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Einstieg in den Umstieg von AGM/Gel Bleiakkumulatoren auf LiFePo4 Akkumulatoren.

erschienen im Palstek 1-2022

        

 

Dieser Bericht (vom Praktiker für den Praktiker) beschreibt die Analyse der Batterien, des Bordnetztes und gibt Hinweise zur Auswahl der Komponenten. Er entstand aus   der Notwendigkeit heraus das Bordnetz teilweise zu erneuern, unter Berücksichtigung der vorhandenen Komponenten und gleichzeitig auf einen modernen Stand zu bringen. Nur wenn der Yachteigner seine Bordversorgung kennt, wird er sich im Notfall auch zu helfen wissen.

In diesem Teil werden die verschiedenen Energiequellen an Bord analysiert. Anschließend werden die Unterschiede der Akkutypen erläutert. Zum Schluss werden zwei unterschiedliche Lithium Akkus aus der engeren Wahl zur Verwendung vorgestellt. Der zweite Teil beschreibt den Selbstbau eines Lithium Akkus aus frei in Deutschland verfügbaren Komponenten von Herstellern, die schon Jahre auf dem deutschen Markt vertreten sind. Dieser Teil steht auf dem Palstek Server zum Download zur Verfügung.

 

 

Energiequelle Service Akku:

 

Auf den Starter Akku wird hier nur am Rande eingegangen, da er sich als Service Akku gar nicht eignet. Service Akkumulatoren sind für geringe bis kurzzeitig hohe Ströme ausgelegt. Sie haben eine geringe Selbstentladung und eine hohe Lade-/ Entlade Zykluszahl. Typischerweise werden AGM- oder Gel- Bleiakkumulatoren als Service Akkumulatoren verwendet.

 

Ist einer der Akkus handwarm, die anderen sind kalt? Das Gehäuse dieses Akkus zeigt kleine Rundungen?  Das sind sichere äußere Zeichen für einen defekten Akku. Dieser muss sofort ausgesondert werden. Und wie kann man die Kapazität der verbliebenen Akkus feststellen?

 

 

Hochstromtester eignen sich nur für Starter Akkumulatoren und nicht für Service Akkumulatoren. Die einfachste Methode (nicht sehr genau aber einfach mit Bordmitteln durchzuführen) ist, den Akku voll aufzuladen und dann 8h - 12h ruhen zu lassen. Dann den Akku mit einem zwanzigstel der Kapazität (siehe Info) zu belasten. D.h. ein 200Ah Akku mit 10A, oder eine 80Ah Akku mit 4A. Mit ein paar Autoglühlampen kann man sich die notwendige Last zusammenbauen. 21W/5W Lampe = 1,75A/0,4A; 55W Abblendlicht = 4,6A; Ankerlicht = 2A;

Hier ein einfacher Akkukapazitätstest:
Den Akku aufladen und mindestens 8h-12h ohne Lader ruhen lassen. Dann mit einem zwanzigstel der Kapazität belasten und die Uhr starten. Wenn die Akkuspannung unter Last 11,8V erreicht hat wird die Zeit gestoppt:

·         nach weniger als 6h ist die Akkukapazität < 60%. Nach meiner Meinung ist dann das Lebensende als Service Akkumulator erreicht.

·         nach 8h ist die Kapazität um die 80%. %. Nach Meinung der Akkuhersteller ist dann das Lebensende als Service-Akkumulator erreicht.

·         nach fast 10h hat der Akku noch die gesamte Kapazität.

Die Formel für die Kapazitätsberechnung lautet: Zeit(h) * Strom (A) *2 (da wir nur 50% entladen) = Kapazität in Ah.

Bei diesem Test wird der Akku zu 50% entladen. Anschließend muss der Akku sofort wieder aufgeladen werden, um Schäden zu vermeiden.

Info: Als Service Akkumulatoren werden typischerweise AGM oder Gel Akkus mit der Bezeichnung C20 verwendet. Das bedeutet bei einem Entladestrom von einem 20zigstel der Kapazität (200Ah Batterie è 10A Entladestrom) kann die (neue) Batterie die vorgesehene Kapazität liefern. Entnimmt man mehr Strom, hat der Akku weniger Kapazität, entnimmt man weniger, stellt der Akku mehr Kapazität zur Verfügung.Info:

 

Eine genauere Methode ermöglicht die elektronische Last DL24. Sie eignet sich zum Test von aller Arten von Akkumulatoren, von Powerbänken bis zu Service Akkumulatoren. Der Laststrom ist von 0.0 – 20A einstellbar bei einer Gesamtverlustleistung von 150W. Laststrom und Endspannung einstellen und den Startknopf drücken. Nach Erreichen der Endspannung schaltet die Last automatisch ab und zeigt die entladenen mAh an. Die mAh mit 2/1000 multiplizieren. Das Ergebnis ist die Kapazität in Amperestunden (Ah) des Akkus. Der Akku sollte sofort wieder aufgeladen werden, da ein Bleiakku sonst zu sulfatieren droht. Das verkürzt die Lebensdauer (Kapazität) drastisch.

