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Autor: A. Weingand
Lektorat G. Weingand, T. Arnold, P. Daniell
Cover: A. Weingand
Bildmaterial A. Weingand, L. Eilzer, Hr. Hahnemann, T. Arnold,
Mountainbiker, nobizi, Webseiten d. Hersteller
Stand: 31.12.2021
Version: Vers. 1.0
Copyright © A. Weingand 2020-2022
Verlag und Druck: Books on Demand GmbH, Norderstedt
Print Ausgabe: ISBN 9783755779803
E-Book Ausgabe: ISBN 9783755772224
In der Reihe „Rund ums Wohnmobil“ sind bisher außerdem erschienen:
ABC rund ums Wohnmobil, ISBN 9783732286218
Do it yourself rund ums Wohnmobil, ISBN 9783734774195
Fahrzeugwahl, Miete, Kauf, ISBN 9783735718365
Strom und Spannung im Wohnmobil, ISBN 9783837076899
Kastenwagen als Reisemobil, Auswahl, Ausbau, ISBN 9783735787101
Text und Bilder sind urheberrechtlich geschützt und stammen aus eigener Recherche bzw. Produktion. Für einige der Bilder möchte ich den Herren Detlef und L. Eilzer und T. Arnold, Mountainbiker und nobizi für die Verwendung danken. Alle Angaben und Inhalte sind ohne Gewähr. Ein Nachdruck oder die Übernahme in Datenbanken oder andere Medien ist ohne Erlaubnis des Autors nicht gestattet.
Ein kleiner Hinweis zum E-Book: Das Inhaltsverzeichnis sowie die blauen und unterstrichenen Begriffe sind mit Webadressen verlinkt. Leider werden diese Verlinkungen nicht von alle E-Book Formaten unterstützt. Die Verlinkungen bzw. Webadressen sind keine Werbung sondern führen Sie zu weiteren Informationen.
Ich möchte mich zuerst einmal bei Ihnen bedanken, dass Sie dieses Buch erworben haben.
In einem Wohnmobilforum haben vor ca. zehn Jahren ein „Gast“ und ein Hr. „Sonnentau“ ein Lithium Batteriesystem vorgestellt und damit den speicherhungrigen Wohnmobilfahrern diese Technologie näher gebracht.
Der Gedanke ist bestechend: 50% Gewichtsersparnis bei doppelter Nettokapazität und höherer Entnahmestrom ohne Spannungseinbrüche. Der geeignete Batteriespeicher, um Kaffeemaschine, Fön, Induktionsherd besser zu versorgen und vielleicht auch noch die Pedelec-Akkus zu laden. Andere Wohnmobilfahrer folgten den Eigenbauvorschlägen.
In der 1. Generation waren es selbstgebaute Systeme mit den gelben Winston Zellen in einer Holzkiste, Balancermodule auf den Polen und ein Solid state Relay für einen UVP/OVP Schutz.
Für die 2. Generation zog der Markt mit sogenannten „Drop in Ersatz für Bleiakku“ nach, manche von mir auch Plug n` Pray genannt, die man, zumindest laut Werbung, 1:1 gegen die alte Bleibatterie tauschen kann. Aber auch für diesen Austausch sollte man einige Dinge beachten. Dieses Buch soll Ihnen dabei eine Hilfestellung bieten.
Auf den folgenden Seiten möchte ich Ihnen die Lithiumbatterie mit ihren Vorzügen und auch Nachteilen erklären und Sie vielleicht auch zum Austausch ihrer Bleibatterie anregen.
Vielleicht möchte der eine oder andere aber nicht so tief in die Lithium Technologie einsteigen. Dann starten Sie einfach ab dem „Vergleich Lithium zu Blei“ und überspringen die Grundlagen auf der die Lithiumbatterie aufbaut.
Viel Spaß beim Lesen
Andreas Weingand
Ich möchte Ihnen zuerst mit ein paar Worten die Lithiumbatterie sowie ihre Technologie und Funktion erklären. Sollten Ihnen einige Begriffe oder Abkürzungen nicht geläufig sein, finden Sie am Endes des Buches einen Anhang „Glossar“ mit Erläuterungen.
Vereinfacht gesagt ist ein Akkumulator (landläufig Batterie), ein System, das Strom durch eine elektrochemische Umwandlung speichert und bei Entladung wieder abgibt. Batterien bestehen aus einer oder mehreren Zellen, die in Serie oder parallel (oder einer Kombination von beidem) verschaltet werden. Sie werden zuerst geladen, um dann angeschlossene Verbraucher mit Spannung und Strom zu versorgen. Diese vereinfachte Beschreibung trifft auf Blei- und Lithium-Batterien gleichermaßen zu.
