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Batterien bzw. Akkumulatoren: Nass Blei, Gel, AGM, Lithium

Diese Seite befasst sich mit der Stromspeicherung im Wohnmobil mit Hilfe von Batterien. Die Beschreibung ist für die allgemeine Verständlichkeit vereinfacht dargestellt. Mehr zu diesem "spannenden" Thema finden Sie in meinem Buch "Strom und Spannung im Wohnmobil", in dem die einzelnen Themen ausführlicher erklärt sind.


Batterien, Akkumulatoren, Stromspeicher

Energie haben wir erzeugt, wenden wir uns also der Energiespeicherung zu.
Batterien, eigentlich Akkumulatoren sind eines der zentralen Teile eines Wohnmobils, sie starten den Motor und versorgen den Aufbau mit der notwendigen elektrischen Energie. Batterien speichern die elektrische Energie durch einen elektrochemischen Prozess und geben diese dann im Bedarfsfall durch die Rückwandlung wieder an die Verbraucher ab, sie entladen sich damit. Batterien können gleichzeitig durch verschiedene Stromquellen geladen werden. Ob der Strom von der Lichtmaschine, der Startbatterie, dem 230V-Ladegerät, der Solaranlage, der Brennstoffzelle oder mehreren Quellen gleichzeitig kommt, interessieren weder Batterie noch Erzeuger. Wenn die Batterie leer ist, nimmt sie den Strom woher sie ihn am besten, also mit der größten Spannung bzw. dem niedrigsten Widerstand, bekommt.
Aufgrund der Bezeichnungen "Lima-Regler, Solarregler etc." glauben viele, dass diese Regler den Ladestrom einer Batterie regeln. Das ist falsch! Diese Quellen stellen lediglich den Strom, begrenzt oder unbegrenzt, zur Verfügung. Die Batterie bestimmt aufgrund ihrer aktuellen Quellenspannung (EMK) bzw. ihres Ladestandes SoC und ihres Innenwiderstandes wie viel Strom sie zum Start der Ladung aufnehmen kann. Mit jedem geflossenen Ampere steigt ihre Quellenspannung (EMK) an. Diese Quellenspannung aber steht der Ladespannung entgegen. Mit zunehmender Ladung (W oder I Kennlinie) wird die Differenz zwischen Ladespannung und Quellenspannung kleiner, der Ladestrom nimmt deshalb ab. Dieses Spiel geht solange bis die Batterie voll ist und Quellenspannung (Blei nass 12,65V) und Hauptladespannung (Blei nass 12,65V) annähernd gleich sind. Der erreichte Ladezustand (SoC) kann über Messen der Batteriespannung alleine nur sehr ungenau, viel genauer schon über die Säuredichte (nur bei Nassbatterien) und relativ genau über einen so genannte Batteriecomputer ermittelt werden.

Leider reduziert sich die gespeicherte Ladung aber auch durch Selbstentladung. Diese liegt bei einer Temperatur von 20°Celsius um die 1% pro Monat bei LiFePO
4, zwischen 2 bis 3% bei AGM und Gel und um die 10% bei Nassbatterien.
Zusätzlich sinkt die Kapazität einer Bleibatterie im Laufe der Zeit aufgrund innerer chemischer Vorgänge (Sulfatierung und Dendritenbildung). Eine weitere Beeinträchtigung der Kapazität bei Nassbatterien erfolgt durch Säureschichtung bei längerem Stehen.
 
