LiFePO-Akkus

Abstract

LiFePO4 (Lithium-Eisen-Phosphat) ist eine relative neue Batterietechnologie mit überragenden Kennzahlen und Eigenschaften.

LiFePO4-Akkus eignen sich sowohl als Versorgungsbatterien für das Bordnetz (= grosse Energiemenge, kleiner oder mittlerer Stromverbrauch über lange Zeit, hohe Zyklenfestigkeit) wie als Starterbatterien (= kurzzeitig sehr hohe Ströme meist gefolgt von einer Ladephase). Die technische Auslegung eines LiFePO4-Systems für die Verwendung als Versorgungs- resp. als Starterbatterie ist aber recht unterschiedlich.

LiFePO4-Akkus sind prädestiniert als Ersatz von Blei-Säure-Batterien in bestehenden Bordnetzen. Ein passender Ladewandler sollte eigentlich in jedem halbwegs modernen Reisefahrzeug verbaut sein, erst recht, wenn vorher AGM-Batterien verwendet wurde.

Hauptvorteile von LiFePO4-Akkus gegenüber Blei-Säure-Batterien:

• 2.5 fach höhere Energiedichte bedeuten geringeres Gewicht bei gleichem Energiegehalt

• höhere Zyklenzahl und somit Lebensdauer

• hohe Entnahmeströme bei gleichzeitig flacher Entladekurve bewirken bessere Spannungshaltung

• die Möglichkeit grösserer Dimensionierung und die Fähigkeit, hohe Ladeströme aufzunehmen (entsprechend dimensionierter Laderegler und Lichtmaschine des Fahrzeugs vorausgesetzt), macht in vielen Fällen Solarpanels überflüssig.

• LiFePO-Batteriesysteme können mit etwas handwerklichem Geschick selber gebaut werden

Hauptnachteile

• etwas höherer Anschaffungspreis

• Batteriemanagementsystem ist unverzichtbar, dadurch höhere Systemkomplexität, sofern nicht eine all-in-one Batterie gewählt wird

• LiFePO-Batterien dürfen bei Minustemperaturen nicht geladen werden (kein Problem wenn sich die Batterie im Innenraum befindet)

Bei häufigen Lade-Entlade-Zyklen (z.B. fast tägiich) sind LiFePO4-Akkus langfristig billiger und zuverlässiger als Blei-Säure-Batterien. LiFePO4-Akkus sind im Begriff, zum Standard für fest installierte Stromspeicher in Verbindung mit Photovoltaikanlagen auf Gebäuden zu werden.

LiFePO4-Akkus haben andere Risiken als Blei-Säure-Akkus, sind aber mit entsprechenden Massnahmen etwa gleich sicher zu betreiben. Die LiFePO4-Technologie hat eine andere und viel sicherere Zellenchemie als die Lithium-Polymer-Technologie, wie sie in Handys und Laptops eingesetzt wird und dort schon wiederholt für negative Schlagzeilen sorgte: «Handy-Akku explodiert!».

Untergeordnete Seiten

Die Dokumentation von erfolgreich realisierten LiFePO4-Selbstbau-Akkus, die dafür verwendeten Bauteile sowie eine Liste von kommerziell verfügbaren, einbaufertigen LiFePO4-Akkus sind in separate Seiten ausgelagert.

Inhalt und Gliederung dieser Seite

Diese Seite geht näher auf die speziellen Eigenschaften und Vorteilen von LiFePO4-Akkus ein; auf Unterschiede zu Lithium-Polymer-Akkus und Blei-Säure-Batterien; auf die Verwendungsmöglichkeiten in einem Reisefahrzeug und die dazu benötigen Komponenten; auf mögliche Probleme und Gegenmassnahmen.

Einführung

Wie bereits erwähnt, sind LiFePO4-Akkus eine relative junge Entwicklung. LiFePO4 wurde von J.P. Goodenough 1997 erstmals als mögliches Kathodenmaterial für Li-ion-Akkus beschrieben. LiFePO4-Zellen werden im Modellbau schon seit mehreren Jahren erfolgreich eingesetzt. LiFePO4-Akkus grosser Kapazität haben sich kommerziell noch nicht breit durchgesetzt, dürften aber bereits mittelfristig einen Siegeszug antreten. Dementsprechend rar ist fundierte und verständliche Dokumentation. Die Fakten und Angaben dieser Seite sind in langer Kleinarbeit im Wesentlichen aus zwei wissenschaftlichen Arbeiten, aus zwei epischen Forumsdiskussionen, aus Ersthanderfahrungen plus aus unzähligen Internetquellen zusammengestellt. Natürlich übernehmen wir keine Gewähr für die Richtigkeit der Angaben und lehnen jede Haftung für Schäden im Zusammenhang mit hier dargestellten Information ab.

Quellen

Hier nur die wichtigsten Quellen für Informationen auf dieser Seite:

• • [1] — Diskussion Umrüstung auf LiFeYPO4 im wohnmobilforum.de; hier sei speziell den Diskussionsteilnehmern superduty und sonnentau3 gedankt, die den Thread eröffnet und eine erste Anlage ausführlich dokumentiert resp. spezielle Elektronikomponenten dafür entwickelt und kommerziell verfügbar gemacht haben. Die Diskussion ist jederzeit auf der praktischen Seite und mehrere funktionierende Anlagen werden dabei entwickelt und dokumentiert.

  • [2] — Diskussion Zusatzakku: LiFePo4- oder Bleisäure-Technologie? Vergleich im Forum der klangfuzzis.de; diese wahrlich epische Diskussion über mehr als 190 Seiten und 1900 Posts ist von ihrem Hintergrund her teilweise etwas schräg, gibt aber durch den Pioniergeist, die Erfahrungsberichte sowie präzise Messungen der Teilnehmer sehr viel praktisches Fachwissen her.

  • [3] — Dissertation Zustandserkennung von LiFePO4 Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge  von Michael Roscher (ISBN 978-3-8322-9738-1, Nov. 2011); enthält u.a. einen detaillierten Einblick in die Technologie, Messungen zu Lade- und Entlade verhalten und zur Zyklenfestigkeit von LiFePO4-Akkus in variierenden Szenarien.

