Selbstbau LiFeYPO4-Akku im Wohnmobil - Theorie

Aufgrund der Vielzahl an Nachfragen: Sobald es einen Schaltplan gibt, wird er auf unserer website zu finden sein. Solange dieser Text hier zu lesen ist, gibt es keinen Schaltplan und er ist auch nicht durch mehrmaliges Anschreiben schneller verfügbar. DANKE!

Michael Staake, 03.06.2018

 

Wir wollen möglichst lang autark sein, dazu gehört auch eine ausreichende Kapazität des Aufbau-Akku. Um dabei nicht alle Gewichtsziele zu reißen, ist moderne Lithium-Technologie bei der Stromversorgung eine gute Möglichkeit.

Was ist LiFePO4, LiFeYPO4, LiPo, Lithium? Warum ein Lithium Akku im Wohnmobil? Was ist dieses BMS?

Ich versuche die Basis in ein paar kurzen Sätzen wiederzugeben, möchte dann darauf eingehen wozu man ein Batterie-Management-System benötigt und wie man ein solches BMS und die Abschalteinrichtung des Akkus umsetzen kann.

Danach möchte ich hier zeigen, wie man einen LiFeYPO4-Akku für das Wohnmobil als Aufbau-Akku selbst bauen kann.

LiFePO4, LiFeYPO4, LiPo, Lithium - was ist das?

Es handelt sich hierbei um einen Akku bzw. eine Zelle mit einer Lithium-Elektrode, Lithium ist ein chemisches Element mit dem Kurzzeichen/ Symbol Li.

LiFeYPO4 steht für Lithium-Eisenphosphat, dotiert mit Yttrium. Es handelt sich also um eine Variante der positiven Lithium-Elektrode.

Der hauptsächliche Vorteil dieser Variante des Lithium-Akkus ist, dass er bei einem Kurzschluss nicht thermisch "durchgeht", er kann sich also nicht selbst entflammen, was durchaus bei Laptop- oder Handy-Akkus ja schon berichtet wurde. Der Grund dafür ist das Yttrium, deshalb kommen für uns somit nur die mit Yttrium dotierten Zellen in Frage.

 

Warum überhaupt ein Lithium-Akku?

Ganz einfach: Lithium Akkus haben eine deutlich höhere Energiedichte als sämtliche Blei-Akku-Varianten (bspw. Blei-Säure, AGM, Blei-Fließ etc.) und man kann nahezu die gesamte Akku-Kapazität nutzen. D.h. man kann den Akku bis zu 80-90% und mehr entladen. Einen Blei-Akku kann man, je nach Typ, ca. 50-60% entladen.

Weiter können deutlich höhere Ströme entnommen werden und es können deutlich höhere Ladeströme eingesetzt werden. Auch fällt die Spannung bei einer LiFeYPO4-Zelle bei Belastung erst kurz vor der Entladung ab. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Unterspannungsschutz bei einer hohen Stromstärke unter Umständen nicht zu früh zur Abschaltung führt.

 

Unterm Strich: ein Lithium-Akku ist bei gleicher nutzbarer Energie deutlich leichter als ein Blei-Akku. Und genau das ist der Vorteil für den Einsatz im Wohnmobil.

 

Unser Sprinter leidet ein wenig an Übergewicht. Dickster Brocken ist unser 230Ah-Bleiakku mit gut 70kg, also jede Menge Potential zum Abspecken. Ich nehme es direkt vorweg: unser LiFeYPO4-Akku ist bei etwas höherem nutzbaren Energiegehalt ganze 42kg leichter!

Warum einen LiFeYPO4-Akku für das Wohnmobil selbst bauen?

Warum selbst bauen?

Auch darauf ist die Antwort recht simpel: man kann, genauso wie beim Wohnmobil-Selbstausbau, alles auf seine Bedürfnisse anpassen! Zudem ist es deutlich günstiger als eine fertige Lösung zu kaufen!

Dazu kommt, dass es Ende 2015, also zum Zeitpunkt als wir beschließen auf Lithium umzurüsten, nur sehr wenige fertige Lösungen zu kaufen gibt - diese dann eben aber zu horrenden Preisen.

 

Wie baut man einen LiFeYPO4-Akku selbst, was braucht man dafür?

Das Prinzip ist eigentlich recht simpel, es sieht nur auf den ersten Blick kompliziert aus.

