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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.
Teil 1
Teil 2
Teil 3 (aktuelle Seite)
Teil 4
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 zur Ladung aufnehmen kann.
 Mit
jedem geflossenen Ampere steigt ihre Quellenspannung (EMK) an.
Diese Kraft der Quellenspannung setzt sich aber der Ladespannung entgegen.
Mit zunehmender Ladung (W
oder I Kennlinie) steigt die Quellenspannung an, die Kraft der Quellenspannung
wird größer, der Ladestrom nimmt deshalb ab. Dieses Spiel geht solange bis die
Batterie voll ist und Quellenspannung (Blei nass 12,8V) und Hauptladespannung 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, 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 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.
Der
Ladezustand SoC (State of charge) einer Batterie gibt an zu wieviel
Prozent in Bezug auf die Kapazität eine Batterie geladen ist.
Der
gegenteilige Wert ist 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!
Die Ladung von Batterien ist aufgrund der
chemischen Vorgänge immer temperaturabhängig. Deshalb sollte man eine bei
Bleibatterien eine Temperaturkompensation vorsehen.
Bei Lithiumbatterien sollte der Ladestrom bei Temperaturen unter +10°C
erheblich gesenkt oder abgeschaltet werden. LiFeYPO4 Batterien sind nicht ganz
so empfindlich, aber auch sie sollten bei Minusgraden nicht mit großen Strömen
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-BatterieEnhanced 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) Batterie l.
Eine weitere Entwicklung sind die Gelbatterien
(Dry-fit)
und die AGM Vliesbatterie. Die Platten bestehen
bei beiden aus Reinblei (P), 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 RecombinantTechnology)
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) oder auch
LFYP, bis 110 W/kg und die
-
Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) oder auch LFP Batterie.
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.
Abgesehen von der chemischen
Zusammensetzung und der daraus resultierenden Energiedichte gibt es noch die
unterschiedlichen Gehäuseformen (Can-Flachgehäuse und
zylindrische Gehäuse in verschiedenen Größen
(14250/16650/21700/26650/38140). Für zyklische Versorgerbatterien werden meist LF(Y)P
Blockzellen (Winston Thunder Sky), Becherzellen (EVE), oder auch Rundzellen
verwendet (Liontron, Excello).
LFP-Batterien reagieren empfindlich auf Überladung,
zu tiefe Entladung oder Ladung unter +10°C.
Sie benötigen deshalb für Ladung und Entladung ein automatisch reagierendes
Batterie-Managementsystem (BMS). Dieses besteht aus Zell-Balancing, einer
OVP/UVP Überwachung,
einer Übertemperaturüberwachung und einem Ladeschutz bei Temperaturen unter +10°C.
Ein Lithiumbatterie System ist deshalb immer noch teuerer als eine
einfache Bleibatterie. 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 (1C bis 3C) 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 (smart BMS) komplett verbaut und mit Autobatteriemaßen
als sogenannte "just Drop in" Systeme an. Beispiele wären Victron,
Fraron, Greenakku, Super B, Excello, Robur oder Liontron etc. Per App und
Bluetooth kann man diese Drop in Systeme sogar konfigurieren und den
Ladestand auslesen. Die meisten dieser Systeme sind allerdings nicht auf
den Winston Y Blockzellen sondern auf prismatischen Zellen oder den wesentlich kleineren Rundzellen
aufgebaut. Allerdings können die meisten dieser Systeme 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.
In einem Test dieser Systemen einer Reisemobilzeitschrift hat dieses
Akkusystem 2019 in Bezug auf Hochstromentnahme und temperaturgesteuertem
Lademanagement am besten abgeschnitten.
Aber "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.
Beim Tausch Blei gegen Lithium sollte man deshalb einige Punkte beachten bzw. hinterfragen:
-
Schaltet eine Schutzfunktion (Untertemperatur,
Über/Unterspannung) die Li Batterie im Standbetrieb ab, fehlen einigen
Verbrauchern die notwendige Dauer-Plus Betriebsspannung (autom. 12/24V SR,
Truma CP Plus, Steuerelektronik Absorber Kühli, etc.)
-
Die maximale Ladeleistung des EBL/Ladegerätes sollte
dem 0,5C Ladestrom der Lithium-Batterie entsprechen.
-
Der Entladestrom sollte vom BMS nicht begrenzt
werden. Schauen Sie ins Datenblatt, wenn dort steht Kapazität 200Ah,
Entladestrom 50A gehen ein WR oder die Hubstützen in die Knie. Das
eingebaute Batterie-Management-System kann also auch eine Schwachstelle
sein.
-
Für Wintercamper ist wichtig
zu wissen, dass manche Lithium Batterien unter +10°C nicht geladen werden
dürfen und auch bei LiFeYPO4 Batterien bei Minusgraden der Ladestrom reduziert werden muss. Ein Ausweg
wäre hier die Beheizung der Batterieumgebung auf über +10°C.
-
Hat der Akku Rundpole für die herkömmlichen
Batterieklemmen oder muss der Batterieanschluss auf M8 Flachpolanschluss
(Rundösen) umgebaut werden?
-
Das EBL/Ladegerät/Solarregler muss die richtige
Umschaltspannung (ab 13V) von Erhaltungsladung zu Hauptladung kennen. Eine
Lithiumbatterie hält ihre Spannung bis sie leer ist, deshalb erkennt der
Lader u.U. nicht dass er wieder in Hauptladung umschalten muss.
-
Die verlegte Kabelstärke darf auch bei einer großen
Dauerbelastung nicht warm werden.
Ein Lithium/AGM Hybridsystem, das die Vorteile von Lithium und Blei in sich
vereint.
