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Lithium-Aufbaubatterie

Für die Nutzung als Aufbaubatterie sind Lithiumbatterien eigentlich perfekt, da sie nicht nur lange rumstehen können, ohne zu leiden, sondern auch hohe Ströme für Wechselrichter liefern und sehr gut Ladung aufnehmen, also mit gutem Wirkungsgrad vollgeladen werden. Ausserdem sind sie leicht und kompakt. Durch die elektrischen Eigenschaften und die inhärente Sicherheit sind Sekundärbatterien mit Lithium-Eisenphosphat (LFP oder LiFePO4) als Aktivmaterial optimal, da sie Bleibatterien problemlos 1:1 ersetzen können. Die gleiche Kapazität (Amperestunden, Ah) ist noch etwas teurer als AGM, allerdings ist diese voll nutzbar - Bleibatterien sollte man nicht weiter als bis zur Hälfte, besser nur zu einem Drittel entladen; ausserdem sinkt die Kapazität von Bleibatterien über die Lebenszeit. Bei einem direkten Ersatz genügt daher ein Viertel bis die Hälfte der Kapazität der Bleibatterien. Dies und die zu erwartende längere Haltbarkeit relativieren den Preisunterschied deutlich, sodass ich denke, dass Bleibatterien in den nächsten Jahrzehnten aussterben werden. Es gibt jedoch bereits heute zwei Anwendungsfälle, bei denen der Einsatz von Bleibatterien nicht empfohlen werden kann. Dort wechselt man am besten gleich auf LFP:

  • Wer hohe Ströme über einen leistungsstarken Wechselrichter aus der Aufbaubatterie entnimmt, verringert dadurch die Lebensdauer und Kapazität (Peukert-Effekt) bei Bleiakkus
  • Wenn eine regelmässige Vollladung bei Stillstand und in der Winterpause nicht gewährleitet ist, altern Bleiakkus durch Sulfatierung

Ich habe im ersten Schritt für die Saison 2018 meine AGM-Aufbaubatterien (2x70 Ah) durch eine LiFePO4 60 Ah ersetzt, wobei ich eine AGM-Batterie zunächst noch sinnlos als Ersatz spazierengefahren habe. Danach hatte ich eine 15 Ah "Notfallbatterie", und inzwischen noch eine 80 Ah-Zweitbatterie für finstere Herbsturlaube. Hier die Details mit Bildern:

Die Batterie

Die Batterie habe ich fertig zusammengebaut gekauft. Sie besteht aus vier Zellen ("4S") in Reihenschaltung und ist mit Balancern ausgestattet. Diese werden auf jede Zelle geschraubt (Parallelschaltung) und leiten den Strom in Laderichtung ab der Ladeschlussspannung von 3,6 V. So wird sichergestellt, dass alle Zellen vollgeladen werden. Sie simulieren quasi eine Bleibatterie, bei der auch eine vollgeladene Zelle leitfähig bleibt, während bei einer vollgeladenen Lithiumzelle die Zellspannung steil ansteigt. Man kann die Komponenten auch einzeln kaufen, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn mal was kaputtgeht. Die Batterie kostete knapp 500 Euro und hat sich in den ersten Jahren voll bewährt. Sie liefert zuverlässig die gut 100 A für den Wechselrichter, und die Kapazität von 60 Ah habe ich im Sommer nur zu einem Viertel genutzt. Im Frühjahr/Herbst ist sie allerdings nach 3-4 Tagen ohne Sonne oder Fahrt leer, auch ohne Wechselrichternutzung. 