Eine der wichtigsten Angaben bei Batterien ist der C-Wert. Der C-Wert ist ein Zeit- oder Stromwert für den Lade- und Entladestrom und ist die Basis für die aufgeführten technischen Daten einer Batterie wie z.B. Nennkapazität und Anzahl der möglichen Zyklen. Eine Angabe von C20 oder K20 bedeutet also, dass die in der Batterie gespeicherte Energie über die Zeit von zwanzig Stunden kontinuierlich entnommen werden sollte, um die angegebene Kapazität von 100 Ah auch zu erhalten. Dies entspricht dann einer Stromentnahme von 5A pro Stunde. Nur bei dieser Stromentnahme von 5A ist die Kapazität der C20-Batterie auch 100 Ah.
Nur in Zusammenhang mit dem C-Wert lassen sich Batterien oder Batterietechnologien vergleichen. Wenn nicht anders ausgewiesen, basieren die Händlerangaben für handelsübliche Versorgerbatterien meist auf dem C-Wert C20! Für die Anwendung und für den Preisvergleich sollten grundsätzlich nur Batterien mit gleichem Kapazitäts- und C-Wert verglichen werden.
Eine weitere wichtige Angabe ist deshalb die Entladungstiefe oder DoD (Depth of Discharge). Die Entladungstiefe beschreibt das Verhältnis der entnommenen Energiemenge zur Kapazität und setzt dies ins Verhältnis zur Lebensdauer (Anzahl Zyklen), also z.B. 600 Zyklen bei 50% Entladungstiefe DoD. 
Die Lebensdauer und Qualität einer Batterie lässt sich gut über die Anzahl der möglichen Zyklen bzw. deren Entladungstiefe definieren. Seriöse Hersteller messen die angegebenen Zyklen nach IEC 896-2, was Folgendes bedeutet: 1 Zyklus entspricht einer 60%-iger Entladung bei 20°C und einem Entladestrom der einer 10-stündiger Entladung (also C10) entspricht.

Als Faustformel für die mögliche Anzahl von Zyklen gilt:
·        Nass: ca. 150x bei 100%, 300x bei 50% und 700x bei 30% Entl.Tiefe
·       
Gel: ca. 300x bei 100%, 600x bei 50% und 1300x bei 30% Entl.Tiefe
·       
AGM: ca. 200x bei 100%, 400x bei 50% und 900x bei 30% Entl.Tiefe
·        Bleikristall-Batterie, ca. 700x bei 100%, 2900x bei 50% Entl.Tiefe
·        LiFeYPO4: ca. 8000 bei 90-95% Entl. Tiefe (DoD)
Im Klartext heißt das: Werden aus einer Batterie mit 100 Ah Kapazität und C20 regelmäßig nur etwa 33Ah über 20 Stunden entnommen bzw. geladen, hält sie theoretisch die doppelte Zyklenzahl durch, als wenn jedes Mal 50 Ah über 20 Stunden hinweg entnommen/geladen werden!

Bleibatterien sind Vertreter einer bewährten und relativ einfachen Technologie, die aber in den letzten Jahren stark verbessert wurde. Es gibt sie in folgenden Varianten:

  • die herkömmliche Blei-Nassbatterie (Wet),

  • die verbesserte EFB-Batterie (beide mit Entgasung),

  • die AGM-Vlies-Batterie,

  • die Gel-Batterie,

  • die Blei Carbon Batterie, oder

  • die Bleikristall-Batterie.

Nassbatterie (auch Wet): Dabei handelt es sich z.B. um Blei/Antimon/Säurebatterien (Pb/Sb). Dies sind Batterien, die mit Batteriesäure (Schwefelsäure mit destilliertem Wasser) gefüllt sind. Schwefelionen sind die Ladungsträger zwischen den Bleiplatten. Ihr Leistungsgewicht liegt bei ca. 30-40 Wh/kg. Eine Verbesserung ist die EFB-Batterie (Enhanced Flooded Batterie), die sich mit ihren Werten und ihrer Zyklenfestigkeit schon stark einer AGM-Batterie nähert. Diese werden oft auch mit dem Kürzel SMF (Sealed Mantenance Free) angeboten. Weitere Nassbatterien sind die Blei/Silber/Calcium Batterien (Pb/Ag/Ca). und die Calcium+/Calcium- (Ca/Ca) Batteriel.
Eine weitere Entwicklung sind die Gelbatterien (Dry-fit) und die AGM Vliesbatterie. Die Platten bestehen bei beiden aus Reinblei (Pb), sind mit einem Säure/Wasser-Gel bzw. Säure/Wasser Vlies getränkt und werden als zyklenfeste Versorgungsbatterie für den Aufbau verwendet.
Durch eine Gasrekombination GRT (Gas Recombinant Technology) wird entstehendes Gas in kleinen Mengen wieder in Wasser zurückgewandelt. Bei größerer Gasung, wird das Batteriegas durch ein Überdruckventil VRLA (Valve Regulated Lead Acid) nach außen abgeleitet und reduziert dadurch den Wasseranteil. Die Ladedauer ist aufgrund der trägeren elektrochemischen Reaktion des Gels länger als bei Nassbatterien. Dafür verkraftet eine Gel-Batterie eine Tiefentladung auf 20% Restkapazität wesentlich besser als eine Nassbatterie. Beide Batteriearten sind wartungsfrei, es kann kein Wasser nachgefüllt werden. Eine andere Bauform der AGM-Plattenbatterie ist die Optima-Batterie. Hier sind die Reinblei-Elektroden als Bleibänder zusammen mit einem AGM-Vlies rollenförmig aufgewickelt. Die sechs einzelnen Rundzellen werden dann zu einem Batteriepack zusammengeschaltet. Durch den engen Abstand der Elektroden liefert die Batterie einen hohen Strom bei kurzen Ladezeiten.
Eine Mischform zwischen Nass- und AGM-Batterie ist die Blei/Silizium (Pb/Si) Batterie, auch Blei-Kristall-Batterie genannt
und
als neueste Entwicklung gibt es die Blei Carbon Batterie
.

