Lithium Batterie

Wir ersetzen unsere 4 Bleibatterien durch einen Lithiumblock, den wir selbst bauen. Das Projekt ist noch im Gange und wird hier  nach und nach dokumentiert. Sehr spannend und sehr teuer.

Baustelle !


Wechsel zu einer Lithium Batterie

6.2.2022. Wer hat es noch nicht gelesen, diskutiert oder gesehen: Ein Energieblock mit dem Zaubernamen Lithiumbatterie.

In vielen Artikeln in den Wassersportjournalen den Internetforen, den Yacht-Blog-Seiten werden werden die schier endlosen Vorteile von Lithium Batterien als Energiespeicher auf Yachten gelistet. Die Vorbehalte wegen brennender Boote, weil sich die Batterie unkontrolliert erhitzt sind in manchen Köpfen noch vorhanden, aber auch schnell widerlegt.

 

Warum also nicht auch so ein Wunderwerk in die Skokie einbauen? Der Energiebedarf wächst, das autarke Leben auf demBoot soll weitestgehend ohne  Landstromanschluß erfolgen, und alle anderen machen es ja auch. Also muss eine LiFePO4 Versorgung her.

Gesagt, getan? Nein, so einfach ist es nicht!

Auch wenn einige Bootsprofis es weis machen wollen, die Bleibatterie raus, den Lithiumblock rein funktioniert nur sehr eingeschränkt, birgt einige Risiken, die wir auf Yachten, unterwegs auf weitem Wasser nicht haben möchten und nutz dann die vielen Vorteile der "neuen Technologie" nicht aus.

Was ist Lithiumchemie in Batterien?

Dass die Batterien von Elektroautos brennen können, ist von der Sensationspresse zu Beginn der Elektromobilität mit Dramatik verbreitet worden. Fotos von lodernden Teslas und zu spät gelöschten Opel Ampera zogen die volle Aufmerksamkeit auf sich. Teufelszeug.

Lithium Batterien brennen. Ein Vorurteil, dass nicht für LiFePO4 auf Booten zutrifft. (Foto: copyright)

Autos fahren allerdings mit anderen Substanzen in den Batterien, als die, die auf Booten und Vans eingesetzt werden.

Die Batteriechemie für den Hausgebrauch besteht aus Lithiumeisenphosphatoxid - LiFePO4. Diese Mischung ist nicht, oder nur äusserst schwer in Brand zusetzen, selbst bei Kurzschluss. Darum kommt auch nur diese Mischung auf Booten in Frage.

In Autos ist eine Batteriechemie mit andern Metallen eingesetzt, die eine noch höhere Energiedichte erzeugen. Da sind z.B. : 

  • LCO - Lithium Cobalt Oxid
  • LMO - Lithium Mangan Oxid 
  • NMC - Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxid
  • NCA - Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxid
  • LFP - Lithium Eisen Phosphat Oxid, auch abgekürzt mit den chemischen Bezeichnung LiFePO4

Wenn wir also von Lithiumbatterien in Yachten sprechen, dann immer von der LiFePO4 Technologie. 

 

Eine einzelne Lithiumzelle liefert nominal 3,2V so dass sehr einfach mit vier Zellen in Reihe eine Batterie mit 12,8 Volt dargestellt werden kann.       Praktisch, da auch unsere herkömmlichen Blei-Säure Akkus eine fast gleiche Nennspannungslage von 12,4V (6 Zellen á 2,1V) haben und so in den gleichen Bordnetzen eingesetzt werden können.

Vergleich der Zellchemie:  Anzahl Zellen und Spannungslage
Vergleich der Zellchemie: Anzahl Zellen und Spannungslage

Alle wollen Lithium? Warum?

Warum denn nun dem Hype der Lithium Batterien folgen?
Was können diese Batterietypen denn nun besser als all die bewährten Bleiakkus wie AGM, Gel, geschlossene und offene Blei-Säure Batterien?


