Lithium-Batterien für den Bordeinsatz

Aufgrund des günstigen Verhältnisses von Gewicht und Energiedichte werden Lithium-Batterien schon lange für mobile Anwendungen genutzt. Autor Burkhard Linke erläutert die technischen Unterschiede zur herkömmlichen Blei-Batterie und zeigt auf, dass sich die noch teure Anschaffung rechnet.

Text: Burkhard Linke

Die MLI-Serie des Herstellers Mastervolt umfasst Batterien mit einer großen Kapazität, die für Zyklen mit extremer Belastung konstruiert wurden und Merkmale aufweisen, wie das integrierte Battery Management System (BMS) und die MasterBus/CANKommunikation. (Foto: Mastervolt)

Blei- oder Lithium Batterie ?

Für die herkömmlichen wartungsfreien
Bleibatterien an Bord, meist verwendet als Gel- oder AGM-Batterie, ist eine Lithium-Batterie
(LiFePO4 = Lithium-Eisen-Phosphat) eine leistungsfähigere Alternative.

Die ebenso wartungsfreie
Lithium-Technologie ist zurzeit die effektivste und sicherste
Batterie-Speicherungstechnik für mobile Anwendungen. Aufgrund des geringen
Gewichtes bzw. Volumens und der hohen Energiedichte werden auch Elektroautos
ausschließlich mit Lithium-Batterien ausgerüstet.

Direktvergleich

Vergleicht man Bleibatterien (Gel/AGM) mit Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4) gleicher Kapazität, kann man folgende markante Unterschiede festhalten: 

Vergleich Blei-Batterie (Gel/AGM) / Lithium-Batterien
(LiFePO4)
Technologie Gel/ AGM LiFePO4
Abhängigkeit der gespeicherten
Energiemenge vom Entladestrom
groß unerheblich
Einfluss der Batterietemperatur auf
den Entladestrom
erheblich minimal
Kilowattstunden (KWh) pro Kilo
Batteriegewicht bei jeweils 100 Ampérestunden (Ah) Batteriekapazität
30 – 50 110 – 190
mögliche Zyklenzahl ca. 500-600 Zyklen je nach Typ (bei max. 50% Entladung) 2000 Zyklen (bei 80% Entladung) bei 30% Entladetiefe bis
8000 Zyklen
Selbstentladung stark temperaturabhängig, bis zu 1% der Nennkapazität täglich < 5% pro Monat
Memoryeffekt ja (Sulfatierung) , wenn nicht jeder fünfte Ladezyklus zur Vollladung
führt
nein, Teilladungen schadlos möglich
Zellen-Nennspannung 2 Volt  bei 6 in Reihe geschalteten Zellen 3,2 Volt  bei 4 in Reihe geschalteten Zellen
ca. Preis pro kWh 100 € 200 €

Einsatzgebiete

Neben anderen Vorteilen gegenüber herkömmlichen
Blei Akkus ist der Gewichtsvorteil bzw. die Energiedichte wohl der
bemerkenswerteste. Im Verhältnis zur Kapazität werden bis zu 70% Gewicht
eingespart, was besonders vorteilhaft ist bei Regattayachten, elektrisch
angetriebenen Booten und Beibooten mit Elektromotor.

Elektrische Eigenschaften

Bekannt ist, dass einer wartungsfreien
Blei-Batterie im Interesse der Lebensdauer nicht mehr als 50% der Nennkapazität
entnommen werden sollten. Lithium-Akkus hingegen können bis
zu 80% entladen werden. Auch beim Vergleich des Einflusses der Entladetiefe auf
die mögliche Zyklenzahl schneidet eine Lithium-Batterie deutlich
besser ab als eine AGM oder Gel-Batterie. Bei einer angenommen Entladetiefe von
durchschnittlich 50% kann bei einer Gel-Batterie von ca. 500 – bei einer
Lithium-Batterie (80% Entladung) von immerhin 5000 möglichen
Lade- Entlade-Zyklen ausgegangen werden. Werden einer Gel-Batterie nur 30% der
gespeicherten Energie entnommen – bis wieder geladen wird – sind etwa1300
Zyklen möglich, eine Lithium-Batterie hingegen schafft dann immerhin
mindestens 6000 Zyklen.