Die Lithium (Ionen) Batterie, wie z.B. die Lithium-Eisen-Phosphat Batterie oder auch LiFePO4 (LFP) genannt beruht auf einer ganz anderen Technologie. Auch hier gibt es verschiedene Zusammensetzungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, als Wohnmobilbatterien eignen sich die:

  • Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat (LiFeYPO4), bis 110 W/kg und die

  • Lithium-Polymer (LiPoly, Lilon, LiPo), bis180 W/kg

Bei dieser Batterie sind Lithiumionen die Ladungsträger zwischen den Elektroden. Eine Lithiumbatterie hat gegenüber einer Bleibatterie eine höhere Energiedichte und ist damit bei gleicher Kapazität wesentlich kleiner und um die Hälfte leichter als eine Bleibatterie. Sie ist für starke Lade/Entladeströme konzipiert, ohne dass sich bei hohem Entladestrom die Kapazität verringert. Lithium-Ionen-Batterien reagieren empfindlich auf Überladung, zu tiefe Entladung oder Ladung unter +10°C. Sie benötigen deshalb für Ladung und Entladung ein automatisch reagierendes Batterie-Management-System (BMS). Dieses besteht aus Zell-Balancing, einer OVP/UVP Überwachung, einer Übertemperaturüberwachung und einem Ladeschutz bei Temperaturen unter +10°C. Lithium Ionen Batterien gibt es in Form von großen Blockzellen (Winston Zellen), als große Rundzellen (z.B. Liontron) kleine Rundzellen (Größe 14250, 16650 26650 wobei 14/16/26 den Ø und 250/650 die Länge in mm bezeichnet) oder als Zellen mit Prismaform.
Ein Lithiumbatterie System ist allerdings noch recht teuer. Es benötigt pro Zelle ein Zell-Balancing und ein Überwachungssystem mit einer Abschalttechnik, das bei Unterspannung (UVP) und vor allem bei Überspannung (OVP) einer Zelle die Ladung/Entladung der gesamten Batterie abschaltet. Auch eine Temperaturüberwachung, die bei Zellübertemperatur abschaltet und bei Temperaturen unter +5°C den Ladestrom begrenzt ist sinnvoll. Diese Schutztechnik ist auch die Schwachstelle des ganzen Systems, denn im Zusammenhang mit der Ladung durch verschiedene Ladequellen, wie Lichtmaschine, Solar oder Brennstoffzelle, wird es technologisch und finanziell aufwendiger als bei Bleibatterien.
Die Lithiumbatterie hat spannungsmäßig eine viel flachere Entladekurve als eine Bleibatterie. Die LiFeYPO4 Batterie ist deshalb für starke Lade-/ Entladeströme (C1 bis C3) konzipiert, ohne dass sich bei hohem Entladestrom die Kapazität oder die Betriebsspannung verringern. Dies ist aber auch ein Grund dafür dass man die noch vorhandene Kapazität nicht mit den Standard Controlpanels anzeigen lassen kann. Sie erfassen die minimalen Spannungsänderungen der Lithiumbatterie während der Entladung nicht. Deshalb sollte man zusätzlich einen Batteriecomputer installieren.

