Lithium Batterietechnik LiFePO4 - die optimale Energieversorgung im Reisemobil

Batterie-Info:
Vor einigen Jahren waren Batterien mit Lithium-Ionen-Technik noch die Exoten unter den Speichermedien. Zuerst verbaut in handlichen Elektro-Kleingeräten, etablierte sich dieser Batterietyp dann in den letzten Jahren immer mehr. Während die Gerätschaften der ersten Stunde mehr oder weniger zuverlässig ihren Dienst absolvierten, zählen die Stromspeicher dieser Tage zu den zuverlässigsten überhaupt. Dies hat zum einen damit zu tun, dass die renommierten Hersteller von Batteriezellen nun wissen was zu tun ist und parallel die Ladetechnik und Steuerelektronik angepasst wurde. Es war somit nur noch eine Frage der Zeit, wann diese Speichertechnik auch Einzug in den mobilen Alltag von Reisemobilen und Caravans halten würde, da oberflächlich betrachtet vieles für und wenig gegen den Einsatz der Lithium-Ionen-Technik spricht. Denn diese Batterien haben kein Problem mit Sulfatierung und die Speicherkapazität ist im Verhältnis zu Abmessung und Gewicht weitaus höher als bei der klassischen Bleibatterie in AGM oder Gel-Ausführung. Sie könnte sogar noch um einiges größer sein, aber der Sicherheit geschuldet sowie den speziellen Anforderungen im Reisemobil wird hier die als LiFePO4-Batterie bekannte Speichertechnik eingesetzt. Wer etwas recherchiert wird schnell feststellen, dass es ganz viele LiFePO4-Batterien am Markt gibt.

Das Thema ist aber die bereits erwähnte spezielle Anforderung im Reisemobil. Aufbau und Funktion: Äußerlich unterscheidet sich eine LiFeP04- Batterie nicht von einer handelsüblichen AGM oder Gelbatterie. Im Innenraum sieht es aber ganz anders aus. Je nach Hersteller sind einzelne Zellen verbaut, die es in unterschiedlichen Bauformen gibt. Konzipiert als Flach- oder als Rundzelle werden diese je nach Spannungslage verschaltet, um dann parallel zusammengeführt, die gemeinsame Ausgangsspannung zu generieren. Überwacht wird das Ganze mit einer Überwachungs-und Steuerelektronik kurz BMS genannt. Dieses Kürzel steht für „Batterie Management System“ und ist zumeist im Batteriegehäuse mit integriert. Das BMS ist auch das Herzstück des ganzen Systems, da es so ziemlich alles überwacht, ausgleicht und steuert. Wer sich die Platine des BMS ansieht wird verwundert sein wie viel Elektronik bereits nötig ist, selbst wenn die Batterie nur ein Golfcart mit kleiner Leistung versorgt. Bei dem BMS muss auch mit höchster Sorgfalt und Präzision gearbeitet werden, da der Ausfall eines noch so kleinen Bauteils den sofortigen Ausfall der kompletten Bordbatterie nach sich zieht.

Die Elektronik in der Batterie:
Das BMS überwacht und steuert aber nicht nur die einzelnen Zellen, es ist auch zuständig für das Abschalten der Batterie bevor diese von den angeschlossenen Verbrauchern zu tief entladen wird. Auch vor Überspannung gilt es zu schützen, ebenso muss das BMS einschreiten, wenn die Batterietemperatur zu weit ansteigt oder die Batterie kurzgeschlossen wird.

In wie weit dies alles zuverlässig ausgeführt wird, ist schwierig zu sagen, da viele Hersteller LiFePO4-Batterien für den Massenmarkt herstellen. In erster Linie gehen diese an bereits erwähnte Golfcarts und wurden auch für diese entwickelt. Im besten Fall wurde von den Herstellern das BMS etwas modifiziert und für höhere Leistungen ausgelegt. Ganz selten hat man aber daran gedacht auch den Pluspol auf die richtige Seite zu verlegen. Wer seine Gel oder AGM-Batterie austauschen will (Pluspol rechts) wird oft feststellen, dass die Kabel zu kurz sind da man versäumt hat die Batteriepole oder Verschraubungen nach europäischen Maßstäben auf der richtigen Seite zu platzieren.