Vorteile

 

LFP's haben einige große Vorteile, die z.B. aus ihrer sehr viel höheren Energiedichte resultieren:

  • Wesentlich geringeres Gewicht und geringerer Raumbedarf bei gleicher Kapazität, oder umgedreht:
    in dem Raum, die ein Blei-Säure Batteriebank einnimmt, lässt sich viel mehr Kapazität unterbringen.
    Bei uns auf der Skokie hat sich zusammengefasst folgende Verbesserung ergeben:
    Auf nur einem Viertel der Stellfläche hat sich die Kapazität um 50% vergrößert
    und das Gewicht um 70% reduziert!
  • LiFePO4 können fast ganz entladen werden. Aus Bleiakkus sollen nur maximal 50-60% der Kapazität entnommen werden um langfristige Schäden zu vermeiden, bzw. um die Lebensdauer der Akkus nicht zu verkürzen.
  • Konstante Spannung: Die Spannung bleibt fast über den gesamten Entladezyklus, also von voll nach leer, konstant bei 12,8V während die Spannung bei Bleiakkus von ca. 14V auf 11,5V sinkt.
  • Schnelles Laden mit hohen Strömen bis zu 1C (Nennstrom in [A] so hoch wie die Nennkapazität in [Ah])
  • Hohe Entladeströme. Auch das Entnehmen der Ladung kann mit bis zu 1C erfolgen. Daher sind die Batterien besonders für Wechselstrominvertrer geeignet. Dieser Vorteil wiederum generiert dann oft das Verlangen nach mehr Komfort an Bord wie z.B. Fön, Wasserkocher, Kaffeemaschine oder gar eine elektrische Kochplatte. das Fönen nach der Dusche und dann einen Espresso aus der Maschine wollen wir auch als Komfortverbesserung mit den neuen Batterien erreichen.
  • Zyklenfestigkeit: Bis zu 3000 Zyklen, also vollständig entladen und wieder aufladen, sollen die Zellen verkraften können ohne dass sie nennenswerte Kapazitätsverluste zeigen. Wenn man jeden Tag im Jahr einmal die Batterie vollständig entlädt (bei uns 460Ah vollständig verbraucht) und wieder auflädt ergibt sich eine Lebensdauer von 8,2 Jahren. Da diese Annahme eher zu hoch ist und sehr wahrscheinlich noch nicht einmal die Hälfte der Zyklen im Jahr zustande kommen, könnte die theoretische Lebenserwartung bei guter Behandlung über 16 Jahre sein. 

 

Nachteile

 

Die Lithiumbatterien reagieren empfindlich, wenn die Ladespannung zu hoch oder die Entladung zu niedrig ist.
Ebenso sind die Temperaturen, bei denen LiFePO4's geladen und entladen werden können streng begrenzt. Das Laden ist unter 0°C nicht mehr möglich. Das Entladen soll je nach Zellentyp bis -20°C funktionieren, ohne dass die Zelle dabei zerstört wird. 
Natürlich können auch Bleibatterien nur in begrenzten Temperatur- und Spannungsfenstern betrieben werden, jedoch quittieren diese ein Überschreiten der Grenzen nicht gleich mit dem plötzlichen Zelltot, sondern vertragen schon mal ein kurzfristiges Überschreiten der zulässigen Ladespannung, während die Lithiumbatterien sofort unbrauchbar werden.
Bleibatterien lassen sich zur Not einfach länger "quälen" bevor sie aufgeben.

Die Lithiumbatterie muss daher unbedingt mit einem elektronischem Wächter für Spannung und Temperatur betrieben werden. Der Wächter heißt BMS, das steht für Batterie Management System. Das BMS mißt die Parameter und schaltet die Batterie ab, trennt sie vom Netz, wenn die Messwerte nicht zu den gesunden Sollwerten passen.