  • [4] — Diplomarbeit Erstellen eines messtechnisch gestützten Modells zur Berechnung der kalendarischen Alterung von LiFePO4-Batterien von Alireza Farman (GRIN Verlag); enthält u.a. wertvolle Diagramme und Erläuterungen zu Eigenschaften und Verhalten von LiFePO4-Akkus unter verschiedenen Bedingungen.

  • [5] — Internetseite Die Bleibatterie by Krabbe: bietet eine sehr gute Übersicht und verständliche technische Darstellung der verschiedenen Typen und Probleme von Blei-Säure-Akkus.

  • [6] — Buch Kfz-Elektrik von Jürgen Kasedorf und Richard Koch (Vogel Verlag, 2007); enthält u.a. detaillierte Beschreibungen von Aufbau und Funktion von Blei-Säure-Akkus und Generatoren.

  • [7] — Buch Autoelektrik, Autoelektronik (Robert Bosch GmbH, 2007); beschreibt u.a. im Detail Aufbau, Eigenschaften und Funktionsweise von Bordnetzen und ihren Komponenten inkl. Blei-Säure-Akkus, Generatoren, Ladegeräten und Szenarien mit mehreren Akkus.

  • [8] — Reparaturanleitung DAILY, mechanisch-elektrische (elektronisch) (IVECO, 1. Ausg. Mai 2004); beschreibt im Detail die Fahrzeuge Daily 8140, F1A und F1C. 

Speichertechnologien

Nomenklatur

Als Akkumulator (kurz Akku) wird eine aufladbare Zelle bezeichnet, als Batterie eine nicht aufladbare Zelle. Umgangssprachlich werden aber auch Akkus "Batterie" genannt. Wir verwenden ab hier durchgehend die Bezeichnung Akku, ausser wenn für allgemein gebräuchliche Begriffe wie Versorgungsbatterie, Starterbatterie, etc.

Lithium-Polymer-Akkus (kurz LiPo) 

Sind wegen ihrer hohen Energiedichte pro Gewichtseinheit und Zyklenfestigkeit (= wie oft kann der Akku geladen und entladen werden) aus mobilen Anwendungen nicht mehr wegzudenken: Handys, Laptops, E-Bikes, etc. Werden LiPo-Akkus überladen oder mechanisch beschädigt, können elementares Lithium und Sauerstoff freigesetzt werden — eine hoch reaktive und gefährliche Kombination bereits bei kleinen Akkus (Video).

LiFePO4-Akkus (kurz LFP)

Haben eine annähernd so grosse Energiedichte wie LiPo-Akkus, eine noch höhere Zyklenfestigkeit, und sie sind ungleich sicherer, da bei Überladung oder mechanischer Beschädigung andere chemische Reaktionen ablaufen, die in Wärme- und Rauchentwicklung (allenfalls mit Verpuffung) münden, jedoch ohne Brand oder Explosion auch bei grossen Akkus (Video).

> Auf dieser Seite geht es ausschliesslich um LFP-Akkus; auf LiPo-Akkus wird nicht weiter eingegangen.

Blei-Säure-Akkus (kurz BS) 

Unter dem Begriff "Blei-Säure" werden hier viele verschiedene Blei-basierte Technologien zusammengefasst (konventionell, wartungsfrei, AGM, Gel, etc.), die alle ihre Stärken und Schwächen haben und auf spezifische Verwendungszwecke optimiert sind, ohne dass wir näher darauf eingehen, denn dazu gibt es ausführliche Literatur (siehe  Quellen). Wichtig erscheint hier einzig die Unterteilung in BS-Akkus, welche sich als Versorgungsbatterien (auch Aufbaubatterien genannt) eignen, und solche, die als Starterbatterien konzipiert wurden. Diese beiden Typen sind ziemlich unterschiedlich und sind daher nicht beliebig austauschbar: Versorgungsbatterien können normalerweise nicht die zum Starten eines kalten Dieselmotors benötigten Ströme (300 ... 500 A) liefern, und Starterbatterien dürfen nicht oft und tief entladen werden (max. ca. 500 Lade-Entladezyklen bei einer Entladung von 50% ihrer Kapazität). 

Blei-Säure-Zellen sind eine altbewährte, robuste Technologie, die ständig weiterentwickelt wurde. Der Betrieb bietet kaum Risiken. BS-Akkus sind schwer und haben eine notorisch kurze Lebenserwartung, da sie oft ausserhalb ihrer optimalen Betriebsparameter verwendet werden. Es ist ein Stärke, dass man BS-Akkus ohne elektronisches Batteriemanagementsystem (BMS) betreiben kann — was aber auch nicht ganz stimmt, denn der Generator des Fahrzeugs oder externe Batterieladegeräte enthalten sehr wohl Elektronik, die genau auf die elektrischen und chemischen Eigenschaften von BS-Akkus abgestimmt ist —, aber es ist auch ihre Achillesferse, da BS-Akkus mit einem BMS viel länger leben würden.

Eigenschaften

• Eine LFP-Zelle hat geladen eine Ruhespannung von ca. 3.2 V und einen "Arbeitsbereich" von 2.5 .. 3.6 V.

• (BS-Zelle: 2.12 V resp. 1.96 .. 2.40 V)

• Vier volle Zellen in Serie ergeben eine Ruhespannung von 12.8 V und haben einen "Arbeitsbereich" von 10.0 .. 14.4 V. Das ist ideal für das 12-Volt-Bordnetz von Fahrzeugen und Schiffen.

• (BS: 6 Zellen in Serie: 12.5 V resp. 11.8 .. 14.4 V)

• Entlädt man die LFP-Zelle unter 2.5 V wird sie irreversibel beschädigt; lädt man sie über 3.7 V (Ladeschlussspannung), beginnt sie sich zu erhitzen.

• (BS-Zelle: unter ca. 2.0 V: Bildung von Sulfatkristallen (nur teilweise reversibel), über 2.4 V: Bildung von Knallgas)

• LPF-Akkus werden aus einzelnen Zellen nach Bedarf aufgebaut.

