Energiespeicher – Aufbaubatterie – Eine Übersicht

Moderne Batteriematerialien

Hier sind vor allem LiIon (mit verschiedenen Abarten) zu nennen, sowie die LiFe(Y)PO(4). Nur diese beiden Materialien haben Energiedichten je Liter oder Kilogramm, die deutlich über der der Bleibatterie liegt.

• LiIon / LiIon-Polymer

Die LiIon (Lithium-Ionen) Akkumulator wird in größeren Kapazitäten meist als LiIon-Polymer verwendet, die Dotierung kann aus unterschiedlichen Materialien sein, das Grundprinzip ist das selbe.

Diese Batterien haben zwar eine sehr hohe Energiedichte, jedoch sind sie im Fehlerfalle (Defekt der Separatorfolie) im wahrsten Sinne des Wortes „brandgefährlich“ (kennen wir ja von Notebook-Batterien).

Daher, z.B. bei Einsatz im KFz, meist in druckfesten Behältnissen unter Schutzgasatmosphäre verwendet.

Für uns als Bordbatterie nicht geeignet, da nicht als fertig konfektioniertes System erhältlich und eine Eigenbau eines geeigneten Gehäuses nicht wirtschaftlich möglich ist (wenn das Gewicht auch stimmen soll).

Zudem mit einer typischen Spannung von 3.6V (Ladung 4.1-4.2V) / Zelle passt diese Akkutype nicht wirklich zum üblichen Bordspannungssystem 12V, 3 Zellen in Serie (3S) passt weder beim Laden noch beim Entladen, 4S – Verschaltung passt im Entladebetrieb zwar gerade so leidlich, beim Laden wären wir aber mit über 16V in einem Bereich, wo die üblichen 12V-Verbraucher deutlich außerhalb ihrer Spezifikation betrieben werden würden.

Preislich liegt diese Akkutype bei ca. 3-5€/Ah (bei 3S-Verschaltung, also 3 in Serie verschaltete Zellen, mit nur 10.8V Nennspannung), zusätzlich werden aber Batterie-Management-Systeme (BMS) zur Tiefentladeüberwachung sowie als Überladeschutz, aber auch ein Zellbalancing, zwingend benötigt. Dies erhöht die Kosten dann nochmals deutlich.

Vorteil der aber bei etwa dem 4-5 fachen liegenden Energiedichte je Liter, bei zusätzlich noch wesentlich günstigeren Gewichtswerten. Hinsichtlich möglicher Ladezyklen haben die LiIon mit typ. ca. 600 Zyklen, allerdings hier bei nur 20% Kapazitätsreduktion, keine so große Vorteile (spezielle Typen für Hybrid-Fahrzeuge sind insbesondere hier optimiert).

• LiFe(Y)Po(₄)

Passender ist hier die Lithium-Batterie auf LiFe(Y)Po(₄)-Basis, die Lithium-Eisen-Phosphat – Technik. Eine Variante ist die zusätzlich mit Yttrium (Y) dotierte Version.

LiFePO4 – Akkupack 4S, © en.winston-battery.com

Diese Zellen haben für den Vorteil, dass deren Nennspannung bei typ. 3.2-3.3V liegt, was in 4S – Verschaltung dann 12.8-13.2V ergibt, und zum Laden mit max. 3.7V/Zelle (4S = 14.8V) sehr gut zu einem 14V Bordnetz passen, wenn dieses bereits auf AGM ausgelegt ist.

Größter Vorteil die nicht vorhandene Überhitzungsgefahr im normalen Betrieb, da hier keine extrem dünnen Separatorfolien wie bei LiIon verwendet werden ist ein innerer Kurzschluß nahezu ausgeschlossen. Der LiFePO4 gilt somit eigentlich als unbrennbar (selbstentzündend), solange man ihn nicht kurzschließt; wird jedoch z.B. im Lufttransport identisch zu LiIon behandelt.

Diese Zellen sind auch (theoretisch) in allen Einbaulagen betreibbar und gasdicht, dennoch empfiehlt es sich hier auch, die Pole nach oben zeigen zu lassen, denn auch hier ist ein Überdruckventil eingebaut (im Bild rechts mittig zwischen den Polanschlüssen).

