Funktionsweise von Akkus und Batteriemanagementsystemen – Molicel, DJI, Samsung SDI

Eine Batterie wandelt den Elektronenaustausch einer chemischen Reaktion in nutzbaren elektrischen Strom um. Lithium-Ionen-Batterien beziehen ihre Energie speziell aus der Potenzialdifferenz, die entsteht, wenn Lithium-Ionen zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode wandern. Wenn über die Leistungsfähigkeit von Robotern oder Drohnen gesprochen wird, liegt der Fokus oft auf Sensoren wie LiDAR oder IMUs. In der Praxis sind jedoch fast immer die Batterie und das zugehörige Batteriemanagementsystem (BMS) die entscheidenden Faktoren für Reichweite, Nutzlastkapazität und Sicherheit. Selbst die leistungsfähigsten Sensoren und Motoren können nicht fliegen oder sich bewegen, wenn das Energiesystem den Flaschenhals darstellt.

Zylindrische Lithium-Ionen-Zellen vom Typ 18650 (links) und 21700 (rechts)

Innenansicht eines Akkus: Mehrere in Reihe/parallel geschaltete Zellen sowie ein BMS-Board

Bilder: 18650 und 21700 Lithium-Ionen-Akkuzelle (Sevenethics, CC0) / Lithiumion-laptop-battery-internals (Leitungshalter, CC BY-SA 3.0), beide Wikimedia Commons.

Prinzip: Lithiumionen-Pendelbewegung und die sogenannte C-Rate

Während der Entladung wandern Lithiumionen, die sich in der negativen Elektrode (typischerweise Graphit) befinden, durch den Elektrolyten zur positiven Elektrode (einem Übergangsmetalloxid wie Lithium-Cobalt-Oxid). Gleichzeitig fließen Elektronen über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode und erzeugen so Strom. Für die gängige Graphit-Anode/Lithium-Cobalt-Oxid-Kathode lassen sich die Halbreaktionen wie folgt darstellen.

Beim Laden läuft diese Reaktion umgekehrt ab: Eine externe Stromquelle treibt Elektronen zurück zur negativen Elektrode und damit Lithiumionen zurück dorthin. Die spezifische Kombination der Elektrodenmaterialien bestimmt die Nennspannung, die Energiedichte und die Sicherheitseigenschaften – genau hier liegen die chemischen Unterschiede (NMC, NCA, LiFePO4 usw.) zwischen den unten verglichenen Produkten.

Entladungsmodell einer Lithium-Ionen-Batterie (Design des flüssigen Elektrolyten/Separators)

Bild: General Diagramm der Entladung einer Li-Batterie (Sdk16420, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Für Anwendungen in der Robotik und bei Drohnen ist die C-Rate in der Praxis wichtiger als die Elektrochemie selbst. Die C-Rate ist eine dimensionslose Größe, die angibt, wie viele Vielfache der Nennkapazität einer Zelle (in Ah) der tatsächliche Strom liefert.

\text{C-rate} = \frac{I}{Q}

Beispielsweise entspricht die Entnahme von 45 A aus einer Zelle mit einer Nennkapazität von 4,2 Ah einer C-Rate von etwa 10,7 C. Bei Drohnen und Laufrobotern, die zum Antrieb ihrer Motoren hohe Momentanströme benötigen, begrenzt die Wahl einer Zelle, die keine hohe C-Rate-Entladung verträgt, nicht nur die Leistung durch Spannungseinbrüche und Wärmeentwicklung aufgrund des Innenwiderstands, sondern erhöht auch das Risiko beschleunigter Alterung und thermischen Durchgehens. Energiedichte (Wh/kg, Wh/L) und die Fähigkeit zur Entladung hoher C-Raten stehen in einem Zielkonflikt, und dieser Zielkonflikt beeinflusst direkt den Strombedarf des Aktuators (Motors) im System. Diese Struktur liegt auch der SOC-Schätzung (State of Charge) eines Batteriemanagementsystems (BMS) zugrunde. Die einfachste Methode, die Coulomb-Zählung, integriert den Strom über die Zeit, um die verbleibende Kapazität zu ermitteln.

