Wir rüsten auf mit einer Lithiumbatterie (eBook)

Batterieladung, Ladekurven, Ladestand SoC,

Zuerst einmal ein paar erläuternde Worte für die Leser, die nicht so tief in der Elektrotechnik verwurzelt sind. In der Elektrotechnik gibt es Spannungsquellen (Lichtmaschine, 230V EBL, Solarregler) und Verbraucher (Licht, Kühlschrank oder auch die zu ladende Batterie), die aus diesen Quellen versorgt werden. Der Strom, der aus einer der Quellen in einen Verbraucher fließt, wird durch deren Innenwiderstände bestimmt. Da sowohl für die Beleuchtung als auch zum Laden der Batterie ein Strom aus dem Ladegerät fließt sind beide, aus Sicht des 230V Laders, Verbraucher.

Aber die Batterie ist nicht nur ein Ladestromverbraucher sondern eigentlich ein Ladestromsammler, und so kann auch diese Batterie später als Quelle dienen. Die Batterie sammelt die Ladung und deshalb steigt mit zunehmender Ladung (SoC) auch ihre Quellenspannung. Diese Quellenspannung setzt sich aber der Ladespannung entgegen. Mit zunehmender Ladung wird die batterieinterne Quellenspannung immer größer, die Differenz kleiner und der Ladestrom nimmt deshalb ab.

Dieses Spiel geht solange, bis die Batterie voll ist und Quellenspannung (Li 13,2V) und Ladespannung (14,4V) annähernd gleich sind.

Im Detail:

Egal durch was die Ladung erfolgt, die Batterie bestimmt mit ihrem Innenwiderstand und dem aktuellen Ladestand (SoC) den aufzunehmenden Strom.

Die Ladung einer Batterie ist damit kein linearer Prozess und darf nicht einfach als „ohmsche Last“ betrachtet werden.

In der Praxis heißt dies: „Je voller die Batterie ist, umso weniger Ladestrom fließt bzw. wird benötigt.“

Der höchstmögliche Ladestrom hängt dabei also nicht nur von der Leistungsfähigkeit der Ladequelle ab, sondern hauptsächlich von der Batterie bzw. deren Innenwiderstand und dem aktuellen Ladestand (SoC) bzw. der daraus resultierenden Quellenspannung.

Wichtig dabei ist, dass man dabei zwischen Ladespannung und Ladeschlussspannung unterscheidet. Die Ladespannung für Li-Batterien liegt so zwischen 12,2V und 14,4V und kann dauerhaft anliegen. Die Ladeschlussspannung bei einer Li-Batterie ist 14,6 V. Alles was darüber hinaus geht ist schädlich und sollte zu einer Schutzabschaltung führen.

Um den unterschiedlichen Ladespannungen und der notwendigen Ladezeit gerecht zu werden, gibt es auch verschiedene Ladekennlinien. Diese teilen sich auf in eine Bulk/CC stromgeführte Ladephase und eine Absorption/CV spannungsgeführte Ladephase mit einer jeweils unterschiedlichen Zeitdauer.

Bei Lithium ist die Zellausgleichsladung unnötig oder u.U. sogar schädlich. Auch eine lange Absorptionsphase wie bei Gel-Batterien sollte vermieden werden.

Die zwei folgenden Diagramme zeigen die unterschiedlichen Ladekurven am Beispiel einer I/Uo/Ue/U Ladung für Blei und einer CC/CV Ladung für Lithium.

In diesem Diagramm ist vor der Float Phase noch eine Ausgleichsladung (Equalization) eingefügt. Hier wird die Ladespannung für ca. zwei Stunden auf 15,6V angehoben. Diese Ausgleichsladung erfolgt z.B. automatisch bei Ladegeräten der Fa. CTEC, Solarregler von Votronic & Büttner und dem 230V Lader CBE 516-3 oder Dometic MCA 1225.

Bei einer Li-Batterie ist die Ladung wesentlich einfacher. LiFePO4 Batterien werden mit dem einfachen CC/CV-Ladeverfahren geladen. Der Ladevorgang unterteilt sich dabei in zwei Bereiche, den

CC = Constant Current und den CV = Constant Voltage Modus. In der ersten Phase „CC“ wird der Akku mit einem konstanten Strom geladen. Nachdem die Ladespannung von 14,4V erreicht wurde, schaltet das Ladegerät auf konstant Spannung „CV“ um, und lädt den Akku noch so lange, bis der Ladestrom auf fast 0,0 A zurück geht.

Aber es geht auch mit dem eingebauten I/Uo//U Ladegerät, eingestellt auf Blei nass, AGM1 oder Li.

Auch ein Konstantspannungsnetzteil bzw. Batterielader im Netzteilbetrieb mit 14,2 bis 14,4 V Ladespannung und einem Ladestrom, der dem C-Wert von ca. C0,5 entspricht ist eine Möglichkeit. Die Ladung aller Ladegeräte muss aber auf Überspannung überwacht werden wenn der Li Akku nicht über ein BMS verfügt! Bei unter +10°C sollte der Ladestrom aber erheblich reduziert oder die Ladung abgeschaltet werden.