 

Hier wird eine 12V 200Ah AGM mit Is=10,00A belastet. Nach Timing: 004:10:03h wurde die Akkuspannung   von 11,8V erreicht und 41,6Ah wurden entnommen. Somit wurde eine Restkapazität von 83,2Ah ermittelt. Das sind 41,2% Restkapazität eines 200Ah AGM-Akkus. Der Akkumulator hat somit das Lebensende als Service-Akkumulator an Bord erreicht.

Natürlich können die AGM Akkus noch eine Zeitlang genutzt werden. Mit zwei gebrauchten Solarpanel und einem alten PWM Regler kann ein Gartenhäuschen oder Lagerraum mit LED-Lampen gut beleuchtet werden.    

   

Nebenstehend eine Tabelle mit den typischen 50% Entladespannungen der verschiedenen Batterietypen.

 

 

 

    

Energiequelle: Landstromnetzteil

 

 

 

Ein ungeregeltes Akkuladegerät ohne Kennlinie, genauso wie ein offener Bleisäure Starter Akku, gehört nicht mehr an Bord.

Ein Landstromnetzteil sollte so leistungsfähig sein, um eine Service Akku (-Bank) innerhalb 10h-14h (über Nacht) zu laden. Es muss die Kennlinien der üblichen Bleiakkus (AGM, Gel, etc.), sowie Lithium Akkus enthalten. Ein Ladegerät mit 3 getrennten Ausgängen kann 3 Akkumulatoren individuell laden.

Bei einem leeren Akku werden bei einem 12V / 60A Ladegerät knapp 1000W aus dem Lichtstromnetz entnommen. Das kann für die Landstromsicherung in manchen Häfen (oder für einen an Bord befindlicher Generator) schon zu viel sein. Dann ist eine einstellbare Ausgangsleistung (100%, 75%, 50%, 25%) von großem Vorteil. Daher wurde schon vor Jahren das nebenstehende Landstromnetzteil in der 12V 60A Version plus Fernbedienung gewählt. Für die neue Konfiguration mit nur noch einem LiFePo4 Akkumulator werden die 3 Ausgänge zusammengeschaltet. Eine LiFePo4 - Kennlinie und eine individuelle Kennlinie steht in diesem Lader zur Verfügung. Das Ladegerät kann auch parallel weitere Verbraucher an Bord versorgen.

Zusätzlich gehört in jedem Akkuladekabel eine Streifensicherung mit 100A gegen Fehlfunktionen oder Überlast.

 

 

 

 

 

 

 

 

Energiequelle: Antriebsmaschine

 

 

Die Antriebsmaschine hat Ihren eigenen Starter Akku und ist unabhängig von dem Serviceakkumulator. Als Notstartmöglichkeit kann (muss aber nicht) ein Notschalter eine Verbindung zwischen Service Plus und Starter Akku Plus herstellen. Ich habe diesen Schalter die letzten 15 Jahre nicht gebraucht.
Die Lichtmaschinen (Standard) liefern zwischen 80A und 125A. Leider unterstützen die Regler dieser Lichtmaschinen meistens nur die Eigenschaft von Starter Akkumulatoren (W-Kennlinie). Daher eignen sich diese Lichtmaschinen nicht zur Ladung von Service Akkus. Sie werden nie voll und es dauert endlos lange. Eine Änderung am Regler würde die Gewährleistung der Lichtmaschine aufheben.

Um doch mit einer Standardlichtmaschine (auch eine mit erhöhter Leistung) den Service Akku laden zu können, kommt hier ein „Batterie zu Batterie“ Lader (B2B-Lader, Ladebooster, 12V 60A) zum Einsatz.

Dieser B2B-Lader belastet die Lichtmaschine zusammen mit der Starter Akku auf 13,6V. Dabei versucht die Lichtmaschine mit 14,6V gegenzuhalten. Der B2B-Lader nimmt die Lichtmaschinen-Leistung auf und transportiert sie entlang einer einstellbaren Kennlinie in den Service Akkumulator (AGM, Gel, LiFePo4 oder Custom). So werden die Service Akkumulatoren auch vollgeladen. Unterhalb von 13,0V wird keine Leistung aus Lichtmaschine und dem Starter Akku entnommen. Der B2B Lader wechselt dann nach 2min in den Sleep Modus bis zum nächsten Motorstart.

 Die beiden Batteriekabel zur Starter- und Service Akku werden mit jeweils 100A Streifensicherungen gegen Fehlfunktionen / Überlastung geschützt.

 

 

 

 

Info: Die Katamaran Segler haben meist 2 Antriebsmaschinen. Damit kommen locker 120A Ladestrom für den Service Akku zusammen. Ein LiFePo4 Akku nimmt diese Ladeleistung problemlos auf und setzt sie in Ladung um. Eine weitere Verkürzung der Ladezeiten ist die Folge.