Das allerdings darf das Abschalten auf einer Yacht nicht einfach so passieren. Ein Blackout auf dem offenen Meer ist auf alle Fälle zu vermeiden. Kein Licht, kein Naviplotter, keine Bilgepumpe, kein Funk - auf ein plötzliches Fingerschnippen hin, weil die niedrige Spannung zu kritisch geworden ist, kann gefährlich werden.
Unter diesem Aspekt betrachte ich die angebotenen Drop-In LiFePO4’s mit eingebauten BMS zum Austausch 1:1 gegen konventionelle Batterien etwas argwöhnisch, weil die sich einfach unvermittelt abschalten können.
Nichts mehr rein, nichts mehr raus. Kein Strom.

Um diese prekäre Situation zu vermeiden muss neben dem Wächter, der für die Batterie sorgt, noch ein, nicht wenig komplexes, Lade- und Entladekontrollsystem eingebaut werden, das sich um den Strom im Bordnetz sorgt. Beides greift ineinander und muss reibungslos und automatisch funktionieren. Dazu ist einiges an Elektronik erforderlich, die das steuert. Verschiedene Zustände, die das BMS erkennt, müssen vorgewarnt und vom System kontrolliert abgefangen werden.

 

Das ist ein Nachteil der Lithiumbatterie auf einem Boot. Anders als in einem Van, den man anhält und dann mal schaut was los ist, und zur Not weiterfährt und sich an der nächsten Tankstelle Hilfe holt. Auf einem Boot müssen kritische Situationen abgefangen werden, dazu sind Zusatzgeräte erfordertlich wie bistabile Relais, Spannungswächter, Temperaturkontrollen, mehrere Hauptschalter und nicht zuletzt dicke Kabel von 50, 70 oder auch 95mm², die die hohen Ströme transportieren müssen.

 

Das geht in die Kosten. Und das ist ein nicht unerheblicher Nachteil der neuen Installation.
Auch wenn viele Beispielrechnungen die Investition auf die theoretische Lebenszeit der Batterie umlegen und dann auf geringere spezifische Kosten der LFP-Batterie im Vergleich zur Erneuerung einer AGM-Bank kommen, so ist doch erst einmal das Budget für den immensen Erstaufwand bereitzustellen. Und das kann, je nach geplanter Batteriekapazität und Sicherheit der Ausführung, an eine 5-stellige Summe heranreichen, also mehr als 8.000 Euro werden. Dazu später noch mehr. Eins nach dem anderen.

Ein weiterer Nachteil ist die geringe Chance auf Ersatzbeschaffung in abgelegenen Regionen im Falle eines Ausfalls.
Und der zusätzliche hohe Anteil an Elektronik, was für die Energieversorgung an Bord sicher keinen Zuwachs an Robustheit bedeutet. Bestimmt ist das System anfälliger. Was passiert z.B. bei einem Blitzschlag in der Nähe? Wenn grünes Wasser unter Deck kommt, gar ein Leck den Salon knietief flutet?


Beispiel auf der Skokie

Ich möchte hier in diesem Blog nicht weiter das allgemeine Für und Wider zu Lithiumionen Batterien ausführen. Das lässt sich in den einschlägigen Gazetten und Veröffentlichungen im Netz viel besser nachlesen oder anschauen (YT). Hier soll der eigentliche Aufbau unseres Batteriesystems als Fallbeispiel beschrieben werden. Es soll dokumentiert werden, was und wie wir es gemacht haben und mit welchen Überlegungen wir Komponenten ausgewählt und diese in den spezifischen Verhältnissen auf der Skokie eingebaut wurden. Hier kann man von den gemachten Erfahrungen profitieren und für eine eigene Lithiumbatterieanlage Ideen übertragen oder eigene Wege suchen, weil unser System sich auf das eigene Schiff nicht ohne weiteres übertragen lässt. Es ist immer gut einen Vergleich zu finden, um Dinge besser beurteilen zu können.