Ladetechnik 

Je höher die
Energiedichte ist, desto mehr Energie kann in einer Batterie gespeichert
werden. Beim Laden und Entladen von Batterien wird durch den inneren Widerstand
der einzelnen Zellen Wärme freigesetzt, wodurch ein Teil der zum Aufladen
aufgewandten Energie verloren geht. Das Verhältnis der entnehmbaren zu der beim
Laden aufzuwendenden Energie, wird als Ladewirkungsgrad bezeichnet. Besonders
bei Blei-Batterien sinkt die entnehmbare Energiemenge, wenn schnell (hoher
Strom) entladen wird. Der Grund sind die zunehmenden Verluste am Innenwiderstand
der Batterie. Dieser Effekt kann bei Lithium-Batterien vernachlässigt werden,
auch bei hohen Entladeströmen sinkt die gespeicherte Energiemenge
(Ah) nicht, wie in der Grafik zu sehen ist.

Grafik rechts:   Abhängigkeit der nutzbaren Kapazität(Ah) von der Höhe des Entladestroms bei Lithium-, AGM- und Gel-Batterien.

Im Gegensatz zu AGM- und Gel-Batterien
steht bei einer Lithium-Batterie auch bei hohen Entladeströmen nahezu die volle
Kapazität zur Verfügung.

orange = Lithium-Batterie / blau = AGM-Batterie / rot = Gel-Batterie

Auch das Teilladungsverhalten einer Lithium-Batterie ist besser, es
findet keine Sulfatierung (Memoryeffekt) mit Kapazitätsverlust wie bei
Blei-Batterien statt, um schädliche Sulfatierung zu vermeiden, sollte
mindestens jeder fünfte Ladezyklus bei Blei-Batterien bis zur Vollladung führen.

Ladung

Das regelmäßige Teilaufladen (nicht bis
zur Vollladung) einer Lithium-Batterie wirkt sich nicht verringernd auf deren
Gesamtkapazität aus.  Bleibatterien
sollten immer möglichst voll geladen werden, bis das Kennlinien-Ladegerät auf
Erhaltungsladung umschaltet.

Blei-Batterien für 12 Volt-Bordnetze
haben 6 Zellen, Lithium-Batterien dagegen nur 4 in Serie geschaltete einzelne
Zellen. Die Zell-Nennspannung jeder einzelnen Zelle einer
Lithium-Batterie-Zelle ist also höher. Es ist möglich,
vorhandene Ladegeräte mit IU-Kennlinie für Lithium-Batterien weiter zu
verwenden, wenn die Ladeendspannung von 14,4 Volt in der ersten Ladephase nicht überschritten wird. Zunächst
wird mit maximal möglichem

Strom, dann mit Konstantspannung
geladen. Die häufig in der dritten Ladestufe von IU-Kennlinien-Ladegeräten
gehaltene Ladeerhaltungsspannung sollte jedoch nicht höher sein
als 13,5 Volt. Empfohlen ist, Lithium-Batterien nicht mit mehr Strom als einem
Drittel der angegebenen Nenn-Kapazität zu laden. Hat die Batterie eine Kapazität
von 180Ah, sollte der Ladestrom nicht höher als 60 Ampére sein.

SuperB-LiFePo4-Batterie SB12V160E, 26Kilo, Abmessungen in mm: H 314 x B 227 x L 417, Kapazität 160Ah, Gewicht 27 kg (Foto: Hersteller)

Nur selten ist die Leistungsfähigkeit
einer Ladequelle an Bord aber höher als 90 Ampére. Für die häufig
installierten Standard-Lichtmaschinen (LiMa) zwischen 75 bis 90 Ampére heißt
das, dass schon eine kleine Lithium-Batterie sehr schnell voll geladen ist.
Wird zusätzlich ein externer Lichtmaschinen-Laderegler verwendet, muss auf die
am Regler eingestellte Ladeendspannung geachtet werden! Werden Lithium-Batterie
geladen, ist aufgrund der höheren mechanischen Beanspruchung der
LiMa, auf die Keilriemenspannung, die Lichtmaschinen-Temperatur und den größeren
Verschleiß des Keilriemens zu achten.

Überladung

Bei Blei-Batterien müssen die
vorgegebenen Lade- und Entladeparameter unbedingt
eingehalten werden, sonst erlebt eine Blei-Batterie, wie der Fachmann sagt,
Stress mit schneller Alterung.

Überschreitet die Ladequelle die zulässige
Ladespannung, wird das integrierte Batterie-Management-System einer
Lithium-Batterie die Stromzufuhr unterbrechen um die Batterie zu schützen. Eine
Blei-Batterie, die bei Überschreitung der zulässigen Spannung zu gasen beginnt
verliert Wasser. Weil eine AGM-oder Gel-Batterie wartungsfrei ist, kann kein
destilliertes Wasser nachgefüllt werden. Eine Lithium-Batterie erhitzt sich
stark, wenn die Ladeendspannung schon um mehr als 50mV überschritten wird. Um
Tiefentladung oder Überladung bei einer Lithium-Batterie zu verhindern, sind in
der Batterie interne elektronische Schutzmaßnahmen (BMS =
Batterie-Managment-System) eingebaut, mehr dazu später.

