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Eigenbau von Lithiumbatterien

Der Begriff "Batterie" bezeichnet einen Verbund aus Zellen; je nachdem ist noch Elektronik dabei. Ein Eigenbau aus Einzelteilen - Zellen, Zellverbindern und sinnvollem Zubehör - ist kein Hexenwerk, da man alles notwendige einzeln kaufen kann. Neben Vorteilen beim Preis kann man sehr spezielle Bauformen realisieren, da man reichlich Optionen hat, die ausgewählten Zellen zu einem Paket zu schnüren. Ausserdem lernt man die Technik kennen und kann sie dadurch auch jederzeit prüfen oder reparieren.

Zellen

Es gibt eine grosse Auswahl an Rundzellen, Pouch Bags - das sind eingeschweisste Folienpäckchen wie in meiner Starterbatterie - sowie rechteckigen primatischen Zellen, die am einfachsten zu verbauen sind. Diese würde ich daher auch vorziehen. Ganz wichtig ist die Chemie, für die 12V-Systeme kann ich nur LFP (LiFePO4)-Zellen empfehlen. Sie passen spannungsmässig bei Reihenschaltung von vier Zellen zur 12V-Bleiumgebung, und sind inhärent sicher, können also nicht aufbrennen. Seine Bude kann man trotzdem damit anzünden, da sie - wie Bleibatterien auch - bei Kurzschluss sehr heiss werden und hohe Ströme fliessen. Die nötige Vorsicht sollte also stets mitwalten. Die wichtigsten Kriterien bei der Auswahl der Zellen: die Dimensionen abhängig vom geplanten Layout, damit die fertige Batterie auch ins Womo passt, die Kapazität (Ah) und der maximale Lade- und Entladestrom.

Prismatische Zellen gibt es im Alubecher oder mit Kunststoff ummantelt. Das Alubecher-Gehäuse ist meistens mit dem Pluspol verbunden und mit blauer Folie isoliert. Da die Folie recht dünn ist, ist es eine gute Idee, bei Reihenschaltung von Zellen eine zusätzliche Isolierung dazwischenzulegen. Jede Art von dicker Folie oder dünner Platte ist geeignet, solange sie nicht leitet - Kunststoff oder Gummi. Ich nehme gerne Reste von Kofferraum-Antirutschmatte - davon habe ich erstens Reste, und zweitens ist sie Antirutsch. Kunststoffummantelte Zellen sind mechanisch robuster, was hilfreich ist, wenn man Zellen bündelt oder eine Batterie ohne weiteres Gehäuse plant, allerdings auch teurer in der Anschaffung und etwas grösser. 

Verbinder

Die Zellen müssen elektrisch miteinander verbunden werden, vier Stück in Reihenschaltung (4s) - also jeweils Plus an Minus der nächsten Zelle. Man kann natürlich auch acht, zwölf oder tausend Zellen nehmen, jeweils zwei, drei oder 250 parallel schalten und diese dann wie Einzelzellen behandeln. Ein Vorteil üblicher prismatischer Zellen ist, dass alle Verbindungen geschraubt sind. Im besten Fall sind Verbinder und Schrauben schon dabei. Sonst kann man die Verbinder auch aus Kupferblech schneiden. Wichtig ist ein Längenausgleich, damit die Verbinder keine mechanische Kraft auf die Elektroden ausüben, wenn etwas warm wird. Möglich ist eine "Welle" im Verbinder, die man auch selber biegen kann - im Schraubstock knicken, den Knick einspannen und die Enden nach unten biegen. Alternativ kann man auch die Löcher ein, zwei Millimeter grösser als die Schrauben bohren, und eine Unterlegscheibe verwenden - dann kann der Verbinder bei starkem Druck verrutschen. Auf jeden Fall müssen die Kontaktflächen glatt, sauber und frei von Oxidation sein. Die Verwendung eines Korrosionsschutzmittels wie Noalox ist zu empfehlen, es wird ganz dünn mit einem Wattestäbchen aufgetragen.

Die Gewinde in den Elektroden sind häufig nicht sehr tief und in weichem Metall. Die Schrauben müssen entsprechend gefühlvoll angezogen werden. Alternativ zu Schrauben kann man Madenschrauben bis zum Anschlag eindrehen und die Verbinder mit Muttern befestigen. Das hat den Vorteil, dass man die volle Länge des Gewindes nutzt und nur Zugkräfte ausübt.

Statt Kupfer kann man für die Verbinder auch Aluminium nehmen, welches billiger und leichter zu verarbeiten ist. Es hat drei Nachteile: niedriger Schmelzpunkt, hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient und einen Hang zur Korrosion. Alle diese Punkte kommen nur im Fehlerfall zum Tragen, arbeiten dann aber prima zusammen: durch Korrosion steigt der Übergangswiderstand und das ganze wird warm, Alu arbeitet bei Erwärmung ordentlich und löst die Verbindungen, und irgendwann macht sich flüssiges Alu auf den Weg. Ich würde Kupfer nehmen, wenn man sich nicht ganz sicher ist, niemals Fehler zu machen.