Auch bei der Lithiumbatterie wird, wie bei der Bleibatterie, beim Laden bzw. Entladen durch einen Ionenaustausch die Ladung der beiden Elektroden verändert und damit eine Spannung zwischen den beiden Elektroden auf- bzw. abgebaut.
Jede Li-Batteriezelle enthält also zwei Elektroden, die umgeben sind von einem Elektrolyt. Der Elektrolyt ist das Medium in dem Li-Ionen von einer Elektrode zur anderen wandern. Die Minus-Elektrode besteht aus Kupfer mit einer Graphitbeschichtung, die Plus-Elektrode ist aus Aluminium und mit einer Lithium- / Metalloxid Mischung beschichtet. Beide Elektroden sind durch einen Separator getrennt, damit kein Kurzschluss entstehen kann.
Bei der Ladung fließen die Li-Ionen durch die angelegte Spannung von der Plus-Elektrode durch den Elektrolyten zur Minus-Elektrode ab und lagern sich dort im Graphit ein. Diese elektrogalvanische Reaktion erzeugt im geladenen Zustand Spannung zwischen den Elektroden, da sich Elektronen an der negativen Elektrode sammeln.
Durch den Anschluss einer Last an die Batterieklemmen setzt dann eine Entladung ein. Dann fließen die an der negativen Elektrode angesammelten Elektronen durch den Verbraucher und dann zur positiven Elektrode ab. Sind keine Elektronen mehr vorhanden, ist die Batterie entladen.
Als Ladungsträger dienen also Lithiumionen, daher der Name Lithium Ionen Batterie. Dieser Begriff ist ein Oberbegriff für alle Lithiumbatterien, denn Li-Ion-Zellen gibt es in unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen:
Die Mischung der Oxyde bestimmt die Eigenschaften der Batterie wie z.B. Energiedichte, Zellspannung, Kaltladetemperatur und Entladestrom. Der Elektrolyt basiert bei einer LiFePO4 Zelle auf einem giftigen Lithium Salz, gelöst in einer organischen Lösung. Durch diese Kombinationen ist auch die Zellspannung unterschiedlich. Eine LFP/LFYP Zelle bringt z.B. ca. 3,3V Nennspannung. Sie eignet sich damit sehr gut als zyklische Versorgerbatterie im Wohnmobil. Im Folgenden sind immer LiFePO4/LFP Zellen gemeint, wenn von Li-Batterien die Rede ist.
Wie Sie folgender Tabelle der Batterietypen entnehmen können, sagt die Zellspannung aber nichts über die jeweilige Speicherkapazität aus. Der optimale Verwendungszweck setzt sich deshalb immer aus mehreren Eigenschaften zusammen.
Quelle: White Paper 231, Schneider Elektrik
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist, ob der Elektrolyt in flüssigem, pastenförmigem oder festem Zustand eingesetzt wird. Der Elektrolyt ist giftig, brennbar und kann sich ausdehnen. Batterien mit flüssigem Elektrolyt (z.B. Winston) haben deshalb oben ein Überdruckventil. Deren Plattenflächen sollten vom Elektrolyt ständig benetzt sein, Fahrzeugbewegungen unterstützen diese Benetzung. Allerdings sollte man auch davon ausgehen können, dass gute Zellen bis zum Folienrand gefüllt sind und nicht „gluckern“. Prismatische Zellen sind mit einer dickflüssigeren Elektrolytpaste versehen und können lageunabhängiger betrieben werden. Bei Li-Polymer-Akkus, kurz LiPoly genannt, ist der Elektrolyt in eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) eingebettet.
Wenn man die Energiedichte w von Batterien mit anderen Energieträgern vergleicht, sieht man die generellen Probleme einer Energiespeicherung in Batterien. Der Energiegehalt von Diesel und LPG ist pro Kilogramm Gewicht hundert Mal, der von Wasserstoff sogar knapp dreihundertdreißig Mal höher, als der einer LFP Lithiumbatterie.
| • | Bleibatterie Pb | bis 50 Wh/kg |
| • | Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) | bis 120 Wh/kg |
| • | Diesel | 12.000 Wh/kg |
| • | LPG (Butan, Propan) | 13.000 Wh/kg |
| • | Wasserstoff | 33.000 Wh/kg |
Diese gravierenden Unterschiede zeigen auf, wo das Energiespeicherproblem für Herd, Heizung und Kühlung liegen. Wir können die Energien von Diesel oder Propan schnell und direkt durch Verbrennung freisetzen, aber wir können diese Energie nicht in der gleichen Zeitdauer und Dichte in einer Batterie speichern! Allerdings sind Lithium Batterien darin wesentlich effektiver als herkömmliche Bleibatterien.
