Lithiumbatterien

Einführung in die Grundlagen der Technik von Lithiumbatterien und deren Peripherie sowie Kaufberatung

Relevante Batteriebauformen

Grundsätzlich unterscheidet man verschiedene Bauformen von Lithiumakkus. Für uns von Relevanz sind in erster Linie sogenannte Lithium Eisen Phosphatakkus,          Li Fe Po4 mit der chemischen Formel abgekürzt.. Hier sind in einer 12 Volt Batterie beispielsweise vier , in einer 24 Volt Batterie 8 Zellen, die intern in Serie geschaltet sind, verbaut. Dieser Batterietypus findet sich für allgemeine Speicheranwendungen. Die sogenannte Nickel Mangan Cobald Batterie,NMC, findet in erster Linie Anwendung in Anwendungen der elektrischen Antriebstechnik. Hier sind viele Zellen, die in Größe und Aussehen Taschenlampenbatterien ähneln, zu großen Systemen mit derzeit bis zu 800 Volt verbaut. 12 Volt Systeme lassen sich aufgrund der Zellspannung nicht realisieren. Spannungen ab 24 Volt Systemspannung sind dagegen realisierbar. Wir gehen aufgrund der höheren Relevanz hier auf die Eigenschaften der Lithiumbatterien in der Bauform Li Fe Po4 ein.

Dimensionierung Bleibatterien versus Lithium Eisen Phosphatbatterien

Da Bleibatterien üblicherweise nur etwa zur Hälfte entladen werden sollen, können Lithium Batterien bis zu 90  Prozent entladen werden. Die Nutzkapazität ist also in etwa bei einer nominell  etwa halb so großen Lithiumbatterie identisch mit einer nominell doppelt so starken Bleibatterie. Zusätzlich zu diesem Effekt sind Lithiumbatterien bei gleicher nominellen Kapazität in etwa halb so groß und halb so schwer wie die Blei Pendants.

Ladung

Bleibatterien werden, je nach Bauart, mit verschiedenen Ladekennlinien geladen, bei denen sich das Verhältnis von Ladespannung zu Ladestrom über die Ladezeit verändert. Allen Bleibauformen gemeinsam ist allerdings, dass sich der Ladestrom mit fortschreitender Ladung immer weiter verringert. .Die letzten 20% bis zur Vollladung nehmen deshalb einen überdimensionalen Zeitraum in Anspruch.

Lithiumbatterien werden mit konstantem Strom-und konstanten Spannungswert geladen, weshalb bei abgestimmter Ladetechnik vergleichsweise extrem kurze Ladezeiten realisiert werden können. Bleibatterien wollen zum Erreichen langer Lebenserwartungen möglichst bis hälftig entladen werden und anschließend wieder auf 100 Prozent geladen werden. Gerade in der Anwendung Yachten oder Wohnmobile ist dieses gemäß der Nutzung wegen obig ausgeführtem Sachverhalt meist unmöglich. Das hat zur Folge, dass Bleibatterien in diesem Einsatzbereich als Versorgerbatterien praktisch nur eine klägliche Lebenserwartung haben.. Lithiumbatterien lassen sich von einem "Schaukelbetrieb", bei dem Vollladung selten oder gar nie erreicht wird, nicht negativ beeindrucken, es tritt auch kein Memoryeffekt ein. Rein technisch kann eine Lithiumbatterie auch mit einem Ladegerät, das für Bleibatterien konzipiert ist, geladen werden. Lithiumbatterien haben einen Spannungsbereich, mit dem sie geladen werden können.

Durchläuft das vorhandene Ladegerät während des Ladevorgangs einen Spannungsverlauf, der sich innerhalb des vom Hersteller der Lithiumbatterie angegebenen Spannungsfensters bewegt, ist die Ladung generell möglich. Empfehlenswert ist das allerdings nur bedingt, weil man so nicht in den Genuß der deutlich schnelleren Ladung kommt. Es gibt darüber hinaus noch weitere Nachteile, die im weiteren Text erläutert werden.

Das Batteriemanagementsystem BMS

Das Batteriemanagementsystem BMS ist eine Elektronik, die in annähernd jeder Lithiumbatterie verbaut ist. Der Idealzustand einer Lithiumbatterie ist, dass sämtliche Zellspannungen einer Batterien den völlig identischen Wert aufweisen. Während der Lade-und Entladevorgänge brauchen die einzelnen Zellen allerdings etwas Schützenhilfe von der BMS, die Spannungsdifferenzen versucht auszugleichen. Die Geschwindigkeit sowie die Präzision mit der dieses gelingt, ist von entscheidender Bedeutung für die Lebenserwartung der Batterie. BMS ' sind im industriellen Bereich auch separat zu beziehen. Die Preisspanne reicht hier von 30 Euro bis an die 1000 Euro, was die durchaus erheblichen Preisunterschiede einzelner Batterien mit oberflächlich gleichen Leistungsdaten unter anderem erklärt.

Optionale, wichtige Zusatzfunktionen der BMS und Auswirkung auf die Einsatzbereiche

Bei hochwertigen Batterien mit BMS sind weitere, teils wichtige wie höchst sicherheitsrelevante Funktionen beinhaltet. Dazu gehört unter anderem die thermische Überwachung der  einzelnen Zellen, sowie die Überwachung der Batterieeingangsspannung, sowie die Überprüfung auf Unterspannung. Ist ein diesbezüglicher Fehler vorhanden, zum Beispiel durch ein defektes Ladegerät, oder eine der Tiefentladung (was die Zerstörung der Batterie bedeutet) zulaufende Spannung , muß eine Reaktion der Batterie erfolgen, indem sie von Lade-und Entladegeräten getrennt wird.