Selbstentladung

Auch wenn eine Batterie nicht verwendet
wird, verliert sie über die Zeit einen Teil der gespeicherten Energie. Das nennt
mann Selbstentladung.

Wie schon erwähnt, schütz das
Batterie-Management-System (BMS) eine Lithium-Batterie vor Tief- und Überladung.
Hat das BMS aber die Stromabnahme zum Schutz vor Tiefentladung aus Schutzgründen
unterbrochen, sollte bald nachgeladen werden. Findet jedoch weiter
Selbstentladung statt, wird auch eine Lithium-Batterie irrreversibel geschädigt.

Muss eine Lithium-Batterie längere Zeit
gelagert werden, z.B. im Winterlager, verliert diese ca. 5% der Nennkapazität
pro Monat
durch Selbstentladung. Bei einer Blei-Batterie liegt die
Selbstentladung bei 20° C Batterietemperatur bei immerhin 1%
täglich
. Wie bei jeder Batterie sollten deshalb auch Lithium-Batterien nur
voll geladen ins Winterlager geschickt werden. Spätestens nach vier Monaten
sollte der Ladezustand kontrolliert werden und nötigenfalls
nachgeladen werden. Erreicht die Zelle einer Lithium-Batterie eine Spannung von
unter 2V durch Selbstentladung, kann sich die Zelle zerstören.

Regeneratives  Laden mit Solar-
oder Windenergie

Wird auf Langfahrt im Wesentlichen mit
regenerativen Energiequellen geladen, ist das für Lithium-Batterien schadlos möglich.
Anders sieht es bei Verwendung von Blei-Batterien aus. Nur selten wird unter Langfahrtbedingungen
die Ladeendspannung der Batterie beim Laden allein durch Solar- oder
Windgeneratoren erreicht. Blei-Batterien altern schnell, wenn nicht mindestens
jeder fünfte Ladevorgang zur Vollladung führt.  Wird nur selten voll
geladen,  lagert sich irrreversibles  Bleisulfat auf den Bleiplatten
ab, mit der Konsequenz von Kapazitätsverlust .

Wird mit Lithium-Batterien auch über
eine längere Zeit nicht die gewünschte Vollladung erreicht, führt das im
Gegensatz zu Blei-Batterien nicht zu einem Kapazitätsverlust. Permanente
Teilladungen sind schadlos möglich.

Integriertes Batterie Management System
(BMS)

Gut zu erkennen ist die Überwachungs-Schnittstelle bei der Mastervolt-Batterie. (Foto: Mastervolt)

Werden herkömmliche Gel- oder
AGM-Batterien tiefentladen oder überladen nehmen diese irreversiblen Schaden
(Bei Tiefentladung Kapazitätsverlust durch Sulfatierung an den Bleiplatten oder
Wasserverlust beim Überladen), Je länger die Tief- oder Überladungszeit
andauert, desto wahrscheinlicher ist der Ausfall der Blei-Batterie. Wird die Zellenspannung einer Lithium-Batterie unter- oder überschritten
wird diese unwiederbringlich zerstört. Daher sind alle Lithium-Batterien mit
eigener Batterie-Überwachungselektronik (BMS ) versehen, die die Batterie vom
Ladegerät (Überspannung) oder den Verbrauchern (Unterspannung) abschaltet, wenn
unzulässige Spannungen auftreten.

Die BMS-Elektronik ist meist unter dem Deckel der Batterie installiert. Im Interesse der Sicherheit und Lebensdauer MUSS eine Lithium-Batterie permanent von einem BMS überwacht werden.

Im Einzelnen werden vom BMS folgende Parameter überwacht: Die Batteriespannung, die individuelle Zellenspannung, der Ladestatus (Kapazität) jeder einzelnen Zelle, der Lade- und Entladestrom und die individuelle Zelltemperatur. Bei herkömmlichen Blei-Batterien kommen in der Regel keine elektronischen Maßnahmen zum Ausgleich unterschiedlicher Ladungszustände der 6 einzelnen Zellen zur Anwendung. 