Wann lohnt sich der Umbau auf LiFeP04 Batterien?
Diese Frage wird uns in den letzten Jahren immer öfter gestellt. Wie auch bei der ähnlichen Frage vor 25 Jahren zum Thema „Solartechnik“, möchten wir Ihnen auch heute provokativ antworten. Überhaupt nicht. Jedenfalls nicht für denjenigen, welcher mit seinen Gel oder AGM-Batterien bisher auch gut klar gekommen ist. Das Argument, dass diese Batterie 10 Jahre oder länger hält ist zwar beeindruckend, doch eigentlich nur ein Verkaufsargument, wenn das Fahrzeug auch solange selbst gefahren wird. Ins neue Fahrzeug umbauen ist zwar eine nette Vorstellung, aber machen in letzter Konsequenz dann doch die wenigsten. Nein, das Argument für eine LiFePO4- Batterie muss ein ganz anderes sein. Das Reisemobil ist mein Hobby. Ich will damit unterwegs sein und auch bei kurzen Fahrstrecken mit einem Booster meine Batterien schnell vollladen. Ich habe meine Kaffee- oder Espressomaschine dabei und vielleicht nehme ich auch noch das ein oder andere Haushaltsgerät mit. Wenn meine Frau föhnt, will ich mir keine Gedanken machen ob sie 5 oder auch 10 Minuten braucht. Ich will über meine komplett eingelagerte Batteriekapazität verfügen. Ob sich die Investition in eine Batterietechnik lohnt ist nicht mein Thema, da ich mir diese Frage auch nicht gestellt habe, als ich mir mein Wohnmobil gekauft habe. Ich bin gerne unbeschwert unterwegs, habe ein funktionierendes System aus Solar, Booster und Lithiumbatterie und das ist auch gut so.

Die echten Vorteile:
Immer wieder ist zu lesen, welche Vorzüge LiFePO4 Batterien haben. Leistungsdichte, Gewicht, Lebensdauer sind die gängigen und immer wieder genannten Argumente. Ein ganz wichtiges -bzw. das eigentlich wichtigste- Argument wird selten genannt und hier wird klar, dass viele Hersteller den Einsatzbereich und somit die Problematik von Batterien in Reisefahrzeugen überhaupt nicht überblicken. Für LiFePO4-Batterien ist das Problem der Sulfatierung nicht existent. Während herkömmliche Batterien in teilgeladenem Zustand stetig an Speicherkapazität durch Sulfatierung verlieren, ist dies für LiFePO4 kein Thema. Auch eine regelmäßige Vollladung ist nicht nötig, was normale AGM oder Gelbatterien mit sehr frühem Ausfall quittieren. Schnelle Ladung: Oft als Vorteil aufgeführt wird auch, dass LiFePO4-Batterien schnell aufzuladen sind. Abgesehen davon, dass eine Ladung mit hohem Strom ebenso wie eine hohe Entladung der Lebensdauer keines Batterietyps zuträglich ist, steht für eine Schnellladung im Reisemobil die Infrastruktur auch nicht zur Verfügung. Im Ansatz stimmt die Aussage aber doch, man muss es nur anders betrachten. Ladegeräte von herkömmlichen Gel- oder AGM-Batterien müssen relativ früh die Ladeleistung reduzieren und taumeln dann über Stunden der Vollladung entgegen. LiFePO4- Batterien können dagegen den vollen Strom bis zur Vollladung aufnehmen. Somit sind diese Batterien einfach schneller vollgeladen und somit stimmt die Aussage der „schnelleren Ladung“ im Grunde dann doch.

Die richtige Infrastruktur:
Es hat sich herum gesprochen, dass Bordbatterien immer mit der jeweiligen für den Batterietyp festgelegten Kennlinie geladen werden sollten. Diese sind üblicherweise im Ladegerät hinterlegt und bei Einbau wird dann die passende Kennlinie aktiviert. Bei Standard-Säurebatterien in Flüssig, Gel oder AGM-Ausführung wird die Vollladung – abhängig von der Temperatur – erst nach mehreren Stunden erreicht (Absorptionsphase), da diese Batterietypen ab einem bestimmten Ladezustand nicht mehr mit dem vollen Strom bis zur Vollladung beaufschlagt werden dürfen. Zuerst wird also mit vollem Strom geladen, um dann mit hoher Spannung aber reduziertem Strom die Vollladung irgendwann zu erreichen. Bei Gelbatterien dauert diese Absorptionsphase bis zu 12 Stunden, aber auch bei Einstellung auf AGM sind Ladezeiten – je nach Hersteller – von bis zu 5 Stunden hinterlegt. Produzenten von LiFePO4-Zellen sind sich aber einig, dass unmittelbar nach der Vollladung – die mit vollem Strom erfolgen kann – nur eine kurze Absorptionsphase (max. 1h) folgt, um dann die Ladung einzustellen und die Spannung auch sofort auf ein weitaus niedrigeres Niveau abzusenken. Das ist auch der Grund, warum eine LiFePO4 Batterie eine eigene Kennlinie benötigt. Einige Batteriehersteller behaupten nun, dass ihre LiFeP04-Batterie mit jedem Ladegerät aufzuladen sei. Die Aussage ist grundsätzlich nicht falsch, da der vom Lader angebotene Strom auch von einer entladenen LiFePO4-Batterie dankend angenommen wird. Interessant wird es dann, wenn die Batterie den Vollladezustand erreicht hat. Dann wird mit der falschen Kennlinie über Stunden ein viel zu hohes Spannungsniveau gehalten. Ein Zustand der laut Batterie-Zellhersteller unbedingt vermieden werden sollte, da dies den Zellen und deren Lebensdauer nicht zuträglich ist.