\mathrm{SOC}(t) = \mathrm{SOC}(0) - \frac{1}{Q}\int_0^t I(\tau)\, d\tau

Diese Gleichung hat dieselbe Struktur wie die Integration der Winkelgeschwindigkeit zur Lageregelung in einem IMU und birgt dasselbe Problem: Messfehler des Stromsensors akkumulieren sich mit der Zeit als „Drift“. In der Praxis korrigiert ein Batteriemanagementsystem (BMS) den Coulomb-Zählfehler periodisch anhand der Leerlaufspannung (OCV) – dem Verhältnis von OCV zu SOC im Leerlauf – oder fusioniert die OCV-Referenz mit dem integrierten Strom mittels eines erweiterten Kalman-Filters.

Festkörperbatterien: Elektrolyt durch Feststoff ersetzen

Fast alle heute verwendeten Lithium-Ionen-Batterien nutzen ein brennbares, flüssiges organisches Lösungsmittel als Elektrolyt zwischen den positiven und negativen Elektroden. Eine Festkörperbatterie ersetzt diesen flüssigen Elektrolyten durch einen festen – keramischen (oxidbasierten), sulfidischen oder polymeren –, wodurch das Risiko von Auslaufen und Bränden durch ein flüchtiges Lösungsmittel strukturell reduziert wird. Dies eröffnet auch die Möglichkeit, Lithiummetall selbst als Anode zu verwenden (direkte Abscheidung und Auflösung von Lithium ohne Wirtsmaterial wie Kohlenstoff), wodurch die Energiedichte pro Volumen- und Gewichtseinheit deutlich erhöht werden kann. Während typische Lithium-Ionen-Akkus etwa 160–260 Wh/kg erreichen, erzielen Festkörperakkus Werte von über 300 Wh/kg, wobei in Laborversuchen sogar 400–500 Wh/kg erreicht wurden.

Strukturschema einer Festkörperbatterie

Bild: All-Solid-State Batterie (Luca Bertoli, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Die Herausforderungen sind ebenso offensichtlich. Festkörper-Festkörper-Grenzflächen können nicht denselben nahtlosen Kontakt wie ein flüssiger Elektrolyt erreichen, daher stellt der Grenzflächenwiderstand häufig ein Problem dar, und die Erreichung einer Ionenleitfähigkeit auf dem Niveau eines flüssigen Elektrolyten war lange Zeit die zentrale technische Hürde. Es hat sich außerdem herausgestellt, dass die anfängliche Annahme – dass ein Festelektrolyt das Dendritenwachstum physikalisch verhindern würde – nicht vollständig zutrifft: Berichten zufolge breiten sich Dendriten durch die Korngrenzen von Festelektrolyten aus und verursachen interne Kurzschlüsse. Der bloße Wechsel zu einem Festelektrolyten garantiert also nicht automatisch Sicherheit.

Aufgaben eines Batteriemanagementsystems (BMS): Überwachung, Ausgleich und Schutz

Ein BMS ist eine Steuerschaltung mit zwei Kernfunktionen: der kontinuierlichen Überwachung von Spannung, Stromstärke und Temperatur jeder einzelnen Zelle in einem Akkupack, dem Ausgleich von Unterschieden zwischen den Zellen durch „Zellausgleich“ und der Stromabschaltung im Fehlerfall („Schutz“).