Jetzt zur Theorie - Grundlagen zur Lithium-Zelle und eines Lithium-Akkus

Betrachten wir erstmal eine einzelne Zelle. Dabei gehe ich ab jetzt immer von den Zellen aus, welche wir verwenden: WB-LYP160AHA der Firma Winston.

Eine dieser Lithium-Zellen hat eine Nennspannung von 3,3 Volt. Man darf sie bis 2,8V entladen und man darf sie mit bis zu 4V laden. Je nach Lade- oder Entladezustand hat die Zelle eine gewisse Spannung. Unser Bordnetz hat eine Nennspannung von 12V, real liegt sie üblicherweise bei mindestens 12,2V, bei laufender Lichtmaschine bis zu 14,5V,

Für einen LiFeYPO4-Akku müssen also 4 Zellen in Reihe geschaltet werden:

 

4Zellen x 3,3V = 13,2V

 

Jede Zelle ist nun herstellungsbedingt/ toleranzbedingt leicht unterschiedlich, nimmt den Strom unterschiedlich auf und gibt ihn unterschiedlich ab. Wenn man also mehrere Zellen zusammenschaltet, kann sich über einen gewissen Zeitraum bzw. über eine gewisse Anzahl an Lade- und Entladezyklen bei jeder Zelle ein unterschiedlicher Zustand einstellen.

 

Die zusammengeschalteten Zellen, also der gesamte Akku, hat nach außen eine Gesamtspannung, also bspw. diese 13,2V Nennspannung. Die einzelnen Zellen können dabei aber weit von ihrer Nennspannung entfernt liegen, bis hin zur Unter- oder Überspannung.

Ein kleines Beispiel:

Der Akku hat beim Entladen eine Gesamtspannung von 12V - wenn alle Zellen den gleichen Zustand hätten, wären das 3V pro Zelle:

 

12V / 4Zellen = 3V

 

Alles also i.O.! Wirklich immer alles i.O.? 

Nein, real kann eine Zelle bereits bei 2,499V sein, wenn die anderen z.B. alle 3,167V haben. Die Gesamtspannung und deren Überwachung ist im grünen Bereich, die eine Zelle ist aber mit 2,499V bereits tiefentladen!

 

2,499V +  3,167 + 3,167 + 3,167 = 12V

 

Gleiche Beispielrechnung könnte man für das Aufladen erstellen. Das Ergebnis wäre das Gleiche: eine der Zellen könnte schon überladen sein.

Um das Entladen oder Überladen der einzelnen Zellen des Akkus zu vermeiden, benötigt man ein Batterie-Management-System, kurz BMS.

Was ist das BMS und was macht es? Was ist LVP und OVP? - Batteriemanagementsystem.

BMS bedeutet Batteriemanagementsystem.

Das BMS, wie es bei unserem Akku bzw. auf jeder Zelle verbaut ist, hat drei Aufgaben:

  1. Unterspannungsschutz, Low-Voltage-Protection, kurz LVP
  2. Überspannungsschutz, Over-Voltage-Protection, kurz OVP
  3. Ausgleich der Ladezuständer der Zellen untereinander, Balancing

 

Konkret passiert bei dem von uns verwendeten Lipro 1-1 BMS-Modul folgendes:

  1. Bei einer Unterspannung der überwachten Zelle wird der LVP-Pfad abgeschaltet. Das passiert nach einem gewissen Zeitraum unterhalb 2,8V, also verzögert, oder sofort bei Erreichen von 2,6V. Was davon zuerst eintritt, hängt vom Ladezustand, der Temperatur und dem Entladestrom ab. Sobald das Lipro-Modul des BMS eine Spannung von >3,2V misst, wird der LVP-Pfad wieder zugeschaltet.
  2. Bei einer Überspannung der überwachten Zelle von 3,9V wird der OVP-Pfad abgeschaltet. Bei einer Spannung von 3,5V wird wieder zugeschaltet
  3. Ab einer Zellspannung von 3,65 Volt beim Laden wird ballanciert. D.h. ein Ausgleichstrom von bis zu 1A wird an die anderen Zellen weitergeleitet, um den Ladestrom der Zelle zu reduzieren und den Ladestrom der anderen Zellen zu erhöhen.

