Li-Akku Batteriemanagement

Hallo Peter,

sorry, habe Deine Nachfrage erst heute gesehen. Es geht nur sehr langsam voran, speziell im Winter, meine Garage ist leider nicht beheizt. Es ist ja geplant dass das WoMo in zwei Jahren fertig sein soll.
Aber ich weiß, man muss sich ranhalten, zwei Jahre sind schnell um…

Bin gerade in den letzten Zügen das Batterie-Management-System (BMS) für die Lithium-Zellen fertig zu stellen. Die käuflichen Lösungen haben mir nicht gefallen, deshalb eine Eigenentwicklung. Ich werde über dieses Mess- und Überwachungssystem demnächst hier berichten.

Habe gerade gelesen dass dich die Grippe erwischt hat, GUTE BESSERUNG !!!
Gruß, Michi

Hallo Ralf,

die von mir gekauften Lithium-Zellen (LiFeYPO4) der Firma „Winston Battery Ltd.“

http://en.winston-battery.com/index.php/prod…category_id=182

sind nicht vergleichbar mit älteren Lithium-Ionen-Technologien.
Diese Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatorn (hier mit Yttriumdotierung) haben kein „Thermisches Durchgehen“ und vertragen Kurzschluss, Überladung und mechanische Beschädigungen (z. B. Nagel einschlagen) ohne zu explodieren bzw. zu entflammen. Es ist eine anerkannt „sichere“ Lithium-Technologie. In den Dreamlinern sind Lithium-Cobalt-Dioxid-Akkus verbaut. Diese reagieren äußerst kritisch auf Kurzschluß, Überladung… Sie wurden vermutlich wegen der höheren Energiedichte, verglichen mit LiFePO, ausgewählt.
Gruß, Michi

…ach Ralf, wäre ich nur meiner selbst auch so sicher

Holger, ja, werde demnächst über die Lithium-Stromversorgung- einschließlich Kosten - berichten.

Hallo Mobilix,

gibt es LiCoMn-Akkus auch in Größen die wir für Wohnmobile gebrauchen können, so ab 100Ah pro Zelle?
Bitte Hersteller, Typ und Bezugsquelle nennen.
Danke und Gruß, Michi

Lithium-Akkus

Hallo Leute,

da mein zukünftiges ATEGO-WoMo ein 7.5-Tonner werden soll, ist natürlich auch bei den Batterien auf das Gewicht zu achten. Ich habe mich deshalb für Lithium-Akkus von Winston entschieden. Winston Batterie Ltd. (vormals Thunder Sky), in Shenzhen (China) ansässig, wurde 1988 gegründet und ist einer der größten Hersteller von LiFePO-Akkus auf dem Weltmarkt. Bezogen habe ich die Zellen direkt bei Winston in China. Sie werden aber auch z.B. von folgenden Firmen vertrieben:

http://www.litrade.de
http://www.cleanenergygmbh.de
http://www.3xe-electric-cars.com
http://www.ev-power.eu

Lithium-Eisenphosphat-Akkus sind im Gegensatz zu anderen Lithium-Akku-Technologien sehr sicher. Ein „Thermisches Durchgehen“ ist ausgeschlossen und selbst bei Kurzschluss, Überladung oder mechanischer Beschädigung explodieren bzw. entflammen die Zellen nicht. Dafür ist die Energiedichte, verglichen mit anderen Lithium-Technologien, etwas geringer.

Für mein Fahrzeug kommen 8 Zellen des Typs WB-LYP400AHA (400Ah) zum Einsatz. Verfügbar in dieser Serie sind Zellen von 40Ah bis 1000Ah. Die Nominalspannung einer Zelle beträgt 3.2V. Bei 8 Zellen in Reihe ergibt das 25.6V/400Ah = 10,24kWh. Laut Winston-Datenblatt beträgt die Zyklen-Zahl bei 70% Entladetiefe 7000 Zyklen und bei 80% Entladetiefe 5000 Zyklen. Geht man von 70% aus beträgt die zur Verfügung stehende Energiemenge gut 7kWh. Bei meinem WoMo wird sowohl der LKW, als auch der Aufbau mit diesem Lithium-Block versorgt. Die schweren LKW-Blei-Batterien wurden entfernt. Die 400Ah-Li-Zellen können einen Konstant-Strom von 1200A und einen Impuls-Strom von 8000A liefern. Das Starten des LKW sollte also kein Problem sein.