Der Markt hat inzwischen reagiert und bietet die neue Batterietechnik inklusive Batteriemanagement (BMS) komplett verbaut und mit Autobatteriemaßen als Plug n`Play System an. Beispiele wären  Victron, Fraron, Greenakku, Super B, Excello, Robur oder Liontron etc. Per App und Bluetooth kann man die Plug n` Play Systeme sogar konfigurieren und den Ladestand auslesen.  Die meisten dieser Systeme sind allerdings nicht auf den Winston Y Blockzellen sondern auf den wesentlich kleineren Rundzellen aufgebaut. Die eingebauten Rundzellen sind meist keine LiFeYPO4 Zellen mit einem flüssigen Elektrolythen, sondern mit einer Polymerfolie als Elektrolyt und Dielektrikum und heißen dann Lilon oder LiPo (Polymer) Zellen. Die Plug n` Play Systeme können nicht in Serienschaltung als 24V System betrieben werden!
Büttner MT z.B. liefert mit der MT Li 95 ein LiFePO4-Rundzellen-Batteriesystem mit integriertem BMS, OVP/UVP Schutz und temperaturgesteuerter Ladestrombegrenzung, das in der Gehäuseform und Abmessung der normalen AGM-Batterie entspricht. Zusammen mit dem Batteriecontroller MT 25/20 I/UoU (230V Batterielader + B2B-Lader) und dem Batteriemonitor MT IQ wird damit ein komplettes System als Paket angeboten.

Aber e
chte "Rund-um-Sorglos-Pakete" zum einfachen 1:1 Austausch der Bleibatterien ohne Einschränkung (Low Power Erkennung im EBL, Tausch des Trenn/Koppelrelais, Verstärkung der Ladeverkabelung) zusätzlicher Batteriecomputer und Austausch durch einen Bastel- bzw. Elektro-Laien gibt es trotz Werbung eigentlich nicht.
Diese Informationen waren eine kurze Zusammenfassung. Mehr zum Thema Batterien, Batteriepflege und Batterieverschaltung können Sie im Buch Strom und Spannung im Wohnmobil nachlesen
.

Und nun zu weiteren begrifflichen und technologischen Unterschieden:
Man unterscheidet Batterien sowohl nach ihrer Anwendung (Starterbatterie, Traktionsbatterie, Versorgungsbatterie oder Notstrombatterie, (die Grenzen sind allerdings schwimmend) als auch nach ihrer Technologie (Nassbatterie, EFB, AGM, Gelbatterie, Panzerplattenbatterie oder LiFeYPO4). Zum Schluß darüber eine Zusammenfassung:

Startbatterie:
dünnere Platten, engere Packdichte, deshalb mechanisch nicht so stabil und anfälliger gegen Bleischlammbildung. Nicht zyklenfest aber kurzfristig höhere Strombelastung, größere Selbstentladung.
Versorgerbatterie, Traktionsbatterie: 
dickere Platten, mechanisch stabiler, Zyklenfest, aber mit geringeren Stoßstrombelastungen, geringere Selbstentladung.

Hier eine kurze Zusammenfassung der technischen Eigenschaften:
Nassbatterie (Wet):
Günstig in der Anschaffung (0,8 - 1 € pro Ah), Konzipiert als Start- oder Versorgerbatterie, nicht wartungsfrei, lageabhängig, unempfindlicher gegen höhere Ladespannung, nur mit Entlüftung im Wohnraum verbaubar, hohes Gewicht (0,3 kg pro Ah), Tiefentladungsgrenze bei 30% Restkapazität.
Nassbatterie (Wet) Blei/Antimon/Säure, mit Wartung, Starterbatterie, ca. 300 Zyklen bei 50% Entladetiefe (DoD), lageabhängig, Ladeschlussspannung 14,1V, Quellenspannung bei 100% Ladung 12,65V
Nassbatterie Blei/Silber/Calcium/Säure
, mit Wartung, Starterbatterie, ca. 300 Zyklen bei 50% Entladetiefe (DoD), lageabhängig, tiefentladungsempfindlich, Ladeschlussspannung 14,8V, Quellenspannung bei 100% Ladung 12,7V
Nassbatterie Blei/Calcium/Säure für beide Platten
, wartungsfrei, tiefentladungsempfindlich, ca. 300 Zyklen bei 50% Entladetiefe (DoD), Ladeschlussspannung 14,8V, Quellenspannung bei 100% Ladung 12,8V

