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 den Wechselrichter liefern und sehr gut Ladung aufnehmen, also mit gutem Wirkungsgrad vollgeladen werden. Ausserdem sind sie leicht und kompakt. Die Kapazität ist immer noch drei- bis viermal so teuer wie AGM, allerdings kann man diese auch voll nutzen - Bleibatterien sollte man nicht weiter als bis zur Hälfte, besser nur zu einem Drittel entladen. Dies und eine unterstellte längere Haltbarkeit relativieren den Preisunterschied doch deutlich, sodass ich denke, dass Bleibatterien in den nächsten Jahrzehnten aussterben werden. 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 als Ersatz spazierenfahre, bis ich der Technik richtig traue. Hier die Modifikation mit Bildern:
 
Die Batterie, fertig zusammengebaut und mit Balancern ausgestattet. Man kann die Komponenten auch einzeln kaufen, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn mal was kaputtgeht. Die Batterie kostet knapp 500 Euro.
Der Batteriecomputer mit Shunt (links). Der Shunt ist ein hochstromfester, genau definierter Widerstand, über den der Strom fliessen muss, damit er gemessen werden kann. Durch Kontrolle der Stromaufnahme und -abgabe der Batterie ist eine gute Aussage über den Ladezustand möglich, die Messung der Spannung allein ist sehr ungenau. Das 200A-Modell kostet rund 30 Euro und erlaubt auch das Ansteuern eines Relais, was aber die Bedienung wieder recht kompliziert macht. Auch braucht es mit einem halben Watt selbst recht viel Strom. Es gibt unter dem Begriff Coulometer auch einfachere Geräte, die vielleicht hier die bessere Wahl sind. Wichtig ist, dass der Maximalstrom auf die eigenen Anwendungen und die Sicherung abgestimmt ist.

Bleibatterien lassen sich wie beschrieben durch vierzellige (4S) LiFePO4-Akkus sehr gut ersetzen. Ich habe die Batterie in eine kleine Kiste aus dem Baumarkt eingebaut und mit einem 200A-Shunt für den chinesischen Batteriecomputer sowie einem thermischen 300A-Sicherungsautomaten 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 habe ich noch eine AGM-Batterie, quasi als Ersatz. Ein Batteriewahlschalter vorn am Sitz erlaubt es, die Batterien einzeln ein- oder abzuschalten. Der Schalter trennt die Lithiumbatterie völlig, auch die Stromversorgung vom Batteriecomputer - der zieht nämlich ca. 40 mA, selbst mit abgeschaltetem Display. Die Einstellungen (Kapazität usw) behält er aber auch dann, wenn man den Strom trennt. 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 Temperaturfühler für das Ladegerät macht bei Lithiumbatterien keinen Sinn und sollte abgeklemmt werden.
 
Die fertig zusammengebaute Kiste mit Shunt und Sicherung. Hinten am Shunt (links) ist Minus, hinten am Sicherungsautomat (rechts) ist Plus. Die Sicherung ist draussen (der kleine rote Hebel), was den funkenfreien Einbau erleichtert.
Fertig eingebaut unter dem Fahrersitz. Statt der Schnellklemmen für Batteriepole wurden Ringösen an die Kabelenden gepresst. Links unten ist der Batteriewahlschalter zu sehen. Mit diesem muss man etwas vorsichtig sein: In einer Stellung werden beide Batterien parallel geschaltet. Je nach Spannung und Ladezustand fliessen hohe Ausgleichströme. Der Sicherungsautomat zeigt das zuverlässig an.
Die Schalter zum Trennen der Zuleitung zum Solarpanel, sowie zum Ladegerät/Trennrelais. Sie erlauben mit dem Batteriewahlschalter die Kontrolle, ob, wie und welche Batterie geladen wird.

Die Batterie ist mit Balancern ausgestattet. Das sind Platinen, die auf die Zellen geschraubt werden (Parallelschaltung) und ab der Ladeschlussspannung in Laderichtung Strom durchleiten. So wird sichergestellt, dass alle Zellen vollgeladen werden - wie bei einer Bleibatterie, wo auch eine vollgeladene Zelle leitfähig bleibt. Auf weitere Elektronik habe ich verzichtet. Es gibt verschiedene Überwachungssysteme, die unter dem Begriff Batterie-Management-Systeme (BMS) zusammengefasst werden. Sie schützen vor Überspannung und Tiefentladung, beides schädigt die Lithiumzellen irreversibel. Ich verlasse mich auf meine Ladegeräte sowie auf die Kontrolle durch den Batteriecomputer. Leider benötigen die Geräte, die bei Unterspannung die Batterie trennen, selbst Strom, und zwar auch nach dem Trennen. Bei längerer Standzeit finde ich es daher sicherer, die  Batterie einfach vollständig auszuschalten. Unterwegs sollte man den Ladezustand eh 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) schädigen den Akku. 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. gibt es entsprechende Diagramme mit temperaturabhängigen Ladespannungen. 

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.
 
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(c) 2018 Franz-Manfred Schüngel