Batterien unterschiedlicher Technologie oder Kapazität
sollte man eigentlich nicht zusammenschalten. Die Fa. Hymer und die Fa. BOS aber machen
genau dies mit dem „Hymer Smart Batterie System“. Hier werden zwei AGM Batterien (je
95 Ah) mit einem Block Hy-Tec-Lithium Zellen (6x25,6 Ah/12V, jeweils inkl. BOS
BMS) gemeinsam an einem Schaudt EBL zu einem 230 Ah System (netto) gekoppelt.
Auch von der Fa. Büttner MT wird eine Nachrüstung angeboten, mit der Sie Ihre
bestehende AGM Aufbaubatterie mit einer Li-Batterie ergänzen können. Die
beiden Ladeschlussspannungen sind ja annähernd gleich (AGM zwischen 14,3 und
14,6V, Li 14,4 V). Die Ladegeräte stellt man am Besten auf AGM oder Blei nass.
Einer Kopplung von Lithium mit einer Bleibatterie ist dann ein
Hybridsystem!
Dieser Grundsatz gilt immer noch für Bleibatterien, denn
hier möchte man einen gemeinsamen Lade/Entladelevel. Mit einer Li/Pb
Hybridkombination möchte man aber genau dieses unterschiedliche Spannung zu SoC
Verhältnis ausnutzen.
Man kann sich das so vorstellen als hätte man zwei Tanks die verbunden sind.
Solange der Lithium-Tank noch voll ist, wird er vorzugsweise genutzt. Erst wenn
er fast leer ist, wird der Bleitank angezapft. Umgekehrt wird immer erst der
Bleitank geladen und wenn dieser fast voll ist wird der Lithiumtank wieder
aufgefüllt. Oder technisch vereinfacht ausgedrückt: Die Li-Batterie wird immer
als erstes entladen denn sie hat die höchste Quellen-spannung. Erst wenn die
Spannung im Bordnetz auf unter 13 Volt absinkt, ist der Li-Akku fast leer. Bei
12,8 Volt ist eine „gesunde“ Bleibatterie in der Regel noch mindestens zu 80%
Prozent geladen. Und jetzt beginnt die Bleibatterie Strom abzugeben. Natürlich
gibt es über den ganzen Zeitraum einen Ladungsausgleich, aber dem Verbraucher
ist es egal ob der Strom zuerst von der Blei- in die Lithiumbatterie geht und
dann erst zu ihm kommt.
Durch die niedrige Quellenspannung der leeren
Bleibatterie von vielleicht 12,1V wird zuerst die Bleibatterie geladen und der
Lithiumblock nimmt dann erst ab 12,8V (80% Ladung Bleibatterie) wieder
nennenswerten Strom auf. Will man tiefer einsteigen muss man die Lade /
Entladekurven von Blei- und Lithiumbatterien vergleichen. (siehe Umbau auf Li/Pb
Hybrid)
Diese Reihenfolge bewirkt bei der Entnahme dass das Bordstromnetz
bevorzugt aus der niederohmigeren Lithiumbatterien versorgt wird. Bei der Ladung
wird die Bleibatterie bevorzugt da ihr Ladespannungslevel wesentlich niedriger
liegt. Damit kann man bei Frost der Lithiumbatterie eine Aufwärmzeit geben und
seine Bleibatterie zum späteren Betrieb trotzdem laden.
Das war generell
geprochen und die reine Lehre. In der Praxis fließen natürlich, wie bei allen
parallel geschalteten Batterien, Ausgleichsströme. Wird in einer Li/Pb
Hybridschaltung geladen oder entladen darf man sich das nicht als
„Entweder-Oder“ vorstellen sondern als Teilstrom Li und als Teilstrom Pb, die
halt zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich groß sind.
Die Vorteile aus
meiner Sicht einmal zusammengefasst:
-
Bei der ganzen Diskussion um die Li
Temperatur Problematik und ggf. Ladungsabschaltung wird ein Problem leider
nie angesprochen, nämlich:
Die Ladung
der ggf. teilentladenen Li-Batterie bei Frosttemperaturen direkt nach dem
Losfahren. Die eingebaute Lade- oder auch Entladesperre bei
Temperaturen unter +10°C verhindert die Ladung, bis sich die Li-Batterie
erwärmt hat. Diese Zeit überbrückt bei einer Hybridlösung die Bleibatterie.
-
Bei heutigen Fahrzeugen liefert die Lima bei 0°C ca.
14,8V (Temperaturkompensation), und damit besteht die Möglichkeit eines OVP
Falles für die Lithiumbatterie. Der kann ruhig eintreten, die AGM wird ja
weiter geladen und liefert auch weiter!!
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Mit einer Hybridlösung kann man die Vorteile der Li
genießen (Gewichtseinsparung, Strom ohne Spannungseinbruch, höher
Nettokapazität bei gleichem Platzbedarf) und mit den Vorteilen einer
Bleibatterie (liefert und lädt auch bei Temperaturen unter +10°C und kein
BMS bemuttert sie) verbinden.
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Die Bleibatterie puffert Einschaltstromspitzen (WR,
Klimaanlage), die bei einigen unterdimensionierten BMS (kurze JBDs) für
Abschaltungen sorgen.
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Für eventuell eintretende Schutzabschaltungen mit dem Li-BMS habe ich mit
der parallel geschalteten Bleibatterie ein Notsystem bzw. eine
Ausfallsicherung! Die Steuerparameter von autom. 12/24V SR, CP Plus und
Steuerelektronik eines Absorber Kühlis werden weiterhin durch die
Bleibatterie aufrecht erhalten.
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Wenn die übernommene Blei-Ladeelektronik für die
Li-Batterie zickt, z.B. Solarregler, kein Umschalten aus Float in Charge,
weil Spannungsunterschied zu gering, übernimmt die AGM die Versorgung. Wenn
dann die Bleibatterie auch leer ist, wird die UVP-Alarmgrenze von ELB
ansprechen.