Eine Erhaltungsladung ist bei einer Selbstentladung von ca. 2% nicht notwendig, und anstatt einer Ausgleichsladung wird hier pro Zelle je ein elektronischer Balancer geschaltet, der diese Aufgabe übernimmt.

Ladespannung aus verschiedenen Ladequellen

Für alle Batterien wird ja eine Ladespannung angegeben. Für Nassbatterien 14,1V, für Gel Batterien 14,3V, für AGM1&2 14,4V bis 14,7V und für Lithium 14,2 bis 14,4V. Diese Spannung soll an den Batteriepolen anliegen. Aber nur wer ein Ladegerät mit Konstantspannung (CV) besitzt, kann die Ladespannung einstellen, denn diese bleibt konstant, egal welcher Strom in die Batterie fließt. Aber weder LiMa noch die meisten Solarregler oder 230V Ladegeräte stellen eine Konstantspannung zur Verfügung. Bei diesen Geräten bricht die Ausgangsspannung bei Belastung zwischen 10 und 18A schon ein wenig ein.

Außerdem arbeiten an der Ladung meist mehrere Lader zusammen, z.B. die LiMa und der Solarregler oder das EBL und der Solarregler.

Die Spannungen von Lichtmaschine, 230V Lader (bei Blei Gel) und Solarregler (bei AGM) habe ich einmal einzeln gemessen. Dazu habe ich die Aufbaubatterie abgeklemmt und durch einen ohmschen Verbraucher (Glühlampe 35W) ohne eigene Quellspannung ersetzt. Die Ergebnisse bei 3A waren:

Die Unterschiede der drei Ladespannungen liegen bei 0,08 Volt und sind damit vernachlässigbar. Sie werden von der angeschlossenen

Batterie in Richtung deren SoC/EMK Spannung nivelliert (Puffer).

Da aber weder LiMa, noch Solarregler noch EBL über den gesamten Strombereich spannungsstabilisiert arbeiten, und der Batteriestrom sich mit dem ansteigenden SoC der Batterie verringert, werden die Ausgangsspannungen der Ladequellen mit sinkendem Strom ansteigen. Am Batteriepol der Lithiumbatterie werden Sie also die Ausgangspannung der Ladequellen erst messen können, wenn die Batterie zu 100% geladen ist.

Aber auf welche Spannung und zu welchem Zeitpunkt der Ladung reagiert nun die OVP-Schutzschaltung der Batterie? Fragen, die man sich zu Recht stellen kann!

Ich möchte hier versuchen, diese Zusammenhänge einmal an einem Beispiel vereinfacht zu erklären. Zuerst einmal eine Einzelbetrachtung der jeweiligen Gerätespannungen.

Wir nehmen mal eine Batterie, die aufgrund ihres SoC einen Ladestrom von 10A möchte, bei einer Ladespannung von 14,4V.

Als Lader dienen ein Solarregler, mit 5A bei -10°C und temperaturkompensierter Ladespannung von 15,2V. Das 230V EBL liefert bei Einstellung Blei/Gel eine Ladespannung von 14,3V.

Angenommen, die Innenwiderstände beider Ladequellen wären gleich, könnte man sich die Rechnung einfach machen. Zwei parallel geschaltete Spannungen von 15,2V und 14,3V ergeben einen Mittelwert von 14,75V. Am Pol der Lithiumbatterie messen Sie ca. 13,3V (siehe Messreihe Umbau auf Hybrid)! Also hier kein Grund für Befürchtungen, dass ein OVP Fall eintritt.

Anders kann es aussehen wenn die Batterie voll ist und nur noch ein Strom von vielleicht 0,2 A fließt.

Aber wer ist eigentlich die Hauptladequelle an der ich mich mit den Einstellungen orientieren sollte?

Ich habe für meine Urlaubsgewohnheiten einmal die Ladeanteile der Ladequellen Solar, EBL und Lichtmaschine in einer Tortengrafik dargestellt.

In meinem Fall sieht man deutlich, dass bei mir der zeitliche Anteil der Solaranlage überwiegt und damit eigentlich mit seiner Spannung von 14,34V das Ladegeschehen, zumindest zeitlich gesehen, bestimmt.

Achtung: Bei einer vorhandenen Temperaturkompensation in Ladebooster, Solarlader oder Motorsteuerung muss deshalb die gelieferte Maximalspannung bei Minusgraden überprüft werden und darf nicht über 14,6 V liegen, da sonst ggf. die OVP Schutzschaltung anspricht.

Batterie Ladezustand (SoC)

Der erreichte Ladezustand von Lithiumbatterien kann über die Batteriespannung nur sehr grob geschätzt werden. Die Spannungskurve zwischen 100% und 25% SoC ist bei einem Lithium Akku zwar nicht linear aber mit 0,4 V Differenz wesentlich flacher als bei einem AGM/Gel Akku (0,8 V Differenz). Diese geringe Differenz ist für eine schlichte LED Anzeige kaum auswertbar. Das geht nur über eine...