BMS-Steuerplatine in einem Lithium-Polymer-Akkupack (Laptop-Anwendung)

Bild: Asus Zenbook UX31E - Lithium-Polymer-Akku-Controller (Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Zellenausgleich gleicht die geringen Spannungs- und Kapazitätsunterschiede aus, die bei in Reihe geschalteten Zellen eines Akkupacks unweigerlich auftreten. Der gängigste Ansatz, der „passive Ausgleich“, entlädt die Zellen mit der höheren Spannung über einen Widerstand leicht, um sie an die übrigen Zellen anzugleichen – einfach umzusetzen, jedoch geht die abgegebene Energie als Wärme verloren. Die teurere Alternative, das „aktive Balancing“, überträgt Energie von Zellen mit höherer Spannung auf Zellen mit niedrigerer Spannung. Dies ist zwar energieeffizienter, erhöht aber die Komplexität der Schaltung. Wird auf Balancing verzichtet, wird die effektive Kapazität des gesamten Akkupacks durch die schwächste Zelle begrenzt. Eine geschädigte Zelle neigt dann eher dazu, in den gefährlichen Bereich von Überladung oder Tiefentladung zu geraten. Die Schutzfunktion unterbricht den Stromfluss über einen MOSFET-Schalter, sobald sie Überladung, Tiefentladung, Überstrom, einen Kurzschluss oder Überhitzung erkennt. Parallel dazu schätzt das Batteriemanagementsystem (BMS) den Zustand der Batterie (State of Health, SOH – State of Health, der Grad der Batterieschädigung) – das Verhältnis der aktuellen effektiven Kapazität zur ursprünglichen Kapazität – und meldet diesen Wert an den Flugcontroller oder das Robotersteuerungssystem. Dadurch werden die Restreichweitenprognosen präzise. Die gesamte Bordelektronik, einschließlich des Einplatinencomputers (SBC), trifft Entscheidungen zur Energieverteilung sowie zu Notlandungen oder Notstopps basierend auf den vom BMS gemeldeten Werten.

Vergleich der wichtigsten Produktspezifikationen

Vollfestkörperbatterie (ASB) | Festkörperbatterie (Musterversandphase) | Samsung SDI | Volumetrische Energiedichte 900 Wh/L (+40 % gegenüber serienmäßig hergestellten prismatischen Zellen) | Aufbau einer Pilotlinie im F&E-Zentrum in Suwon; Auslieferung von Mustern an Kunden aus den Bereichen Elektromobilität, eingebettete KI und humanoide Robotik; geplante Serienproduktion 2027 |

Eine Hochleistungszelle wie die P42A von Molicel eignet sich dank ihres Designs, das Kapazität und C-Rate optimal aufeinander abstimmt, für Anwendungen, die hohe Momentanströme erfordern – beispielsweise Drohnenmotoren oder die Gelenke eines Roboterarms. Im Gegensatz dazu werden Zellen, bei denen die Energiedichte im Vordergrund steht, wie die von Tesla verwendeten Panasonic-Zellen, eher für Elektrofahrzeuge mit vergleichsweise gleichmäßigem Motorlastprofil gewählt. Die TB65 von DJI ist keine einzelne Zelle, sondern ein komplettes Akkupack mit integriertem Batteriemanagementsystem (BMS). Im industriellen Drohnenbetrieb ist es üblich, diese „intelligenten Batterien“ als Betriebseinheit zu behandeln, anstatt einzelne Zellen direkt anzusteuern. Unter den BMS-ICs zeichnet sich der BQ76952 von TI durch ein hochintegriertes Design aus, das sogar die Lade-/Entlade-MOSFET-Treiber auf einem einzigen Chip vereint. Der LTC6811-1 von Analog Devices ist auf hochpräzise Zellspannungsmessungen (unter 1,2 mV) spezialisiert und kann in Reihe geschaltet werden, um mehr als 12 Zellen pro Akkupack zu ermöglichen. Dass Samsung SDI mit seinem ASB nicht nur Muster an Elektrofahrzeughersteller, sondern auch an Kunden aus den Bereichen eingebettete KI und humanoide Robotik liefert, zeigt, dass Festkörperbatterien ihren Anwendungsbereich weit über den Automobilsektor hinaus erweitern.