  • Vorher - Die vorhandene Anlage mit Blei-Säure Akkus
  • Der Plan
  • Die Batterie
  • Das BMS
  • Der Schaltplan
  • Das Package und Kabel-Routing

Vorher - Die vorhandene Anlage mit Blei-Säure Akkus

Mit der Skokie haben wir in 2018 eine Energieanlage erworben, die dringend überholt werden musste, da sie an einigen Stellen brand- und damit lebensgefährlich war. Offene Kontakte, nicht abgedeckte Batteriepole, abenteuerliche nachgerüstete Kabelkonstruktionen, fehlender Schaltplan. So haben wir zum Beispiel eine Keller-Feuchtraumleitung mit festen Adern zur Versorgung der elektrischen Klopumpe ohne Absicherung vorgefunden. Das Foto oben zeigt den Ersatz für ein 35mm² Kabel: es wurden einfach alle drei Adern eines Haushaltgummikabels in einen Kabelschuh gesteckt. Immerhin verzinnte Qualität.

Das musste neu. Aber nicht punktuell, sondern generell.

 

Als Energiespeicher standen 4 geschlossene 12V Blei Säure Batterien von Varta mit je 140Ah zur Verfügung. Zwei Batterien im vorgesehenem Batteriefach an Steuerbord, eine im Staufach davor und die vierte in der Sitzkiste an Backbord gegenüber, verbunden mit zwei 6m langen, 35mm² Kabeln. Ob diese Batterie überhaupt durch die Kabelverluste am Ladeprozess teilnehmen konnten habe ich nie nachgemessen. Vermutlich hat sie nicht zur Kapazitätserhöhung beitragen.

4 Blei-Säure Nass-Batterien mit je 140Ah, 1 Blei-Säure Starterbatterie mit 64Ah

Geladen wurden die Batterien über 3 Stromquellen:

  • Lichtmaschine (Alternator) Valeo 60A
  • 2 Landstromladegeräte Quick 40A, mit Bleiakku Ladekennlinie
  • 4 Solarpanels mit 480Wp Maximalleistung

Warum zwei Ladegeräte verbaut waren, haben wir nicht ergründen können. Die Starterbatterie wurde mit einer Trenndiode im Motorraum in der Nähe der Lichtmaschine von der Servicebatterie getrennt.

Die Photovoltaikanlage haben wir im Zuge des Aufbaus des Geräteträgers 2021 in Betrieb genommen. Als Laderegler funktionieren hierfür zwei Victron Energy MPPT Regler.

 

Nominal hatte die Service-Batteriebank eine Kapazität von 560Ah, die, wie bei Bleibatterien üblich, zu 50% genutzt werden konnten. Zusammen mit der Starterbatterie (64Ah) zeigte der Batteriemonitor 620Ah bei vollgeladenen Batterien an.


Der Plan

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Energiebilanz: wieviel Batteriekapazität wird benötigt?


Die Batterie

Nach der erstellten Energiebilanz wären 400Ah für unsere Bedürfnisse ausreichend. Zum Verbrauchen ist zwar ein dickeres Polster bestimmt besser, aber die Batterie möchte ja auch wieder aufgeladen werden und hierfür müssen entsprechende Gerätschaften vorgehalten werden.

 

 

 

Kauf bei Amazon:

Auf der Suche nach LFP Zellen zum Bau einer Lithium Batterie habe ich dieses Angebot mit Angeboten auf der Plattform Aliexpress verglichen. Anbieter, die auf YT oder anderen Medien einen seriösen Eindruck bestätigt bekommen hatten, waren preislich fast genauso wie dieses Angebot auf Amazon. Der Händler Ninthcit ist bei meinen Recherchen mit keinem negativen Eindruck aufgefallen.

Die Abwicklung über Amazon habe ich gewählt, um hier bei Reklamationen und Gewährleistungen auf einen bekannten bewährten Prozeß zurückgreifen zu können. Auch wollte ich keine separate Zollabwicklung selbst vornehmen. Hier kam mir entgegen, dass aus einem EU Lager geliefert werden soll und daher kein neuer Zoll anfällt. Insgesamt bin ich eher misstrauisch an diese Bestellung herangegangen.