 

 

Energiequelle: Solaranlage

 

Um eine optimale Ladeleistung aus der Solaranlage herauszuholen, gilt es ein paar Grundregeln zu beachten.

- Ein Solarregler benötigt eine Panelspannung, die mindestens 5V höher ist als die Service Akkuspannung.

- Die Solarpanelspannung nimmt bei Erwärmung stark ab.

- Teilweise Abschattungen möglichst vermeiden.
Inzwischen gibt es Module auf dem Markt die nahezu unempfindlich gegen Abschattung sind. Bei diesen Modulen hat jede Zelle eine eigene Bypass Diode. (z.Bsp. AE-Solar)

- Ein 24V Solarpanel mit einem MPPT Regler kann auch einen 12V Service Akkumulator laden und ist unempfindlicher gegenüber Erwärmung.

- Am MPPT Regler können die Ladespannungen manuell eingestellt werden. MPPT Regler gibt es auch mit Bluetooth Interface.

Bei dem Austausch der Solaranlage wurden zwei 24V 180W Panels anstelle der 12V Panels eingebaut. Die Berücksichtigung der genannten Regeln hat sich vorteilhaft auf die Energiegewinnung ausgewirkt. Die Panels fingen schon mit der Morgensonne an die Batterien zu laden. Bei starker Erwärmung in der Mittagssonne wurden kaum Einbußen festgestellt.
Durch die programmierbare Kennlinie mit 8 verschiedenen Algorithmen kann der Solarregler auch die Anforderungen von LiFePo4 Batterien erfüllen. Zusätzlich können die Werte auch individuell eingestellt werden.
Dazu gibt es eine kostenfreie App für das Smartphone, mit dem sich die MPPT-Parameter Einstellungen auch abspeichern lassen.

 

Natürlich müssen die +Leitungen zum Service Akku mit 100A Streifensicherungen gegen Störungen und Überlast abgesichert werden.

Hinweis: Die naturbedingten variablen Ladelevel der Wind- und Solaranlagen sind Gift für die AGM Akkumulatoren, die immer gerne auf 100% Ladung gehalten werden wollen, um nicht zu sulfatieren. Gerade hier spielt die Lithium Technologie ihre Vorteile voll aus. Einer Lithiumzelle ist der Ladelevel fast egal.

 

Energiequelle: Generator

 

 

 

In den meisten Fällen liefern die OnBoard-Generatoren 1KW bis 5KW bei 230V. Die erzeugte Leistung wird in den Landstromanschluss an Bord eingespeist und durch das Landstromnetzteil in die Service Akkus geladen.

Ein weiterer Vorteil von Generatoren mit E-Starter: Der Generator wird mit dem Starter Akku der Antriebsmaschine verbunden. Die Lichtmaschine des Generators (40A) lädt die Starterbatterie der Antriebsmaschine und durch den B2B-Lader kommen weitere ca. 35A als Ladestrom für den Service Akku dazu. In Summe ein Ladestrom von fast 100A, die die LiFePo4 auch brav aufnimmt und Aufgrund der geringen Verluste in Ladung umsetzt. Die Ladezeiten (= Betriebszeiten) des Generators verkürzen sich dadurch weiter.

 

 

 

 

 

 

HinweisAuch die Laufzeiten der Generatoren kosten Geld.  Wenn durch die Hochstromladbarkeit und die geringeren Ladeverluste der Lithium Technologie die Generatorlaufzeiten verkürzt werden können, wirkt sich das auf die Kosten aus. Genauso wie die dadurch verlängerten Wartungsintervalle, die weitere Kosten reduzieren.

 

 

Mythen und Wahrheiten über LiFeP04 im Vergleich zum Bleiakku.

Im Vergleich zu herkömmlichen Bleiakkumulatoren, können LiFePo4 nahezu komplett entladen werden, ohne dabei großartige Spannungseinbrüche zu erleiden. Während ein Bleiakku ca. 50% (Gel ca. 70%) seiner Nennkapazität abgeben kann (bei ca. 750 Ladezyklen), ist die Nennkapazität eines LiFePo4 Akkus nahezu auch die reale entnehmbare Kapazität (100% - 10% = 90%).

 

Ferner kennzeichnet sich der LiFePo4-Akku durch eine vergleichbare lange Lebensdauer. Die Akkus können 3.000 komplette Ladezyklen ohne kaum Verlust an Kapazität und an Spannung erreichen.

Wer seinen LiFePo4 Akku nur zu 30% entlädt, kann weit über 10.000 Zyklen erreichen. Der Akku hat dann noch 70% der Kapazität und ist weiter nutzbar.

Im negativen wie positiven Temperaturbereich haben die LifeYPo4 Akkumulatoren eine nützliche Erweiterung für Segler in den Barfußbreiten (+85°C statt 40°C) sowie im hohen Norden (-35°C statt 0°C).  Daher sollte auch dieser Akkumulator Typ LiFeYPo4 betrachtet werden.
LiFePo4 Akkus sind empfindlich bezüglich Überladung und Temperatur. Eine Entladung ist bis zu
-35°C möglich, eine reversible Verringerung der Kapazität von ca. 15% (je nach Hersteller) muss dabei in Kauf genommen werden.  Auch zu diesem Zweck ist die Verwendung eines Batteriemanagement Systems (BMS) Pflicht.