Lithium-Zelle WB-LYP400AHA, 3.2V/400Ah, L=461mm, B=65mm, H=283mm, Gewicht=13,3kg (gewogen)

Gewichtsvergleich mit Blei-Akkus

8 Stück Li-Zellen einschließlich Montageset und BMS-Elektronik wiegen 115kg. 7000 Wh : 115kg = 61Wh/kg verfügbare Energie.

Da Blei-Akkus nur etwa zu 50% der Kapazität entladen werden sollen um eine brauchbare Zyklen-Zahl zu erreichen, schafft z.B eine EXIDE GEL (Typ ES 2400) nur 20Wh/kg verfügbare Energie. Somit lassen sich mit Li-Akkus 2/3 des Gewichts gegenüber Blei-Akkus einsparen, in meinem Anwendungsfall also ca. 230kg.

Kostenvergleich mit Blei-Akkus

8 Stück Li-Zellen einschließlich BMS-Elektronik kosten EUR 5000.- … 6000.- brutto. Blei-Akkus (AGM, Typ EXIDE EP2100) mit identischer verfügbarer Energie (50% Entladetiefe) kosten ca. EUR 2500.- (Preisliste Philippi). Gehen wir mal bei den Blei-Akkus von 1000 Zyklen und bei den Li-Akkus von 3500 Zyklen (die Hälfte des spezifizierten Wertes) aus, so müssen wir den Preis für Blei-Akkus mit 3.5 multiplizieren und kommen somit auf EUR 8750.- Fazit: Unter Berücksichtigung der für die jeweilige Akku-Technik relevanten Zyklen-Zahl sind Lithium-Akkus günstiger als Blei-Akkus! Diese Aussage trifft aber nur zu, wenn man Li-Zellen und BMS kauft und selbst zusammenfügt. Bei fertig konfektionierten, mit Schutzelektronik und Gehäuse versehenen Li-Blöcken, wie sie beispielsweise von Mastervolt, Victron, Torqeedo, WhisperPower usw. angeboten werden, ist ca. vom doppelten Preis auszugehen.

Batterie-Management-System (BMS)

Wo viel Licht ist gibt es bekanntlich auch Schatten. Die einzelnen Zellen dürfen einen Spannungsbereich zwischen 2.5V und 4.0V nicht verlassen. Bereits ein einmaliges unter- bzw. überschreiten dieser Grenzwerte kann zur Zerstörung der Zellen führen. Bedingt durch Fertigungsstreuungen, Temperaturdifferenzen ect. laden und entladen sich die einzelnen in Serie geschalteten Zellen nicht ganz gleichmäßig. Somit könnte es vorkommen dass die Gesamtspannung, die z.B. am Solar-Laderegler ansteht, sich noch im zulässigen Bereich befindet, eine Einzelzelle im Verbund aber bereits ihren Grenzwert (2.5…4.0V) verlässt. Um diesen Fall zu vermeiden ist jede einzelne Zelle zu überwachen. Bei Annäherung an einen Grenzwert sind entsprechende Maßnahmen einzuleiten:

Warnung vor Tiefentladung: Sinkt die Spannung einer Zelle auf 3.0V ab, wird ein Warnton erzeugt. Exzessive Stromentnahmen (z.B. Kochen mittels Induktionsfeldern, Betrieb der Klimaanlage) sollten jetzt beendet werden.

Tiefentladeschutz: Nähert sich eine Zelle dem unteren Grenzwert wird die Last - z.B. bei 2.8V - von der Batterie getrennt um ein weiteres Absinken der Spannung zu verhindern.

Überladeschutz: Nähert sich eine Zelle dem oberen Grenzwert wird der Ladestrom bei 4.0V unterbrochen um ein weiteres Ansteigen der Spannung zu verhindern. Bei einer Solaranlage werden die Solarmodule vom Solar-Laderegler getrennt (nicht den Regler von der Batterie!).

Balancing: Erreicht eine Zelle 3.7V, wir ein Teil des Ladestroms an der Zelle vorbei geleitet (in Lastwiderständen verheizt) um den Ladevorgang dieser Zelle zu verzögern. Durch diese Maßnahme erreicht man einen ausgezeichneten Gleichlauf der Zellen.