Victron-Energy-LiFePo-Batterie, 90 Ah, Abmessungen in mm: H249 x L285 x B168,
Gewicht 16 kg (Foto: Victron)

Während der Ladung einer
Lithium-Batterie sorgen eingebaute elektronische Balancer, unter anderem dafür,
dass jeder einzelnen der 4 Zellen die korrekte Spannung zugeführt wird. Bei
drohender Über- bzw. Tiefentladung unter 80% der Nennkapazität wird der Stromfluss
automatisch unterbrochen, um die Batterie zu schützen. Ein interner
Temperatursensor erkennt unzulässige Betriebstemperaturen und schützt die
Batterie entweder durch Kühlung durch einen Lüfter oder durch elektronische
Stromregelung. Durch eine permanente Überwachung jeder einzelnen Zelle wird gewährleistet,
dass jeder Zelle der passende Strom bzw. Spannung zugeführt oder entnommen
wird. Damit ist gewährleistet, dass alle Zellen in der Lithium-Batterie
symmetrisch altern. Durch Ausgleichsströme werden die Zellen angepasst, wodurch
alle vier Zellen die gleiche Kapazität behalten. An dieser Stelle sei
angemerkt, dass Blei-Batterien deutlich länger leben würden, wenn BMS-Technik vorhanden wäre. Das erklärt
u.a. den höheren Preis einer Lithium-Batterie.

Temperaturverhalten

LiFePO4-Batterien haben auch eine
interne Temperaturüberwachung sowohl der einzelnen Zellen als auch der
integrierten Überwachungs- und Steuerungselektronik. Im Bedarfsfall wird vom
BMS der Batteriestrom gesteuert oder ein eingebauter Lüfter automatisch zu-
abgeschaltet .

LiFePO4-Batterien können in einem großen Temperaturbereich zwischen -20°C bis + 60°C betrieben werden. Der Innenwiderstand von Lithium-Akkus nimmt mit sinkender Temperatur zu. Hohe Ladeströme sind daher nur bei einer Temperatur oberhalb von 0° C möglich. Unterhalb dieser Temperatur muss das Batterie-Management-System (BMS) den Ladestrom begrenzen. Externe Temperaturfühler von Ladequellen, die beim Laden an Gel- oder AGM-Batterien empfohlen sind, werden bei Lithium-Batterien nicht benötigt.

Batterieüberwachung

Die meisten Hersteller bieten für
Lithium-Batterien spezielle Überwachungs-Monitore an, die mit Hilfe einer
Software (und BUS-Vernetzung) die Lade-Historie mit allen relevanten Daten zur
Anzeige bringen. Auch bei Gel- oder AGM-Batterien sind Batterie-Monitore eine
sinnvolle Ergänzung. Nur so kann neben anderen Informationen erkannt werden,
welche Restkapazität noch in der Batterie ist und wann Verbraucher (mangels
BMS) manuell von der Blei-Batterie getrennt werden müssen, um eine
Tiefentladung zu vermeiden.

Einbau und elektrischer Anschluss

Schon wie beim Betrieb von Blei-Batterien,
dürfen nur gleich alte Lithium-Batterien mit gleicher Kapazität miteinander
verschaltet werden. Das Mischen verschiedener Technologien ist unzulässig. In
der Regel dürfen max. 10 Lithium-Batterien parallel geschaltet werden. Aufgrund
der geringeren Abmessungen eines Lithium-Akkus sollte es auch bei einer Kapazitätserweiterung
kein Problem sein, den vorhanden Blei-Batterie-Montageplatz zu nutzen. Durch
die meist unter dem Deckel eingebaute Überwachungselektronik ist eine
Lithium-Batterie allerdings etwas höher als eine Blei-Batterie.

Bei einigen Herstellern ist die Batterie
schon mit einer Hochlast-Sicherung ausgestattet, so dass keine externe
Sicherung in Batterienähe notwendig ist. Wenn vorhandene Blei-Batterien gegen
Lithium-Batterien getauscht werden sollen,  müssen die vorhandenen
Batteriekabel-Querschnitte aufgrund der besseren Hochstromfähigkeit eventuell
vergrößert werden. Im Gegensatz zu Blei- können
Lithium-Batterien auch liegend platziert werden. Nur die Montage der Oberseite
nach unten ist nicht erlaubt.

Fazit

Auch wenn der Preis noch deutlich höher
ist als der für eine Blei-Batterie, sind die mehrfach höhere Lebensdauer und
die besseren elektrischen Parameter Grund genug, sich für eine Lithium-Batterie
zu entscheiden. Im Vergleich zu Blei-Batterien (AGM oder Gel) spart man ca. 70%
an Montagevolumen und Gewicht.

Betrachtet  man außerdem noch die
anderen qualitätsbestimmenden Parameter wie den Ladewirkungsgrad, die deutlich
höhere Zyklenzahl, die Hochstromfähigkeit, die Energiedichte und die größere
Entladetiefe, fällt der Griff in die Bordkasse nicht mehr so schwer.