• (BS-Akkus: immer "en bloc" verbaut)

• LFP-Zellen zeigen beim Laden und Entladen unterschiedliche Spannungen in Bezug auf den Ladegrad (state of charge, SOC in %). Zusammen mit der Abhängigkeit der Spannung (open-circuit voltage, OCV in Volt) von der Zelltemperatur und dem Lade- resp. Entladestom ist die Bestimmung des aktuellen Ladegrades nicht trivial (siehe [3]).

  • (BS-Akkus: der Ladezustand des Akkus korreliert viel deutlicher mit Spannung, Strom und Temperatur und zeigt nur kleine Unterschiede zwischen Lade- und Entladephase)

• • • Korrelation von Ladezustand und Zellspannung (Quelle: [3]) 

Stärken

LPF-Akkus …

• • … haben eine Lebensdauer von 3000 Lade-Entlade-Zyklen oder mehr

  • (BS-Akku: 300 .. 500)

  • … ertragen ohne weiteres eine Ladungsentnahme von 90% ihrer Kapazität

  • (BS-Akku: 50 .. 80% je nach Typ)

  • … haben eine rund 2.5-mal höhere Energiedichte als BS-Akkus:

  • LFP-Akku: Winston 100 Ah (4 ∙ 3.4 kg = 13.6 kg)  90%-Entladung = 90 Ah: ca. 7 Ah / kg

  • BS-Akku: Bosch S5 100 Ah (23.1 kg)                     60%-Entladung = 60 Ah: ca. 2.6 Ah / kg

  • … haben eine höheres Spannungsniveau und über die ersten 80% der Kapazität eine flachere Entladekurve als BS-Akkus

  • ("C" steht für Nennkapazität, 0.3C bedeutet eine Entladerate 30% der Nennkapazität pro Stunde, also z.B. 30 A für einen 90 Ah-Akku)

• • … können sehr hohe Lade- und Entnahmeströme aufnehmen bzw. abgeben, ohne dass die nutzbare Kapazität signifikant abnimmt. Dagegen nimmt die nutzbare Kapazität von BS-Akkus mit hohem Lade- / Entladestrom stark ab, sogn. Peukert-Effekt; für LFP-Akkus verlaufen die roten Kurven fast horizontal 

• • • Peukert-Kurven (rot) für einen BS-Akku von 10 Ah (Quelle: Batteryuniversity)

• • Mit "C" ist hier übrigens nicht die physikalische Einheit Coulomb gemeint, sondern der Ladestrom in Abhängigkeit von der Nennkapazität: lädt oder entlädt man einen 100 Ah-Akku mit 100 A, entspricht dies 1 C, 50 A entsprechen 0.5 C, 200 A entsprechen 2 C, etc.

• … sind flexibel im Einbau, da die Zellen nach Bedarf angeordnet werden können

  • … weisen ein geringe Selbstentladung auf (1 .. 2 % der Kapazität pro Monat)

  • … zeigen keinen Memory-Effekt (wie z.B. NiCd-Zellen) und sind pro Ah günstiger als LiPo-Zellen

  • … haben eine höhere Ruhespannung als Blei-Säure-Batterien, was vielen elektrischen Verbrauchern zugute kommt

  • … sind keine Nassbatterien, laufen nicht aus und können daher auch liegend montiert werden

Schwächen

LFP-Akkus …

• • … sind in der Anschaffung teuer

• … sind als preiswerte, einbaufertige Anlagen am Markt noch kaum verfügbar (Oktober 2013), können aber aus kommerziellen Einzelkomponenten selbst aufgebaut werden

  • … dürfen auf keinen Fall tiefentladen werden (einmal reicht und sie sind unbrauchbar defekt)

  • … dürfen nicht überladen werden (sonst nehmen sie dauerhaften Schaden)

  • … benötigen einen aktiven Ladungsausgleich zwischen in Serie geschalteten Zellen, da diese in ihren Spannungswerten auseinander laufen können; dadurch kann die am schwächsten geladene Zelle tiefentladen und die am stärksten geladene Zelle überladen werden

• … dürfen unter 0°C nicht geladen werden (Ausnahme: LiFeYPO4-Zellen, mehr dazu später)

Ausser den beiden erstgenannten Punkten lassen sich alle Schwächen mit geeigneten Massnahmen beheben. Auf dieser Seite geht es vor allem darum.

Sicherheit

Die Sicherheit eines Akkus setzt sich zusammen aus der Sicherheit der Umgebung (= kleine Gefährdung der Umwelt) und der Sicherheit der Versorgung (= keine Versorgungsunterbrüche). 

Gefährdung der Umwelt

Wie oben bereits festgestellt, verwenden LFP-Akkus eine Lithium-Ionen-Technologie, die aber chemisch anders aufgebaut ist und andere chemische Reaktionen ablaufen lässt  als diejenige von Lithium-Polymer-Akkus. LFP-Akkus erwärmen sich — wie BS-Akkus — beim Laden und beim Entladen in Abhängigkeit vom Lade- bzw. Entladestrom und von der Lade- bzw. Entladeschlussspannung.

Generell kann man sagen, dass LFP-Akkus eine hohe Eigensicherheit haben und keine Gefahr darstellen, so lange sie nicht mit Strömen massiv ausserhalb des zulässigen Bereichs ent- oder überladen werden. Überlädt man sie brutal, werden sie sehr heiss, es kommt zu Rauch und Gasverpuffungen, letztlich zu Flammenbildung. Sie explodieren aber im Gegensatz zu Lithium-Polymer-Akkus nicht und werden nicht zum Flammenwerfer.

Versorgungssicherheit

Wie wir weiter unten noch ausführlich darlegen werden, ist die LFP-Technologie ausgesprochen zyklenfest und dadurch extrem langlebig, so lange sie innerhalb der zulässigen Parameter betrieben wird, was jedoch nur durch ein Batteriemanagementsystem gewährleistet werden kann.

Anders als gewisse ältere Typen von BS-Akkus, bei denen sich im Laufe der Betriebszeit am Boden ein elektrisch leitender Sumpf von Bleiverbindung bildet, der irgendwann eine positiv und eine negativ geladene Platte erreicht und einen Kurzschluss in der Zelle — und so den plötzlichen Tod des Akkus — verursacht, fallen LFP-Akkus ohne äussere Einwirkung nicht spontan und “plötzlich” aus.