Abgesehen von der chemischen Zusammensetzung und der daraus resultierenden Energiedichte gibt es noch die unterschiedlichen Gehäuseformen (Pouch-Flachgehäuse, Can-Flachgehäuse und zylindrische Gehäuse in verschiedenen Größen (14250/16650/18650/21700/26650/32700/38140, siehe auch Abbildung).
Die Li-Zellen von CATL und GAIA (Envites Energy) können aus Deutschland kommen, Zellen von BYD, Calb, EVE, Lishen, Hunan CTS, LG Chem, Samsung, Tipsun und Winston Thunder Sky, werden in Fernost und unzählige Fabriken in Shenzhen (Delong) und Guangzhou produziert.
Die erreichte Fertigungsqualität (Klasse/Grade A, B oder C Ware) in Bezug auf Elektrolytdurchdringung, Innenwiderstand, Kapazität und nicht zuletzt die Ladefähigkeit bei Frosttemperaturen bestimmen dann den Preis.
Das war es auch schon mit den Grundlagen, kommen wir jetzt zu den, in der Praxis wichtigen, Auswirkungen. Deshalb habe ich alle folgenden Themen aus der Sicht „Eignung für den Einsatz als Aufbauversorgung im Wohnmobil“ betrachtet.
Die beste Alltagseignung bei hoher Energiedichte und großer Sicherheit ergibt sich mit LFP/LiFePO4-Batterien. Eine LFPBatterie besitzt einen hohen Lade-/ Entladestrom (C1 bis C3) bei einer wesentlich flacheren Spannungskurve als bei einer Bleibatterie. Ihr großer Vorteil ist dabei eine relativ konstante Spannung von 13V bei gleichzeitig hohen Strömen (Wechselrichterbetrieb) bis zur Tiefentladungsschwelle. Ein Nachteil ist aber leider ihre Temperaturempfindlichkeit. Bei der Ladung unter +10°C sollte die Ladung mit großen Strömen vermieden und im Frostbereich abgeregelt oder gestoppt werden. Allerdings kann diese Schwäche durch eine Beimischung von Yttrium und anderen Metallen im Kathodenmaterial teilweise gemindert werden. Man spricht dann von einer LFYP bzw. LiFeYPO4 Zelle.
Eine Winston Blockzelle oder eine prismatische Becherzelle liefert bis zu 300 Ah, die kleineren Rundzellen liegen bei ca. 1 bis 12Ah. Beide Akkubauformen haben pro Zelle eine Betriebsspannung zwischen 2,8 bis 3,6 V. Für eine 12V Batterie werden jeweils vier Block- oder Becherzellen in Reihe geschaltet (4S) und ergeben dann ca. 11 bis 14V.
Bei den kleineren Rundzellen werden Stränge aus z.B. je 18 parallel geschalteten Zellen gebildet, um die gewünschte Stromstärke zu erhalten Vier dieser Stränge in Serie ergeben dann 13,2V nominelle Blockspannung
Bei einem mit 18 parallelen Rundzellen bestückten Akku mit 100 Ah wären dies z.B. bei Liontron 72 Rundzellen (18P4S).
Aufgrund der vielen einzelnen Rundzellen müsste das Balancing und die UVP/OVP/ÜT Überwachung aber erheblich komplexer ausgelegt sein. Das Balancing bei den Consumer Li Akkupacks erfolgt aber nur strangweise. Die Löwensysteme mit JBD BMS und 50mA Balancer kämpfen mit dieser Problematik. Manche dieser vielen Rundzellen laufen auch nach einem Jahr Betrieb noch aus dem Ruder.
Auch bei der Ladespannung ist die LFP Batterie empfindlicher als eine Bleibatterie. Die Ladung sollte deshalb am besten mit einem Konstantspannungslader erfolgen und je nach Zellenhersteller zwischen 13,8 V und maximal 14,4 V liegen. Auf den verfügbaren Datenblättern wird für Winston Zellen ein Spannungsbereich von 2,8 bis 3,6 Volt pro Zelle, entsprechend einer 4 Zellen Anlage 11,2 V bis 14,4 V empfohlen.
Spezielle Ladephasen wie bei Blei Batterien sind bei LFP Batterien nicht notwendig, aber auch nicht schädlich. Die Ladeschlussspannung liegt bei 14,4 V, die Tiefentladungsschwelle (DoD) liegt bei ca. 90 bis 95% der Gesamtkapazität bzw. 12V. Die Selbstentladung liegt bei ca. 1-2% pro Monat.