 

LiFePo4 sind teuer:

Häufig werden die Anschaffungspreise von LiFePo4 als ein Nachteil gegenüber Bleiakkus gesehen. Das stimmt nur bedingt, denn die lange Lebensdauer von über 3.000 bis weit über 10.000 Lade- und Entladezyklen lässt den Preis pro Wh weit unter dem Preis pro Wh von Blei-Akkus sinken.

Hierzu ein Rechenbeispiel:

Meine verbliebenen 2 x 12V 200Ah AGM müssen ersetzt werden. Kosten 450€ pro Stück. Den AGM Akku kann ich nur zu 50% entladen, damit ich ca. 750 Ladezyklen erhalte. Man kann auch mit 1.000 Ladezyklen rechnen. Die erhalte ich aber nur dann, wenn der Akku nach der Entladung innerhalb weniger Stunden wieder zu 100% voll aufgeladen wird. Das ist aber auf einem Boot meist nicht der Fall.
50% Entladung: 2 x 12V x 0,5 x 200Ah x 750zyklen = 1.800kWh für das Akkuleben.
900€ Batteriekosten/ 1.800kWh = 0,50€/kWh.

12V 400AH LiFePo4
50% Entladung: 12V x 0,5 x 400Ah * 10.000zyklen = 24.000kWh für das Akkuleben
3.400€ Akkusystemkosten/ 24.000kWh = 0,14€ / kWh
80% Entladung: 12V x 0,8 x 400Ah * 3.000zyklen = 11.520kWh
3400€ Akkusystemkosten/ 11.520kWh = 0,30€ / kWh
Eine Erhöhung der Entladung einer LifePo4 massive Vorteile in der realen, zeitlichen Nutzbarkeit bis zum nächsten Hafenaufenthalt oder Generatorladung bringt.

Gewicht: Beide 200Ah AGM wiegen 130kg, Ein LiFePo4 Akku mit 400AH+Zubehör wiegt 58kg. Gewinn 72kg.

Effizienz:  AGM 80% - 90%; LiFePo4 98% - 99% Der Rest bis 100% geht in Wärme verloren. Gewinn 10% mehr Ladung aus dem Generator oder Solarpanel in den LiFePo4 Akku.

Ladezeiten: Alle kennlinienfähigen Ladegeräte laden AGM-Akkumulatoren in der ersten Stufe mit maximalem verfügbarem Strom, bis die Absorptions-Spannung erreicht wird. Dann ist der AGM Akku so ca. 80% - 85% geladen. Die Effizienz in diesem Ladungsabschnitt ist ca. 98%.
Dann wird mit konstanter Spannung bei stark abnehmenden Ladestrom geladen. Das dauert immer sehr viel länger als die erste Phase. So 8h-12h Ladezeit sind in dieser Stufe keine Seltenheit. Die Effizienz dieser Ladung ist nur 5% - 30%. Schließlich muss ein AGM Akku möglichst voll aufgeladen gehalten werden, um eine Sulfatierung zu vermindern.

Ein LiFePo4-Akku kann mit konstantem Ladestrom in rund einer Stunde vollgeladen werden, sofern das Ladegerät stark genug ist und der Akku dafür geeignet ist. Jeder kennt dies heute von seinem Handy. Dabei wird kein komplizierter Lader benötigt, sondern es kann durchgängig mit konstantem Strom geladen werden.
Für den praktischen Gebrauch bedeutet dies, dass die Lichtmaschine den LiFePo4-Akku schon bei einer kurzen Motorfahrt in kürzester Zeit wieder nachladen könnte, wenn ein B2B-Lader zwischen Lichtmaschine und Service-Akku eingebaut ist. Siehe „Energiequelle Antriebsmaschine“ weiter oben.

Eine Besonderheit bei der Ladung von Lithium-Zellen ist zu beachten. Wenn die Zelle zu 100% vollgeladen ist, sollte das Ladegerät keine weitere Spannung im Bereich der Endspannung von 3,65V pro Zelle, 14,6V pro Akku liefern. Die Erhaltungsladespannung ist eher bei 3,3V pro Zelle, 13,2V pro Akku  einzustellen.

Ein Lithium-Akkumulator fühlt sich am wohlsten, wenn er teilgeladen ist. Dies bedeutet, dass eine regelmäßige Vollladung wie bei dem Blei-Akku nicht erforderlich ist. Wenn der Lithium-Akku längere Zeit (12 Monate und mehr) nicht benutzt wird, sollte man ihn 75% - 90% geladen lagern (ohne BMS) und auch nach über einem Jahr kann man ihn wieder ohne Schaden in Betrieb nehmen.

