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

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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 zum Start der Ladung aufnehmen kann.
Batterieladung EMKMit 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 12,65V) 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
, 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.
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 Temperaturen über 25°C wird die Ladespannung um 24 mV/°C gesenkt.
  • Bei Temperaturen unter 25°C wird die Ladespannung um 24 mV/°C erhöht.

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-Management-ystem (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 (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:

  • 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 macht dies aber seit 2020 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.
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.

Und nun zur Praxis:
Ich habe mich anhand meiner Gegebenheiten und Anforderungen für ein Li/Pb Hybridsystem entschieden:

  • Ford Transit 2,4l Baujahr 2008, Lichtmaschine 150 A, temperaturkompensiert, bis 14,9 V Spannung.

  • 2x defekte AGM Exide 90 Ah in der Beifahrersitzkonsole, Stromverbrauch ca. 30-40Ah pro Tag.

  • EBL 269/18A, Solarpanel 100Wp.

  • Urlaub im Winter, Fahrzeugstart bei Temp. <+5°C.

  • Ladespannungen unter Last aber ohne Batterie:
    Solar (AGM) 14,34V, EBL (Pb nass) 14,26V und Lima/Startbatterie 14,31V.

  • 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:

Solar, AGM

14,34 V

230V EBL, Pb nass

14,26 V

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. 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.
Entladestroeme Li/Pb

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.
Zellspannungen zu SoC

Der externe Heltec-Balancer arbeitet dauernd, also während Ladung, Entladung und in Stand-by.
Die Arbeit des Balancers hier im Laufe der Zeit:

 Zellspannungen

 

 

 

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.
Ladestroeme Li/Pb

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!

Mehr zu dem spannenden Thema "Lithiumbatterie" können Sie Ende diesen Jahres oder spätestens Anfang 2022 in meinem neuen 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).

 


Und nun zu grundsätzlichen begrifflichen und technologischen Unterschieden bei 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.

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.

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 6.12.2021

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