Wie funktioniert die Abschaltung bei Unterspannung und Überspannung? LVP und OVP.

Zur Abschaltung des Akkus bei Erreichen der unteren Spannungsgrenze, sowie bei Erreichen der oberen Spannungsgrenze, sind zwei Steuer-Pfade notwendig: ein LVP- und ein OVP-Pfad.

Im Prinzip ist damit jeweils ein Stromkreis aus mehreren "Schaltern" und einem Relais gemeint. Die einzelnen "Schalter" sind Optokoppler und Teil des jeweiligen Lipro-BMS-Moduls auf den einzelnen Zellen. Alle Module bzw. die jeweiligen LVP- und OVP-"Schalter" sind miteinander über Kabel zu einem Stromkreis verbunden. Dieser Stromkreis ist, wenn alle Zellen im grünen Bereich liegen, geschlossen. Es kann also ein Strom durch diesen Stromkreis fließen.

Dieser jeweilige Stromkreis verbindet nun ein Relais mit der Spannungsquelle (dem Akku selbst), versorgt also den Steuerstromkreis des Relais und steuert dieses somit an.

Wird nun einer der "Schalter" geöffnet, also bei erreichen der Unterspannung im LVP-Pfad oder bei Erreichen der Überspannung im OVP-Pfad, wird das jeweilige Relais nicht mehr mit Strom versorgt und öffnet den Lastkreis - der Stromfluss zum Verbraucher bzw. vom Ladegerät ist unterbrochen.

Warum getrennte Stromkreise zum Laden und Entladen?

Im Bild des Akku-Oberteils weiter oben sind die beiden Stromkreise einmal mit grünen Kabeln (OVP) und einmal mit orangenen Kabeln (LVP) realisiert. jeder Stromkreis steuert ein eigenes Relais an. Man kann theoretisch auch LVP- und OVP-Pfad zusammen schalten und insgesamt nur ein Relais zum Trennen der Ladegeräte und Verbraucher nutzen. Zwei getrennte Kreise haben aber einen in meinen Augen sehr wichtigen Vorteil:

 

Schaltet bspw. der LVP-Pfad ab, können keine Verbraucher mehr den Akku entladen. Der OVP-Pfad bleibt aber eingeschaltet, so dass die Ladegeräte den Akku weiterhin laden können. Würde alles komplett abgeschaltet werden, müsste der Akku manuell wieder zugeschaltet werden um ihn aufladen zu können. Dann müssten auch die Verbraucher manuell an ihren jeweiligen On/Off-Schaltern abgeschaltet werden, damit sie beim manuellen Zuschalten des Akkus diesen nicht weiter entladen.

 

Andersherum genauso, schaltet der OVP-Pfad ab, aber der LVP-Pfad bleibt eingeschalten, dann können die Verbraucher Strom entnehmen und der Akku kann aus dem Überspannungsbereich ohne weiteres Eingreifen entladen werden. Diesen Fall würde man also somit garnicht bemerken, weil alle Verbraucher ganz normal funktionieren.

Würde bei diesem Fall der Akku komplett abgeschaltet werden, dann müsste man den Akku manuell einschalten um ihn dann manuell zu entladen.

 

Der Nachteil dieser Aufteilung ist: man muss konsequent Verbraucher-Stromkreis und Ladestromkreis voneinander trennen.

 

Man muss für sich selbst entscheiden: möchte man im Fall einer LVP- oder OVP-Abschaltung manuell eingreifen müssen oder möchte man alles so komfortabel wie möglich, also automatisiert,  ausführen. Gerade ein Abschalten des Lade-Stromkreis möchte ich nicht durch Abschalten aller Verbraucher, bspw. der Heizung in der Nacht, mitgeteilt bekommen.

Wie man die Relais für die Sicherheitsabschaltung der Stromkreise des LiFeYPO4-Akkus richtig auswählt, erfahrt ihr im nächsten Artikel

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Kommentare: 8
  • #8

    Malte (Freitag, 26 Oktober 2018 11:23)

    Hallo Michael,
    vielen Dank, dass du deine Kompetenz und Wissen hier so ausführlich teilst. Mich würde die Kosten eines derartigen Systems sehr interessieren. Wäre es möglich, dazu eine grobe Auflistung zu erstellen? Das wäre genial.
    Vielen Dank und schönen Gruß Malte

  • #7

    Chris (Montag, 01 Oktober 2018 14:28)

    Gibt es inzwischen den Schaltplan? ...oder seh ich nur den Link nicht?