LFP-Akkus sind rüttelfest und temperaturbeständig. Allerdings dürfen viele LFP-Zelltypen nur bei Zelltemperaturen über 0°C geladen werden, was für Reisemobile ein “no go” darstellen kann. Diese Einschränkung besteht mindestens für die LiFeYPO4-Zellen von Winston nicht: diese können bis -45°C ge- und entladen werden.

Unter den Aspekt der Versorgungssicherheit geht auch der Schutz von Zellen und Elektronik vor Beschädigung durch Verrutschen, mechanische Einwirkung und Feuchtigkeit. Speziell letzteres geht oft vergessen, sodass Platinen und Kontakte, die in nicht beheizten Schränken oder Bodenfächern vor sich hin darben, wegen Kondenswasser aus der Luftfeuchtigkeit korrodieren.

Wirtschaftlichkeit

TODO

Batteriemanagement

In Serie geschaltete Akku-Zellen weisen im Idealfall über alle Lade- und Entladevorgänge identische Zellspannungen auf. Aufgrund von Fertigungstoleranzen oder aufgrund unterschiedlicher Betriebsbedingungen (z.B. höhere oder tiefere Umgebungstemperatur der Zellen am Rand eines Pakets), können die einzelnen Zellspannungen in der Realität auseinander laufen. Das gilt für LFP- wie auch für BS-Akkus und für alle anderen Akku-Typen.

Überlandung / Tiefentladung einzelner Zellen

Traditionell (z.B. bei 12-Volt-BS-Akkus = 6 Zellen und Ladung durch den Alternator des Fahrzeugs) wird der Ladevorgang so lange fortgesetzt, bis die Ladeschlussspannung von z.B. 14.4 V (gemessen über alle Zellen) erreicht ist. Analog verhindert ein Batteriewächter Unterspannung, indem er die Verbraucher z.B. bei 11.8 V (gemessen über alle Zellen) ausschaltet. Diese Messmethode funktioniert so lange gut, wie alle Zellen identische Zellspannungen aufweisen. Da bei LFP-Zellen der Innenwiderstand gegen den “vollen” Ladezustand hin (ab 80% Ladung, state of change, SOC) rasch ansteigt, steigt der Zellenwiderstand und damit die Zellspannung (es fliesst durch all Zellen dieselbe Stromstärke) einer stärker geladenen Zelle beim Laden stärker an als diejenige der anderen Zellen. Eine weitere Zunahme des Innenwiderstands ist die Folge und damit eine weitere Zunahme der Zellspannungsdifferenz, usw. Dadurch bekommt die Zelle eine höhere Leistung ab (P = U ∙ I), erhitzt sich und wird beschädigt.

Ansteigen des Lade- und des Entladewiderstands R* in mOhm (Quelle: [3]) 

Bei der Stromentnahme steigt auch bei Annäherung an den “leeren” Ladezustand der Innenwiderstand von LFP-Zellen an, wodurch in tiefer entladenen Zellen wiederum ein höherer Innenwiderstand herrscht.

Hat bei einem LFP-Akku eine Zelle eine um z.B. 80 mV höhere Spannung, wird diese bei einer Laderegelung über die Gesamtspannung (statt über die einzelnen Zellen) des Akkus überladen (= Zellspannung > 3.65 V):

Analog wird eine Zelle, die eine um 80 mV tiefere Spannung aufweist, von einem Tiefentladeschutz mit Messung über alle Zellen trotzdem tiefentladen (= Zellspannung < 2.5 V):

Es ist wichtig, sich zu vergegenwärtigen, dass die Ladeschlussspannung von 3.65 V für LFP-Zellen einen Wert darstellt, der nicht über längere Zeit überschritten werden darf, da die Zelle sonst Schaden nimmt. Noch mehr stellt die Entladeschlussspannung von 2.5 V einen harte Grenze dar, da hier ein Zellschaden rasch und irreversibel eintritt. Das Licht brennen lassen, bis es von selbst ausgeht, ist also nicht drin und darf nicht passieren.

Aufgaben und Realisierung eines BMS

Ein Batteriemanagmentsystem (BMS) ist ein zentrales oder verteiltes elektronisches Überwachungs- und Regelungssystem, das die Einhaltung der Betriebsparameter des Akkus erzwingt. Der am Seitenanfang dargestellte LFP-Akku mit den vier blauen Zellen wird durch ein zentrales BMS überwacht. 

Dezentrale BMSs sitzen meist auf den individuellen Zellen und sind unter sich verbunden. Im Bild unten sieht man 4 LiFeYPO4-Zellen (400 Ah), 4 BMS-Module, 3 Zellverbinder aus Kupfer; die blauen Kabel werden zur Messung der Zellspannung verwendet, die dünnen roten und schwarzen Kabel dienen dem Abgleich der BMS-Module, die dicken schwarzen Kabel sind die Leistungskabel für (+) und (-).

Quelle: rossifiumi, Wohnmobilforum.de

Aufgabe 1: Lade- / Entladeregelung mit Messung der einzelnen Zellspannungen

Ein Überladen oder Tiefentladen eines LFP-Akkus kann nur wirksam verhindert werden, indem ein BMS eingesetzt wird, das laufend die einzelnen Zellspannungen misst. Sobald eine Zelle die Lade- bzw. die Entladeschlussspannung erreicht hat, unterbricht es den Lade- bzw. der Entladevorgang. Durch diese Strategie kann der Akku aber nie ganz gefüllt bzw. geleert werden, da jeweils die Zelle mit der höchsten bzw. tiefsten Spannung das Ende des Vorganges bestimmt.

Das Unterbrechen des Lade- bzw. der Entladevorgangs geschieht meist durch Ansteuerung eines Leistungsrelais auf der Lader- resp. der Lastseite. Sobald alle Zellspannungen wieder im "grünen Bereich" sind, wird das Relais wieder geschlossen. Eine elegantere Methode auf der stromzuführenden Seite ist die Kommunikation mit dem Laderegler und die graduelle Anpassung des Ladestroms.