Da Lithiumbatterien im Vergleich zu Bleibatterien sehr empfindlich auf Überspannung und Ladung bei tiefen Temperaturen reagieren, benötigen sie für Ladung und Entladung ein automatisch reagierendes Batterie-Management-System, kurz BMS genannt.
Ein BMS besteht deshalb aus einem Zell Balancing pro Zelle und einem Überwachungssystem mit einer Abschalttechnik, das bei Unterspannung (UVP) und vor allem bei Überspannung (OVP) einer Zelle die Entladung/Ladung der Batterie abschaltet. Bei einer vorhandenen Temperaturkompensation in Ladebooster, Solarlader oder sogar Motorsteuerung muss deshalb die gelieferte Maximalspannung bei Minusgraden überprüft werden und darf nicht über 14,4 V liegen, da sonst ggf. die OVP Schutzschaltung anspricht.
Lithiumbatterien sind, im Gegensatz zu Bleibatterien, auch frostempfindlicher, man benötigt deshalb auch eine Zell- und Ladetemperaturüberwachung, die bei Zellübertemperaturen >60°C abschaltet und bei Temperaturen unter +10°C den Ladestrom begrenzt oder abschaltet.
Ein Grund ist, dass das im Elektrolyten enthaltene Ethylencarbonat bei Raumtemperatur eigentlich ein Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 38 °C ist. Bei niedrigen Temperaturen sulzt der Elektrolyt aus und dann völlig andere elektrische Eigenschaften hat. Der zweite Grund ist, dass bei Temperaturen unter +10°C und hohen Ladeströmen sich ein Teil der Lithiumionen nicht schnell genug in die Graphitschicht einlagert (Interkalation) sondern auf der Oberfläche verbleibt. Der Ionenaustausch benötigt Zeit und die ist bei hohen Strömen ggf. zu kurz. Durch die Ablagerung auf der Graphitoberfläche wird eine weitere Ioneneinlagerung (Ladung) erschwert. Diesen Vorgang, welcher nicht reversibel ist, nennt man "Lithium-Plating".
Quelle: CATL Battery#
Ein Ladestrom von 1C (1C entspricht einem einstündigen Ladestrom in Höhe der Zellenkapazität) wird für LFP Zellen nur bis max. 80% SoC bei einer Temperatur zwischen 18 und 37°C empfohlen. Sind 80% Ladezustand erreicht, sollte nur noch mit 0,8C weitergeladen werden.
Dies entspricht dann einer CC/CV Ladung. Ähnliches gilt unterhalb von 18°C, wobei bei nur 2°C weniger, also bei 16°C, sogar nur noch 50%, also 0,5C Ladestrom zulässig sind.
Bei 5°C liegt der zulässige Ladestrom nur noch bei 0,1C und ab 0°C darf überhaupt nicht mehr geladen werden.
Die Ladung bei Frosttemperaturen ist also zumindest bei LiFePO4 (ohne Y) problematisch für die Lebensdauer.
Oberhalb 37°C sinkt der empfohlene Ladestrom erstaunlich schnell ab, oberhalb 60°C darf nicht mehr geladen werden.
Eine LiFePO4 sollte man deshalb im Wohnraum oder im beheizbaren Doppelboden installieren, wenn man sie bei Minusgraden in Betrieb nehmen will.
In den ganzen Diskussionen um Ladeschlussspannungen, OVP, UVP, Übertemperatur oder untere Ladetemperatur sollte man aber eines nicht vergessen. Diese Schutzschaltungen dienen als Notabschaltung und sollten im normalen Betrieb nicht vorkommen!
Achtung: Bewerten Sie alle Angaben von Lieferanten wie “Temperaturbereich Ladung -20°C bis 65°C“ als Übersetzungsfehler oder übertreibende Marketingangabe, solange Ihnen keine Datenblätter des Zellenherstellers vorliegen.
Allerdings gibt es inzwischen auch Li-Batterien (z.B. Liontron Arktic, Robur, Wattstunde), die bei Temperaturen unter +10°C beheizt werden. Der Strom dafür wird der Ladequelle entnommen, die Zellen auf über +10°C aufgewärmt und erst dann beginnt das Laden der Li-Zellen. Steht keine aktive bzw. potente Ladequelle (5A) zur Verfügung wird auch nicht geheizt!