Unter den BMS-ICs ist der BQ76952 von TI ein hochintegriertes Design, das sogar die Lade-/Entlade-MOSFET-Treiber auf einem einzigen Chip vereint. ## Geschichte: Ein Nebenprodukt der Ölkrise, Sonys Kommerzialisierung und eines Nobelpreises

Die Ursprünge der Lithium-Ionen-Batterie reichen bis in die frühen 1970er-Jahre zurück. M. Stanley Whittingham entdeckte, dass Lithium-Ionen reversibel in die Schichtstruktur von Titandisulfid (TiS₂) eingelagert und wieder entfernt werden können. Nach seinem Wechsel zu Exxon entwickelte er einen Prototyp einer Batterie, die auf diesem Prinzip basierte. Die metallische Lithiumanode jener Zeit wies jedoch Sicherheitsprobleme auf, und als der Ölpreisverfall Ende der 1970er-Jahre Exxon dazu veranlasste, seine Investitionen in die Forschung zu alternativen Energien zu reduzieren, geriet die Technologie vorübergehend aus dem Rennen um die Kommerzialisierung.

1980 gelang John Goodenough an der Universität Oxford ein bedeutender Fortschritt in der Batteriestabilität, indem er Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂) als Kathodenmaterial verwendete. Akira Yoshino von Asahi Kasei kombinierte Goodenoughs LiCoO₂-Kathode mit einer aus Petrolkoks gewonnenen Kohlenstoffanode und etablierte so 1985 eine Batteriestruktur, die vollständig auf metallisches Lithium verzichtete und gleichzeitig Sicherheit und Praktikabilität vereinte. Diese Grundstruktur ist bis heute das gängigste Design für Lithium-Ionen-Batterien.

Sony wagte den Schritt zur Kommerzialisierung: 1991 lieferte Sony Energy Tec (heute Sony Energy Devices) als erstes Unternehmen weltweit Lithium-Ionen-Batterien aus. Das Joint Venture von Asahi Kasei und Toshiba nahm im Folgejahr die Produktion auf, und Sanyo Electric und Matsushita Electric Industrial (heute Panasonic) folgten 1994. Japanische Unternehmen dominierten den Markt in seinen Anfangsjahren. Diese Leistung wurde erst ein Vierteljahrhundert später offiziell und allgemein anerkannt: 2019 wurde Whittingham, Goodenough und Yoshino gemeinsam der Nobelpreis für Chemie verliehen.

Was die Boeing 787 der Branche über die Grenzen von Batteriemanagementsystemen (BMS) und die Möglichkeiten der Degradationsvorhersage lehrte

Sonys größter Laptop-Akku-Rückruf aller Zeiten – Im August 2006 starteten Dell, Apple und mehrere andere PC-Hersteller einen massiven Rückruf von Laptops mit Lithium-Ionen-Akkus von Sony. Ein Herstellungsfehler – Verunreinigung durch Metallpartikel – konnte interne Kurzschlüsse, Überhitzung und Brände verursachen. Der Rückruf betraf schließlich rund 9,6 Millionen Geräte. Die US-amerikanische Kommission für Produktsicherheit (CPSC) bezeichnete ihn als den größten computerbezogenen Rückruf ihrer Geschichte. Sonys Kostenanteil wird auf mehrere hundert Millionen Dollar geschätzt. Der Rückruf wurde zu einer branchenweiten Lehre: Kein noch so gutes BMS-Design kann die Qualitätskontrolle auf Ebene der Einzelzellenfertigung vollständig ersetzen.

