Selbstbau LiFeYPO4-Akku im Wohnmobil - Relais für Sicherheits-abschaltung

Michael Staake, 03.06.2018

Die Theorie zum Aufbau eines LiFeYPO4-Akkus, die Vorteile eines solchen Akkus für den Einsatz im Wohnmobil, die Funktion des Batterie-Management-Systems (BMS), Grundlagen zur LVP- und OVP-Abschaltung und wozu die Relais eigentlich benötigt werden, findest du im vorherigen Artikel.

Relais für die Sicherheitsabschaltung eines Lithium Akkus im Wohnmobil

Soviel vorweg: hier wird es jetzt ein wenig komplizierter mit etwas mehr Elektrotechnik, Mathematik und Physik. Ich hoffe es ist trotzdem verständlich und nachvollziehbar. Am Ende des ganzen Aufwands steht dafür eine korrekt dimensionierte Elektrik und man spart ggf. eine ganze Ecke Geld, weil nicht blind völlig überdimensionierte Hochstrom-Schütze verbaut werden.

 

 

Welche Relais benötigt man zum Schalten der Verbraucher und Ladegeräte bzw. zum Abschalten des LiFeYPO4-Akkus?

 

Das hängt vorallem davon ab, welche Lasten geschaltet werden müssen, also welche Ströme in den Stromkreisen des Wohnmobil-Aufbaus fließen. Weiter hängt es davon ab, welchen Strom das Relais zur Ansteuerung benötigt und ob das BMS diese entsprechende Stromstärke schalten kann. Man benötigt also Relais die diese entsprechenden Stromstärken im Lastkreis schalten können und diese müssen im Steuerkreis einen Stromverbrauch haben welcher unterhalb oder gleich der max. Schaltleistung der Optokoppler des BMS ist.

Welcher Strom fliesst im Wohnmobil?

Wie oben beschrieben müssen für die Auslegung der Relais für die Verbraucher- und Ladestromkreise, sowie des LVP- und OVP-Pfades drei Stromstärken betrachtet werden:

  1. maximaler Strom auf der Verbraucherseite
  2. maximaler Strom durch Ladegeräte
  3. maximaler Schaltstrom des Batterie-Management-Systems

Die einzelnen Werte entnimmt man dem Datenblatt des jeweiligen Geräts oder man misst den Strom bei eingeschaltetem Gerät. Alternativ kann man den Strom für alle Verbraucher insgesamt am Akku messen. 

  • In unserem Fall ergibt sich ein maximaler Strom der Verbraucher von maximal 50A durch gleichzeitiges: Anlaufen der kalten Webasto Diesel-Standheizung, volle Leistung von Laptop und Boiler am Wechselrichter, Kühlschrank, Musik, Licht, Wasserpumpe etc. Dieser Strom tritt so gesammelt aber eher selten bis nie auf, im Durchschnitt sind es eher ca. 5-15A, nachts so ca. 2-3A.
  • Der maximale Ladestrom von 58A ergibt sich aus der Summe aller Ladeströme von: Sterling-B2B-Lader, Votronic-Solarladeregler und ggf. Netzladegerät. Auch dieser Strom tritt üblicherweise so nicht auf, aber nach diesen Werten muss die Elektrik ausgelegt werden.
  • Die von uns verwendeten LiPro 1-1 BMS-Module können einen Strom von 50mA schalten.

Da wir also recht überschaubare Ströme in unserem Wohnmobil haben, benötigen wir keine hochstromfähigen Relais oder Schütze. Dennoch möchten wir keine herkömmlichen Relais mit Kontaktschalter und Spule verwenden, sondern verschleißfeste Halbleiter-Relais, so genannte Solid-State-Relais, kurz SSR. Diese haben keine bewegten Teile, sind erschütterungsunempfindlich und langlebig. Aber es gibt in der Theorie einen Nachteil: der Lastpfad hat höhere Verluste als der eines konventionellen Relais.

 

Solid-State-Relais bzw. SSR haben doch viel zu hohe Verluste!

