören zwar zur großen Familie der Lithium-Ionen-Technologien, besitzen aber unterschiedliche Zellspannungen.
Eine typische LiFePO4-Zelle kann beispielsweise mit:
- 3,2 V Nennspannung
- 3,65 V oberer Ladespannung
spezifiziert sein.
Eine klassische Li-Ion-Zelle kann dagegen beispielsweise:
- 3,6 V Nennspannung
- 4,2 V Ladespannung
besitzen.
Ein Ladegerät muss deshalb zur tatsächlichen Zellchemie passen.
12,8-V-LiFePO4-Akku und 14,6-V-Ladegerät – warum passt das?
Ein typischer „12,8-V“-LiFePO4-Akku besteht aus vier in Reihe geschalteten 3,2-V-Zellen.
Nennspannung:
4 × 3,2 V = 12,8 V
obere Ladespannung bei 3,65 V je Zelle:
4 × 3,65 V = 14,6 V
Ein 14,6-V-Ladegerät für einen dafür vorgesehenen 12,8-V-LiFePO4-Akku ist deshalb kein Widerspruch.
Warum hat ein 36-V-E-Bike-Akku ein 42-V-Ladegerät?
Ein klassischer 36-V-Lithium-Ionen-Akku besteht häufig aus 10 Zellgruppen in Reihe.
Bei 3,6 V Nennspannung je Zellgruppe ergibt sich:
10 × 3,6 V = 36 V
Ladespannung:
10 × 4,2 V = 42 V
Deshalb steht auf vielen Ladegeräten für klassische 36-V-Li-Ion-E-Bike-Systeme eine Ausgangsspannung von 42 V.
Das bedeutet aber nicht, dass jedes 42-V-Ladegerät für jeden 36-V-E-Bike-Akku geeignet ist.
Zusätzlich müssen stimmen:
- Zellchemie,
- Ladestrom,
- Stecker,
- Pinbelegung,
- Kommunikation,
- Herstellerfreigabe.
Warum hat eine 12-V-AGM-Batterie beim Laden mehr als 12 V?
Das gleiche Prinzip gilt bei Bleibatterien.
Eine sogenannte 12-V-AGM-Batterie besteht aus sechs in Reihe geschalteten Bleizellen und wird anhand ihrer Nennspannung als 12-V-Batterie bezeichnet.
Beim Laden liegt die erforderliche Spannung jedoch deutlich über 12 V.
Wie hoch sie sein darf, hängt unter anderem von:
- Batterieserie,
- AGM-, Gel- oder Nassbauweise,
- zyklischem oder Standby-Betrieb,
- Temperatur
ab.
Deshalb ist auch die häufige Aussage „jede AGM-Batterie lädt exakt mit 14,7 V“ nicht allgemein richtig.
Ladeschlussspannung und Erhaltungsspannung sind nicht dasselbe
Gerade bei Blei- und AGM-Batterien ist zusätzlich die Erhaltungsspannung wichtig.
Eine Batterie kann zunächst mit einer höheren Spannung zyklisch beziehungsweise vollständig geladen und anschließend auf einer niedrigeren Spannung gehalten werden.
Ein konkretes Herstellerbeispiel: Eine 12-V-AGM-Batterie kann je nach Modell für zyklisches Laden etwa 14,5 V und für Standby-/Erhaltungsladung etwa 13,65 V vorsehen.
Deshalb sollte man:
- Nennspannung,
- Ladespannung,
- Erhaltungsspannung
nicht miteinander verwechseln.
NiMH: Warum gibt es hier keine einfache Ladeschlussspannung?
Ein NiMH-Akku besitzt typischerweise eine Nennspannung von 1,2 V pro Zelle.
Das Ladeende wird bei einer Schnellladung jedoch nicht einfach dadurch erkannt, dass eine universelle Spannung erreicht wird.
Geeignete Ladegeräte überwachen je nach Ladeverfahren beispielsweise:
- den charakteristischen Spannungsverlauf,
- eine kleine Spannungsabnahme nach dem Ladepeak (-ΔV),
- Temperatur beziehungsweise Temperaturanstieg,
- Ladezeit.
Genau deshalb benötigt NiMH ein für diese Zellchemie geeignetes Ladegerät.
Alkaline-Batterie: 1,5 V Nennspannung – aber keine Ladeschlussspannung
Bei einer klassischen AA- oder AAA-Alkaline-Batterie liegt die Nennspannung bei 1,5 V.
Da es sich um eine Primärbatterie handelt, ist sie nicht für das Wiederaufladen vorgesehen.
Der Begriff Ladeschlussspannung ist hier für den normalen Gebrauch deshalb nicht relevant.
