Keine Lastmodule für LiFePO4 - Balancerplatinen

Ich bin gegen Balancer-Platinen auf LiFePO4 Zellen (LFP) und möchte euch erklären warum.
Grund ist eine Reihe von Fragen, die ich per E-Mail bekommen habe, warum die denn alle verwenden würden, wenn die sooooo schlimm sind, wie ich das sage.

Nun, der Grund ist vermutlich der, dass die meisten, die diese Lastmodule vertreiben nicht verstanden haben, wie die Zellen zu laden sind.
Oder vielleicht liegt es auch daran, dass man mit dem Verkauf mehr verdient als mit der Aufklärung über die Risiken :-)

Wenn ich hier von LiFePO4 Zellen spreche, dann von SkyEnergy/CALB SE/CA oder Thundersky/Winston Battery Zellen.
Ich habe zwar auch Erfahrungen mit den HighPower, GBS LFP, A123 Zellen und diversen 18650 gemacht, aber den Großteil eben mit den oben genannten.

Die meisten von denen, die LiFePO4 Batterien in ihrem Fahrzeug, der Solaranlage oder auf dem Boot einsetzen, möchten ihre Investition möglichst lange nutzen und genießen.
Das verstehe ich durchaus und so habe ich anfangs auch viel Zeit damit verbracht, ein passende BMS für meine damals 38 Zellen zu finden.

Nur waren sie entweder zu teuer oder aber so aufgebaut, dass es mir schwer fiel zu verstehen, was die eigentlich sollten.

So bestellte ich mir ein Goodrum/Fechter BMS (V2.7), welches damals bei endless-sphere.com in einer Art open-source Entwicklung entstand und anpassbar war.
Während ich auf die Lieferung wartete und auch während der Zeit des Lötens las ich viel über die Zellen und machte meine ersten eigenen Erfahrungen.
So langsam schwand der Drang, die Zellen zu balancieren.

Heute bin ich mir sicher, dass min. 80% der Zelltode von installierten LiFePO4-Zellen auf den falschen Umgang beim Laden zurückzuführen ist.
Der Rest stirbt wegen Produktionsfehlern, die später erst zum Tragen kommen oder weil die Zellen zu sehr entladen wurden.

Um das Problem zu verstehen, eine Wiederholung:

Bei einer voll geladenen LiFePO4 Zelle ohne Last und nach einer Ruhezeit von sagen wir mal 48 Stunden würde man eine Spannung an den Anschlüssen von 3,38V messen.
Die Zelle wäre voll.
Würde mann nun eine Spannungsquelle größer als 3,38V an die Zelle anlegen, würde weiter Strom in die Zelle fließen und sie würde überladen, letztendlich irgendwann auch messbaren Schaden nehmen.

Um genau diesen Punkt zu erreichen (voll, ohne zu überladen), geben die Hersteller der Zellen ein Datenblatt zur Hand, in dem steht, wie man die Zellen laden sollte, um die angegebenen Zyklen zu erreichen.

CALB (China Aviation Battery Company) hat hier, wie viele andere Hersteller, über die Jahre ihre Datenblätter angepasst. So dass hier zusätzliche Unsicherheit bei den Verbrauchern entstand.

Generell lässt sich für LiFePO4 / LFP Zellen sagen:

Empfohlener Ladestrom: 0.3C
Ladeendspannung: 3,6V
Ladeendpunkt: 3,6V bei 0.05C

Für unser Beispiel hier nehmen wir eine CALB SE100Ah Zelle.
Empfohlener Ladestrom: 0.3C * 100Ah = 30A
Ladeendspannung: 3,6V
Ladeendpunkt: 3,6V bei 0.05C * 100Ah = 5A

Mit diesen Werten kann ich nun eine Zelle laden.
Ich starten mit 30A Ladestrom, bis die Zelle 3,6V an den Anschlüssen zeigt, dann halte ich die Spannung auf 3,6V.
Dadurch sinkt der Strom und bei 5A Ladestrom beende ich den Ladevorgang.
Gratuliere! Die Zelle ist schadlos geladen worden :-)

Das ist für eine einzelne Zelle sehr leicht, verbindet man aber mehrere Zellen in Reihe, um eine höhere Spannung zu erreichen, fangen die Probleme an.

