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Eigenbau von Lithiumbatterien

Es gibt viele Varianten und Optionen beim Batteriebau, die hier angeschnitten werden. Eine einfache Anleitung sowie eine Übersicht über das notwendige Werkzeug gibt es auf einer separaten Seite 

Batterie

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 alle Teile 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. Aber bitte nicht einfach zusammenbauen und aufladen, erst das hier lesen.

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 sind für klassische Aufbaubatterien daher die beste Wahl. Ganz wichtig ist die Chemie der Zelle, für die 12V-Systeme im Womo 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. Ausserdem gibt es Varianten bei der Dotierung beispielsweise mit Yttrium, die manchmal als LiFeYPO4 bezeichnet werden. Auch dies sind chemisch gesehen LFP-Zellen, die jedoch bei niedriger Temperatur (Frost) einen geringeren Innenwiderstand haben und daher leistungsfähiger sind. Bei einer Aufbaubatterie im Inneren eines Wohnmobils ist das nicht relevant, aber bei speziellen Anwendungen lohnt ein Blick in die Spezifikationen des Herstellers der Zellen.

Die Zellen sind häufig mit einem 24-stelligen Code gekennzeichnet, der unter anderem Hersteller und Produktionsdatum verschlüsselt. Dazu gibt es auf dieser Seite mehr.

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 oder (besser) länglich feilen, 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 grundsätzlich 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 und durch Korrosion zerstört. Weil aktive Balancer auf Spannungsdifferenzen reagieren, müssen sie zeitgleich an alle Zellen angeschlossen werden, also erst das Kabel komplett anschliessen und dann den Balancer anstecken.

Neben dem Prinzip (aktiv/passiv) unterscheiden sich Balancer noch durch Bauform und maximalen Balancerstrom. Da würde ich nicht sparen, mindestens ein Ampere darf es sein. Übersteigt der Ladestrom den Balancerstrom, kann das sowohl die Zelle als auch den Balancer schädigen, weil die Spannungen weiter auseinanderlaufen. Das ist wie bei einer Schafherde: meistens bleiben die schön beieinander, aber wenn nicht, sollte der Hund schneller rennen können als die Schafe.

Im laufenden Betrieb ist der auftretende Ladungsunterschied - Zelldrift genannt - sehr gering. Bei einmal ausbalancierten ("initialisierten") Zellen ist es daher 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. Da die Ladeschlussspannung von 14,4 V nur für den Zellenausgleich notwendig ist, sollte man eine niedrigere Spannung von 13,8 ... 14,0 V wählen, wenn man die Batterie ohne Balancer betreibt.

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. Zunächst sollte aber die Spannung jeder Zelle gemessen werden, der normalerweise bei 3,2 .. 3,3 Volt liegt. Stark abweichende Zellen sollten einzeln behandelt werden. Tiefentladene Zellen (0,1 .. 2,5 V) müssen zunächst mit sehr geringem Strom geladen werden (Raumtemperatur, max 0,01 C), sind dann aber durchaus zu retten. Folgende Möglichkeiten gibt es für das anschliessende initalisieren; man kann sich nach Gusto und elektrischer Ausrüstung die passende raussuchen:

  • Best Practice: 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). "Beliebiger" Strom heisst natürlich maximaler Ladestrom multipliziert mit Zellenanzahl, das dürfte aber kaum ein Netzteil schaffen. Die Methode ist mit provisorischem Verschaltungsaufwand verbunden, aber dafür auch für Zellen mit abweichenden Spannungen geeignet. Auch dauert das Laden relativ lange, da sich der Ladestrom auf die Zellen aufteilt. Es ist aber die sicherste Variante, die Zellen auf einen Ladezustand zu bringen, und bedarf keiner weiteren Schritte oder Messungen - einfach laden, bis 3,6 V erreicht sind und der Ladestrom auf Null abgesunken ist. Dann ist man fertig, aber wenn's ein paar Tage länger dranhängt, macht das auch nichts. Nach Abklemmen die Spannung der einzelnen Zellen messen, die sich nicht nennenswert unterscheiden dürfen.
  • Einfach und langsam: wenn aktive Balancer verbaut werden, kann man die fertig zusammengebaute Batterie mit geringem Strom laden. 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. Bei Zellen, die bereits von vornherein abweichende Zellspannungen haben, ist das Verfahren nicht zu empfehlen. Es ist aber gut geeignet, eine bereits eingebaute und schlecht zugängliche Batterie erneut zu initialisieren, etwa nach einer Tiefentladung. Einfach mit geringem Strom (z.B. 1 A) vollladen.
  • Die Heizlösung: 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. Kommt man an die Zellen heran, ist eine gute Möglichkeit, einen aktiven Balancer zusätzlich zu passiven für die Initialisierung provisorisch anzuschliessen. Hat man keinen Zugriff auf die Zellen, etwa bei einer verklebten Fertigbatterie, bleibt leider als einziger Ausweg das Laden mit geringem Strom - kleiner als der Balancerstrom - verbunden mit der Hoffnung, dass der Balancer nicht aussteigt.
  • Für Bastler: die Zellen können alternativ mit einem LFP-Ladegerät für Einzelzellen oder einem Labornetzteil (3,6 V) einzeln geladen werden. Das funktioniert sowohl mit einzelnen Zellen als auch mit der fertig zusammengebauten Batterie. Noch nicht vollgeladene Zellen erkennt man daran, dass der passive Balancer nicht warm wird, oder an der Spannung, die noch deutlich unter 3,6V liegt. Vorteilhaft ist die Methode, wenn die einzelnen Zellen sehr unterschiedlichen Ladezustand haben oder sogar tiefentladen sind.
  • Mobildomizil Spezial: 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. Ein (zusätzlicher) Balancer sollte dabei angeschlossen sein. Wenn der Ladestrom gegen null geht, kann man mit geringem Strom (kleiner als der Balancerstrom) fertigladen, oder die Zellen durchmessen und gezielt Zellen nachladen oder entladen. Das ist die schnellste Methode, insbesondere dann, wenn die Spannung der Zellen kaum abweicht. Bei unterschiedlichen Zellspannungen und damit stark abweichendem Ladezustand sollte man zur Best Practice greifen und parallelschalten.
BMS (Battery Management System)

Das ist ein hochgestochener Name für eine Black Box, gern in rot,, 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 üblicherweise noch eine Schutzabschaltung gegen Über- oder Unterspannung. Manchmal ist auch der Batteriecomputer integriert, häufig mit Funkanbindung (WLAN oder 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). Unter anderem deshalb habe ich separate Funktionen lieber auch in separaten Geräten. 

Die Kernfunktionen des BMS sehe ich wie folgt:

  • Balancing eines abweichenden Ladezustands der Einzelzellen ist sinnvoll, allerdings warten die meisten BMS hier mit sehr geringen Balancerströmen auf (z.B. 50 mA). Dezidierte Balancer gleichen mit 1-3 A aus und sind nicht sehr teuer. Daher ist es besser, das BMS durch Balancer zu ersetzen als umgekehrt. Man kann aber auch problemlos beides parallel betreiben.
  • Bei Unterspannung ist die Schutzabschaltung nicht verkehrt, aber im Wohnmobil überflüssig: das EBL (oder der Wechselrichter) schaltet bei Unterspannung sowieso ab, 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. Keiner macht den ersten Schritt.
  • 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 weitere Funktionen, wie etwa "Temperaturschutz" - da der Verschleiss der Zellen bei Frost etwas ansteigt und der zulässige Ladestrom sinkt, 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.
  • Die wichtigste Funktion aus Sicht der Fertigbatterie-Hersteller ist eine Überwachung der einzelnen Zellspannungen mit einer selektiven Abschaltung des Ladezweigs. Dann geht auch bei einer nicht initialisierten Batterie nichts kaputt, und der Nutzer merkt den Vorgang nur an einer geringeren nutzbaren Kapazität (wenn überhaupt). Das erspart das langwierige und damit teure Initialisieren. Kann man innovativ finden, für mich ist es Pfusch.

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 gleichem Schutzniveau. 

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