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Keine UVP Abschaltung im CP/EBL weil die
Lithiumbatterie wg. einer Untertemperaturerkennung abgeschaltet hat.
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In der Winterpause sorgt die Li-Batterie für die
Erhaltungsladung der Bleibatterie.
Und nun zur Praxis:
Ich habe mich
anhand meiner Gegebenheiten und Anforderungen für ein Li/Pb Hybridsystem
entschieden:
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Ford Transit 2,4l Baujahr 2008, Lichtmaschine 150 A,
temperaturkompensiert, bis 14,9 V Spannung.
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2x defekte AGM Exide 90 Ah in der
Beifahrersitzkonsole, Stromverbrauch ca. 30-40Ah pro Tag.
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EBL 269/18A, Solarpanel 100Wp.
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Urlaub im Winter, Fahrzeugstart bei Temp. <+5°C.
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Ladespannungen unter Last aber ohne Batterie:
Solar (AGM) 14,34V, EBL (Pb nass) 14,26V und Lima/Startbatterie 14,31V.
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Abmessungen Sitzkonsole Bodenfläche innen: LxBxH =
385 x 360 x 210 mm
Beide alten AGM Batterien wurden sowohl von der Werkstatt
(Batterietester) als auch von mir getestet (Glühlampen/Zeit). Sie sind beide
nach 13 Jahren unter 60% Kapazität und fliegen raus! Zu einer neuen 105Ah
Lithium von BullTron wird jetzt eine neue 95Ah AGM von Moll parallel geschaltet.
Um Klarheit über die Ladespannungen von Lichtmaschine, Solar und 230C EBL zu
gewinnen bin ich meiner Maxime gefolgt, die da heißt: Zuerst einmal messen!
Ich habe dazu die Aufbaubatterie
abgeklemmt und einen ohmschen Verbraucher (Glühlampe 35W) angeschlossen um die
Spannung der einzelnen Ladequellen unter Last zu messen. Die Ergebnisse waren:
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Solar, AGM
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14,34 V
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230V EBL, Pb nass
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14,26 V
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Lichtmaschine / S-Batt
|
14,31 V
|
Die Ladespannung liegt je nach Quelle zwischen14,2V und 14,4 Volt. Die
Spannungsunterschiede der drei Ladequellen sind vernachlässigbar und werden mit
angeschlossener Batterie sowieso auf deren SoC/EMK Spannung herunter gezogen.
Die Grundlage meiner neuen Kapazitätsaufteilung beruht auf folgenden
Überlegungen:
Ich fuhr bisher gut mit 2x 90 Ah, netto ca. 110 Ah bei einer
DoD von 60%. Ich rüste nun um auf 1x 105 Ah Lithium (netto 95 Ah bei 90% DoD)
und 1x 95Ah AGM (netto 60Ah) und habe damit ca. 155 Ah Kapazität zur Verfügung
ohne die Batterien durch Hochstromentnahme oder zu tiefe Entladung zu quälen. Da
sich der Verbrauch augenblicklich nicht erhöhen wird genügt die originale 50A
Streifensicherung zum EBL. Eine zusätzliche Sicherung zwischen Li- und AGM
Batterie wird nicht vorgesehen.
Bei der Batteriewahl habe ich mich
für eine 105 Ah Li-Batterie von BullTron entschieden, ausgerüstet mit einem 150A
DALY BMS mit externem aktiven Balancer. Ausschlaggebend für BullTron waren das
gut dimensionierte DALY BMS und der gute telefonische Service. Eine 160 Ah würde
zusammen mit einer AGM Batterie nicht in die Sitzkonsole passen, da leider ca.
2cm an Höhe zum Drehteller fehlen oder bei einem liegenden Einbau eine Menge
Kabel zum EBL und Solar hätten verlängert werden müssen.
Die 105Ah BullTron
kam in einem kleinen Paket, gut verpackt mit DHL. Auf der Batterie sind
Aufkleber mit allen technischen Daten zu Strömen und Temperatur und ein QR Code
Aufkleber für den App Download für IOS und Android. Der Deckel ist verschraubt
und mit einem Garantiesiegel versehen.
Ich habe dann die Android App mit dem
QR Code der BullTron Seite heruntergeladen (DALY V1.96, Stand 7/2021) und bekam
sofort die Batterie mit ihrer Bluetooth-Kennung angezeigt. Wenn man diese
auswählt startet die Abfrage des BMS.
Die BT Verbindung zur Batterie wird
über ca. 7m Sichtverbindung gehalten, dann bricht sie ab. Die Stromanzeige der
App zeigt erst ab einem Strom von ca. 180mA an, unter ca. 150mA springt die
Anzeige zwischen 0 und 2A. Das BMS schaltet sich nach 3600 sec (60 Min)
Inaktivität ab. Um es wieder einzuschalten müssen mindestens 0,15 A Lade- oder
Entladestrom fließen.
Die BMS Parameter sind die gleichen wie auf dem
Batterieaufkleber
und anhand der Zellen nachvollziehbar. Den im BMS hinterlegten Parameter
„min. Temperatur beim Laden = -10°C“ habe ich auf 0°C geändert.
Er ist im Datenblatt noch mit -10°C und im Datenaufkleber mit 0°C angegeben.
Den im BMS hinterlegten Parameter „min.
Temperatur beim Entladen = -10°C“ habe ich auf -5°C geändert. Wenn nicht
geladen werden soll, möchte ich auch die Entladung einschränken, ich habe ja
noch die AGM zur Versorgung und als Puffer!
Die
Parameter „ausgeglichene
Öffnungsspannung Balance 3,8V“ und „ausgeglichene
Differenzspannung Balance 0,5V“ des internen, passiven Balancers sind mit
Absicht so hoch gesetzt, da ein externer, aktiver Balancer verbaut ist.
Die Batterie war lt. App auf 99% SoC geladen, die Akkuspannung betrug 13,1V.