Für den Winterschlaf an Bord werden die Akkumulatoren vollgeladen, die Maschine eingewintert und das Landstromkabel entfernt. Der Solarregler wird auf 12V Ladespannung (Bulk- gleich Float- Spannung) eingestellt und wird damit den Akku und das BMS bei 3V Zellenspannung in Betrieb halten. Einige Wochen Schnee auf den Solarpanels sind dann auch kein Problem.

 

Überwachung (BMS)

Ein LiFePo4-Akkumulator muss nach der Installation für viele Jahre gar nicht gewartet werden. Das bei jedem Lithium Akku verwendete Batteriemanagement-System (BMS) sorgt dafür, dass die Batterie vor jeglicher Fehlbehandlung geschützt wird. Es schaltet den Akku bspw. bei Über- und Unterspannung sowie Überlastung ab und sofort automatisch wieder ein, sobald das Problem behoben ist.
Unterschiedliche Ladezustände der Zellen eines LiFePo4 Akkus werden automatisch ausgeglichen. Dazu gibt es passive und aktive BMS Systeme. Die passiven „verbraten“ die Energie der zu hoch geladenen Zellen an einem Lastwiederstand in Wärme. D.h. ein passives BMS orientiert sich an der schwächsten Zelle (= niedrigster Kapazität). Die aktiven BMS Systeme laden die Energie von der zu hoch geladenen Zelle auf die anderen Zellen um. Heben also das Zellspannungsniveau und damit die Kapazität an. Dass passiert mit geringen Umlade Verlusten. Die meisten BMS haben eine Datenschnittstelle um die Daten einer jeden Zelle, Lade- und Entladestrom sowie die Kapazität des Akkus anzuzeigen.

Sicherheit

 

 

Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren sind bei Test selbst durch den Beschuss mit Gewehrkugeln oder Spitzhacke weder unkontrolliert abgebrannt noch explodiert.  (siehe das Test- Video).  Sie gelten als die sicherste und langlebigste Lithium-Technologie. Selbst Tesla setzt in seinem Model 3 auf die LiFePo4 Technologie. Wegen des geringeren Energiegehalts der Akkus nur für die Kurzstreckenversion.

 

 

 

 

 Temperaturverhalten

Lithium-Akkumulatoren verfügen selbst bei sehr niedrigen Temperaturen bis -40°C noch über rund 80% ihrer Kapazität. Allerdings können viele LiFePo4 Akkus bei Minustemperaturen zwar entladen, jedoch nicht geladen werden. Nur wenige Marken (die mit dem “Y“) erlauben eine reduzierte Ladung bei -30°C.

Seit Jahren liefert die Fa. Winston (seit ca.18 Jahren) hochwertige LiFeYPo4 Zellen.  Diese zwar teuren, aber mit einem weiten Temperaturbereich ausgestatteten Batteriezellen, sind die erste Wahl für ein langlebiges Akkusystem.  Die Winston LifeYPo4 Zellen haben einen Temperaturbereich von -35°C bis +85°C für Laden und Entladen. Insbesondere der hohe Temperaturbereich macht diesen Zellentyp für Langfahrer auf der Barfußroute interessant. Für die Arktis Fans unter den Seglern ist der negative Temperaturbereich sehr passend.

Fazit:

LiFePo4 Akkumulatoren sind in nahezu allen technischen Belangen und mittlerweile auch in finanzieller Hinsicht den Bleiakkumulatoren überlegen, sobald man die Kosten für den Nutzungszeitraum zu Grunde legt.

Der größte Unterschied zwischen Blei und Lithium zeigt sich für den Benutzer in der völlig stressfreien praktischen Anwendung. Es interessiert kaum noch, ob der Akku gerade voll oder halb voll oder was auch immer geladen ist.

Genau wie bei einem Handy schaltet das BMS einfach ab, wenn ein Tiefststand erreicht ist und erwacht unmittelbar, wenn sie wieder geladen wird.

Mit der Hochstromladefähigkeit und den niedrigen Ladeverlusten verkürzen sich die Ladezeiten um weit mehr als 50%. Das reduziert die Generator- / Motorlaufzeiten und die damit verbundenen Kosten (Diesel, Wartung, etc).

Zusammenfassung der wichtigsten Kriterien für Lithium Akkus als Ersatz für den Service Akkumulator

·         Nachhaltig durch Reparaturfähigkeit.

·         Ersatzteile problemlos aus Deutschland nachsenden.

·         Mit einem aktives BMS alle Zellen auf höchstmöglichem Kapazitäts-Niveau halten.

·         Schnelle Ladezeiten, kürzere Motor / Generatorlaufzeiten, geringere Kosten.

·         Hohe Effizienz

·         zeitlich längere Verfügbarkeit von Bordspannung.

·         Lade / Entlade - Verfügbarkeit bei hohen Temperaturen auf der Barfußroute oder niedrigen Temperaturen in den kälteren Klimazonen.

 

 

LIONTRON LiFePo4 Akkumulator:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Firma LIONTRON ist mir auf der BOOT aufgefallen. Das Akkugehäuse kann geöffnet und die Zellen und/ oder das BMS ausgetauscht werden. Nachhaltiger geht es nicht.