Temperaturüberwachung: Erreicht eine Zelle 65 Grad, wird der Batterieblock stromlos geschaltet (Last- und Ladeströme von der Batterie getrennt).

Am Markt gibt es verschiedene BMS-Systeme, ein Wohnmobilist (http://www.mobile-freiheit.net/_forum/viewtopic.php?f=74&t=15254) hat mit den LiPro1-1-Modulen der Firma ECS (http://www.ecs-online.org) gute Erfahrungen gemacht. Diese Firma bietet auch ein Komplettsystem incl. Solar-Laderegler an.

BMS-Eigenbau

Da ich sowohl den Zustand jeder einzelnen Zelle gerne im Blickfeld habe, als auch der Balancing-Strom (1A) der LiPro-Module bezogen auf meinen Solar-Ladestrom (bis 50A) sehr gering ist, habe ich ein BMS-System nach meinen Vorstellungen entworfen.

Dieses System besteht aus 3 Einheiten:

- Steuer- und Anzeige-Modul
- 8 Stück Balancing-Module mit Temperaturerfassung (ein Modul pro Zelle)
- Schaltmodul zur Unterbrechung der Last- und Ladeströme.

Das Steuer- und Anzeigemodul hängt an der Wand so dass alle Betriebszustände jederzeit sichtbar sind. Es besteht u.a. pro Zelle aus einem PIC-Controller (16F914) mit zweistelliger LCD-Anzeige sowie stromsparenden OptoMOS-Bausteinen von CLARE (LCA110) zur Ansteuerung des Schaltmoduls. Eine galvanische Trennung ist an dieser Stelle erforderlich, da die Controller auf dem jeweiligen Zellenpotential liegen. Auf Zellenebene werden mittels genauer Referenzen (Linear Technology) und AD-Wandlung die Spannungen sehr exakt erfasst und angezeigt (3.3V auf dem Bild). Bei kritischen Zuständen, z.B. „Überladegefahr“ erscheint auf dem Display „OP“ für Overvoltage Protection. Gleichzeitig wird das Schaltmodul aktiviert um den Ladestrom zu unterbrechen. Akustische Warnsignale und eine rote LED pro Zelle weisen auf Störungen hin. Ein Alarm wir ausgelöst falls die eingeleiteten Schutzmaßnahmen nicht greifen (z.B. Defekt im Schaltmodul). In diesem Fall muss dann manuell eingegriffen werden. Die Software der Controller kann mittels „In-Circuit-Programming“ jederzeit geändert werden.

Das Balancing- und Temperaturerfassungsmodul greift direkt die Pole der Zelle ab. Es wird bei 3.8V Zellspannung vom Steuermodul aktiviert. Ein Teil der Ladeenergie wird dann in den Lastwiderständen in Wärme umgesetzt. Der Balancing-Strom beträgt 4A und die Verlustleistung ca. 15 Watt. Durch das „Abbremsen“ einzelner Zellen in der Ladephase gleichen sich die Zellen einander an und das Erreichen des Grenzwertes wird verhindert. Die Temperaturmessung erfolgt mittels präziser NTC-Widerstände an 8 Punkten im Akku-Block, so dass auch Hot-Spots erfasst werden. Die Konstruktion ist so ausgelegt dass das Modul direkt auf die Pole der 400Ah-Zellen passt (244mm Polabstand) ohne den Zellenverbindungsblechen im Wege zu stehen.

Das mit der Steuereinheit verbundene Schaltmodul unterbricht im Bedarfsfall den Last- bzw. Ladestrom. Die Lastabschaltung erfolgt mittels bistabilem Hauptschaltrelais TSA 260 der Fa. Philippi (im Bild links). Es benötigt lediglich 2mA Betriebsstrom und kann 260A schalten. Dieses Relais dient zusätzlich als fernauslösbarer Hauptschalter. Für die Abschaltung des Ladestroms ist das Halbleiterrelais D1D60 von Crydom zuständig. Es wird mit ca. 1mA angesteuert und kann 60A bei max. 100V schalten. Obwohl der Solarstrom nur 16A bei ca. 75V beträgt, empfiehlt sich dennoch ein Relais mit hoher Amperzahl zu verwenden, da diese einen geringeren Durchschaltwiderstand (RDSon) haben und damit weniger Verlustleistung produzieren (hier 2.5 Watt, kein Kühlkörper erforderlich). Die kleine Platine rechts unten bildet die Schnittstelle zwischen der Steuereinheit und den Relais.