Die einzelnen Zellspannungen betrugen: Z1 = 3,294V Z1 = 3,259V Z3 =
3,296 Z4 = 3,296V
Danach kam die Belastungsprobe mit drei Glühlampen (165W), der Entladestrom war
lt. App 13,2A, lt. Gossen Stromzange 12,9A.
Vor dem Einbau habe ich die Lade-
und Entladeströme der Hybridlösung zuerst einmal einer Analyse unterzogen. Dazu
habe ich sowohl die neue AGM als auch die neue Li-Batterie solange geladen bis
kein Ladestrom mehr geflossen ist. Dann wurden beide Batterien parallel
geschaltet, es floss für 10 Sekunden ein Ausgleichstrom aus der Li von 3,5A in
die Pb. Die AGM Plusleitung habe ich mit einer Gossen-Stromzange und die Lithium
Werte wie SoC und Einzelzellenspannung via App und Gesamtstrom und Spannung mit
einem Digitalvoltmeter gemessen.
Die Entladeströme der beiden einzelnen
Batterien, zusammen mit dem SoC der Lithiumbatterie sind im folgenden Diagramm
dargestellt. Der Laststrom betrug ca. 13A.
Strom und Spannung des Li-Akkus
sind stabil bis zu einem SoC von ca. 17%. Ab da sinkt die Hybridspannung auf ca.
12,5V, der Strom aus der Li-Batterie sinkt (blaue Linie) und die Bleibatterie
liefert zunehmend Strom (grüne Linie).
Theorie meets Praxis!
Wenn ich den Laststrom mit der Zeit hochrechne habe ich der 105 Ah
Lithiumbatterie um die 108 Ah entnommen.
Beim nächsten Diagram sieht man die Spannungen der
einzelnen Zellen in Abhängigkeit zum SoC. Gut zu sehen ist, dass
Zelle 2
noch nicht sauber balanciert ist, dies aber im Verlauf der Entladung geschieht.
Ab einem SoC von ca. 17% sinken die Zellspannungen, ab einem SoC von 7% brechen
die Zellspannungen innerhalb von 30 Minuten auf unter 3V ein.
Der externe Heltec-Balancer arbeitet dauernd, also
während Ladung, Entladung und in Stand-by.
Die Arbeit des Balancers hier im
Laufe der Zeit:
Nach 24h Ruhezeit ohne Ladung und externe Last sind alle Zellen fast auf
dem gleichen Level (Differenz 1mV).
Im folgenden Diagramm sind die Ladeströme der beiden Batterien, zusammen mit dem
SoC der Lithiumbatterie aufgezeichnet. Allerdings ist der SoC nach 36%
sprungartig auf 100% gesprungen. Ich vermute eine Unregelmäßigkeit in Zelle 2.
Was aber in diesem Diagram gut zu sehen ist, dass zuerst die Bleibatterie (grüne
Linie) geladen wird. Hat die Lithiumbatterie (blaue Linie) 13,2V oder ca. 17%
SoC erreicht geht der Ladestrom immer stärker in die Lithiumbatterie und immer
weniger fließt in die Bleibatterie.
Und nun zur Paxis und zum Einbau:
Achtung: Ihre neue Batterie ist geladen! Es wird
vielleicht funken, wenn Sie den Pluspol anschließen. Ein leichter Funke ist OK,
aber ein starker Funke beim zweiten Versuch sollte nicht sein, vielleicht ist
doch noch ein Verbraucher eingeschaltet?
Achtung: Prüfen Sie jetzt unbedingt die
Funktion aller Verbraucher in dem Sie diese einschalten!! Verbraucher wie
Kühlschrank haben an der bisherigen Bleibatterie die Spannung und damit die
Leistungsaufnahme leicht nach unten gezogen. Die Spannung der neuen
Lithiumbatterie ist höher und sie sackt auch nicht ab. Eine 15A Sicherung für
einen Kühli ist u.U. knapp an der Grenze, sie kann sich beim ersten Einschalten
verabschieden. Also nicht wundern, das ist kein Kühli Fehler, die Sicherung
einfach gegen die nächst höhere Stufe wechseln.
Und jetzt ein
paar Erfahrungswerte zum SoC der 105Ah Lithiumbatterie in dieser
Hybridkonfiguration:
|
Nach Anreise zum Standplatz
|
99 %
|
|
1. Tag ohne Landstrom
|
91%
|
|
2. Tag ohne Landstrom
|
84%
|
|
3. Tag ohne Landstrom
|
82%
|
|
4. Tag ohne Landstrom
|
73%
|
|
5. Tag ohne Landstrom
|
65%
|
|
6. Tag ohne Landstrom
|
59%
|
|
7. Tag ohne Landstrom
|
49%
|
|
Nach 1 Stunde Rückfahrt
|
100%
|
Da beide Batterien jeweils ca. 100 Ah Kapazität haben, kann
man wohl davon ausgehen dass die Gesamtkonfiguration am siebten Tag Freistehen
so um die 25% entladen war. Grob über den Daumen gepeilt lagt meine
Stromentnahme für Wasserpumpe, Kühlschrank-Steuerelektronik, Licht und den
Betrieb von 2x Smartphone und 1x Tablett bei ca. 10 Ah. Dies zeigt in meinen
Augen dass man nicht unbedingt große und damit teure Li Batterien benötigt
sondern auch seine AGM- oder Gel Lösung mit Li ohne Probleme ergänzen kann. Und
wenn man mit seine individuelle Stromentnahme einmal über eine Woche in der
Praxis getestet hat kommt man auch ohne teuren extra Batteriecomputer aus!
