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.