Aufgabe 2: Balancing

Um einerseits die volle Kapazität aller Zellen ausschöpfen zu können (marginaler Gewinn) und andererseits ein weiteres Auseinanderdriften der Zellspannungen zu verhindern (wichtig!), muss ein BMS die einzelnen Zellspannungen wieder auf dasselbe Niveau zurückführen (= balancieren) können.

Die technisch einfachste Art einen Balancer zu realisieren, ist, die Zellspannungsdifferenz festzustellen und bei Zellen mit höherer Spannung den Ladezustand durch “Abbrennen” von Ladungsenergie der Zelle über einen ohm'schen Widerstand zu verringern, wodurch die Zellspannung sinkt. Dies funktioniert aber nur, wenn die über den Widerstand abgeführte Wärmeleistung einer Zelle grösser ist als die weiterhin zur Zelle zugeführte Ladeleistung.

Eine technisch aufwändigere aber bevorzugte Umsetzung der Balancer-Funktion ist die aktive Begrenzung des Ladestroms zu Zellen, deren Spannung einen bestimmten Betrag über den Spannungen der anderen Zellen liegt, resp. deren Spannung die Ladeschlussspannung erreicht hat.

Aufgabe 3: Temperaturkontrolle

Eine dritte Aufgabe eines BMS ist die Überwachung der Zelltemperaturen, die, wie ausgeführt, beim Laden resp. Entladen ansteigen. Wird eine bestimmte Temperatur überschritten, wird der Vorgang unterbrochen und erst wieder fortgesetzt, wenn sich die Zellen auf ein zulässiges Niveau abgekühlt haben, was aber einige Zeit in Anspruch nehmen kann, da LFP-Zellen eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität haben und meist nicht aktiv belüftet werden (z.B. Ventilator).

Zusammenfassung

LFP-Akkus können zwar über den Generator des Fahrzeugs ohne BMS geladen werden (eine Generatorspannung von 14.4 V lädt einen vierzelligen LFP-Akku auf 95% seiner Kapazität), aber eine einmalige Tiefentladung zerstört den Akku fast garantiert. Zudem können die Zellspannungen auseinander laufen, wodurch einzelne Zellen bei der Ladeschlussspannung von 14.4 V überladen werden, was wiederum die Lebensdauer des Akkus verkürzt.

Fazit: LFP-Akkus sind sehr leistungsfähig und langlebig aber auch teuer. Zum Schutz der finanziellen Investition und zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit, ist ein BMS ein Muss. Letzteres kann aber auf verschiedene Arten realisiert werden, wie wir nun im Detail ausführen werden.

LFP-Versorgungsbatterien im Reisemobil

Versorgungsbatterien liefern die elektrische Energie und Leistung für den Betrieb von Kühlboxen, Beleuchtung, Musikanlagen, Wechselrichtern, Dieselstandheizungen, etc. ins Bordnetz.

Technische Anforderungen

Versorgungsbatterien sollen

• • die elektrischen Verbraucher über eine definierte (oft: möglichst lange) Zeit mit Strom im benötigten und zulässigen Spannungsbereich versorgen 

  • sich rasch wieder aufladen lassen

  • möglichst geringes Volumen und Gewicht haben

• eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen

• in einem bestimmten Temperaturbereich ge- und entladen werden können. 

Die hier üblichen Ströme sind im Bereich von einigen zehn Milliampères (LED-Beleuchtung) bis einige zehn Ampères (typisch: Kompressorkühlbox: 8 A, Standheizung: 10 A, Wechselrichter 250W: 20 A).

Bei der Lebendauer unterscheidet man

• Zyklenfestigkeit (= wie viele Lade-Entlade-Vorgänge kann der Akku leisten, bis die lieferbare Kapazität nur noch 80% der anfänglichen Kapazität beträgt; die Anzahl Zyklen hängt meist direkt von der Entladetiefe ab)

• kalendarische Lebensdauer (= wie viele Jahre alt wird der Akku; Materialien unterliegen oft einer zeitlichen Alterung, die nicht vom Gebrauch abhängt, z.B. Scheibenwischerblätter).

Wie bereits erwähnt dürfen gewisse LFP-Zelltypen nur geladen werden, wenn die Zelltemperatur über 0°C liegt. Je nach Montage-Ort stellt dies kein Problem dar (Montage im Wohnraum) oder verlangt die Beschränkung auf temperaturfeste Zelltypen. 

Auslegung eines LFP-Systems zur Bordstromversorgung

LFP-Akkus sind ideal für die Versorgung des Bordnetzes und erfüllen alle oben genannten technischen Anforderungen besser oder viel besser als BS-Akkus. Je grösser die Kapazität des LFP-Versorgungssakkus sein soll, um so höher ist die Einsparung an Volumen und Gewicht gegenüber BS-Akkus.

Dimensionierung

Da bei LFP-Zellen die entnehmbare resp. einspeicherbare Kapazität praktisch unabhängig vom Lade- / Entladestrom ist — der Peukert-Wert liegt bei 1 .. 1,05 gegenüber 1,2 für BS-Zellen (siehe oben) — und die Entladetiefe bei jedem Zyklus problemlos 80% betragen darf, kann einfach mit 80% der Nennkapazität als nutzbare Kapazität gerechnet werden.

Werden bestehende BS-Akkus durch einen LFP-Akku ersetzt, dann kann die Nennkapazität der BS-Akkus durch 1,5 oder 2,0 geteilt werden, je nachdem wie tief man sie jeweils entladen hat. Waren z.B. drei AGM-Akkus mit je 100 Ah verbaut und wurden diese jeweils auf 40% entladen (300 Ah ∙ 0,6 = 180 Ah), so reicht ein LFP-Akku von 200 Ah aus, da letztere eine etwas höhere Ruhespannung aufweist. Evt. reichen sogar 150 Ah, da der BS-Akku bereits einen Teil seiner Kapazität eingebüsst hatte.