Ja, das ist richtig. In der Theorie haben diese Relais einen hohen Spannungsabfall, also hohe Verluste. Bei niedrigen Strömen, sowie bei höherer Temperatur und vorallem im Allgemeinen sowieso viel zu hoch.

Durch die Verluste wiederum erwärmen sie sich enorm und durch die höhere Temperatur steigen die Verluste weiter. Und Verluste will ich ganz sicher nicht in der Bordelektrik!

 

In der Praxis sieht das alles ein wenig anders aus.

 

Da es kaum verwertbare Angaben zum Spannungsabfall bei verschiedenen Strömen und Temperaturen gibt, ermittle ich diese eben selbst. Dazu vorweg: folgende Aussagen beziehen sich auf ein Crydom D1D60 SSR und sind nicht auf andere, vorallem nicht auf billige SSR übertragbar!

 

Dazu schleife ich das Solid State Relais in in den Stromkreis des Aufbaus ein und schalte nacheinander alle Verbraucher ein, das ganze bei einer Temperatur von 10°C. Gleichzeitig messe ich mittels Multimeter die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen der Lastseite des Relais, also den Spannungsabfall zwischen Eingang in das Relais und dessen Ausgang, sowie den fließenden Strom mittels einer Stromzange. Hierbei ist zu beachten, dass die Stromzange für Gleichspannung geeignet sein muss. Ich notiere alle Werte und erhalte somit den stromabhängigen Spannungsabfall. Das Relais ändert seine Temperatur während der Messungen nicht.

Im Anschluss lasse ich die Heizung und die Kühlbox den ganzen Tag laufen und führe die gleiche Messung nochmal durch, das Relais hat sich jetzt auf 25°C erwärmt. Ich erhalte also somit zwei Kurven, eine für 10°C und eine für 25°C, also den temperaturabhängigen Spannungsabfall. Weiter führe ich noch eine Messung beim Laden durch den B2B-Lader durch um Messwerte für höhere Ströme zu erhalten.

 

Jetzt könnte man an dieser Stelle eigentlich schon die erste Aussage ableiten:

  • wenn ich bei 10°C Außentemperatur den ganzen Tag die Heizung auf mittlerer bis hoher Last (so 25°C) und den Kühli voll laufen habe (-18°C), erwärmt sich das SSR ohne Kühlkörper auf 25°C, also ca. Raumtemperatur. hier könnte man also schon aufhören weiter zu messen, denn da ist quasi kein relevanter Verlust zu sehen.

Messergebnisse zum Spannungsabfall am Crydom D1D60 SSR und Auswertung

Die Messwerte sind im Diagramm zusammengetragen. die beiden oberen Kurven spiegeln die Messungen bei 25°C wieder, die untere Kurve die Werte bei 10°C. Klar zu erkennen ist, dass bei höherer Temperatur höhere Verluste entstehen, was zu erwarten war und wie oben geschrieben einer der Nachteile eines SSR ist.

Weiter sieht man, dass der stromabhängige Spannungsabfall linear ist, also kein exponentieller Anstieg der Verluste bei geringen Strömen. Dies ist überraschend, denn theoretisch wäre ein Anstieg der Verluste bei niedrigen Strömen zu erwarten.

 

Aber was fängt man jetzt mit diesen Werten an?

 

Um Aussagen für den Einsatz des Crydom D1D60 SSR als Schalter in unserem LiFeYPO4-Akku ableiten zu können, muss klar sein welche Ströme fließen und betrachtet werden müssen. Wie schon weiter oben geschrieben, haben wir maximal kurzzeitig bis zu 50A Last und einen Ladestrom von theoretisch bis zu 58A. Für die Betrachtung der Verlustleistungen sind diese Werte zweitrangig, da sie, wenn überhaupt, nur kurzzeitig auftreten. Natürlich darf der Spannungsabfall dabei nicht so hoch sein, dass ein Verbraucher wegen Unterspannung abschalten würde, aber in diesem Bereich bewegen wir uns hier nicht. Wir reden hier über einen Bereich von maximal 0,2-0,3V, also ein Abfall von bspw. 13,2v auf 12,9V (am Verbraucher, nicht am BMS bzw. den Zellen!) - also weit über einer üblichen Abschaltgrenze für Unterspannung (bspw. Webasto AirTop 3900 Evo: 10,5V)

Vielmehr ist der konstante, über einen längeren Zeitraum stattfindende Strom entscheidend.