Erfahrungen im Praxistest
Da beide Batterien jeweils ca. 100 Ah Kapazität haben, kann man wohl davon
ausgehen dass die Gesamtkonfiguration am siebten Tag Freistehen so um die 30%
entladen war. Grob über den Daumen gepeilt lagt meine Stromentnahme für
Wasserpumpe, Kühlschrank-Steuerelektronik, Licht und den Betrieb von 2x
Smartphone und 1x Tablett bei ca. 10 Ah. Dies zeigt in meinen Augen, dass man
nicht unbedingt große und damit teure Li Batterien benötigt, sondern auch seine
AGM- oder Gel Lösung mit einer Lithium ohne Probleme ergänzen kann. Und wenn man
mit seine individuelle Stromentnahme einmal über eine Woche in der Praxis
getestet hat, kommt man auch ohne teuren extra Batteriecomputer aus!
Das
Hybridsystem wurde im April 2021 eingebaut.
Nach drei Monaten Standzeit mit Solaranlage ergibt sich
folgendes Bild:
Juli 2022, Außentemperatur
+25°C
Bordsystem (beider Batterien)
13,9V
Bulltron lt. App
13,9V
Bulltron SoC lt. App
99%
Bulltron Ladestrom lt. App
0 A
Statuseintrag 0
Zellspannungen einzeln lt. App
Zelle 1
Zelle 2
Zelle 3 Zelle 4
3,487V
3,461V
3,482V 3,480V
Die Solaranlage hält beide
Batterien auf einer leicht erhöhten Erhaltungsladung von 13,9V. Allerdings
werden Ströme unter 0,180A nicht in der App angezeigt. Beide Batterien sind bei
dieser Spannung voll, die Lithiumblöcke sind innerhalb der vorgegebenen
Parameter balanciert, was möchte man mehr?
Nach neun Monaten Betriebszeit (2x Urlaub ohne
Landstrom) mit Solaranlage ergibt sich
folgendes Bild:
Jan. 2022, 12 Uhr, Außentemp.
+5°C
Bordsystem (beider Batterien)
13,7V
Bulltron lt. App
12,7V
Bulltron SoC lt. App
96%
Bulltron Ladestrom lt. App
0 A
Temperatur lt. App
-3°C
Statuseintrag: Ladetemperatur zu gering
Zellspannungen einzeln lt. App
Zelle 1
Zelle 2
Zelle 3 Zelle 4
3,192V
3,193V
3,196V 3,196V
Stromversorgung im Wohnmobil wird von der Bleibatterie
sichergestellt. Ist die Ladetemperatur der LI Batt für eine Ladung OK, erfolgt
automatisch ein Ladeausgleich zwischen Blei und Lithium. Die BT Verbindung wird
nie abgeschaltet, zwischen den Batterien und von der Solaranlage fließen immer
einige mA.
Und für diejenigen, die Angst haben, dass in diesem
parallelen Hybridverbund die AGM Batterie aus irgendeinem Grund defekt geht,
hier zur Beruhigung:
Die eingesetzte Li-Batterie wird durch ihr Smart BMS
geschützt!
Ein Zellschluss durch Batterieschlamm ist bei einer AGM
Batterie nicht möglich.
Viel mehr zu dem spannenden Thema "Lithiumbatterie" können Sie in meinem Buch "Wir rüsten um
auf eine Lithiumbatterie" lesen.
Zellbalancingverfahren für Lithiumbatterien zur Aufbauversorgung in Wohnmobilen
Ich möchte hiermit, aus meiner Sicht
und meinem jetzigen Wissensstand, eine Zusammenfassung der verschiedenen
Zellbalancing Verfahren darstellen. Diese Zusammenstellung soll in erster Linie
allen Selbstbauer und Bezieher günstiger „blaue Becher- und Rundzellen helfen zu
verstehen wo die Unterschiede liegen. Auch bei der Auswahl von „Plug n` Play“
oder „Drop In“ Akkus ist damit ein Blick in die Datenblätter erhellender. Bitte
beachten Sie beim Balancing und meinen Aussagen den Unterschied einer
Becherzelle zu einem parallel geschalteten Strang aus bis zu 50 Rundzellen.
Achtung: Das Zellbalancing ist kein Ersatz für einen
initialen Ladungs- und Entladungszyklus!
Übrigens: Kopieren für private Zwecke ist ausdrücklich erlaubt!
Zellbalancing Verfahren
Wie bei Bleibatterien wird auch bei
Li-Batterien aus Einzelzellen ein 13V Akkublock geschaltet und gemeinsam
geladen.
Da jede Batteriezelle, egal ob Blei oder Lithium, aufgrund von
Fertigungstoleranzen (Abmessungen) leicht unterschiedliche Kapazität hat, sich
innerhalb des Akkupacks im Betrieb geringe Wärmedifferenzen aufbauen oder sich
diese im Laufe der Zeit geringfügig (Drift) verändern (Alterung), hat dies
Auswirkungen auf die individuelle Zellspannung. . Wenn
einzelne Zellen eines Packs unterschiedlich driften, kann irgendwann ein Zustand
erreicht werden, indem eine Zelle 100% SoC erreicht, andere Zellen aber noch bei
70% SoC liegen. Die nutzbare Kapazität der in Reihe geschalteten Zellen beträgt
also in diesem Beispiel 70%. Da es bei Lithium aber keine Ausgleichsladung über
die gesamte Batterie gibt muss man hier andere Wege gehen. Dieser Weg
heißt Zellbalancing.
Für dieses Zellbalancing gibt es Platinen, welche nur eine Zelle
balancieren (1S) (Polbalancer) es gibt aber auch Platinen, die auf einer Platine
von 4 bis zu 16 Zellen (4S, 16S) balancieren. Dabei wird jede dieser Akkuzellen
oder Zellstränge einzeln überwacht. Erreicht eine Zelle oder Strang gegenüber
anderen Zellen/Strängen zuerst 100% SoC oder hinkt eine Zelle/Strang mit der
Ladung nach, muss ein Zellbalancing für Ausgleich sorgen. Bei Zellsträngen aus
Rundzellen wird aber nur der gesamte Zellstrang überwacht. Der kann allerdings,
abhängig von der Zellgröße, aus bis zu 50 Einzelzellen bestehen.