Ein frisch gemessener Spannungswert kann außerdem oberhalb der aufgedruckten 1,5 V liegen, ohne dass die Batterie deswegen falsch spezifiziert wäre.
Akku-Packs: Spannungen von Einzelzellen addieren
Werden Zellen in Reihe geschaltet, addieren sich ihre Spannungen.
Das gilt für:
- Nennspannung,
- Ladeschlussspannung,
- Entladeschlussspannung.
| Beispiel | Aufbau | Nennspannung | obere Ladespannung |
|---|---|---|---|
| Li-Ion | 1S | 3,6 V | typ. 4,2 V |
| Li-Ion E-Bike | häufig 10S | 36 V | typ. 42 V |
| LiFePO4 | 4S | 12,8 V | typ. bis 14,6 V |
Die Beispiele setzen entsprechend spezifizierte Zelltypen voraus. Abweichende Lithium-Chemien beziehungsweise Zelltypen können andere Spannungsgrenzen besitzen.
Was bedeutet S bei Akkupacks – 4S, 10S oder 13S?
Das S steht für die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellgruppen.
Beispiele:
- 1S = eine Zellgruppe
- 4S = vier Zellgruppen in Reihe
- 10S = zehn Zellgruppen in Reihe
- 13S = dreizehn Zellgruppen in Reihe
Parallel geschaltete Zellen erhöhen dagegen primär die Kapazität beziehungsweise mögliche Stromabgabe, nicht die Nennspannung des Packs.
Wie messe ich die Leerlaufspannung richtig?
Für eine einfache Spannungsmessung benötigen Sie ein geeignetes Digitalmultimeter.
- passenden Gleichspannungs-Messbereich wählen,
- schwarze Messleitung an Minus,
- rote Messleitung an Plus,
- Messwert ablesen.
Für eine echte Leerlaufmessung darf währenddessen keine nennenswerte Last angeschlossen sein.
Unmittelbar nach dem Laden oder Entladen kann der Messwert außerdem vom späteren Ruhewert abweichen.
Das Multimeter zur Spannungsmessung niemals im Strommessbereich direkt zwischen Plus und Minus einer Batterie anschließen. Dabei kann praktisch ein Kurzschluss entstehen. Besonders Hochstrom-Lithiumzellen und große Akkupacks können dabei sehr hohe Ströme liefern.
Kann ich an der Spannung erkennen, ob ein Akku noch gut ist?
Nicht zuverlässig.
Spannung, Ladezustand und Gesundheitszustand sind drei unterschiedliche Dinge.
Ein gealterter Akku kann:
- eine normale Leerlaufspannung besitzen,
- aber nur noch einen Teil seiner ursprünglichen Kapazität liefern,
- unter Last stark in der Spannung einbrechen.
Für eine aussagekräftige Zustandsprüfung können daher zusätzlich relevant sein:
- Kapazität in Ah beziehungsweise Wh,
- Innenwiderstand,
- Spannungseinbruch unter Last,
- Zellabweichungen,
- BMS-Diagnosedaten.
Nennspannung und Kapazität ebenfalls nicht verwechseln
Volt und Amperestunden beschreiben unterschiedliche elektrische Eigenschaften.
Volt (V) beschreibt die elektrische Spannung.
Amperestunden (Ah beziehungsweise mAh) beschreiben die elektrische Ladungsmenge.
Erst zusammen lassen sich die Wattstunden näherungsweise bestimmen:
Was passiert bei einer falschen Ladeschlussspannung?
Ist die vom Ladegerät verwendete Spannung nicht für den Akku vorgesehen, kann dies zu Problemen führen.
Eine zu niedrige Ladegrenze kann beispielsweise bedeuten, dass der Akku nicht seine vorgesehene nutzbare Ladung erreicht.
Eine zu hohe Spannung kann dagegen die Zelle belasten und je nach Akkutechnologie ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Deshalb nicht nur prüfen, ob der Stecker mechanisch passt.