Sicherungen

Eine leistungsfähige Batterie benötigt eine nahe dem Pluspol verbaute Sicherung, um die Leitungen zu schützen. Im naiven Glauben, mir etwas Gutes zu tun, habe ich einen thermischen Sicherungsautomaten verbaut, den man nach dem Auslösen einfach zurücksetzen kann. Leider löst dieser nach einer halben Minute aus, wenn man ihn mit rund 100 A belastet. Der Ersatz durch das gleiche Modell mit 300 A verlängerte diese Zeit auf rund 2 Minuten, sodass der Kaffee kein Problem mehr war, das Haare föhnen aber schon. Ich vermute, dass die thermischen Automaten einfach die Hitze im Gehäuse nicht loswerden. Man kann die Teile zerlegen und durch Schlitze im Gehäuse vermutlich verbessern. Da ich aber keine Möglichkeit habe, die Dinger bei den Strömen zu testen, ohne jedesmal meinem armen Wechselrichter unter Last den Strom zu klauen, habe ich nach der ersten Saison einen Halter für ANL-Streifensicherungen verbaut, mit einer 350 A-Sicherung drin.

Wichtig ist noch die Versorgung des Coulometers (aka Batteriecomputer): dies wird üblicherweise über ein mehradriges Kabel mit dem Shunt verbunden, und die Versorgung mit Plus erfolgt auch am Shunt. Hier liegt das Kabel quasi quer über der Batterie, und für den unwahrscheinlichen Fall, dass sich die Verschraubung des Kabels löst, entsteht dann sehr wahrscheinlich ein Kurzschluss. Dieses Kabel muss daher unbedingt gesichert werden, und die Hauptsicherung zählt nicht, da sonst das Kabel selber zur Sicherung wird. 1 A ist völlig ausreichend; der Wert darf nicht höher sein, als der Kabelquerschnitt verkraftet. Wenn man die Sicherung so verbaut, dass man sie gut erreicht, kann man durch Ziehen der Sicherung auch in der Winterpause das Coulometer abschalten. Alternativ kann man sich auch vom Aufbau her ein abgesichertes Plus holen, wenn man etwa mit dem Bordstromschalter auch das Coulometer ausschalten möchte.

Einbau

Ich habe die Batterie in eine kleine Kiste aus dem Baumarkt eingebaut und mit dem Shunt sowie einem thermischen Sicherungsautomaten, später einer Streifensicherung verschraubt. Für einen besseren Berührungsschutz gab es noch M6-Kunststoffkappen, und für die Temperaturkontrolle ein billiges Digitalthermometer. Das Ergebnis passt gut in die Halterung der AGM-Batterie unter dem Fahrersitz. So viel Aufwand muss man vielleicht nicht treiben, aber es war halt Winter und ich bastel gern. 

Unter dem Beifahrersitz hatte ich zunächst noch eine AGM-Batterie, später eine kleine LFP (15 Ah) als Ersatz - wurde aber noch nie gebraucht. Ein Batteriewahlschalter vorn am Sitz erlaubt es, die Batterien einzeln ein- oder abzuschalten. Der Schalter trennt jeweils das Batterieplus vom Bordnetz.

Weiterhin habe ich zwei weitere Schalter unter der Sitzbank eingebaut (je 15A), die es erlauben, die Ladung über Solar und über Netz/Lichtmaschine abzuschalten. Dies ist insbesondere bei Solar wichtig, da es der Solar-Laderegler nicht mag, wenn man ihm dauerhaft die Batterie wegnimmt. Vor Trennen der Batterie muss man also Solar abschalten, und der Schalter dafür trennt das Panel vom Regler. Der Schalter muss ausreichend dimensioniert sein, um den maximalen Strom des Panels schalten zu können. Bei dem anderen Schalter, der die Ladung über den Motor trennt, ist das nicht so einfach. Er wird zwar nicht unter Last geschaltet, aber der Strom ist nur durch die Lichtmaschine begrenzt. Diese könnte schon so 150 A liefern, wenn sie will, daher habe ich in den Strang noch eine selbstrückstellende Sicherung zur Strombegrenzung verbaut.

Die Batterie ist mit Balancern ausgestattet, auf weitere Elektronik habe ich verzichtet. Es gibt verschiedene Überwachungssysteme, die unter dem Begriff Batterie-Management-Systeme (BMS) zusammengefasst werden. Sie sollen Zellen und Balancer vor Tiefentladung und Überspannung schützen. Ich verlasse mich da auf meine Ladegeräte, auf die Kontrolle durch den Batteriecomputer und die Unterspannungsabschaltung des Wohnmobils. Bei längerer Standzeit ist es ausreichend, die  Batterie einfach vollständig auszuschalten. Unterwegs sollte man den Ladezustand sowieso im Blick haben. 