Der Versand (insbesondere Luftfracht) von Lithium Zellen ist nicht einheitlich geregelt. Zurzeit hat jede Fluggesellschaft Ihre eigenen Regeln. Da bietet es sich an, ein paar Reservezellen und ein Ersatz BMS auf Langfahrt mitzunehmen. Problemlose Reparaturen abseits von Zivilisation und Flughäfen sind damit möglich.

Einmal jährlich werden die Reserve-Zellen einzeln mit einem Netzteil auf 3,5V nachgeladen. Ein Netzteil und ein Multimeter. Mehr ist zur Wartung und Ladungserhalt der Reservezellen nicht nötig.

Das BMS hat eine Bluetooth Schnittstelle, um den aktuellen Akkuzustand abzufragen.

Lade-/ Entladestrom und Akkukapazität werden in der App angezeigt.

Technische Daten: 12V 200AH

Temperaturbereich:       Entladung: -20°C bis +60°C
                                      Ladung:  0°C bis +45°C
Außerhalb der genannten Temperaturbereiche schaltet das BMS ab.
Die Arctic Versionen gehen von -30°C bis +45°C. Bei Anschluss eines Ladegerätes wird erst eine Heizplatte im Gehäuseinneren angeschaltet bis der Akku auf +5°C aufgeheizt ist. Dann wird der Akku geladen.

Ladeschlussspannung: 14,2-14,4V (BMS schaltet bei 14,65V aus, ab 14,6V wieder ein)
Entladeschlussspannung: 11V (BMS schaltet bei 10,75V Aus und bei 11V wieder ein)
Außerhalb des genannten Spannungsbereiches schaltet das BMS ab.

Der Zellenladungsausgleich erfolgt passiv und arbeitet nur während der Akkuladung. Dabei wird ein Widerstand über die Zelle mit der höchsten Zellspannung angeschaltet und die Zellenspannung damit begrenzt. Die Gesamtkapazität des Akkus richtet sich nach der schwächsten Zelle.

Der Dauerentladestrom beträgt 150A. Wer einen 230V Wandler im kW Bereich betreibt, sollte 2 Akkus parallelschalten. Ist der Entladestrom>= 200A / pro Akku wird er nach 20sek abgeschaltet.  

 

Kosten:

Rechenbeispiel: 2x 12V 200AH LIONTRON kosten ca. 3.600€

50% Entladung: 2x 12V x 0,5 x 200Ah * 5.000zyklen = 12.000kWh für das Batterieleben
3.600€ Batteriekosten/ 12.000kWh = 0,30€ / kWh

Wobei der Akku auch mal bis 10% bis 20% Restkapazität entladen werden kann ohne großartig Zyklen zu verlieren. Wenn es aber notwendig sein sollte, steht dem Nutzer aber eine fast doppelte Nutzungszeit aus dem Service Akku zur Verfügung.

5 Jahre Hersteller Garantie. Gewicht: 26kg pro Batterie

Smartphone App:

 

 

 

Für die Akkumulatoren von LIONTRON wird ein Smartphone APP zur Anzeige der wichtigsten Parameter kostenfrei im App Store heruntergeladen werden.

Parameter des BMS können nicht abgeändert werden.

 

 

 

 

 

Fazit:

Ein problemloser, nachhaltiger Akku Typ als Ersatz für einen defekten Bleisäure Akku. Lade/ Entladeströme und Kapazitätsanzeige werden über eine Smartphone App angezeigt. Wem der Temperaturbereich des Akkus ausreicht, ist mit diesem Akku auf einem sehr guten Weg.

 

 

Gründe für Winston LiFeYPo4 Zellen und das BMS der Fa. ECS:

Durchweg gutes bis sehr gutes Feedback über Jahre in den Wohnmobilforen. Zellenhersteller Winston ist schon seit 18 Jahren im Geschäft. Temperaturbereich (Laden und Entladen) von -45°C Temperaturen bis 85°C. Nachhaltigkeit: Einzelne Zellen lassen sich bequem austauschen. Geringe Selbstentladung: Reservezelle kann man mitnehmen. Schnelladefähigkeit bis zu 3C (dreifache Kapazität in A). Nahezu doppelte entnehmbare Kapazität gegenüber Blei Akkumulatoren. 66% Gewichtsersparnis. Sicherheit: Keine Brandgefahr.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 12V Winston Akku                                                                                                    BMS einer Zelle der Fa. ECS.

 

Aktives BMS der Fa.ECS:

Aktiver Zellenausgleich auf größtmögliche Kapazität. Anzeige der Akkukapazität, Ladezustände der Zellen und vieles mehr über eigenes LC-Display an der Schalttafel (Auch Smartphone möglich). Im Zusammenspiel mit der Anzeige ist der Aufbau eines intelligentes Akkusystems möglich. Keine besonderen Anforderungen an die Verkabelung. 4 zusätzliche Ausgänge für Alarmmeldungen und 4 zusätzliche Eingänge für Füllstandsmessungen. Weitere Schnittstellen vorhanden. Bereitschaft eines Fachhändlers in Deutschland eine Zelle bzw. BMS ans Ende der Welt nachzusenden. Wobei Ersatzteile auf die Reise mitzunehmen kann u.U. sehr viel günstiger sein.