Balancer

Eine 4s-LFP-Batterie wird mit 14,4 V vollgeladen. Das entspricht genau den gewünschten 3,6 V pro Zelle, weil ja die Batteriespannung die Summe der Zellspannungen ist. Wenn aber die Zellen unterschiedlich voll geladen sind, weichen die Zellspannungen ab und die vollste Zelle wird überladen. Bis 4 V ist das nicht schlimm, aber darüber kann sie geschädigt werden. Um das zu vermeiden, gibt es Balancer, die einen Ladungsausgleich zwischen den Zellen vornehmen. Dabei gibt es zwei Prinzipien: passive Balancer entnehmen ab 3,6 V der jeweiligen Zelle Strom, der meistens verheizt wird. Aktive Balancer reagieren auf Spannungsunterschiede zwischen den Zellen, und laden von der höheren Spannung in Richtung der niedrigen um. Sie sind teurer, aber trotzdem zu empfehlen, weil sie kaum Abwärme erzeugen und nicht nur im Bereich der Vollladung arbeiten. Sie können in geringem Ausmass Kapazitätsunterschiede zwischen den Zellen ausgleichen und schützen die Zellen bei Tiefentladung, da sie auch bei geringen Spannungen verhindern, dass die Spannung einer einzelnen Zelle stark abweicht: Fällt eine Zelle auf 0 V, wird diese bei weiterer Stromentnahme falsch herum aufgeladen, was die Zelle durch Korrosion zerstört.

Neben dem Prinzip (aktiv/passiv) unterscheiden sich Balancer noch durch Bauform und maximalen Balancerstrom. Da würde ich nicht sparen, ein paar Ampere dürfen es sein.

Bei einmal ausbalancierten ("initialisierten") Zellen ist es nicht notwendig, die Balancer dauerhaft angeschlossen zu lassen. Ich würde das aber trotzdem empfehlen, da die Batterie dann wartungsfrei ist und man sich im besten Fall nie wieder darum kümmern muss. Nachteil: Balancer können wie alle Elektronik kaputtgehen, und dann schlimmstenfalls selektiv eine Zelle entladen. Dies kommt aber sehr selten vor.

Angleichen des Ladezustands ("Initialisierung")

Die vier einzeln gekauften Zellen können bei Auslieferung einen unterschiedlichen Ladezustand haben. Dieser muss einmalig angeglichen werden, was manchmal als "initialisieren" bezeichnet wird. Folgende Möglichkeiten gibt es:

  • Wenn aktive Balancer verbaut werden, kann man die Batterie zusammenbauen und mit geringem Strom laden. Das ist die einfachste Variante. Der Ladestrom darf nicht höher sein als der Balancerstrom, da man sonst die am stärksten geladene Zelle trotzdem überlädt, ggfs. den Balancer schlachtet und die Zelle dann auch. Aufgrund des geringen Stroms dauert das ziemlich lang, je nach Kapazität und Ladezustand. Wenn man kann, sollte man auch den Balancer prüfen - wenn er nicht richtig funktioniert, kann man eine oder mehrere Zellen durch Überladen schädigen.
  • Wenn passive Balancer verbaut werden, kann man auch so verfahren. Allerdings wird ein passiver Balancer beim Balancieren warm, was ihn ordentlich belastet - ich würde von diesem Vorgehen abraten. Es ist allerdings kein Problem, einen aktiven Balancer zusätzlich zu passiven für die Initialisierung provisorisch anzuschliessen.
  • Die Zellen können alternativ mit einem LFP-Ladegerät für Einzelzellen oder einem Labornetzteil (3,6 V) auch einzeln geladen werden. Man kann so auch eingreifen, wenn eine Methode oben drei Zellen geladen hat und eine nicht. Man erkennt noch nicht geladene Zellen daran, dass der passive Balancer nicht warm wird, oder an der Spannung, die noch deutlich unter 3,6V liegt.
  • Man kann alle vier Zellen (bzw. beliebig viele, wenn man mehr hat) vor Zusammenbau der Batterie parallel schalten und als eine Zelle laden (3,6 V, beliebig viele A). Bei einem leistungsstarken Netzteil dürfte das am schnellsten gehen. "Beliebiger" Strom heisst natürlich maximal höchster Ladestrom multipliziert mit Zellenanzahl, das dürfte aber kaum ein Netzteil schaffen. Dies ist mit provisorischem Verschaltungsaufwand verbunden und dauert recht lange, allerdings ist es die sicherste Variante.
  • Wenn man ein einstellbares Labornetzteil besitzt, ist ein guter Kompromiss, die Batterie fertig zusammenzubauen und mit maximalem Strom zu laden, allerdings mit einer geringeren Ladeschlussspannung von etwa 13,8 V. Dies verhindert, dass eine vorzeitig geladene Zelle zu viel Spannung abbekommt. Danach kann man mit geringem Strom (kleiner als der Balancerstrom) fertigladen, oder die Zellen durchmessen und gezielt Zellen nachladen oder entladen.