Denn jede Zelle ist unterschiedlich zur nächsten. Jede wird zu einem anderen Zeitpunkt voll sein oder auch leer.
Daher werden sie "angeglichen". Das geschieht durch einzelnes Vollladen oder Entladen auf einen bestimmten Punkt.

Für unser Beispiel nehmen wir 4 x 100Ah Zellen, um eine herkömmliche "12V"Blei-Batterie zu ersetzen.

Wir laden nun alle wie oben beschrieben einzeln auf und verkabeln sie danach in Reihe.

Wir nutzen die neue "4S"-Zelle (vier Einzelakkus in Serie) nun über länge Zeit. Entladen sie bis max. 20% der Kapazität und laden sie wieder bis max. 14,4V (4*3,6V) und mit einem Strom von 30A, in der Konstantstromphase bis der Strom auf 5A gesunken ist.

Sind die Zellen alle ohne Fertigungsfehler geliefert worden, wird diese Art der Nutzung nach 2.000 Vollzyklen noch 80% ihrer Kapazität, also 80Ah besitzen.


Nun kommen die "Lastmodule" oder "Balancer" ins Spiel.
Deren Einsatz liegt die These zugrunde, dass Lithiumzellen mit der Zeit in der Spannung "auseinanderdriften" und tatsächlich tun das einige Lithiumzellen.
Lithium-Polymer Zellen, wie sie bei Modellbaufliegern sehr verbreitet sin, sind durch ihre Zellchemie deutlich "nervöser" als LiFePO4 Zellen und fangen mit der Zeit an, unterschiedliche Spannungen zu zeigen.
Hier wird in der Regel jede Ladung mit angeschlossenem Balancer durchgeführt.
Der Vorteil der LiPo's ist, dass sie eine hohe Entladerate (bis 90C, also der 90fachen Stromstärke der aufgedruckten Kapazität) eine höhere Spannungslage (3,6V/3,7V), eine höhere Energiedichte und damit ein geringeres Leistungsgewicht haben, was für Modellflieger sehr wichtig ist.

LiFePO4 verhält sich so nicht. Sie geben ihre Leistung langsamer ab (gern mit 3C), benötigen etwas mehr Platz, haben ein höheres Gewicht pro Wh und deren Normalspannung wird mit 3,2V angegeben.
Dafür weisen sie deutlich höhere Zyklenzahlen auf und fangen nicht Feuer bei einem Kurzschluss.

Trotzdem gibt es unzählige Arten von Balancermodulen, die für sich in Anspruch nehmen, die Zelle vor der Überladung zu schützen.
Das erledigen sie meist durch Widerstände, die ab einer Spannung von meist 3,6/3,65V die Zelle überbrücken sollen.
Die Energie, die durch die restlichen Zellen laufen soll, damit diese weiter geladen werden, wird über den Widerstand in Wärme umgewandelt.

Das Problem ist, dass sie in einer Phase zum Tragen kommen müssen, in der der Ladestrom noch ein vielfaches von dem beträgt, das sie selbst verarbeiten können.
Balancermodule sind zwischen 500mA und 3A üblich.

Bei unserem Beispiel (30A bis 3,6V, danach 3,6V bis 5A) könnten sie die anfallenden 30A nicht vollständig an der schon vollen Zelle vorbeileiten. 27A - 29,5A würden weiter in die Zelle fließen.
Zudem wird der Balancer heiß, da er über 100W Wärme produziert.
Klingt nicht viel, aber bei einem Pack von bei uns 54 Zellen wird das kuschelig warm bis brütend heiß.

Gehen wir davon aus, dass die Zellen ähnlich in der Spannung sind.
Ganz davon abgesehen, dass ich sie dann nicht bräuchte, würde selbst bei 5A Ladeendstrom das Balancermodul 2A noch in den Akku schieben, der bereits voll ist.

Es gibt nach meinen Erfahrungen keine sinnvollen Einsatz dieser Boards, weshalb ich dringend empfehle sie nicht zu benutzen!

