Selbstbau LiFeYPO4-Akku im Wohnmobil - Theorie

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.

Ein weiterer Vorteil der LiFeYPO4-Zellen gegenüber den LiFePO4-Zellen - also ohne Yttrium - ist, dass die Zellen auch bei negativen Temperaturen ganz normal geladen werden können und der Ladestrom nicht begrenzt werden muss.

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 (eBay Affiliate-Link) 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 (eBay Affiliate-Link) ist bei etwas höherem nutzbaren Energiegehalt ganze 42kg leichter!

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.

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

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.

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

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 (eBay Affiliate-Link) 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.

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.