Bei manchen
Balancermodulen erfolgt das Balancing über die gesamte Zeit, bei anderen nur
während der Lade- oder Entladephase und bei wieder anderen in der Ruhephase.
Manche Balancer arbeiten mit analogem Strom, andere mit einem PWM Verfahren. Die
Balancer sind unterschiedlich ausgelegt, manche arbeiten mit Strömen von 0,05A,
andere mit 1,5-5A.
Deshalb muss man die Anwendung des Li-Blocks mit in die
Betrachtung einbeziehen, ein Notstromakku (Stand-by Betrieb) wird anders geladen
als der eines Wohnmobil (zyklischer Betrieb). Auch die Speicherkapazität einer
Zelle (Winston Blockzelle zu 14250 Rundzelle) spielt dabei eine Rolle. Wie
schnell der Ausgleich erfolgt hängt u.a. von der Qualität der Zellen und der
Vorselektion ab.
Das Zell Balancing korrigiert also die individuellen
Schwächen einer Li-Zelle in einem Akkuverbund, damit am Ende alle Zellen am Ende
den gleichen Ladezustand (SoC) haben.
Für Zellbalancing gibt es
verschiedene Methoden, die meist genutzten einmal erklärt:
Einmal das
passive Top Level Balancing,
hier wird die Ladespannung jeder Zelle (3,4 bis 3,65 V) überwacht. Sobald an
einer Zelle oder Strang die Ladeschlussspannung erreicht wird, wird balanciert.
Dies geschieht meist über einen, dann parallel geschalteten Widerstand (Bleed
Resistor) als Bypass. Dieser leitet dabei einen Teil des Ladestroms ab.
Durch den Bypass wird der Ladestrom der Zelle mit einem bereits höheren Ladezustand
verringert, während die anderen Zellen noch geladen werden. Dieses
relativ einfache Verfahren wird bei den integrierten Balancern der Smart BMS
Platinen eingesetzt.
Diese Art von Balancing entspricht der Zellausgleichsladung einer Nassbatterie.
Ein paar Dinge sollte man über dieses Verfahren im Hinterkopf behalten:
-
Die integrierten Smart BMS Balancer balancieren nur
mit 0,03-0,05A. Die Spannung ab wann balanciert wird ist per Parameter
einstellbar.
-
Wichtig ist, dass die Balancer Einschaltschwelle
auch den Gegebenheiten der Ladequellen entspricht. Wenn der Balancer erst ab
14,2V arbeitet und die Ladequellen nur 13,6V liefern wird nicht balanciert!
-
Balancingströme von 0,05A sind für Stränge aus bis
zu 50 Rundzellen zu wenig. Bei einem 50 Zellen Strang stehen im schlimmsten
Fall gerade mal 0,001A zur Verfügung.
-
Externe Balancer (Polbalancer) balancieren mit 1-8A.
-
Top Level Balancing erfolgt während der Ladung oder
im Stand By, dies ist per Parameter einstellbar.
-
Top Level Balancing vernichtet die überschüssige
Ladung, die Ladung dauert dadurch länger
-
Es ist ein Ruhestrom, der vom Smart BMS BC nicht
erfasst wird.
Außerdem gibt es noch das
aktive dynamische Balancing, ein Differenzbalancing zwischen höchstgeladener und niedrigstgeladener Zelle). Hier wird der
nicht benötigte Ladestrom einer vollen Zelle in eine Zelle geleitet, die den
Ladelevel noch nicht erreicht hat. Diese Art von bidirektionalen Balancing
orientieren sich nicht an einer Maximal oder Minimalspannung sondern nur am
Spannungsunterschied zwischen einzelnen Zellen oder Stränge. Sie können sowohl
während des Ladens, der Entladung oder auch in der „Stand By“ Phasen genutzt
werden. Der Wirkungsgrad der Ladung ist hier größer, denn kein Strömchen geht
verloren.
Auch hier gibt es einige interessante Besonderheiten:
-
Die externen Balancer (z.B. Heltec) arbeitet
zwischen 2,7V bis 4,2V und balancieren mit bis max. 5A. Bei einer
Differenzspannung von 0,1V wird mit 1A balanciert. Wird dieser Balancer für
einen 50 Zellen Strang verwendet liegt der Balancingstrom immerhin bei 0,1A!
-
Es vernichtet keine Ladung, diese wird zwischen den
Zellen oder Zellsträngen umgelagert, die Ladezeit ist damit kürzer.
Über die Notwendigkeit eines Balancing und
über die Höhe des Balancerstroms gibt es große Diskussionen, aber egal ob
passives oder aktives Balancing, je größer der Ausgleichsstrom, desto schneller
geht es. Die Frage ist nun, was ist besser 0,03A pro Zelle bzw. Zellenstrang
oder 2A? Die Frage ist eigentlich so nicht zu beantworten, solange man nicht den
originären Ladestand bzw. die Differenz zwischen den zusammengeschalteten Zellen
kennt.
Kauft man selektierte Zellen erster Wahl und zu 90% geladen, liegen
die einzelnen Zellspannungen bzw. der SoC nicht sehr weit auseinander. Bei einer
SoC Differenz von 2%, und um diese geht es im Endeffekt, beträgt der Unterschied
einer 100Ah Zelle ca. 2 Ah. Hier genügt das mehr oder weniger kontinuierliche
Zellbalancing mit 0,05A, um eine abweichende Zelle in 40 Stunden anzugleichen.
Übrigens, auch bei meiner Li 105Ah lag eine Zelle um 0,7V zu tief („Umbau auf
Lithium“ und hatte damit eine Abweichung von ca. 22% (23Ah). Der aktive Balancer
hat dem aber relativ schnell ein Ende gemacht.