Viel sinnvoller ist es, allgemein nur bis 3,5V / 0.03C zu laden und bei der Entladung darauf zu achten, dass die unteren 10-20% nicht genutzt werden.


Wer unsicher ist und genau wissen möchte, wie der Zustand seiner Zellen ist, sollte sich einen Batteriemonitor-BMS zulegen, welches flexibel in der Anpassung ist.

Unterstützer hier entlang:

BM-6810 einfacher Zellspannungsmonitor

Den AOK-BL8S habe ich euch ja bereits kurz vorgestellt. Nun sind vier einfache BM-6810 Zellspannungsmonitore eingetroffen.

Noch simpler von den Funktionen, denn hier wird nur die Spannung angezeigt, kein Summer und keine Einstellmöglichkeiten.
Bis zu sechs Zellen lassen sich damit messen, die Genauigkeit ist wie bei dem AOK-BL8S sehr gut.

Zellspannungsmonitor AOK-BL8S

Wir werden bei der Rallye an die Grenzen unserer Reichweite kommen.
Da wir ohne BMS unterwegs sind, müssen wir in dieser speziellen Situation die Zellspannung selbst im Auge behalten.
Unter 2,5V sollten sie nicht kommen, daher habe ich mir zwei kleine Zellspannungsmonitore aus dem Modellbau besorgt, für jeweils ~ 3,- Euro.
Mit dem AOK-BL8S lassen sich bis zu 8 Zellen gleichzeitig überwachen. Das Display zeigt einmal die Gesamtspannung der überwachten Zellen und geht dann jede einzelne durch.

Die Alarmspannung läßt sich von 2,7V bis 3,8V einstellen.
Wird diese erreicht bzw unterschritten, ertönt ein nervender Warnton.

Ich habe das Bauteil in eine kleine schwarze Box eingebaut und eine LAN-Buchse angebaut.
So kann ich die Box leicht an- und abklemmen.

Einzelzellenüberwachung

Neben dem Entlade- und Ladeaufbau, denke ich auf einem einfachen Aufbau für die Messung der einzelnen Zellspannungen mit dem Arduino herum.
Der Arduino Duemilanove hat nur eine begrenzte Anzahl von Analogen Eingängen zur Spannungsmessung (6), was für unsere 45 Zellen nicht ausreicht.
Somit habe ich ein paar Multiplexer (CD4051) bestellt, die das Problem lösen sollen.

Über drei digitale Ausgänge des Arduino schalte ich bis zu acht Multiplexer und kann so an nur einem einzelnen analogen Eingang des Arduino bis zu 64 analoge Signale messen.
Dabei wird nur ein Wert zur Zeit gemessen, aber da der 4051 sehr schnell schaltet, wird dies keine größeren Verzögerungen mit sich bringen.
Für unsere Unterspannungsmessungen ausreichend, denke ich.

Mit Franz haben wir schon einmal diskutiert, was wichtig für die Überwachung ist.
Nicht die ständige Anzeige aller Zellen, sondern die Zelle mit der aktuell niedrigsten Spannung muss betrachtet werden und ggf. muss eine Überwachung eingreifen, sollte sich der Ladezustand dem kritischen Bereich nähern.
Die Kür ist neben der Anzeige, eine aktive Drosselung des "Gaspedals", durch die Zuschaltung eines Widerstands zum Fahrpoti.

Im Versuch mit einer einzelnen Zelle ist alles kein Problem, aber im Fahrzeug sind die Zellen in Reihe geschaltet und somit können diese nicht auf einen Massepunkt gebrahct werden.

Offene Frage: Wie bekomme ich eine übersichtliche galvanische Trennung der Eingänge zueinander hin?



Mal sehen, was Franz darüber in seinem Blog stehen hat ... ;)

Vorbereitung für Zellenmessung

Es laufen derzeit meine Vorbereitungen, um die Messung der einzelnen Zellen duchzuführen.
Der Plan sieht vor, jede einzelne Zelle bis zu ihrem elaubten Nullpunkt am unteren Ende der Ladekurve zu bringen und diese dann wieder vollzuladen bis zum erlaubten "Höchstpunkt".