Gel, AGM Batterie:
Zyklenfeste Versorgerbatterie, größere Entladungstiefe, wartungsfrei, bedingt lageunabhängig einbaubar, geringe Selbstentladung, Speicherkosten (1,8 - 2 € pro Ah), hohes Gewicht (0,3 kg pro Ah), Tiefentladungsgrenze bei 20% Restkapazität.
Gel-Batterie
, Reinblei/Säure/Gel, wartungsfrei, Versorgerbatterie, zyklenfest, ca. 600 Zyklen bei 50% Entladetiefe (DoD), lageunabhängig, tiefentladungsfester, Ladeschlussspannung 14,3V, Quellenspannung bei 100% Ladung 12,75V
AGM-Vlies-Batterie
, Reinblei/Säure/Vlies, wartungsfrei, Versorgerbatterie, zyklenfest, ca. 400 Zyklen bei 50% Entladetiefe (DoD), lageunabhängig, tiefentladungsfester, Ladeschlussspannung: US AGM 1 = 14,4V, Europa AGM 2 = 14,7V, Quellenspannung bei 100% Ladung 12,78V

Bleikristallbatterie:           
Zyklenfeste Versorgerbatterie, größere Entladungstiefe, wartungsfrei, lageunabhängig einbaubar, geringe Selbstentladung, Speicherkosten (3 € pro Ah), hohes Gewicht (0,3 kg pro Ah), Tiefentladungsgrenze bei 10% Restkapazität.
Blei-Kristall-Batterie
, Blei/Säure/Silizium/Vlies, wartungsfrei, Versorgerbatterie, zyklenfest, ca. 2.900 Zyklen bei 50% Entladetiefe (DoD), lageunabhängig, tiefentladungsfest, Ladestrom zyklisch über C0,3 (also 100Ah Batterie bei 30 A), Ladeschlussspannung 14,4 (ladezeitabhängig) Quellenspannung bei 100% Ladung 13,2V
Blei Carbon Batterie:
Sie ist s
eit 2014 als Start/Stop geeignete Batterie im Gespräch. Eine Bleibatterie mit Kohlenstoffbeschichtung der Platten was zu einer besseren Lade/Entladefähigkeit und einer Verringerung der Sulfatierung führen soll. Es ist eine zyklenfeste Batterie mit prognostizierten 2000 Zyklen bei 80% DoD. Die Technische Daten der Herstellern sind leider extrem unterschiedlich!
Lithium Batterie
:
Hohe Strombelastung, große Entladetiefe, geringste Selbstentladung, wartungsfrei, bedingt lageunabhängig einbaubar, bestes Gewicht/Kapazitäts Verhältnis (0,17 kg pro Ah), größte Nutzkapazität, empfindlich gegenüber höherer Ladespannung und Tiefentladung, teuer in der Anschaffung (21 € pro Ah bei Plug n Play), Tiefentladungsgrenze bei 10% Restkapazität.
LiFeYPO4-Batterie, Lithium/Eisen/Yttrium/Phosphat oder auch LiFePO4, wartungsfrei, Start oder Versorgungsbatterie, ca. 2.000 bis 3.000 Zyklen bei 80% Entladungstiefe (DoD), bedingt lageunabhängig, Zellen empfindlich gegen Überladung/ Tiefentladung/ Ladung bei Minustemperaturen, Ladeschlussspannung 14,4V, Quellenspannung bei 100% Ladung 13,2V.


 Stand 30.1.2020

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