Wichtig ist noch die Wahl des richtigen Ladegeräts und -programms. Die Ladeschlussspannung sollte 14,4V betragen. Bei etwas niedrigeren Spannungen wird die Batterie nicht ganz vollgeladen; bei 13,8V nur zu etwa 90%, bei noch niedrigen aber ggfs gar nicht mehr. Höhere Ladespannungen als 14,4V (3,6V pro Zelle) belasten die Balancer, die dann heiss werden, was deren Lebensdauer verkürzt. Spannungen über dauerhaft 16V (4V pro Zelle) können die Zellen schädigen. Manche Ladegeräte laden auch temperaturabhängig, und viele Ladegeräte schalten bei Erreichen der Vollladung auf eine Erhaltungsladung mit niedrigerer Spannung um. Dies kann dazu führen, dass die Lithiumbatterie nicht voll geladen wird. Die Anleitungen der Ladegeräte geben Auskunft über die Ladecharakteristik und die Ladeschlussspannung. Temperaturfühler für die Ladegeräte (Bord/Solar) machen bei Lithiumbatterien keinen Sinn und sollten abgeklemmt werden. 

Hier als Beispiel die Ladeprogramme des Votronic Solarladegeräts MPP240. Wie man sieht, sollte der Temperaturfühler abgeklemmt werden, da die Batterie nicht von der Temperaturführung für Bleibatterien profitiert und bei tiefen Temperaturen sogar überladen werden kann. Zweitens ist in diesem Fall das eigentlich recht universell geeignete Ladeprogramm für Blei-Säure-Batterien (Lead Acid) nicht optimal. Zwar beträgt die Ladeschlussspannung hier 14,4V, aber bei (kurzzeitigem) Erreichen derselben schaltet das Gerät auf Erhaltungsladung. Diese lädt die Batterie aber nicht mehr weiter, weil die Spannung zu gering ist. Wesentlich besser geeignet ist das Programm Gel/AGM1. Gar nicht geeignet ist AGM2, weil die Ladeschlussspannung zu hoch ist.

Die Zweitbatterie

Solange die Sonne ausreichend scheint, ist meine 60 Ah-Batterie vollkommen ausreichend. Zwei Tage kann ich überbrücken, und bei ordentlich Sonne ist sie in vier Stunden voll. Das ist im herbstlichen Norddeutschland nicht mehr so, und deshalb habe ich mir im Sommer 2020 eine Zweitbatterie zugelegt, die ich bei Bedarf einfach ausbauen kann. Ich habe 80 Ah-Zellen und ein Balancerboard verwendet. Die Kosten waren knapp 250 Euro, sie wiegt 6,8 kg. Befestigt habe ich sie mit einem Gurt am hinteren Batteriehalteblech unter dem Beifahrersitz, das vordere Blech habe ich ausgebaut. Da die Batterie sehr schmal baut, bleibt der Raum unter dem Beifahrersitz als Staufach erhalten.

Die vier prismatischen Zellen wurden mit doppelseitigem Klebeband verbunden, aussenherum kam noch normales Klebeband. Die Zellverbinder wurden aus Kupferblech geschnitten, die Löcher müssen etwas grösser sein als die Schrauben. Balanciert wird mit einem 1,5 A-Aktiv-Balancer. Der Zellverbinder am Ende wurde durch eine 150A-Sicherung ersetzt, so sind auch Kurzschlüsse zwischen einem Teil der Zellen abgesichert. Der Anschluss erfolgt mit einem EC5-Stecker, auf einen eigenen Batteriecomputer habe ich verzichtet - der Ladezustand dürfte vergleichbar mit der parallel angeschlossenen Batterie sein. Ecken und Kanten wurden mit Schaumstofftape aus dem Heizungsbereich geschützt, die Textilhülle hatte ich noch.

Zum Selbstbau von Batterien gibt es einen separaten Beitrag.

Titelbild: Nähe Grand Canyon, North Rim