Der thermische Durchgang, der die Boeing 787 weltweit am Boden hielt – Im Januar 2013 kam es an einer auf dem Logan International Airport in Boston geparkten Boeing 787 der Japan Airlines (JAL) zu Rauchentwicklung und Feuer. Ursache war eine Lithium-Ionen-Batterie des Herstellers GS Yuasa, die die Hilfsstromversorgungseinheit speiste. In einem 2014 veröffentlichten Bericht kam das US-amerikanische National Transportation Safety Board (NTSB) zu dem Schluss, dass ein interner Kurzschluss in einer Zelle einen thermischen Durchgang verursacht hatte, der sich auf benachbarte Zellen ausbreitete – dies war die direkte Ursache. Ebenso wichtig: Die Untersuchung stellte ausdrücklich fest, dass die im Stecker integrierte Sicherheitsschaltung nicht in der Lage war, einen einmal im Gange befindlichen thermischen Durchgang zu stoppen. Als Reaktion darauf verhängte die US-amerikanische Luftfahrtbehörde FAA ein Flugverbot für die gesamte 787-Flotte – ein außergewöhnlicher Schritt, den sie seit 1979 nicht mehr unternommen hatte. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) kann zwar frühe Anzeichen von Problemen erkennen und den Stromfluss unterbrechen, aber es hat grundsätzlich keine Möglichkeit, eine thermische Kettenreaktion zu stoppen, sobald diese in einer Batteriezelle begonnen hat – eine Einschränkung, die dieser Vorfall der gesamten Branche schmerzlich vor Augen führte.

Die Lithium-Ionen-Batterie der Hilfsenergieeinheit, die beim Brand einer JAL 787 im Jahr 2013 verbrannte (Foto: NTSB)

Bild: 1-7-12 JAL787 APU Battery (National Transportation Safety Board, Public Domain), Wikimedia Commons.

Vorhersage von Verschleiß, bevor es zum Bruch kommt – Jeder dieser Fälle von thermischem Durchgehen wurde erst sichtbar, nachdem der Verschleiß oder ein interner Defekt bereits einen bestimmten Schwellenwert überschritten hatte. Die Forschung, die darauf abzielt, dieses Muster „Man merkt es erst, wenn es kaputt ist“ zu ändern, ist zu einem der Hauptthemen der aktuellen BMS-Forschung geworden. Eine im April 2026 veröffentlichte Studie mit dem Titel „A Deep Learning Model for Battery State Prediction towards Intelligent Energy Management“ (arXiv:2605.00898) wendet ein Deep-Learning-Modell auf einen umfangreichen operativen Datensatz an, um die verbleibende Kapazität und den Degradationsverlauf einer Batterie vorherzusagen. Die Studie schlägt ein Framework vor, das sowohl vorausschauende Wartung als auch ein sichereres Energiemanagement unterstützt. Die datenbasierte Degradationsvorhersage, die die klassische Kombination aus Coulomb-Zählung und OCV-Referenzwert ergänzt, dürfte sich auch im BMS-Design für den zunehmend elektrifizierten Robotik- und Drohnensektor durchsetzen.

Leistungsbestimmende Parameter

• Energiedichte (Wh/kg, Wh/L): Bestimmt direkt die Flugzeit einer Drohne oder die Reichweite eines Nutzlast transportierenden autonomen Bodenroboters. Festkörperbatterien streben Energiedichten von über 300 Wh/kg an, während heutige Lithium-Ionen-Akkus im praktischen Einsatz bei etwa 160–260 Wh/kg liegen – genau diese Differenz bietet Entwicklungsspielraum für Plattformen der nächsten Generation.

– C-Rate (Entladekapazität): Sie bestimmt, ob eine Zelle den kurzzeitigen hohen Strombedarf von Motoren und Aktoren decken kann. Eine Zelle mit hoher C-Rate wie die Molicel P42A (45 A, ca. 10,7 C) eignet sich für Anwendungen mit starken Lastschwankungen, beispielsweise für Sprünge von Laufrobotern oder die schnelle Beschleunigung von Drohnen. Wird stattdessen eine Zelle mit optimierter Energiedichte eingesetzt, können Spannungseinbrüche oder Überhitzung die Nennleistung beeinträchtigen.

– Zyklenlebensdauer: Ein Wert wie die bis zu 400 Zyklen des DJI TB65 gibt direkt Aufschluss über die Betriebskosten, da er die Anzahl der Lade-/Entladezyklen des Akkus widerspiegelt. In Umgebungen mit hoher Auslastung, wie z. B. im täglichen kommerziellen Drohnenbetrieb, bestimmt diese Kennzahl maßgeblich die Austauschhäufigkeit und die Betriebskosten.