Oft haben neue LFP-Zellen eine höhere als die angeschriebene Nennkapazität. In [3] wurde ein neue LFP-Zelle mit 108% Nennkapazität gemessen. Nach 3000 Vollzyklen (Entladung auf gegen 0% dann maximale Ladung, Lade- und Entladeströme = 5 C = volle Endladung und Ladung in jeweils 12 Minuten) standen noch 90% der initialen Kapazität zur Verfügung, das 97% der Nennkapazität ! Die Zellenspannung sank dabei generell um etwa 0,1 V.

Abnahme der nutzbaren Kapazität in Abhängigkeit der Zyklen (Quelle: [3]) 

Man darf also davon ausgehen, dass die nutzbare Kapazität kaum abnehmen wird, und muss keine Reserven einrechnen.

Durch die hohe Energiedichte von LFP-Akkus ist es prüfenswert, ob durch die Erhöhung der Akku-Kapazität um z.B. 100 Ah die PV-Solarpanels eingespart werden können. Siehe die Diskussion dazu hier und hier.

Auch bei der Bereitstellung von Akku-Kapazität gilt das Prinzip der Energieeffizienz bei den Verbrauchern. Was nicht verbraucht wird, muss auch nicht vorgehalten werden. Als einer der grössten Stromfresser stellen sich regelmässig Kompressorkühlboxen und Computer heraus. Bei den Kühlboxen kann mit zusätzlicher thermischer Isolation und guter Versorgung des Kompressors mit kühler Frischluft die Hälfte des Stroms oder mehr gespart werden. Bei Computern kann die neuste Generation von Laptops ebenfalls Einsparungen von bis zu 50% bringen.

Batteriemanagement

Wie oben beschrieben sind LFP-Zellen sehr empfindlich gegen Überladung und gegen Tiefentladung. Da ein LFP-Akku zudem teuer in der Anschaffung ist und bei massiver Überladung ein Sicherheitsrisiko darstellt, ist es eine notwendige Risikoschutzmassnahme, ihn mit einem BMS auszustatten (siehe oben).

Die Hersteller empfehlen, vor dem Zusammenschliessen der LFP-Zellen alle Zellen individuell auf eine Spannung von genau 3.65 V (resp. 4.0 V je nach Zelltyp) zu laden, damit das BMS nicht mit einer "Altlast" starten muss. Gewisse Lieferanten bieten diese Initialladung als Dienstleistung an.

Die Versorgungsbatterie wird sinnvollerweise über ein Trennrelais mit der Starterbatterie verbunden, welches die beiden Batterien bei laufendem Generator verbindet, entweder bei Anliegen von Spannung an der D+ Klemme des Generators oder bei Anliegen von mindestens z.B. 13.5 V am Relais selbst, wodurch die Versorgungsbatterie geladen wird. Dieses Trennrelais kann vom BMS angesteuert werden, um die Ladeverbindung zu trennen, wenn der LFP-Akku voll geladen ist.

Ebenfalls über ein Trennrelais Laderegler für PV-Zellen und Landstrom-basierte Ladegeräte (z.B. 230 V AC) abgetrennt werden können, um ein Überladen von dieser Seite zu verhindern. Zu beachten ist, dass gerade PV-Laderegler oft für 12 V und für 24 V Akkus funktionieren und Statistiken über die gelieferte Strommenge führen. Sie beziehen ihre Betriebsspannung meist vom zu ladenden Akku, sodass es einem "Reset" gleich kommt, wenn sie vom Akku getrennt werden. Da diese Geräte eigentlich immer über eine Diode verfügen, die verhindert, dass sich der Akku nachts über die Solarzellen entlädt, ist es sinnvoll, mit dem Trennrelais für das solare Laden die PV-Module vom Laderegler zu trennen statt den Laderegler vom Akku. Gleiches kann für 230-V-Ladegeräte gelten. Generell sollte jede Ladequelle über ein separates Trennrelais abgeschaltet werden können, wobei der Steuerimpuls in der Regel für alle Relais derselbe ist.

Auf der Lastseite sollte das BMS die Verbraucher bei drohender Unterspannung "abwerfen" können. Viele Kompressorkühlboxen verfügen allerdings über eingebaute Batteriewächter und stellen nicht das Hauptproblem dar. Letzteres ist eher bei versehentlich nicht ausgeschalteter Heizung, Lüftung oder Beleuchtung zu suchen. In der Regel reicht ein Trennrelais, über welches das BMS alle Verbraucher gleichzeitig abtrennen kann.

Das nächste Diagramm zeigt den prinziellen Aufbau einer LFP-Versorgungsbatterie mit verallgemeinerte Spannungsquelle, zentralem BMS, Überspannungs- und Tiefentladeschutz.

OVP (over-voltage protection) / Überspannungsschutz

UVP (under-voltage protection) / Unterspannungsschutz

Wenn die Versorgungsbatterie über den Fahrzeuggenerator geladen werden soll, muss die oben gezeigte Prinzipschaltung um ein Trennrelais zur Starterbatterie erweitert und das OVP-Relais in der Regel anders verschaltet werden: Trennrelais verfügen in der Regel über eigene Elektronik, die das Relais nur schaltet, wenn auf einer Seite mindestens z.B. 13.8 V (= Ladespannung) anliegen. Meist kann das Trennrelais durch Unterbrechen des Massanschlusses geöffnet werden, womit ein Überspannungsschutz realisiert ist. Soll auch ein 230-V-Ladegerät verwendet werden, ist ein zusätzliches OVP-Relais vorzusehen (alternativ kann das Ladegerät parallel zum Generator angeschlossen werden — und lädt dann auch gleich die Starterbatterie — und das zusätzliche OVP-Relais kann wegfallen):

L (Ladegerät)

G (Fahrzeuggenerator)

Ebenfalls ins Thema Batteriemanagement gehört die SOC-Anzeige (Ladezustandsanzeige). Wie oben bereits ausgeführt, ist die Bestimmung des Ladezustands von LFP-Zellen anhand von Spannung, Temperatur, etc. inhärent nicht-trivial (Dissertation [3]). Immerhin kann man bei einem LFP-Akku in der Funktion einer Versorgungsbatterie davon ausgehen, dass die Entladeströme moderat sind, und dass der Akku in einigermassen konstanter Umgebungstemperatur betrieben wird, sodass sich jeweils über die letzten paar Stunden ein quasi-stationärer Zustand einstellt. Mit einiger Erfahrung kann man aufgrund der aktuellen Gesamtspannung des Akkus ungefähr auf den Ladestand schliessen. Genauer wird die Aussage, wenn Lade- und Entladeströme über einen sogn. Shunt geleitet werden, ein kleiner aber leistungsfähiger ohm'scher Widerstand bekannter Grösse, über dem man durch einfache Spannungsmessung den aktuellen Strom bestimmen kann (I = U / R). Über die Zeit summiert lässt sich herausrechnen, wie viel Energie in welche Rechnung geflossen ist, woraus sich der Ladezustand bestimmen lässt. Die Summierung und Darstellung überlässt man einem einbaufertigen Gerätchen.