 

Um es vorweg zu nehmen: Ich wurde beim Kauf bei Ninthcit, trotz einer Lieferverzögerung, nicht enttäuscht. Ich wollte im November 2021 Zellen mit 200Ah kaufen, die dann aber an dem Tag, als ich mich entschlossen hatte zu bestellen, nicht mehr lieferbar waren. Ich bin auf 230Ah Zellen ausgewichen. Ich hatte auch oft gelesen, dass von unseriösen Lieferanten gebrauchte Zellen versendet werden, oder B-Ware geliefert wird, die eine geringere Kapazität aufweisen als angeboten und zugesichert wurde. Daher hatte ich auch im Hinterkopf, wenn die Zellen eine geringere Kapazität als 230Ah hätten, mein Bedarf von 200Ah wahrscheinlich immer noch ausreichend gedeckt sein würde.

 

Im Angebot wurde zugesagt, dass eine Lieferung zwischen 5 und 7 Tagen dauern sollte. Beim Abschluss wurden 14Tage schriftlich bestätigt. Nach Ablauf der 14 Tage wurde ich vom Verkäufer per Mail informiert, dass es Verzögerungen wegen der Corona Situation in Deutschland geben würde und voraussichtlich weitere 14 Tage benötigt werden. Diesen Umstand würde man mit einem Nachlass von 50 Euro ausgleichen. Das fand ich sehr fair. 

Final wurden die Zellen nach 4 Wochen geliefert. Darauf hatte ich mich eingestellt, da dieses Zeitspanne auch bei Abwicklung über Aliexpress zu erwarten gewesen wäre.

Inzwischen habe ich 50 Euro zurückbekommen. Die Kommunikation lief gut und war schnell. Antworten innerhalb weniger Stunden, in Deutsch und in Englisch möglich.

 

Die Zellen selbst:

Es wurden zwei stabile Kartons mit je 4 Zellen geliefert. Ringsum 5cm fester Schaumstoff gegen Beschädigungen. Jede Zelle in einem separaten Pappkarton, darin die Zellen in einer antistatik Plastiktüte. Verpackung also sehr gut. Kein Gefahrgutaufkleber auf den Kartons. Ob diese notwendig sind , weis ich nicht

Auf den Einzel-Kartons steht "EUREP GmbH, Unterlettenweg 1a, 85051 Ingolstadt. Ninthcit, Made in China"

Die blaue Folie war nicht bei allen 8 Zellen sauber glatt aufgeklebt, es gab ein paar kleine Bläschen oder kleine Falten in der Folie, jedoch nicht wirklich zu beanstanden. An drei Zellen waren die blauen Folien mit einem zusätzlichen blauen Folienpunkt überklebt, so dass eine Reparatur einer Blase unter einer Folie zu vermuten ist. Die Reparatur der Folie ist aber akurat. Die Oberfläche ist glatt und vollständig elektrisch isoliert.

Die Geometrie der Zellen ist in Ordnung. Kein Bauch auf der breiten Seite. Die Schmalseiten etwas konkav nach innen gebogen. Die Pole sind mit Gewindestiften M6 versehen. Mit Kunststoffkappen rot und schwarz isoliert. Allerdings ist die Isolierung nicht vollständig, so dass ungewollter Kontakt an den Polen möglich ist.

8 Busbars und Flanschmuttern M6 liegen bei. Die Busbars, Bleche zur elektrischen Verbindung der Zellen, scheinen aus verzinntem Kupfer zu bestehen, (hab ich an einer Stelle abgekratzt, schimmert rötlich wie Kupfer). Leider sind die Bleche nur 1mm stark bei 20 mm Breite. Ich denke, dass ein 2mm starkes Blech für den zu erwartenden Strom günstiger ist. Ich werde noch zusätzliche U-Scheiben nutzen, bevor ich die Muttern festziehe.

 

Die Zellen haben alle einen unverletzten QR Code im Alugehäuse.Die Spannungslage der Zellen war in einem Karton von 3,247V bis 3,251V (Delta 4mV) , im anderen Karton von 3,249V bis 3,252V (Delta 3mV). Bei allen 8 Zellen als Gruppe zusammen, beträgt der Spannungsunterschied zwischen der niedrigsten und der höchsten gemessen Spannung dann 5mV.