Kauft man aber nur
vorgeladene, nicht selektierte Zellen sehr preisgünstig als B- oder C-Ware, kann
man schon mit 5-10% Fertigungstoleranzen rechnen. Dann ist die Differenz u.U.
10Ah, und der 0,05A Balancer arbeitet 200 Stunden! Dies gilt sowohl für
polmontierte als auch für Smart BMS Balancer. Deshalb hängt die Wahl eines
geeigneten Balancers, bzw. dessen Ausgleichsstrom nicht unerheblich von der
Qualität der verwendeten Zellen ab. Ist die Erstladung und das Initialbalancing
aber abgeschlossen und die Batterie im Normalbetrieb, ist die Anforderung an das
Balancing wieder geringer.
Das BMS, das Zellbalancing und die ständige
Bt-Anbindung benötigen natürlich Strom. Bei durchdachten Systemen geht das BMS
nach einer gewissen Zeit der Inaktivität in einen Schlaf- oder Hibernate Modus,
um diesen Strombedarf zu unterbinden. Eine Stromanforderung weckt es dann wieder
auf.
Bei der Verwendung von kleineren Rundzellen ergibt sich allerdings
bei mangelnder Qualität und/oder Vorselektion ein weiteres Thema. Natürlich ist
bei Rundzellenakkus die Wahrscheinlichkeit gering dass viele Zellen in einem
Strang nicht den Erfordernissen entsprechen, aber ein paar Ausreißer gibt es
immer. Ein Top
Level Balancer misst die Spannung des Stranges und die ist ein Mittelwert aller
Zellen im Strang. Der Bypass wird am Strang angelegt und es werden, innerhalb
eines gewissen Spannungsbereiches, auch Zellen entladen die es eigentlich nicht
nötig hätten. Ein dynamisches Balancing sieht zwar auch nur den Mittelwert,
arbeitet aber im Gegensatz zu den Smart BMS Balancers mit wesentlich höheren
Ausgleichsströmen. Deshalb sollte man bei Strängen aus Rundzellen eigentlich auf
ein niederstromiges Top Level Balancing verzichten und stattdessen ein
dynamisches Balancingverfahren einsetzen. Eines muss man aber zu dieser
Problematik in Zellsträngen aber auch sagen: Lässt man den 18-50 parallel geschalteten
Zellen im separierten Zellstrang ohne Ladung/Entladung genügend Zeit (3-4 Tage) dann
gleichen sich die Zellladungen auch ohne Hilfe von außen aus. Wer aber alle zwei
Stunden auf seine App schaut, permanent lädt und entlädt wird immer Differenzen
sehen.
Ich versuche hier einmal die Frage "passives Top Balancing" oder
aktives Balancing" aus meiner Sicht zu beantworten. Beide Systeme haben ihre
Vor- und Nachteile, man muss hier abwägen.
Passives Balancing, 30-50mA, onboard Balancing,
dann
-
wenn gute, vorselektierte Zellen verwendet werden,
-
wenn die Zellen vor dem Einbau mindestens 2x
komplett entladen und wieder geladen werden,
-
wenn das Balancing in der Winterpause (ohne
Ladung/Entladung) abgeschaltet werden kann,
-
wenn die Zeitdauer des Balancing nicht so wichtig
ist. Bei preisgünstigen Zellen mit großer Kapazität (10% Unterschied) kann
das mit 30-50mA Balancingstrom schon mal 60h dauern!
Aktives Balancing, 0-8A, externer Balancer, Pol
Balancer, dann
-
wenn preisgünstige, nicht vorselektierte Zellen verwendet werden,
-
wenn keine Möglichkeit besteht die Zellen Bei der
Erstladung mit ca. C5-C10 zu laden und entladen,
-
wenn ganzjährig Solareinspeisung oder Landstrom anliegt,
-
wenn das Balancing nicht zu lange dauern (5-6h) soll.
Einen Mischbetrieb (passive & akt. Bal.) würde ich nicht
führen, das verwirrt nicht nur die Balancer sondern auch die Nutzer.
Im Falle
der Balancer bin ich auch für einen "Automatikbetrieb", der Balancer misst
öfters und besser als ich.
Balancing sollte immer stattfinden, also sowohl
beim Laden und Entladen als auch im Stand By Betrieb (Winterpause).
Will man die
Blei-Starterbatterie seines Wohnmobils
durch eine Lithiumbatterie ersetzen wird es richtig interessant. Man
spart zwar 10-15 kg an Gewicht, hat aber auch eine Menge Anforderungen zu lösen.
Man darf hier keine günstige Aufbaubatterie mit engem Temperaturfenster und
Standart BMS einsetzen.
Moderne Lichtmaschinen mit Multifunktionsregler
erreichen bei winterlichen Temperaturen recht schnell eine Ladespannung um 14,6V
und damit den OVP Punkt eines Lithium Batterieblocks. Setzt man hier eine OVP
Schutzschaltung ein, läuft die Drehstromlicht-maschine im Falle einer Trennung
ohne Batteriepuffer. Die Lastabwurfspannungsspitze und die höhere
Leerlaufspannung sorgen dann für einen raschen Tod der Lichtmaschine. Damit
steht dann die ganze Chassiselektronik ohne Strom da, und die weiterhin drehende
Lichtmaschine wartet nicht auf die Wiederaufschaltung, sondern auf die
Verschrottung.
Aber auch eine UVP Situation, aufgrund der eingeschränkten
Ladung bei unter 10°C, ist möglich. Die Konsequenzen dieser Notabschaltung sind
die Gleichen wie oben beschrieben.
Dazu stellt sich noch die Frage, in wieweit Motorsteuerung ECM, Bodycomputer,
ABS, elektrische. Lenkunterstützung und andere Steuerboxen mit
Spannungsüberwachungsfunktionen zur Regelung ausgelegt sind.
