DIY-Lithiumbatterie: Zwei Jahre später funktioniert mein selbstgebautes Setup immer noch einwandfrei

Aug 28, 2023

Zwei Jahre nach dem Bau teilt Ingenieur Andy Pag einige überraschende Erkenntnisse über die Leistung seiner Lithium-Haushaltsbatterie …

Andy Pags Lagoon 410 Cushla

Unser gesamter Energiebedarf für zwei von uns, die wir seit zwei Jahren Vollzeit an Bord der Cushla leben, wurde durch die Lithiumbatteriebank gedeckt, die ich aus einzelnen Lithiumzellen zusammengestellt habe.

Ich habe 16 LiFePo4-Zellen mit jeweils 3,2 V und 120 Ah verwendet. Durch die Parallelschaltung von vier Zellen habe ich eine sogenannte „Superzelle“ mit 3,2 V und 480 Ah erstellt und vier Superzellen in Reihe geschaltet, um die 480 Ah-12-V-Batterie zu erzeugen. Ich habe ein Daly-Batterieüberwachungssystem (BMS) mit einer Nennleistung von 250 A. Dadurch wird die Lithiumbatterie in mehrfacher Hinsicht geschützt.

Erstens fungiert es als 250-A-Auslöser. Technisch gesehen werden Lithiumbatterien mit einem Strom entladen und aufgeladen, der 1C (ihrer Amperestundenzahl) entspricht, also in meinem Fall 480A, aber es gibt nichts auf dem Boot, das so viel verbrauchen würde, daher sind 250A eine gute Sicherheitsmarge. Zweitens schützt es die einzelnen Zellen, indem es sie im Gleichgewicht hält.

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Bootsbesitzer verlassen sich seit langem auf die Blei-Säure-Batterie, um ihre Motoren zu starten, elektrisches Licht zu betreiben und heutzutage auch …

Aber selbst die besten Lithiumbatterien haben Nachteile, schreibt Emrhys Barrell. Der erste sind die Kosten, die bis zu … betragen.

Der Schlüssel zu einer guten Kapazität einer Lithiumbatterie liegt darin, dass alle Zellen im Gleichgewicht sind. Beim Aufbau der Batterie besteht der erste Schritt darin, die Zellen „top auszubalancieren“. Schalten Sie alle Zellen parallel und laden Sie sie auf 3,65 V auf.

Das ist die Spannung, bei der fast alle zu 100 % geladen sind. Wenn dann der Strom in die Batterie hinein- und herausfließt, steigen und fallen alle Zellen gleichzeitig. Im Laufe der Zeit können jedoch ein oder zwei Zellen abdriften, und das bedeutet, dass beim Einlegen einer 14,6-V-Ladung einige Zellen niedriger sind, andere jedoch über 3,65 V.

Überladung kann sie beschädigen oder, schlimmer noch, zu einer Überhitzung führen. Ich habe festgestellt, dass die Ausgleichsfunktion des BMS nicht wirklich ausreicht, um die großen Superzellen mit einer Kapazität von 480 Ah auf dem Laufenden zu halten, und alle 12 Monate musste ich die Batterie zerlegen und erneut ausbalancieren. Der gesamte Vorgang dauert bei richtiger Planung etwa einen Tag.

Andy Pags 480-Ah-Lithiumbatteriebank zum Selbermachen für den Hausgebrauch verwendet einzelne Lithiumzellen, die in Reihe und parallel geschaltet sind. Mit seiner Lithiumbatterie kann er von Wasserkocher, Toaster und Waschmaschine alles mit Strom versorgen – aber nicht alles gleichzeitig. Der limitierende Faktor ist der Wechselrichter des Bootes, nicht die Lithiumzellen

LiFePo4 mag es auch nicht, bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geladen zu werden. Davor schützt das Batteriemanagementsystem, indem es die Batterie abschaltet. Wenn sich Ihr Boot in einem kalten Klima befindet, denken Sie darüber nach, wie Sie einen beheizten Raum um die Batterie herum schaffen können, damit Sie nicht abgeschnitten werden, sobald es eisig wird.

Ich habe mich für die damals verfügbaren Zellen mit der größten Kapazität entschieden. Ich ging davon aus, dass ich durch die Verwendung von Zellen, wenn eine kaputt gehen sollte, sie austauschen könnte, ohne eine komplett neue Batterie kaufen zu müssen. Doch nur ein Jahr später waren die 120-Ah-Zellen ziemlich veraltet und sicherlich schwer zu finden.

Die nächstgelegenen, die ich finden konnte, waren 240 Ah. Das Tempo der Entwicklung und des Preisverfalls war erstaunlich. Wenn jetzt eine meiner Zellen ausfällt, muss ich das gesamte System aktualisieren.

Handwerkszeug: ein günstiges Netzteil für Top-Balancing-Zellen und gute Crimpwerkzeuge für feste, korrosionsfreie Verbindungen

LiFePo4-Zellen dürfen nicht höher als jeweils 3,65 V oder 14,6 V geladen werden. Ich habe meine Ladegeräte auf die etwas niedrigeren 14,4 V eingestellt. Es soll die Chemie weniger belasten und die Zellen halten länger. Es gibt auch etwas Spielraum – wenn eine der Zellen aus dem Gleichgewicht gerät, wird sie nicht überladen.