Dazu wird entweder ein in die Batterie eingebautes Element namens MOSfet bemüht oder die Abschaltung geschieht über ein externes, massives Relais, welches mit einer Datenleitung (BUS) von der Batterie gesteuert wird. Die deutlich bessere Lösung ist hier das Relais, zumal es idR technisch deutlich höhere Ströme als das MOSfet, das immer einen Flaschenhals darstellt, durchleiten kann. Das ist dann von Bedeutung, wenn Hochstromverbraucher betrieben werden sollen, wie beispielsweise Wechselrichter.

Bedeutung der aktiven Ladestromabschaltung bei Vollladung der Batterie.

Lithium Eisen Phosphat Batterien werden zur deutlichen Erhöhung der Lebenserwartung idealerweise maximal auf 95% der technischen Kapazität aufgeladen. Da die Ladetechnik (Solarregler, B2B Lader, Netzladegeräte etc.) diesen Ladepunkt nicht selbständig erkennen können ist es erforderlich, dass die Batterie diese Information aktiv über eine Schnittstelle per Datenkabel (BUS) an die verbauten Ladequellen übermittelt, die über dieselbe Schnittstelle verfügen. Somit entsteht ein sicheres, leistungsfähiges und langlebiges System.

Temperaturarbeitsbereiche und Hilfsbeheizungen

Lithium Eisen Phosphatbatterien dürfen nur bei Temperaturen über 0 Grad Celsius geladen werden. Die Lagerung bzw. die Entladung ist auch unterhalb des Nullpunkts problemlos möglich. Ist es notwendig, unterhalb des Gefrierpunktes zu laden, können Batterien mit Temperatursensor eingesetzt werden, die bei Präsenz von Ladestrom eine integrierte Hilfsheizung zuschalten. Alternativ ist es möglich, eine alternative, externe Lösung zu realisieren. Inselstrom bietet eine solche an. Fallbeispiel. Ein Fernreisemobil mit aktiver Solaranlage und Lithiumbatterie wird mit teilgeladener Batterie ohne Betrieb der Heizung  im Winter im Freien abgestellt. Hier könnte, wie oben beschrieben, eine Schädigung der Batterie eintreten.

Austausch einzelner defekter Zellen

Vom Austausch einzelner Zellen innerhalb einer Batterie wird dringend abgeraten. Jeder Lade/Entladevorgang  bewirkt eine Veränderung der Zellchemie. Werden neue und benutzte Zellen gemeinsam eingesetzt, sind pausenlos Ausgleichsströme nötig, um die Spannungsniveaus anzugleichen, dieses übernimmt zwar die BMS. Es ist allerdings davon auszugehen, dass die zusätzliche Belastung allen Zellen, den alten und den neuen eine kürzere Lebensdauer beschert.

Wichtig beim Vergleich, gerade mit Batterien von Billiganbietern

Oft ist es für die Käufer schwierig, den Unterschied zwischen Billig - und Markenanbietern herauszufinden.Die angegebene Kapazität ist nicht das einzige, wichtige Kriterium. Gute Batterien starten ihr Leben mit möglichst spannungsgleichen Zellen. Dazu werden die Zellen vorselektiert und möglichst ähnliche in einer Batterie verbaut. damit wird sichergestellt, dass eine lange Lebensdauer erreicht wird. Die Qualität der BMS ist außerdem von entscheidender Bedeutung. Auf dem Markt werden für Profis auch separate BMS´angeboten. Die Preisspanne reicht hier von 25 bis 900 Euro für eine 12 Volt Batterie, je nach Qualität ! 

Sehr wichtig ist neben der Kapazität der Batterie auch deren maximaler Lade - und noch wichtiger, Entladestrom. Hochstromverbraucher, wie zum Beispiel größere Wechselrichter, benötigen hohe Stromdurchsätze. Beispiel: Wechselrichter Victron , Nominalspannung 12 Volt und 3000 VA Leistung, kurzfristig das Doppelte. Lithiumbatterie mit tatsächlicher Spannung 12,8 Volt. Die Rechnung geht dann so: 3000/12,8=  234 A, kurzfristig (gerade bei hohen Anlaufströmen) 468 A. Diese Ströme muss die Batterie dann auch zur Verfügung stellen können.

Die Fähigkeit, bei jedweden Problemen die Peripherie wegschalten zu können bzw. bei Vollladung aktiv die Ladequellen abzuschalten, haben wir bereits erwähnt.

Was passiert im Falle eines massiven Problems innerhalb der Batterie

Hochwertige Lithiumbatterien LiFePo4 in einer qualifizierten Umgebung schützen sich durch die oben ausgeführten Sicherheitsmaßnahmen selbst. Zur Entzündung der Batterie im Krisenfall kommt es nicht (im Gegensatz zu NMC Batterien). Allerdings wird die Batterie dann so heiß, dass sie umgehend die brennbare Umgebung entzündet, was letztlich keinen großen Unterschied bedeutet. Sicherheit ist daher ein unverzichtbares Merkmal von Lithiumbatterieanlagen.

Garantiefragen und Fazit

Wie schon bei Bleibatterien führen unsachgemäße Behandlung zu Beschädigungen die nicht von der Garantie gedeckt sind. Für alle Batteriehersteller entsteht so in der Praxis eine Grauzone, was Garantiefragen betrifft. Andere Produkte sind diesbezüglich nicht so heikel wie Batterien. Vor diesem Hintergrund gilt folgende Empfehlung: Lassen Sie sich hinsichtlich Ihres intendierten Einsartzzweckes qualifiziert beraten , erwerben Sie ausschließlich Batterien, die den oben ausgeführten Merkmalen entsprechen und klären Sie den qualifizierten Einbau. Ist das Budget knapp, ist die bessere Batterie die mit der kleineren Kapazität  allerdings mit hochwertiger Technik.

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