Diese Batterietechnik ist absolut wartungsfrei, die Energiedichten liegen bei etwa dem 3-fachen einer Bleibatterie, allerdings auch hier wie bei LiIon zusätzlich noch ein Gewichtsvorteil.

Die typische Zyklenzahl liegt bei 3000 bei einer DoD von 80% (!!!), der Betriebstemperaturbereich liegt typ. bei -20 bis +50^oC, beim Laden gibt es jedoch auch Hersteller, die angeben, das ihre Type nicht unter 0^oC geladen werden sollte. Die Alterung wird auch hier vergleichbar mit dem LiIon auch mit nur 20% Kapazitätsverluste über die Zyklenzahl angegeben, also wären wir dann bei ca. der 4-fachen der angegebenen Werte, wenn wir sie auf die typ. Werte von Bleiakkumulatoren beziehen. Die Entladeschlußspannungen sind je nach Hersteller, Variante und gewünschter DoD unterschiedlich, also immer Datenblatt beachten.

Eine temperaturkompensierte Ladespannung ist nicht vorgegeben und somit nicht notwendig, der Betrieb bei höheren Temperatur unkritisch für die Lebensdauer und in Ruhe die Selbstentladung sehr gering.

Allerdings ist auch hier, wie beim LiIon-Akku, eine elektronisches Batteriemanagment (BMS) und beim Laden ein Zellbalancing notwendig, denn z.B. Über- oder Tiefentladung führt nicht nur zur Lebensdauereinschränkung wie beim Bleiakku, sondern extrem schnell zum Tod (Zellen verlieren praktisch ihre Speicherkapazität vollständig).

Die Leistungsfähigkeit der Zellen,  liegt bei typ. 3-5C beim Entnahmestrom, sowie bis zu 2C beim Ladestrom. Hierbei sind die Zellen extrem steif in ihrer Spannungskurve, d.h. auch beim Laden wird bis kurz vor dem Ladeschluß (~95% Kapazität) der maximale Ladestrom genutzt werden kann. Bei Bleiakku, insbesondere nassen Zellen und GEL-Zellen, sieht das deutlich anders aus. Eine Kapazität-Bewertung, wenn auch nur grob, ist bei LiFePo – Zellen nicht über die Zellruhespannung möglich (außer für ganz leer/ganz voll), da eben zu spannungssteif.

Also ein nahezu idealer Batterietyp für die Anwendung als Bordakkumulator, wäre da nicht der Preis von 4-6€/Ah (für ein 4S-System, ohne Montagezubehör, für einzelne Zellen), zzgl. der BMS- und Zellbalancing – Elektronik.

Komplette 4S – Akkusysteme werden bereits am Markt angeboten, jedoch m.E. derzeit noch total überteuert bei größeren Kapazitäten, zumal oftmals noch nicht mal ein BMS und Zellen-Balancer eingebaut sind.

Fazit Akkusysteme:

Wenn der geneigte Leser hier etwas unterschiedliche Aussagen zu anderen Quellen erkennt; meine Erfahrungen basieren auf über 20 Jahren Berufserfahrung im Bereich der Entwicklung elektronischer Steuerungssystem mit Stromversorgung auf Basis unterschiedlichster Akku-Konzepte. Aber auch meine Erfahrungen haben eine „Farbe“.

Kurzum, eigentlich sind nur noch AGM/GEL im Bleiakkubereich eine (noch) zeitgemäße Art der Stromversorgung im Aufbau, einfach in der Handhabung uns durchaus praktikabel.

Wer es sich leisten kann/mag sollte auf LiFePo bauen, denn diese Akkutype hat eigentlich nur Vorteile, bis auf den Preis halt. Aber ein solcher Akku hält dann auch das ganze (Womo-) Leben lang. Hierzu wird allerdings meist ein Sachkundiger benötigt, den es empfiehlt sich aus Kostengründen der Aufbau aus Einzelzellen. Die Anbindung von BMS und Cell-Balancern ist dann aber das Feld eines Fachmannes oder versierten Hobby-Bauers (der weis was er tut).