Die Daten können auch in eine Cloud übertragen werden, das BMS programmiert oder der elektronische Schalter betätigt werden. Damit kann das Akkusystem von zu Hause, über das Internet, gemanagt werden.

LC-Display GreenView:

 

Anzeige aller wichtigen Daten, Ladestrom, Verbraucherstrom, Kapazität, Akku Restlaufzeit usw.

Parametrierung aller Akkuparameter.

 

 

Systemschaubild der Ladekomponenten und dem LiFeYPo4 Service Akkumulator

 

 

Nach den Erläuterungen zu den einzelnen Lade-Komponenten und des LiFePo4 Akkumulator kommen wir jetzt zur Parametrierung.

 Parameter Einstellung (für eine lange Akkumulator Lebensdauer):

Schon mit der Werkseinstellung funktioniert das System aus Akku, BMS, Relais und LC-Display einwandfrei und arbeitet nach den allgemeinen Herstellerparametern. Trotzdem empfiehlt es sich mit dem erfahrenen Lieferanten des Akkus ein beratendes Gespräch über die Akkuparameter bezüglich Lebensdauer, Zyklenfestigkeit und Temperaturprofil zu führen. Die nachfolgend genannten Werte beziehen sich auf normale Umgebungstemperaturen von 5°C – 40°C. Im negativen Temperaturbereich sind geringere Zellspannungen zu berücksichtigen.

Aus vielen Jahren Erfahrungen im Betrieb von LiFePo4 Akkumulatoren wurde festgestellt: Ein geladener LiFePo4 Akku darf nicht ständig an der maximalen Zellspannungsgrenze von 3,65V geladen werden. Ebenso sollte man einen LiFePo4 Akku auch nicht unter 20% Restkapazität entladen.

Im Kapitel „Mythen und Wahrheiten“ wurde der Zusammenhang zwischen Entladetiefe und Anzahl / Verlust der Zyklenzahl (= Lebensdauer) eines LiFEPo4 Akkumulators dargestellt.

 

 

In den Kurven ist es gut zu sehen, dass mit fallenden Ladestrom die maximale Kapazität bei geringeren Ladeschlussspannungen erreicht wird. Daher wurde die maximale Ladespannung auf 3,50V festgelegt. Somit sollten die Ladegeräte 14,2V (max. 14,4V) nicht überschreiten.

Ebenso sollte man die Ladungserhaltung nicht mit 3,45V/ Zelle betreiben, wie in vielen Ladekennlinien enthalten. Hier ist eine Spannung von 3,32V/ Zelle vollkommen ausreichend. Daher wurde für dieses Projekt die Parameter der Ladegeräte wie folgt gewählt: Stromladung (Bulk oder CC = Constant Current genannt) bis 14,2V (= Absorptionsspannung), dann Spannungsladen (Float oder CV = Constant Voltage genannt) mit 13,3V (= Erhaltungsladung). Viele Lader lassen sich mit (fast) geeigneten Kennlinien darauf einstellen, bzw. individuell anpassen.

 

Hinweis: 0,5CA (aus der Grafik) bedeutet einen Ladestrom von maximal 1/2 der Akkukapazität. Für den gewählten 400Ah Akku bedeutet das 200A maximaler Ladestrom.1CA bedeutet 400A und 3CA 1200A Ladestrom.

 

Anpassung der Ladekomponenten an den LiFePo4 Akkumulator

Landstrom Lader: Sterling Pro Charge Ultra 12V 60A
LiFePo4 Kennline: 14,8V Bulk/ 13,8V Float (Werte sind zu hoch, daher Custom Kennline einstellen)
Custom Kennlinie: 14,2V Bulk/ 13,3V Float.
Bei Abwesenheit von Bord wird das Ladegerät abgeschaltet bzw. in Standby geschaltet.
Sollte für diesen Lader ein Austausch anstehen, wird ein 12V 200A Lader zum Einsatz kommen.

Solar Lader: Victron Smart Solar MPPT 100/50; maximaler Ladestrom 30A
LiFePo4 Kennlinie: 14,2V Bulk / 13,5V Float. Die Kennlinie wird eingestellt, passt aber nur im oberen Wert (Absorptionsspannung). Der untere Wert (Erhaltungsspannung) muss manuell auf 13,3V geändert werden. Zusätzlich ist der Parameter Re-Bulk Offset auf 0,1V und die Absorptionsdauer auf variabel zu setzen. Das geht mit der zugehörigen Smartphone App ganz einfach. Die Einstellung wird als „An Bord“ im Smartphone gespeichert.
Bei Abwesenheit von Bord wird der Parameter Bulk und Float auf 13,3V gesetzt und als „Von Bord“ in der App gespeichert. Damit wird die Akkukapazität gehalten, ohne den Akku zu überladen.