Batterien haben, wie alles Elektronische, einen Innenwiderstand. Es ist allerdings kein ohmscher Widerstand sondern eine nicht lineare Addition von Impedanz- und vielen anderen Wirkwiderständen wie z.B. Art des Elektrolyt, Plattenkapazität, Temperatur, Ladezustand sowie Batteriealter und liegt bei einem guten 105 Ah Li-Akku bei ca. 1,4 mΩ. Zum Vergleich: Ein Gel Akku liegt bei ca. 3,8 mΩ und ein AGM bei ca. 4,5 mΩ.
Dazu kommen allerdings noch weitere ohmsche Übergangswiderstände wie Zellverbinder, Polklemmung und der Kabelschuhcrimpung. Sobald ein Strom fließt, entsteht an diesen Widerständen ein Spannungsabfall. Dieser zusätzliche Außenwiderstand, an dem bei steigendem Strom auch eine Spannung abfällt und die begrenzte Geschwindigkeit des elektrochemischen Prozesses, bestimmen die Lade- oder auch Entladezeit (C-Wert) einer Batterie.
Für die Ermittlung des Innenwiderstandes gibt es verschiedene Methoden. Bei Li-Ion-Zellen messen die Hersteller die Impedanz fast ausschließlich nach der AC-Messung bei 1 kHz. Diese Messwerte sind aber deutlich niedriger und kaum mit der durch die ΔU / ΔI –Methode bestimmten Werte vergleichbar.
Bei der Ladung entsteht durch die Veränderung des Polmaterials und des Elektrolyten an den Elektroden eine Spannung, Quellen- oder Leerlaufspannung, früher auch EMK (elektromotorische Kraft) genannt. Diese Quellenspannung ist direkt abhängig von der Ladung SoC und ändert sich mit dieser. Mit jedem geladenem Coulomb (verständlicher: Ampere) steigt nun die Quellenspannung (EMK) an, denn ein Akkumulator ist ja ein Sammler! (Siehe Batterieladung).
Beim Laden und Entladen gibt es natürlich durch die Energieumwandlung (Strom in Chemie und vice versa) Verluste und damit einen Wirkungsgrad, der bei Lithium Batterien so um ca. 95% liegt.
Allerdings sollte man bei Lithiumbatteriesystemen noch den internen Verbrauch des Zellbalancing, der BMS Regelung und der Bluetooth Funkverbindung (je nach Art und Aufbau ca. 10-100mA) in die Betrachtung einbeziehen. In der Winterpause summiert sich das und wer die interne Elektronik abschalten kann ist hier im Vorteil!
Bei Bleibatterien sind die wichtigsten Angaben der C-Wert und die Anzahl der Zyklen. Die Angabe C3 z.B. bedeutet, dass die Belastung mit dreifacher Stromstärke der Kapazität erfolgen kann. Bei Lithiumbatterien sind diese Werte aber aufgrund der fast gleichbleibenden Spannung bei der Stromentnahme und der großen Standfestigkeit relativ unwichtig. Der C-Wert liegt meist bei C2 bis C3. Bei einer Kapazität von 100 Ah heißt das, dass man ihr kurzfristig 300A entnehmen kann. Diese Aussage bezieht sich aber auf die reinen Zellen, das integrierte BMS kann anders eingestellt sein.
Entladetiefe und Tiefentladungsgrenze einer Li-Batterie
Eine weitere wichtige Angabe 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. 2500 Zyklen bei 90% Entladungstiefe DoD. Die Lebensdauer einer Batterie lässt sich damit gut über die Anzahl der voraussichtlichen Zyklen bei einer bestimmten Entladungstiefe bzw. der noch vorhandenen Restkapazität definieren.
Wie die Blei- hat auch die Lithiumbatterie eine Tiefentladungsgrenze, die bei der Entladung nicht unterschritten werden sollte, da sonst die Batterie geschädigt wird. Bei Lithium Batterien liegt sie bei ca. 10%. Eine Tiefentladung auf einen SoC von 0% ist möglich, verringert aber, entgegen mancher Marketingaussagen, definitiv die Lebensdauer.
Das BMS mit seinen Schutz- und Einstellungsmöglichkeiten ist allerdings auch die Schwachstelle des ganzen Systems. Denn im Zusammenhang mit Balancing, Zell/UVP/OVP/UT/ÜT Überwachung und SoC Ermittlung wird es konfigurationstechnisch erheblich aufwendiger, als bei einer einfachen Bleibatterie.
Welche Zyklenlebensdauer haben Lithium-Ionen-Batterien?
Ein Zyklus (per Definition) beinhaltet eine komplette Entladung sowie die vollständige Wiederaufladung eines Akkumulators.
Ein Zyklus nach IEC 896-2 entspricht einer 60%-iger Entladung bei 20°C und einem Entladestrom der einer 10 stündigen Entladung (also C10).