Laden während der Fahrt:
Die meisten Ladegeräte, Solarregler oder auch die Brennstoffzelle sind heutzutage mit einer Kennlinie für LiFePO4-Batterie ausgerüstet. Die Lichtmaschine des Fahrzeugs ist davon aber unbeeindruckt. Nach mehrstündiger Fahrt ist entweder die LiFePO4-Batterie nicht voll geladen, weil die Spannung bis zum erreichen der Bordbatterie durch lange Kabelwege zu gering ist, oder es wurde grundsätzlich über die gesamte Fahrdauer mit zu hoher Spannung geladen. Beides ist unbefriedigend. Es macht keinen Sinn Geld in eine hocheffiziente Batterie zu investieren und die Infrastruktur nicht danach auszurichten. Abhilfe schafft in dem Fall eigentlich nur ein geeigneter Ladebooster. Eingestellt auf den Batterietyp senkt er die Ladespannung zum richtigen Zeitpunkt oder hebt diese grundsätzlich an, um überhaupt und schnell die Batterie in den Vollladezustand zu versetzen. Grundsätzlich wird sowieso ein Ladebooster benötigt, wenn das Fahrzeug mit einer intelligenten Lichtmaschine ausgerüstet. Die Batterie die alles kann Technisch machbar ist es, dass die integrierte Steuerlektronik (BMS) einer LiFePO4-Batterie, zusätzlich zu ihrer Überwachungs- und Ausgleichsfunktion, auch noch die komplett ankommende Ladung managt. Wir haben hierzu im Vorfeld einige Ideen umgesetzt, aber sind in letzter Konsequenz zur Überzeugung gelangt, dass dies nicht zielführend ist. Je nach Rahmenbedingung steigt die Innenraumtemperatur der Batterie im Fahrbetrieb unnötig an und generiert ohne Not einen vorzeitigen Kapazitätsverlust oder schaltet im schlechtesten Fall die komplette Batterie ab. Man kann es drehen wie man will. Eine moderne Batterie braucht eine ordentliche Infrastruktur. Das soll aber nicht bedeuten, dass Fahrzeuge die diese nicht besitzen grundsätzlich auf die Vorzüge einer LiFePO4-Batterie verzichten müssen. Hat ihr Reisemobil kein Ladegerät mit LiFePO4-Kennlinie, dann integrieren Sie einfach eine Booster/Ladekombination in Form eines BCB (Batterie-Control-Booster) von Büttner oder einen Triple Charger von Votronic. Der Triple Charger hat zusätzlich den Vorteil, dass dieser noch einen Solarregler integriert hat. Diese managen die 230V-Ladung und zusätzlich die Ladung während der Fahrt mit genau der richtigen Kennlinie. Das Votronic Gerät managet zusätzlich den Ladestrom der Solarzellen.

Batteriedaten via Bluetooth:
Viele verwenden heutzutage eine App um unterschiedliche Informationen auf das Handy zu übertragen. Es gibt ohne Frage sehr nützliche Anwendungen in diesem Bereich. Eine große übersichtliche Anzeige. Sofort alles im Blick und berechnen wie lange die Batteriekapazität beim momentanen Stromverbrauch noch reicht geht damit auch.

Es besteht die Möglichkeit bei allen Batteriegrößen hohe Entladeströme für den Wechselrichterbetrieb zu entnehmen und intern wurde eine Temperatursteuerung integriert, um eine optimale Ladung auch bei kritischen Außentemperaturen zu realisieren. Auf letztere Themen gehen wir aber noch einmal genauer ein.