Dieses Bild zeigt den kompletten Akku-Block mit aufgesetzten Balancing-Modulen. Der Block hat die Abmessungen L=540mm, B=461mm, H= 320mm und wiegt 115kg bei einer Kapazität von 10,24kWh.
Die Batterie wird in eine Sitzbank eingebaut. Es ist dafür Sorge zu tragen dass diese gut belüftet wird um die entstehende Batterie- und Balancing-Wärme abzuführen.

Im Übrigen ersetzt das BMS nicht den Laderegler. Dieser wird zusätzlich benötigt um die hohe Solarspannung zu transformieren (MPP-Tracking). Bei meinem Fahrzeug kommt der Solar-Laderegler „Sunny-Island-Charger 40“ von SMA zur Anwendung. Der konfigurierbare Batterietyp 3 stellt eine Ladespannung von 29.6V zur Verfügung. Dies entspricht einer Zellenspannung von 3.7V wodurch dieser Laderegler sehr gut zu den Lithium-Zellen passt.

Für das Batterie-Monitoring ist der BMV-600S von Victron zuständig. Bei der Parametrierung sind die lithiumspezifischen Werte (u.a. Ladewirkungsgrad CEF, Peukert Exponent) zu beachten.

Wie bereits geschrieben wird bei meinem Mobil auch der LKW aus dem Li-Block gespeist. Das Bordnetz ist aus Sicherheitsgründen fest mit der Batterie verbunden und kann durch das BMS nicht getrennt werden. Der Fahrzeuggenerator begrenzt die Ladespannung auf 28.8V (3.6V pro Zelle). Tritt nun der unwahrscheinliche Fall ein, dass trotz Balancing eine Zelle den oberen Grenzwert (4.0V) erreicht, wird im Fahrerhaus vom BMS ein akustisches Signal ausgegeben. Durch Aktivierung starker Verbraucher (z.B. Klimaanlage in der Kabine) lässt sich dann die Batteriespannung wieder absenken.
Ich gehe aber davon aus dass dieser Fall nicht eintreten wird, da noch 0.4V „Reserve“ vorhanden ist.

Mein erster Eindruck von den gekauften Winston-Li-Zellen ist sehr positiv. Sie kamen bestens verpackt in Holzkisten unbeschädigt an. Die Spannung aller Zellen lag bei 3.31V und beträgt jetzt nach ca. 5 Wochen 3,26V. Bei einer Auflösung meines Voltmeters von 10mV sind keinerlei Unterschiede zwischen den Zellen messbar, d.h. der Zellengleichlauf ist bisher perfekt.

LG, Michi

Hallo Ralf und Alexander,

vielen Dank für die Anerkennung.

Die Zellen sind natürlich auch nummeriert damit eine Zuordnung gegeben ist. Sollte eine Zelle mal ausfallen muss man ja wissen welche zu tauschen ist

Hi Willy,

die Innenwiderstände sind extrem gering, sonst wären keine 8000A Impulsstrom möglich. Bei meiner Anwendung wird nur ein Strom von 0.5C (200A) entnommen. Ein Dauerstrom von 3C (1200A) ist zulässig. Ich gehe deshalb davon aus dass sich die Zellen kaum erwärmen. Im Übrigen ist diese Packweise auch von Winston vorgegeben. Dafür gibt es die Montagepacks.

Hallo Sonnentau,

vielen Dank für Deine Hinweise. Ich finde es super einen Li-Profi bei uns zu haben. Hätte da gleich eine Frage. Darf bei den LiFePO-Zellen die Ladeschlußspannung (z.B. 3.8V pro Zelle) auch nach Abklingen des Ladestroms für unbegrenzte Zeit weiter anstehen. Oder muss die Spannung wie bei den Blei-Akkus auf einen Ladungserhaltungswert zurückgefahren werden?

Danke + Gruß,
Michi