Aus verkehrs- und sicherheitstechnischen
Überlegungen würde ich den Ersatz der Blei Startbatterie durch eine Lithium
Batterie nicht empfehlen. Absolut unklar ist auch, ob die Betriebserlaubnis mit
dieser Änderung erlischt, da das Kfz nicht mehr den Bedingungen der Typzulassung
entspricht.
Der Ersatz der herkömmlichen Blei Starterbatterie durch eine Li Version ist
keine „just drop in“ Arbeit und kann nur in enger Anlehnung an die
Chassiserfordernisse umgesetzt werden.
Allerdings gibt es auch hier Lösungen,
z.B.:
Winston LiFeYPO4 Zellen mit ca. 40Ah ohne
Tieftemperaturschutz, ggf. mit aktivem Differenzbalancer, direkt an der LiMa
angeschlossen.
Die Winston LFYP Zellen sind auch für tiefere
Temperaturen geeignet und absolut hochstromfest. Über die BMS Steuerung muss man
sich halt im Zusammenhang mit dem Fahrzeugchassis und der verbauten
Lichtmaschine einige Gedanken machen.
- Ist die Batterieanlage
sicherheitsrelevant und damit ein Teil der Typzulassung?
-
Wie hoch steigt der Li Ladestrom bei Rekuperation? (der
Innenwiderstand einer Li ist rund 10x geringer als einer Bleibatterie)
-
Sind Eingriffe in die Motorsteuerung notwendig um eine „intelligente
Generatorsteuerung“ zu desaktivieren und ist das vom Chassishersteller
eventuell schon berücksichtigt? (Ford)
-
Kann die Li Batterie bei -20°C einen Anlasserstrom von 400-900A
liefern?
-
Bei Fiat Chassis muss die Batterieplatte mit ihrem Sicherungsträger
umgebaut werden.
- Wie funktioniert die Zellheizung bei unter 10°C und
woher kommt deren Strom?
- Kann man Lade- und Entladekreis getrennt steuern?
- Was passiert bei Überstrom (Rekuperationsphase) oder
Kurzschluss? (LiMa dreht ohne Last!)
- Was passiert bei Unterspannung? Wer versorgt bei
abgeschalteter Entladung die Chassisverbraucher?
- Wie realisiert man Starthilfe im
Unterspannungsschutz-Modus?
- Wie erfolgt das Zellbalancing und wie greift dieses in
die Batteriesteuerung ein.
- Ist die Zusammenschaltung von Start- und
Aufbaubatterie spannungsgesteuert (CBE DS x, Nordelettronica, ArSilicii
Lader)? Dann ist Vorsicht geboten, da die Li Quellspannung zwischen voll und
leer nur minimal variiert.
Die Kernfrage dahinter ist immer wie verhält sich das
Fahrzeug wenn kein Batteriestrom zur Verfügung steht?
Diese Kurzzusammenfassung spricht aber nur einige Kernpunkte für eine solche
Umrüstung an und ersetzt keine grundlegenden Kenntnisse der individuellen Kfz
Elektrik verschiedener Chassishersteller.
Kleine Batteriekunde
für Kfz-Batterien:
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.
Einbauplanung für
Zusatzbatterie
Grundsätzlich gibt es ja viele Möglichkeiten ein, zur Startbatterie
zusätzliches, Batteriesystem zu platzieren: einen neuen Platz in
Fahrer- oder Beifahrerkonsole,
der Sitzbank oder in der Küchenzeile. Dort ist auch meist noch Platz für das
230V Ladegerät oder einen Ladebooster.
Die sogenannten Kastenmaße der
Start/Aufbaubatterien sind übrigens in Europa markenübergreifend als
H7 bzw.
H8 standardisiert und betragen:
H7 = Länge 315 mm,
Breite 175 mm, Höhe von 190 mm. Für die
Größe H8 gilt: Länge 353 mm, Breite
175 mm und eine Höhe von 190 mm. Diese H7/H8 Maße werden auch von vielen Lithium
Drop in Batterien erfüllt. Damit die (Lithium) Batterie unter den
Fahrer/Beifahrersitz passt, darf diese inklusive Anschlusskabel nicht höher als
19 cm sein. Das Zauberwort heißt aber: „nutzbare Innenmaße Sitzkonsole“ und
beträgt bei Fiat Ducato, Citroen Jumper oder Peugeot Boxer 353x350x190mm. Beim
Transit (Bj. 2007-2013) sind die nutzbaren Innenmaße der Sitzkonsole
385x360x210. Aber Achtung: Eventuell könnten aber Teile des Drehtellers
(Sperrhebel, Drehachse) in den Raum der Sitzkonsole ragen. Die „ just Drop in“
Lithium Untersitzbatterien im
Kapazitätsbereich bis 200Ah sind mit ihren mechanischen Abmessungen meist darauf
abgestimmt. Ob das auch für die Polanschlüsse und die Bodenleiste gilt ist eine
ganz andere Frage.
Hier eine kurze Zusammenfassung der technischen
Eigenschaften:
Es gibt für Batterien DIN100 Standardmaße”
und diese betragen genau 353x175x190mm. Auch für die
Polanordnungen und den Befestigungswulst am Boden gibt es Codes.
Pol-Schaltung 0 = Plus vorne rechts
Pol-Schaltung 1 = Plus vorne links
Pol-Schaltung 3 = Plus/Minus beide links von oben gesehen
Endpolart 1: Standard europäischer Pol (17,5 mm)
Endpolart 3: Dünnpole (12,7mm)
Flachpol 21: mit Innengewinde M8
Die Codes für die Bodenwulst zur Befestigung sind B 00
(ohne Wulst) bis B 11 an den Längsseiten und B 12 an der Stirnseite. |