BMS (Battery Management System)

Das ist ein hochgestochener Name für eine Black Box, die laut Werbung die Batterie schützt, pflegt und hätschelt. Natürlich tut sie nichts dergleichen - es ist lediglich die Zusammenfassung mehrerer Funktionen in einem Gerät. Neben der prinzipiell sinnvollen Balancerfunktion ist das zumeist noch eine Schutzabschaltung gegen Über- oder Unterspannung. Manchmal ist auch der Batteriecomputer integriert, gerne auch mit Bluetooth - dann kann man sich die Daten vom Batteriemonitor auf dem Mobiltelefon anschauen, wenn man gerne Verbindungen konfiguriert. Nachteile sind hier, dass man dafür immer das Mobiltelefon braucht, die Elektronik innerhalb der Batterie Strom verbraucht, ohne dass man sie abschalten kann, und dass bestimmte sinnvolle Konfigurationen nicht mehr möglich sind (siehe Wechselrichter). Daher habe ich das lieber extern. 

Bei Unterspannung ist die Schutzabschaltung nicht verkehrt, aber im Wohnmobil überflüssig: das EBL (oder der Wechselrichter) sollte bei Unterspannung sowieso ausschalten, und mehr als eine Abschaltung ist sinnlos. Sie kann sogar problematisch sein, da manche BMS beim Anlegen von Ladespannung automatisch wieder zuschalten, während viele Ladegeräte nur laden, wenn sie eine angeschlossene Batterie vorfinden: dann ist scheinbar "alles kaputt", obwohl die Elektronik nur in einer lustigen Catch-22-Situation gefangen ist.

Bei Überspannung hingegen halte ich es für keine gute Idee, die Batterie wegzuschalten - die Überspannung kommt ja irgendwo her, und kann ohne den Puffer der Batterie ziemlich bösen Schaden anrichten. Gegen Überspannung schützt man sich besser anders. LFP-Zellen sind ausserdem recht robust gegen Über- und Unterspannung.

Es gibt BMS auch mit weiteren Funktionen, wie etwa "Temperaturschutz" - da der Verschleiss der Zellen bei Frost etwas ansteigt, schaltet das BMS dann einfach die Batterie ab. Das finde ich überflüssig, aber nur, wenn ich gerade diplomatisch gesinnt bin. Eigentlich find ich's total lächerlich.

Da BMS nicht ganz billig sind, trotzdem häufig nur mit geringen Strömen balancen und für vermutlich mehr als 90% aller Probleme bei LFP-Batteriesystemen zuständig sind, empfehle ich das einfachere und günstigere Weglassen. Nochmal als Hinweis: das gilt nur für LFP- (und LTO-)Zellen, da diese aus chemischen Gründen eigensicher sind. Andere Lithiumzellen mit typischen Zellenspannungen von 3,6-3,7 V benötigen aus Sicherheitsgründen unbedingt ein BMS.

Meine zentrale Erwartung an eine Batterie ist optimale Versorgungssicherheit; sie soll einfach zuverlässig immer den Strom liefern, den man irgendwann reingesteckt hat. Wer die Prioritäten anders setzt und ein BMS verbauen möchte, muss vor allem auf den maximalen Entnahmestrom achten. Weil die elektronische Schutzabschaltung mit steigendem Strom recht teuer wird, kann man auch hier eine Kompromisslösung bauen: wenn man mit den stärksten Verbrauchern - meistens ist das nur der Wechselrichter - direkt an die Batterie geht und der ganze Rest einschliesslich aller Ladegeräte mit einem BMS abgesichert wird, genügt ein BMS für einen weit geringeren Strom (und Preis) bei gleichbleibendem Schutzniveau. 

Anleitung

Wem das hier alles zuviel Gequatsche ist, weil er einfach nur eine Bastelanleitung sucht: hier der Weg zu einer einfachen, günstigen LFP-Batterie ohne viel Schnickschnack und ohne Gewähr.