Wenig Augenmerk wurde und wird auf die Leistungsabgabe von LiFePO4-Batterien gelegt und somit bestätigt sich immer wieder, dass nur ganz wenige Hersteller den Einsatz im Reisemobil auf dem Schirm haben. Findet sich in den technischen Daten eine maximale Stromentnahme von 50A–60A, dann reicht dies gerade um einen Wechselrichter mit 600 Watt zu befeuern. Am Markt gibt es auch LiFePO4 Batterien die 100A zulassen, doch das reicht auch nicht für einen Wechselrichter mit 1700 Watt, der einen Föhn mit 1500 Watt betreiben soll, und gerade einmal so für eine Nespresso-Kaffeemaschine. Somit liegt für uns die Vermutung nahe, dass viele der angebotenen Batterien für den stationären Einsatz oder Golfcarts konzipiert wurden. Jedenfalls nicht für Reisefahrzeuge, da wir sicher sind, wenn jemand für viel Geld Batterietechnik zukauft, ist sicher auch ein Wechselrichter Thema. Integrierte Temperatursteuerung LiFePO4-Batterien haben grundsätzlich mit dem Thema „Ladung bei tiefen Temperaturen“ zu kämpfen. In einigen Anleitungen steht, dass der Einsatzbereich der jeweiligen Batterie von –20° bis +60° reicht. Dies bezieht sich aber lediglich auf die Stromentnahme und gilt nicht für die Ladung. Die Ladung – und hier sind sich die Zellhersteller einig – sollte unter 0° bzw. bei etwas über 45° sehr stark reduziert bzw. ganz eingestellt werden. Hierzu gibt es 2 Lösungsansätze. Entweder dies wird in der Batterie selbst, also vom integrierten BMS, gemanagt oder die Batterie erhält grundsätzlich die richtige Strommenge zugeteilt. Mit beiden Lösungsansätzen haben wir umfangreiche Messungen durchgeführt und relativ schnell hat sich gezeigt, dass optimale Ladung dann umgesetzt werden konnte, wenn die Sensoren unmittelbar an den Zellen positioniert und diese Werte direkt zu den jeweiligen Ladeeinheiten (Ladegerät, Booster, BCB, ICC, Solarregler) weitergegeben wurden. Die Zelltemperatur ist hierbei auch das entscheidende Element. Weniger optimal ist gerade bei LiFePO4-Batterien die Messung direkt am Batteriepol, da hierbei nur die Umgebungstemperatur erfasst wird. Ebenso ungenau ist die interne Temperaturerfassung auf der BMSPlatine, da umliegende Bauteile den Messwert verfälschen und die Ladung abgebrochen wird, obwohl sich der darunter liegende Zellblock noch im Temperaturfenster befindet.

LiFePO4 mit integrierter Heizung:
Dem Problem geschuldet, dass LiFePO4-Batterien um den Gefrierpunkt und darunter nur noch bedingt bzw. irgendwann überhaupt nicht mehr geladen werden sollten, würde es sich eigentlich anbieten die Zellen innerhalb des Batteriegehäuses aufzuheizen. Technisch ist dies relativ einfach umzusetzen, aber nach intensiven Klimatests und gründlicher Überlegung haben wir von dieser Idee wieder Abstand genommen. Zum einen ist es sehr selten, dass, wenn ein Wohnmobil als solches genutzt wird die Bordbatterien in einem absolut ungeheizten Staukasten untergebracht sind, da Frisch- und Abwasser ja auch unverzüglich einfrieren würden. Zum anderen kehrt sich der scheinbare Vorteil bei Minustemperaturen ins Gegenteil um, wenn höhere Außentemperaturen angesagt sind. Denn bedingt durch die eingelegten Heizmatten wird auch die Wärmeableitung stark behindert. Bei sommerlichen Temperaturen ist es aber überaus wichtig die Zelltemperatur so schnell wie möglich abzuführen, um ein zu frühes abschalten der Batterie zu verhindern. Wenn im Fahrzeug bzw. im Staufach schon 29 Grad herrschen, sich die Zellen durch das Laden bzw. Entladen selbst aufheizen und zusätzlich die integrierten Balancer Wärme in das geschlossene Gehäuse abgeben, ist eine eingelegte Heizmatte – die dann als Isolierung fungiert – nicht gerade förderlich, da LiFePO4- Batterien bei höheren Temperaturen schneller an Speicherkapazität verlieren und somit ihre Lebenszeit verringert wird.

Geeignet für:
Hohe zyklische Belastungen im Reisefahrzeug und Marineeinsatz · Solaranlagen und Wechselrichterbetrieb · erschwerte Bedingungen · integrierte Temperatur-Überwachung

verkauft und montiert fachgerecht, preisgünstig Lithium LiFEPO4 Batterien der Marken:

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