Die Energie, die beim Laden in die Zelle fließt, wird damit die Kapazität der Zelle bestimmen.
Jeder Hersteller gibt unterschiedliche Ladekurven und Endladekurven, sowie empfohlene Entlade- und Ladespannungen und Ströme an, daher gelten die unten aufgeführen Werte nur für die von mir verwendeten Zellen!

Bei 20°C ist der Punkt, der als entladen gilt bei 2,5V und 39A (0.3C).
Die Zellen wurden zum Zeitpunkt unseres ersten Kaufs noch mit 2,0V Entladespannung angegeben und 3,8V Endladespannung (hier auf das "d" und "t" achten ;)  ).
Mittlerweile sind hier 2,5V und 3,6V angegeben.

Zur Vorbereitung werde ich den Wagen bis ca.80% leerfahren, damit die Prozedur nicht unnötig lange dauert.

Als Aufbau wird ein 100W 0,1Ω Ohm Widerstand eingesetzt.
Bei anfänglichen 3,2V wird der Strom etwa 32A ausmachen, bei 2,5V sind es noch 25A.

Die Spannung und der Strom wird doppelt überwacht.
Zum einen wird ein Arduino darüber wachen und im entscheidenden Moment ein Relais öffnen, um den Stromfluß zu unterbrechen, zum anderen werde ich mit Stromzange und Multimeter die Werte gegenprüfen und ggf. einschreiten.
Wenn das bei den ersten Zellen reibungslos funktioniert, werde ich dem Arduino die Arbeit überlassen.

Den Aufbau für das Laden werde ich voraussichtlich ähnlich aufbauen. Endspannung wird 3,5V werden.
Zum Laden der einzelnen Zellen werde ich es mit den drei MeanWell-Netzteile (je 15A) probieren und sehen, ob es nach meine Wünschen klappt.
Die Ah und Wh werden von einem zweiten Arduino gemessen.

So kann ich die ersten Zellen laden, wärend der Rest noch entladen wird.

Bei 45 Zellen wir das eine lange Prozedur ...

Cheopsbotschaft zu Weihnachten

Um die Weihnachtstage herum haben wir zwar wenig Zeit gehabt, aber es kribbelte unter den Fingernägeln endlich einmal das Ladegerät an die Akkus zu montieren und die Batterien aufzuladen.
Neben Umbau des Dachbodens und des Kinderzimmers haben wir dennoch ein paar Stunden geopfert und alles vorbereitet.
Wir haben extra eine weitere Steckdose und ein 230V / 16A Verlängerungskabel besorgt, um den New Beetle dort zu laden, wo er jetzt steht, denn bis zur Steckdose am Haus kann er ja leider noch nicht fahren ;-)
Doch als wir das Ladegerät mit dem Akkupack verbunden hatten und das Zivan an die Steckdose angeschlossen hatten, leuchtet eine gelbe LED auf, ein Relais zieht an, sonst nichts!

Nach dem erneuten Studieren der Anleitung (die recht spärlich ausfällt), konnten wir nicht entdecken, warum der Ladevorgang nicht anläuft oder zumindest ein akustisches Signal ertönt.
Bei ebay habe ich dann zwei Videos gefunden, die meine Erwartungen bestätigten:



Also Foren befragen und abwarten, bis die Telefone bei Atech (Distributor von Zivan in Deutschland) wieder besetzt sind. Allerdings konnten mir die Beiträge in den Foren nicht wirklich helfen, sondern schürten die Angst einer Rücksendung an den Händler.
Glücklicherweise konnte mich der nette Herr bei Atech heute beruhigen und somit Entwarnung geben. In den dort vorliegenden Unterlagen konnte er erkennen, dass das Ladegerät eine "Start/Stopp Hardware" enthält.
Das bedeutet, dass ein nach außen geführter potentialfreier Kontakt den normalen Start des Ladevorgangs verhindert.
Dieser ist z.B. für die Rückmeldung eines BMS oder einem einfachen Schalter vorgesehen.

Zuhause angekommen haben wir es gleich ausprobiert und siehe da, es klappt.
Derzeit läuft der Ladevorgang bei 128,7V. Ein einfaches Thermometer zwischen den Zellen zeigt einen Anstieg der Temperatur von 2° Celsius an.