Der Batteriemonitor verbindet sich über Bluetooth mit Telefon und Tablet. Die Software ist schwerfällig und fehlerhaft, tut aber, was sie tun soll. Die Überprüfung von „Diff Volt“ ist eine wöchentliche Wartungsaufgabe. Wenn die Zellen um mehr als 100 mV aus dem Gleichgewicht geraten, ist es an der Zeit, die Zellen herauszuziehen und neu auszubalancieren

Stellen Sie sicher, dass alle Ihre Batterieladequellen so eingestellt sind, dass sie unter 14,6 V bleiben. Solarladeregler, Landstrom, Generator und Motorgeneratoren.

Es wird viel darüber gesprochen, dass Lichtmaschinen überhitzen, wenn sie Lithiumbatterien laden sollen. Das Problem ist, dass die Lichtmaschinen nicht dafür ausgelegt sind, ihren maximalen Strom lange abzugeben, ohne heiß zu werden.

Ich habe das nicht ausgiebig getestet, da mein Solarpanel-Array mir viel Saft liefert, aber als ich es getestet habe, habe ich festgestellt, dass der Generatorlüfter der erzeugten Wärme mehr als gewachsen ist, wenn ich die Motordrehzahl hoch halte, also teste es Ihr System, bevor Sie sich einen Strombegrenzer oder eine verbesserte Lichtmaschine zulegen.

Soweit ich meine Police gelesen habe, gibt es für Bootsversicherer keinen Spielraum, ein Boot nicht mit Lithiumbatterien abzusichern, solange alle Systeme ordnungsgemäß installiert sind.

Als gelernter Ingenieur gebe ich das System gerne ab. Aber es ist eine lohnende und ernüchternde Übung, über die Konsequenzen nachzudenken, die ein Ausfall Ihrer Batterie mit sich bringt.

Wenn ich den Wasserkocher (2 kW) zum Kochen bringe, zieht er fast 150 A aus der Batterie. Das ist genug, um Metall zusammenzuschweißen, also mehr als genug, um den Widerstand einer korrodierten Verbindung zum Glühen zu bringen.

Ich hatte dies am Trennschalter für den Wechselrichter, was mir dankenswerterweise aufgrund des Spannungsabfalls zwischen der Anzeige des Wechselrichters und der BMS-Anzeige aufgefallen ist.

Abb. 1: Ladekurve für LiFePo4. Die Spannung einer Lithiumzelle zeigt an, ob sie voll oder leer ist. Bei fast vollständiger Ladung steigt die Spannung auf 3,65 V. Das BMS nutzt diese Funktion, um die Batterie abzuklemmen und so ein Überladen zu verhindern. Der Bereich pro Zelle beträgt 3 V – 3,65 V oder 12 V – 14,6 V für die Batteriebank.

Ich vergleiche ständig die Spannungswerte und überprüfe die Verbindungstemperaturen mit einem Laserthermometer. Dies ist die beste Möglichkeit, korrodierte Verbindungen zu finden und eine Wartungsarbeit, die regelmäßig durchgeführt werden muss. Jetzt poliere ich alle Ringverbinder mit 400er Körnung auf einem flachen Block und trage alles mit dielektrischem Fett auf.

Ich habe in gute Crimpwerkzeuge für Drähte mit kleinem und großem Durchmesser investiert. Nach Jahren des schlechten Crimpens von Steckverbindern mit Zangen ist es ein Vergnügen, diese Dinger zu verwenden.

Wenn ich heute anfangen würde, würde ich mir vielleicht handelsübliche Lithiumbatterien ansehen, die heutzutage billiger als DIY-Zellen sind und sich besser ausbalancieren, aber ich würde auf jeden Fall trotzdem auf die Bleisäure verzichten.

Abb. 2: Entladekurve für LiFePo4. Lithiumbatterien haben einen geringeren Innenwiderstand als Bleisäurebatterien, sodass hohe Ströme länger fließen können und sie schneller aufgeladen werden. Sie leiden beim Entladen nicht unter Spannungsabfällen, selbst wenn sie hohe Ströme liefern.

Es gibt einen Unterschied zwischen Lithium-Ionen- und Lithium-Eisen-Batterien (auch bekannt als Lithium-Eisenphosphat oder LiFePo4). Telefone und elektronische Geräte verwenden Lithium-Ionen.

Wenn sie nicht richtig konstruiert sind, können Kristalle im Inneren der Batterie wachsen und sich schließlich zwischen den Plus- und Minuspolen ausdehnen, was zu einem Kurzschluss führt und so viel Hitze erzeugt, dass ein Feuer entsteht.

Anwendungen mit größerer Kapazität wie Hausbatterien eignen sich besser für die Lithium-Eisen-Chemie, und obwohl sie nicht immun gegen Feuer sind, bedeutet die interne Chemie, dass das Kristallwachstum kein großes Problem darstellt.

Wenn zu viele Volt an sie angelegt werden, können sie sich erhitzen und verformen, was ein Risiko darstellt. Das Durchstechen einer Zelle kann ebenfalls zu einem internen Kurzschluss und einem Brand führen. Schützen Sie die Zellen daher vor beweglichen Motor- oder Getriebeteilen, die wegfliegen könnten.

Diese Funktion erschien in der Novemberausgabe 2022 von Practical Boat Owner. Für weitere Artikel wie diesen, darunter DIY-Artikel, Ratschläge zum Geldsparen, großartige Bootsprojekte, Expertentipps und Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung Ihres Bootes, schließen Sie ein Zeitschriftenabonnement für Großbritanniens meistverkauftes Bootsmagazin ab.

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