Ladestrombegrenzung

Mehrere Hersteller von LFP-Zellen empfehlen, die Zellen mit einer Stromstärke zwischen 0.2 und 0.5 C zu laden. Benutzer berichten, dass 1 C absolut unproblematisch sei. Mit 1 C Ladestrom ist der leere LFP-Akku in einer Stunde wieder voll. Die Limite von 1 C ist z.B. für das Laden via PV-Zellen auf dem Dach des Reisemobile kaum kritisch, da hier selten ein Strom von 50 A erreicht werden dürfte, aber beim Anschluss an den Generator eines Bremach T-Rex, der bis zu 140 A (minus den Eigenverbrauch des Fahrzeugs) liefert, kann bei kleinen LFP-Zellen die Begrenzung des Ladestroms ein Thema sein. Es gibt kombinierte Gerräte (Ladestromverteiler + Ladestrombegrenzer + Trennrelais).

Backup für die Starterbatterie

LFP-Akkus können sehr hohe Ströme abgeben. Damit mit sind sie als Backup für die Starterbatterie (siehe unten) prädestiniert, sollte diese ihren Dienst versagen. Dabei gibt es zwei Ansätze:

• • Versorgungsbatterie und Starterbatterie werden für eine gewisse Zeit zusammengeschlossen, sodass sich die Starterbatterie aufladen kann. Dann wird die Verbindung getrennt und der Motor gestartet.

  • Versorgungsbatterie und Starterbatterie werden zusammengeschlossen, und der Motor ab der  Versorgungsbatterie gestartet. 

Bei beiden Ansätzen ist sicherzustellen, dass die Versorgungsbatterie über entsprechend dicke Kabel (35 mm2 Querschnitt oder mehr) mit dem Starter oder der Starterbatterie des Fahrzeugs verbunden werden kann, um die hohen Ströme zu übertragen. Viele Trennrelais verfügen über eine manuelle Übersteuerung der automatischen Abtrennung der Versorgungsbatterie vom Starter resp. von der Starterbatterie, während der Fahrzeuggenerator nicht läuft, um ein Entladen der Starterbatterie zu verhindern.

Konkrete Beispiele und Komponenten

Beispiele erfolgreich realisierter LFP-Akkus zur Bordstromversorgung sind auf dieser Seite dokumentiert.

Die verwendeten oder mögliche elektrische und elektronische Komponenten werden auf dieser Seite vorgestellt.

LFP-Starterbatterie im Reisemobil

Die Starterbatterie liefert die elektrische Energie und Leistung vor allem zum Starten des Motors.

Technische Anforderungen

Die Starterbatterie soll

• • den Motor mit dem benötigen hohen Startstrom von 250 .. 500 A versorgen

  • auch bei hoher Stromentnahme die Spannung halten

  • die Motorelektronik und die anderen Verbraucher im Fahrzeug-Bordnetz mit Strom versorgen, wenn der Motor — und damit der Generator — nicht läuft

  • als Puffer Spannungsspitzen im Fahrzeug-Bordnetz glätten

• eine möglichst lange Lebensdauer aufweisen

  • bei Temperaturen von -20 .. +50°C funktionieren.

Die Hauptcharakteristik einer Starterbatterie ist ihr Vermögen, hohe Ströme abzugeben. Für den Bremach T-Rex spezifiziert das Werk einen minimalen Kälteprüfstrom bei -18°C von 450 A (bei Kälte steigt der Leistungsbedarf des Starters und die Spannung der Batterie sinkt, was zu höheren Startströmen führt). 

Auslegung eines LFP-Systems als Starterbatterie

LFP-Akkus sind ideal für die Funktion als Starterbatterie und erfüllen fast alle oben genannten technischen Anforderungen besser oder viel besser als BS-Akkus. Allerdings ist bei der Wahl der LFP-Zellen darauf zu achten, dass diese auch bei sehr tiefen Temperaturen geladen werden können; alle LFP-Zelltypen können auch bei -20°C hohe Ströme abgeben und dadurch den Motor starten, aber sobald dieser einmal läuft, tritt auch der Generator und beginnt sofort, die Starterbatterie zu laden, was nicht bei allen Zelltypen gut ankommt.

Dimensionierung

Wie oben bereits beschrieben, nimmt die nutzbare Kapazität von BS-Zellen mit höherem Entnahmestrom markant ab: bei 300 A Entnahmestrom liefert ein 100-Ah-Akku nur noch etwa 50 Ah (Peukert-Effekt). LFP-Zellen zeigen dieses Verhalten nur ganz Ansatzweise. Aus diesem Grund darf ein LFP-Starterbatterie schon einmal halb so gross dimensioniert werden wie eine BS-Starterbatterie.

Bremach-Fahrzeug werden vom Werk typischerweise mit einer 100-Ah-Starterbatterie (Blei-Säure-Technologie) ausgerüstet. Allerdings ist eine solche Batterie vielfach überdimensioniert, wenn sie nur zum Starten des Motors verwendet wird: der IVECO-Daily-Motor F1C nimmt beim Starten bei 20°C Aussentemperatur einen Strom von z.B. 240 A während 3 Sekunden und die Diesel-Vorförderpumpe ist für 10 Sekunden in Betrieb (15 A):

Startenergie = (240 A ∙ 3 s + 5 A ∙ 10 s )∙ 1 h / 3600 s  = 0,24 Ah

d.h. mit einer verfügbaren Kapazität der Batterie von 50 Ah könnte man den Motor gut 200-mal starten.