• Genauigkeit der Zellbalance: Wie präzise ein Batteriemanagementsystem (BMS) die Zellspannung erfassen kann – wie beispielsweise der Messfehler des LTC6811-1 von unter 1,2 mV – bestimmt sowohl die effektive Kapazität des Akkus als auch die Lebensdauer der Zellen. Wird ein zunehmendes Ungleichgewicht übersehen, führt eine defekte Zelle dazu, dass die Leistung des gesamten Akkus beeinträchtigt wird.

• Reaktionsgeschwindigkeit der Schutzschaltung und ihre Grenzen: Wie schnell ein BMS Überstrom oder Überhitzung erkennt und den Stromfluss unterbricht, ist direkt mit der Sicherheit verbunden. Wie der Fall der Boeing 787 jedoch zeigt, kann ein BMS eine thermische Kettenreaktion nicht mehr stoppen, sobald diese in einer Zelle begonnen hat. Die Qualitätskontrolle auf Zellebene und die Wahl einer weniger anfälligen Chemie (z. B. LiFePO4) müssen die Schutzschaltung ergänzen und nicht umgekehrt.

• Betriebstemperaturbereich: Ein Wert wie der von Molicel P42A (-40 °C bis 60 °C) ist für die praktische Anwendbarkeit entscheidend, da Drohnen und Roboter im Außenbereich robust gegenüber Kapazitäts- und Leistungsverlusten bei niedrigen Temperaturen sein müssen. Die Selbsterhitzungsfunktion des DJI-Akkus ist eine Lösung genau für dieses Problem.

• Schnellladefähigkeit: Akkus der nächsten Generation – von Samsung SDIs ASB bis hin zu Toyota und Idemitsu Kosans Ziel, den Ladezustand (SOC) in unter 10 Minuten von 10 % auf 80 % zu laden – setzen auf die Reduzierung der Ladezeit als klares Unterscheidungsmerkmal. Für kommerzielle Drohnen- und Lieferroboter, die eine maximale Auslastung anstreben, ist die Ladezeit selbst ein aussagekräftiger Leistungsindikator.

Referenzen

• Molicel INR21700-P42A Datenblatt
• Molicel P42A Spezifikationsübersicht (About:Energy)
• DJI TB65 Intelligent Flight Battery Produktseite
• Matrice 350 RTK Spezifikationen (DJI Enterprise)
• Hauptmerkmale der Matrice 300 RTK, inkl. Doppelte Batterieredundanz (DJI Enterprise Insights)
• Texas Instruments BQ76952 Produktseite
• Analog Devices LTC6811-1 Produktseite
• Samsung SDI stellt 900-Wh/L-Festkörperbatterie vor (Offizielle Pressemitteilung von Samsung SDI)
• Samsung SDI plant Massenproduktion von Festkörperbatterien ab 2027 (Battery-News)
• Toyota und Idemitsu Kosan kooperieren bei der Massenproduktion von Festkörperbatterien (Offizielle Pressemitteilung von Toyota)
• Energiedichte der Tesla 2170-Zelle (InsideEVs)
• Nobelpreis für Chemie 2019, Populärwissenschaftliche Informationen (Offizielle Website des Nobelpreises)
• Spezialseite zu Akira Yoshino (Offizielle Website von Asahi Kasei)
• Dell ruft Notebook-Akkus wegen Brandgefahr zurück (Offizielle Website der CPSC)
• Brand der Hilfsstromversorgungsbatterie, JAL Boeing 787-8, JA829J Untersuchungsbericht (Offizielles PDF des NTSB)
• NTSB nennt „thermisches Durchgehen“ als Ursache für den Batteriebrand in der Boeing 787 (Flying Magazine)
• Ein Deep-Learning-Modell zur Vorhersage des Batteriezustands für intelligentes Energiemanagement (arXiv:2605.00898)