 

Das Gewicht der Zellen beträgt zwischen 4199g und 4217g und scheint zur angegeben Kapazität zu passen.

Die Kapazität habe ich noch nicht gemessen, da ich dazu ein BMS benötige, das noch im Zulauf ist. Ggf werde ich die Rezension dann noch einmal erweitern, da dieser Wert der Zellenkapazität eigentlich ein sehr wichtiger ist.

Es liegt eine Gebrauchsanweisung mit wichtigen Daten bei. Hier ist auch der Hersteller der Zellen mit BLS in ShengZhen angegeben.

Bisher bin ich mit Abwicklung, Lieferung und den Zellen selbst zufrieden. Alles ist aber nur ein erster Eindruck.

Die Zellen müssen sich im Einsatz als Versorgungsbatterie unseres Boots erst noch beweisen.


Das BMS

Instagram Post

 

BMS

Yesterday arrived the BMS for our new lithium battery. 

 

Since LiFePO4 cells are really sensitive on voltage and temp, you need a Battery Management System (BMS) to avoid a status which destroys the cells. The BMS is responsible for cutting the connection between the cells and the charge&load devices and to isolate the battery. But this can cause in worst case a Black Out with no energy aboard, and should NEVER happen on any yacht. 

Due to this, we were looking for a BMS which is considering the special yacht needs, and there were two we found: The X2-BMS from Sweden was our favorite, but then we got knowledge from the Tao-BMS/New Zealand in the Victron forum

Both BMS are designed by sailors for sailors and are providing several alarm steps in case of any misalignment. So you can react, before the shut down comes too close. Very good! 

At least the Tao-BMS offers programming tools to adapt the parameters of your own cells and it can communicate with the Victron surrounding by CAN-Bus and brings a WiFi interface. 

 

Our decision was triggered by this communication tools. So finally we ordered the device from Philippe, living with his wife on his Catamaran Tao in NZ.

Step by step we are now creating our el. schematic to get our new „power box“ installed. 

We keep on reporting. 

🔋🔋🔋🔋🤞

Lorem Ipsum..


Der Schaltplan

Ohne Schaltplan geht es nicht. Es gibt zu viele Kabel zu verlegen und zu verbinden. Um Übersicht zu behalten und die Logik zu durchschauen und später nachzuvollziehen ist ein Kabellaufplan wirklich wichtig. Auch wenn er, so wie bei uns, nicht nach Norm ist und sicher komische Symbole (Bilder) verwendet, so braucht man auf alle Fälle eine Orientierungshilfe. 

Da ich kein passendes Zeichenprogramm habe und das Lernen solcher CAD Programme Zeit intensiv ist, habe ich den Plan in Keynote, einer App von Apple erstellt. 

Der Plan soll die ungefähren Einbaustellen der Geräte wiedergeben. Darum ist er vielleicht auf den ersten Blick nicht einfach zu lesen. Wenn man aber mit dem Plan in der Hand vor dem System steht, findet man sich besser zurecht als mit einem reinen Logikplan. Links unten sind die Lithium und die Blei(Starter-)Batterie zu finden. Rechts der Anlasser und die Lichtmaschine im Motorraum. Ich habe die drei vorhandenen Hauptschalter beibehalten und den Ort der Hauptsicherungen (Schaltpanel, Ankerwinsch, Bugstrahlruder) ebenso. Damit konnten weitergehende Eingriffe in das Bordnetzes vermieden werden und vorhandene Installation weiter genutzt werden.

Das Package und Kabelrouting

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Themen: Es ist eng , es soll wenig Platz verbraucht werden, Wartung muss dennoch möglich sein. Heizungsschlauch im Weg, isolieren. Übersichtlich, Überprüfbar, dicke steife, Kabel. verzinnt. Wassereinbruch?,  Kosten, Übergangswiderstände vermeiden wird heiss.