Im schlechtesten Fall, bei tiefen Minustemperaturen, kann der Startstrom das Doppelte betragen weil die Öle im Motor zäher sind; Während dem Vorglühen läuft für 30 Sekunden auch die Diesel-Vorförderpumpe. Die Glühkerzen wärmen den Zylinderkopf für 45 Sekunden vor (ca. 40 A, [8] S. 157, 160); Die Startdauer sei 4 Sekunden:

Startenergie =  (480 A ∙ 4 s + 15 A ∙ 30 s + 40 A ∙ 45 s ) ∙ 1 h / 3600 s = 1,16 Ah

d.h. falls die verfügbare Batteriekapazität noch 25 Ah betrage, sind dies immer noch gut 20 volle Startvorgänge mit zwischenzeitlicher Abkühlung des Motors auf Umgebungstemperatur.

Verfügt man über eine Versorgungs- und eine Starterbatterie, so kann letztere also viel kleiner ausfallen. Massgeblich ist letztlich der minimale Kälteprüfstrom der Starterbatterien — und auch der Versorgungsbatterie, sofern letztere bei Ausfall der Starterbatterie in jedem Fall als Ersatz einspringen können soll.

Wird die Starterbatterie konsequent nur als Starterbatterie und zur Versorgung der fahrzeugseitigen Verbraucher bei Motorstillstand verwendet (Fahrzeug- und Kabinenbeleuchtung, elektronische Fahrzeugkomponenten, Lüftung, etc.) und nicht zur Versorgung von Dauerverbrauchern wie Kühlboxen, Radio über Stunden, etc. verwendet, reicht ein LFP-Akku mit 20 .. 25 Ah oder noch weniger. Dieses Video zeigt, dass man einen eiskalten Motor sogar mit einem 2,3-Ah-Akku ohne Problem starten kann, auch wenn es nur ein Benzinmotor ist, der etwas weniger stromhungrig ist.

Zellenauswahl

Angesichts der Tatsache, dass die Starterbatterie auch bei sehr kalten Temperaturen ihre Arbeit verrichten soll, können aktuell nur die LiFeYPO4-Zellen von Winston oder fertig konfektionierte LFP-Batterien mit entsprechendem Temperaturbereich eingesetzt werden.

Batteriemanagement

Auch für LFP-Zellen der Starterbatterie gilt, dass sie empfindlich gegen Überladung und gegen Tiefentladung sind. Allerdings ist der Einsatz eines BMS, hier etwas heikler, spezifisch beim Überspannungsschutz: der Fahrzeuggenerator verwendet die Starterbatterie als Last und Puffer und regelt den erzeugten Strom entsprechend dem Ladezustand der Batterie. Wird die Batterie im laufenden Betrieb (z.B. wegen drohender Überspannung in den LFP-Zellen) vom BMS abgetrennt, kann die Bordspannung auf ein Vielfaches der Generator-Nennspannung von 12 V hochschiessen. Schäden an diversen Elektronikkomponenten wären die Folge. In der Konsequenz muss der Starterakku im Betrieb dauerhaft mit dem Generator verbunden bleiben.

Auch der Unterspannungsschutz des BMS könnte nachteilig zuschlagen: bei Kälte sinkt auch bei LFP-Akkus die Spannung, sodass der Motorstart die Systemspannung kurzfristig unter die Entladeschlusspannung für LFP-Zellen von 2.5 V bringen kann. Die Zellen nehmen wegen der kurzen Dauer der Belastung keinen grossen Schaden, aber wenn das BMS den Akku vorschnell von Starter und Motormanagement abtrennt, ist mit einer Wegfahrt nicht zu rechnen. Die Schwierigkeit hier ist: bei welcher Spannung und nach welcher Dauer soll das BMS eingreifen, um einen Schaden durch Unterspannung zu verhindern? Offensichtlich soll die Dauer nicht zu kurz sein. Das Problem löst sich mindestens beim Bremach T-Rex teilweise von selbst, da bei vollständig abgeschalteter Zündung auch die Fahrzeugbeleuchtung, die Lüftung, die elektron. Komponenten etc. von der Batterie getrennt sind. Einzig das Standlicht, die Zigarrettenanzünderbuchsen und das Radio, falls es an die Klemme +30 angeschlossen wurde, hängen dann noch an der Batterie. Als pragmatischer Entladeschutz für Perioden längeren Stillstands kann ein Batterieschalter à la mode de Wildwux zum Einsatz kommen.

Es gibt Zeugnisse von LFP-Benutzern, die ihre Winston-Starterbatterien ohne BMS einfach anstelle der original BS-Akkus angeklemmt haben (z.B. Mitglied rossifuimi im Wohnmobilforum.de: «Die Winston ohne BMS nutze ich schon seit Jahren in mehreren Autos mit weniger Problemen als bei Bleiakkus!»). Damit nimmt man das Risiko einer Tiefentladung auf sich, das aber nicht besonders gross zu sein braucht (siehe oben), und muss darauf vertrauen, dass der Generator die Ladeschlussspannung von LFP-Akkus nicht überschreitet (die vier Winston-Zellen haben eine Ladeschlussspannung von 4,0 V, womit man mit einer Generatorspannung von 14,4 V im grünen Bereich ist). Das Problem des De-Balancing (das Auseinanderlaufen der Zellspannungen der einzelnen Zellen des Akkus) bleibt.  Hier ist es besonders wichtig, die LFP-Zellen vor dem Zusammenschliessen individuell auf eine Spannung von genau 3.65 V (resp. 4.0 V je nach Herstellerangabe) zu laden und damit einer Beschädigung einzelner Zellen durch Unter- oder Überladung entgegenzuwirken.

Konkrete Beispiele und Komponenten

Beispiele von erfolgreich realisierten LFP-Akkus als Starterbatterie sind auf dieser Seite dokumentiert.

Die verwendeten oder mögliche elektrische und elektronische Komponenten werden auf dieser Seite vorgestellt.