Einkaufsliste:
  • Vier prismatische Zellen gewünschter Grösse
  • Wenn nicht dabei: acht Schrauben, oder Madenschrauben + Muttern, Unterlegscheiben oder Schruppscheiben, Kupferblech oder drei Zellverbinder 
  • Aktives Balancerboard (4s, LFP) mit Anschlusskabel, z.B. 1,5 A 
  • Material zum elektrischen Anschluss ans Bordnetz, z.B. passende Steckverbindung EC5, oder Polschuhe/ andere Terminals, sowie Ringösen und kurze, dicke Kabel. 
  • Wenn nicht schon da: kräftiges Klebeband, Isoliermaterial (Platten/Folie), doppelseitiges Klebeband, ggfs Schaumstoff-Isolierband aus dem Heizungsbereich
  • Ggfs. Material zum Schutz der Zellen und zur geschützten Befestigen der Batterie am Zielort
Zusammenbau:

Die Zellen - wenn möglich - parallel schliessen und vollladen (3,6 V). Dann die Zellen im gewünschter Bauform mit doppelseitigem Klebeband verbinden, auf korrekte Ausrichtung der Pole achten. Wenn man Zellen ohne Kunststoffgehäuse verwendet, wie die blauen Alubecher-Zellen, ist eine Zwischenlage isolierendes Material (dicke Folie oder dünne Platte) nicht verkehrt - das gilt aber nur bei Reihenschaltung. Parallel geschaltete Zellen benötigen nichts dazwischen. Das Paket mit starkem Klebeband umwickeln, Ecken und Kanten können mit Schaumstoff-Klebeband geschützt werden. Die Zellen dürfen sich gegeneinander nicht mehr bewegen können. Wenn der geplante Einbauort nicht geschützt ist, kann man die Zellen natürlich auch in ein Gehäuse einbauen, oder das Paket mit Platten schützen (Kunststoff oder dünne Siebdruckplatten). Drei Zellverbinder verbauen, oder erst mal herstellen (schneiden, ggfs. biegen und bohren). Sie müssen flach und blank sein und direkt auf die Elektroden montiert werden.  Ein dünner Auftrag von Noalox auf die gereinigten Kontaktflächen beugt Korrosion vor. Die Verbinder werden von oben mit einer Unterlegscheibe und einer Schraube bzw. Mutter (bei Verwendung von Madenschrauben) befestigt. Wenn die Zellverbinder eine "Welle" als Längenausgleich haben, sollte man statt Unterlegscheiben Schruppscheiben verwenden. An den Zellverbindern oder den Schrauben werden die mittleren Kabel des Balancerkabels - ohne angeschlossenen Balancer - verdrahtet, die Reihenfolge ist unbedingt einzuhalten. Notfalls kann das Kabel abisoliert und in die Schraube eingedreht werden; Kabelschuhe, Ringösen oder Lötverbindungen sind vorzuziehen. Einen Anschluss für das Bordnetz herstellen, z.B. ein kurzes Kabel mit Steckverbindung oder Terminals, ggfs. Sicherung und Ringösen. In die Ringösen können die beiden Balancerkabel für den Plus- und Minuspol eingecrimpt werden. Dann die Ringösen an den Elektroden für Plus und Minus anschrauben - Ringöse direkt auf die Elektrode, Unterlegscheibe oder Schruppscheibe darüber. Kabel befestigen, damit keine dynamischen Kräfte auf die Elektroden wirken. Balancer anschliessen und befestigen. Alle Verbindungen prüfen bzw. ordentlich festziehen. Wenn nicht am Anfang geschehen, jetzt Batterie mit geringem Strom (z.B. 1 A, höchstens mit Balancerstrom) zur Initialisierung vollladen. Das kann zur Geduldsübung werden, ist aber wichtig. Anschliessend Batterie belasten. Wenn alles funktioniert, Batterie stark belasten. Prüfen, ob etwas warm wird, was nicht warm werden darf. An der Batterie darf da nix - nur die Last darf (Heizlüfter am Wechselrichter, Tauchsieder etc). Wenn bestanden, Prüfsiegel draufdenken und einbauen. Die fertige Batterie muss ordentlich befestigt werden, und die elektrischen Kontakte müssen mit nicht leitendem Material geschützt sein.

Beispielgalerie zum Abschrecken oder Abschauen

Fertigbatterie

Einfacher geht der Einbau einer Fertigbatterie, die man einfach gegen die Bleibatterie austauscht. Diese kommen allerdings rund doppelt so teuer wie ein Eigenbau - unter anderem deshalb, weil sie in einem hübschen Gehäuse kommt und aus Gewährleistungsgründen immer ein BMS verbaut hat, welches im Wohnmobil unnötig ist und den Entnahmestrom begrenzt. Ausserdem gibt es Modelle, die aufgrund verschweisster Zellen oder verklebter Gehäuse alles andere als reparaturfreundlich sind. Und mitunter ist auch Glückssache, welche Komponenten genau verbaut sind.

Titelbild: Kaiserstuhl zur blauen Stunde mit Fisheye