Batterie zu Batterie Lader (B2B): Sterling BBW1260 12V / 60A
LiFePo4 Kennlinie: 14,4V Bulk / 13,8V Float. Die Werte sind zu hoch daher wurde die Custom Kennlinie gewählt. Custom Kennlinie: 14.2V Bulk/ 13,3V Cond/ 13.3V Float.

Achtung: Die Custom Kennlinie kann nur über die Fernbedienung angewählt werden. Segler, die diesen B2B Lader ohne Fernbedienung verbaut haben, nehmen die AGM Kennlinie: 14.1V Bulk/ 13,75V Konditionierung / 13.4V Float (passt nicht so schön, ist aber ok).

Damit hat man die Ladekomponenten eingestellt und den Übergang von AGM auf LiFePo4 Akkumulatoren einfach geschafft.

 

Umfrage bei den Kasko-Versicherungen:

Eine Nachfrage bei den üblichen Kasko Versicherern ergab keine Einschränkung für die Nutzung von LiFePo4 Akkumulatoren auf Yachten. Auch nicht für die hier vorgestellte Zusammenstellung aus Akku- Zelle, BMS und Visualisierung.  Die Bauteile müssen geltenden Bauvorschriften entsprechen (CE Zeichen). Alle Lieferanten in Deutschland und Europa unterliegen der Pflicht zur CE Prüfung. Wichtiger sind die Normen für den fachgerechten Aufbau, Kabelstärken, stabiler Aufbau, doppelter Schutz gegen Überströme wie elektronische und mechanische Sicherungen, etc.
Jedoch sollte man sich immer im Vorfeld mit der Kasko-Versicherung seines Vertrauens auseinandersetzen. Der Versicherer könnte dem Eigner ansonsten eine Obliegenheitsverletzung vorwerfen, sollte es zu einem Schadenfall kommen, der auf die Akkus zurückzuführen ist.

Manche Versicherungen, (die mit dem P…) verlangen den Einbau und Abnahme von zertifizierten Fachbetrieben, (Totschlägerargument, um nicht in Leistung treten zu müssen). Alle anderen Versicherungen haben keinerlei weiteren Einschränkungen, außer den zuvor genannten.

 

Kostenaufstellung: (wenn man jetzt alles neu kaufen müsste)

Sterling Ultra Charge:                                                   620€ + 110€ Fernbedienung

Sterling Batterie to Batterie Lader:                                 400€ + 100€ Fernbedienung

2x Liontron Batterie 12V 200Ah:                                   3600€

oder

Batterie Set Winston LiFePo4 mit 4 x aktivem BMS, elektronischer Schalter und
LC-Anzeigepaneel:                                                       3400€

Solarpanel 24V (5 Busbars, 360W)                                 390€

Vitron MPPT 100/50 Solarregler mit Kennlinie                  300€

200A Streifensicherung mit Halter:                                  75€

Elektronische Last DL24:                                               25€-40€

Kabel, Kabelschuhe, Siebdruckplatten, Sicherungen
 Steuerleitung, etc.:                                                    130€

 

Erfahrungen aus 9 Monaten Betriebszeit mit dem neuen LiFeYPo4 Akku:

Kein Zusammenbruch der Versorgungsspannung bei höheren Lasten. Sehr kurze Ladezeiten und daraus ergebenen kurzen Maschinen-/ Generatorlaufzeiten. Sehr gute Übersicht über den Ladezustand des Akkus. Sehr frühe Bereitstellung von Ladung aus dem Solarpanel. Entspanntes Reisen ohne Landstromanschluss. Notwendige Motorlaufzeiten haben zur Nachladung immer gereicht.

Kurzum die Umrüstung war ein voller Erfolg.

 

Fazit:

Diesen Bericht wurde aus mehreren Quellen zusammengefasst. Es ist keine wissenschaftliche Arbeit und daher verweisen wir auf keine Quellen, es ist mehr eine Art Beitrag zur Informationsvermittlung mit dem Ziel, Ihnen mehr Verständnis über diese Lithium-Akku-Technologie zu verschaffen.

Er ist aus der Notwendigkeit entstanden ein vorhandenes Stromversorgungsnetz an Bord zu erneuern und zu modernisieren.  Die drei Blei AGM Akkus mit 600Ah wurden in diesem Projekt durch einen LiFeYPo4 Akkumulator mit 400Ah ausgetauscht.  Haben Sie Kritik, Anregung, Korrektur- und / oder Ergänzungsvorschläge, fühlen Sie sich frei, sich damit an mich zu wenden.

 

Zusammenbau einer 12V Service Batterie mit 400Ah auf Basis von Winston LiFeYPO4 Zellen inklusive BMS.

Sie können eine reich bebilderte und ausführliche Bauanleitung mit Bezugsquellen vom Palstek-Server laden.

 

Copyright by Jochen Brickwede

Im Januar  2022