 

In unserem Fall wäre eine dauernde Belastung auf der Verbraucherseite von ca. 5-15A maßgeblich. Diese ergibt sich aus: Heizung (Teillast), Licht (Abendbeleuchtung), Musik und dem Stromverbrauch des Rechners beim Schneiden unserer Videos. Ohne den Rechner sind es um die 5-6A, nachts dann 2-3A wenn Heizung (auf so 18°C) und Kühli (auf 5°C) laufen. Für die weitere Betrachtung nehme ich die 15A an.

 

Auf der Seite der Ladegeräte fließen, wenn überhaupt, im normalen Betrieb auch nur kurzzeitig hohe Ströme. Sprich: nur wenn keine Sonne da ist und der Akku komplett entlädt, also im Winterlager bei vergessenem Verbraucher nach x Tagen. Nur dann würde der Sterling B2B-Lader mit 45A über einen längeren Zeitraum laden. 

Im normalen Betrieb fließen bei maximaler Sonneneinstrahlung theoretisch max. 13,7A - bei völlig leerem Akku und ohne Betrachtung der Wirkungsgrade von Solarzelle und Regler gerechnet. Realistisch sind es unter 10A, jemals gemessen habe ich max. 9A. 

Was bedeutet das nun für unseren LiFeYPO4-Akku?

Wie dem Diagramm oben zu entnehmen ist, liegt bei folgenden relevanten Strömen folgender Spannungsabfall bzw. folgende Verlustleistung vor:

 

3A -> 0,015V -> 0,045W

9A -> 0,045V -> 0,41W

15A -> 0,075V -> 1,125W

50A -> 0,250V -> 12,5W

 

Das heißt:

  1. bei Anlaufen der Heizung, paralleler voller Belastung des Wechselrichters und aller anderen Verbraucher haben wir für einige Sekunden 12,5W Verlustleistung am Relais, das ist nicht viel, die 0,250V Spannungsabfall sind wie oben schon erläutert ebenfalls unkritisch
  2. tagsüber/ abends über einen längeren Zeitraum bei 15A ist die Verlustleistung knapp über 1W, also ebenso wie der Spannungsabfall vernachlässigbar
  3. Nachts ist quasi kein Verlust vorhanden

Dazu kommt dann natürlich jeweils noch der Verlust am Eingang, so max. um die 0,2W.

  

Das ist jetzt alles jede Menge Theorie. Wie schon weiter oben geschrieben, war es anhand der Erwärmung des Relais über den Tag hinweg schon absehbar, dass hier kein Problem vorhanden ist. Selbst eine weitere Temperaturerhöhung durch südländische Mittagssonne schätze ich hier als unkritisch ein.

Was könnt ihr für euch hier mitnehmen?

  1. es ist wichtig zu wissen, welche Ströme fließen werden, welche Verbraucher vorhanden sind. Weiß man das nicht, werden völlig überdimensionierte Bauteile eingesetzt, welche teuer sind und unnützes Gewicht mit sich bringen.
  2. wenn ihr keine deutlich höheren Ströme in eurem Wohnmobil habt, dann könnt ihr die Crydom SSR einsetzen.
  3. bei deutlich höheren Strömen, z.B. wenn ihr im Wohnmobil elektrisch kochen wollt, werdet ihr wahrscheinlich andere Relais/ Schütze verwenden müssen.





Das könnte Dich auch interessieren:

Das ist unser Oberaigner Sprinter 4x4. Warum überhaupt einen Sprinter 4x4 als Basis für den Selbstausbau eines Wohnmobils und warum ist das ein Oberaigner? weiterlesen



Werbung





Kommentar schreiben

Kommentare: 0