✓ Akkutechnologie
✓ Ausgangsspannung
✓ Ladeschlussspannung
✓ Ladestrom
✓ Stecker
✓ Polung und Pinbelegung
✓ bei intelligenten Packs gegebenenfalls Kommunikation
Die häufigsten Denkfehler bei Akku-Spannungen
| Annahme | Richtig ist |
|---|---|
| „Nennspannung ist die Spannung des vollen Akkus.“ | Nein – die Nennspannung ist ein definierter Bezugswert. |
| „Mein 36-V-Akku darf nie über 36 V haben.“ | Nein – ein typischer 10S-Li-Ion-Pack erreicht beim Laden etwa 42 V. |
| „Die Leerlaufspannung zeigt die verbleibenden Ah.“ | Nein – Spannung und tatsächliche Kapazität sind unterschiedliche Größen. |
| „Wenn der Stecker passt, passt das Ladegerät.“ | Nein – Spannung, Chemie, Strom, Polung und gegebenenfalls Kommunikation müssen ebenfalls stimmen. |
| „Alle Lithium-Akkus haben 4,2 V Ladeschluss.“ | Nein – LiFePO4 und andere Lithium-Systeme besitzen andere Spannungsgrenzen. |
Häufige Fragen zu Nenn-, Leer- und Ladeschlussspannung
Ist die Nennspannung die Spannung eines vollständig geladenen Akkus?
Nein. Die Nennspannung ist ein definierter beziehungsweise typischer Bezugswert. Eine klassische Li-Ion-Zelle kann beispielsweise mit 3,6 V Nennspannung bezeichnet sein und beim Laden bis 4,2 V erreichen.
Was ist die Leerlaufspannung?
Die Leerlaufspannung ist die Spannung, die zwischen den Batteriepolen gemessen wird, wenn keine nennenswerte elektrische Last angeschlossen ist.
Zeigt die Leerlaufspannung die Restkapazität?
Nicht direkt. Abhängig von der Zellchemie kann sie Hinweise auf den Ladezustand liefern. Die tatsächlich verbliebene Kapazität in Ah oder Wh lässt sich daraus aber nicht zuverlässig bestimmen.
Was ist die Ladeschlussspannung?
Sie bezeichnet die obere Spannungsgrenze, die beim vorgesehenen Laden einer Akkuzelle beziehungsweise eines Akkupacks erreicht werden darf. Der genaue Wert ist hersteller- und chemieabhängig.
Was ist die Entladeschlussspannung?
Sie bezeichnet die untere Spannungsgrenze, bis zu der eine Batterie unter definierten Bedingungen entladen wird. Bei Lithium-Akkupacks schützt üblicherweise das BMS vor einer zu tiefen Zellspannung.
Warum lädt ein 36-V-Akku mit 42 V?
Ein klassischer 36-V-Li-Ion-E-Bike-Akku besteht häufig aus zehn Zellgruppen mit etwa 3,6 V Nennspannung. Zehn Zellgruppen mit jeweils 4,2 V oberer Ladespannung ergeben zusammen 42 V.
Warum lädt ein 12,8-V-LiFePO4-Akku mit bis zu 14,6 V?
Vier LiFePO4-Zellen mit 3,2 V Nennspannung ergeben 12,8 V. Werden sie jeweils bis 3,65 V geladen, ergibt sich eine obere Packspannung von 14,6 V.
Warum hat eine 12-V-Autobatterie nach dem Laden mehr als 12 V?
12 V ist die Nennspannung. Die tatsächliche Klemmenspannung und die beim Laden benötigte Spannung liegen je nach Ladezustand und Batterietyp darüber.
Kann ich die Leerlaufspannung mit einem Multimeter messen?
Ja. Das Multimeter wird im passenden Gleichspannungsbereich parallel an Plus und Minus angeschlossen. Für eine echte Leerlaufmessung darf währenddessen keine nennenswerte Last angeschlossen sein.
Kann ich mit dem Multimeter auch die Akkukapazität messen?
Nicht direkt. Ein Multimeter kann Spannung und Strom messen. Die Kapazität in Ah beziehungsweise Wh erfordert einen definierten Entladetest über die Zeit.
Darf ich ein Ladegerät mit höherer Voltzahl verwenden?
Nur wenn die Ausgangsspannung ausdrücklich zum Ladeverfahren des konkreten Akkus gehört. Die Tatsache, dass ein Akku eine niedrigere Nennspannung besitzt, bedeutet nicht automatisch, dass dieselbe Spannung auch die richtige Ladespannung ist.
Spannung verstanden – jetzt Akku richtig laden und prüfen
1,2 V, 3,2 V, 3,6 V, 12 V oder 36 V sind zunächst Nennspannungen. Ob ein Ladegerät, Ersatzakku oder Batterietester wirklich passt, entscheidet erst das Zusammenspiel aus Zellchemie, Ladegrenzen, Strom, Bauart und Herstellerfreigabe.
Passendes Ladegerät finden Akkus entdeckenNennspannung, Ladegrenzen, Entladeschlussspannung, Ladestrom und Temperaturbereiche sind abhängig von Zellchemie und konkretem Produkt. Für Auswahl und Betrieb sind deshalb immer die technischen Daten des jeweiligen Akkus beziehungsweise die Angaben des Geräteherstellers maßgeblich.