  • #6

    Michael von wirsehnunsunterwegs.de (Mittwoch, 19 September 2018 12:56)

    @Marcel: der Schaltausgang steuert die 12V+ Zuleitung zur OVP-/ LVP-Schleife
    Es wird einen Artikel zum Schaltplan geben.
    Grüße
    Michael

  • #5

    Michael von wirsehnunsunterwegs.de (Mittwoch, 19 September 2018 12:54)

    Der Lüfter sollte vermutlich beim balancieren einschalten, denn dabei entsteht Wärme. Bei OVP und LVP wird ja abgeschaltet, dabei sollte also keine weitere Verlustleistung vorhanden sein.
    Grüße
    Michael

  • #4

    Ben (Freitag, 14 September 2018 12:00)

    Hallo,

    Danke für deinen tollen und vorbildlichen Beitrag zu diesem Thema. Ich werde mir ein Beispiel an deinem System nehmen und einen Ersatz für eine 140Ah Gelbatterie im Nugget konzipieren.

    Aufgrund bescheidener Platz und Lüftungsverhäktnisse möchte ich einen sehr sehr leisen Bedarfslüfter anschließen und die „Active“ BMSe verwenden, also ohne Kunstlast.

    Hast du eine Idee, wie man den Lüfter gut einbinden könnte? Ich stelle mir vor, dass er bei OVP und/oder (logisch OR) LVP einschaltet. Ohne Last und ohne Ladung sollte es keine zu hohe Temperatur geben. Bei Temperaturabschaltung des BMS wird auch OBP und LVP getrennt.

    Alternativ wäre eine temperaturabhängige Lüftersteuerung auch möglich.

    Gruß
    Ben

  • #3

    Marcel (Freitag, 24 August 2018 09:33)

    Hi Michael,
    Habt ihr ein Schema für diesen Aufbau?
    Welches Relais steuerst du mit dem Schaltausgang des Shunts an (für die Abschaltung am Votronic-Display)?
    Gruss Marcel

  • #2

    Michael von wirsehnunsunterwegs.de (Samstag, 04 August 2018 11:10)

    balanciert wird ab 3,65V, abgeschaltet wird bei 3,9V - alles pro Zelle gesehen.
    Bei diesem System wird 1A verbraten, nicht weitergegeben. Die Effizienz ist so völlig ausreichend.
    Das Teil in der Wand ist ein Batteriecomputer der nur den GesamtEingang/ Gesamtausgang (A) und Gesamtspannnug misst

  • #1

    Dino (Donnerstag, 14 Juni 2018 23:04)

    Hallo Micha. Sehr schöner, eingängiger Bericht. Ich denke ich habe es verstanden. Alleine das Ballancieren lässt mich grübeln. Gibt es da zwei Zustände vom Ballancieren?
    1. Wenn eine Zelle 3,9 Volt erreicht hat, schaltet der OVP noch nicht ab, erst wenn alle Zellen diesen Wert erreicht haben öffnet das OVP-Relais. Bis dahin geben die "vollen" Zellen den Ladestrom in Form von Wärme ab.
    Liege ich da richtig? .... und wäre es sinnvoll da einen Lüfter einzubauen?
    2. Ab 3.65 Volt - 3,9 Volt Volt gibt eine Zelle einen Teil des Ladestromes (bis 1 Ampere) an die nächste ( oder alle nachfolgenden Zellen - das ist mir nicht klar) Zelle weiter ( ich denke mal die blauen Leitungen übernehmen das). Woher bekommt denn jetzt die erste Zelle ihren zusätzlichen Ladestrom( Ausgleichsstrom) wenn sie ihn denn braucht?
    3. Ist das Bedienteil in der Wand mit einem Prozessor versehen der die vier Lipro-Module koordiniert oder sind die eigenständig unterwegs, so das man auf dem Display nur Infos abrufen kann und Einstellungen verändert?
    Fragen über Fragen, obwohl ich das Prinzip verstanden habe.
    Ihr habt einen schönen Kanal auf Youtube. Freue mich schon auf den Bau des Akkus.
    Hoffentlich mit Schaltplan ;-)
    Grüße Dino