Technische Tipps

Warum Lithium-Batterien? - Teil 1

Lithium Ion Battery

Das klingt alles ganz selbstverständlich. Die Batterie ist leer, schalten Sie einfach ein Ladegerät ein oder stellen Sie den Motor Ihres Autos oder Bootes ab und innerhalb weniger Stunden ist die Batterie wieder geladen. Damit wieder genügend Energie zur Verfügung steht. Ein einfaches Verfahren und effektiv, aber nicht immer schnell, wenn eine Blei-Säure-Batterie eingebaut ist, Vorteil ist, dass Standard-Ladegeräte verwendet werden können. In 9 von 10 Fällen müssen Sie nicht nach Ihrer Batterie sehen und sie ist nach einer Nacht wieder voll. Bei Lithium-Batterien ist das nicht der Fall, und Sie müssen der Ladeanlage und dem 12- oder 24-VDC-System im Allgemeinen besondere Aufmerksamkeit widmen. Denn eine Lithium-Batterie kann bei unsachgemäßem Gebrauch gefährlich sein (siehe Laden und Entladen).

Warum Lithium-Batterien?

Eine Lithium-Ionen-Batterie ist eine Batterie, bei der die Ionen der Batterie von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode wandern und umgekehrt. Die Lithium-Ionen-Batterietechnologie ist in der Unterhaltungselektronik wie Telefonen, Tablets und Laptops weit verbreitet. Aber auch in anderen tragbaren Geräten, Akkuwerkzeugen und in elektrischen Verkehrsmitteln und internen Transportsystemen usw. Für die Speicherung größerer Energiemengen werden Lithiumbatterien zunehmend auch dort eingesetzt, wo bisher offene und geschlossene Bleisäure-, AGM- oder Gelbatterien verwendet wurden. Wichtigste Gründe: Lithiumbatterien haben eine sehr hohe Energiedichte und sind daher kompakt und leicht, es gibt keinen Memory-Effekt, was ein schnelleres Aufladen ermöglicht und sie haben eine sehr geringe Selbstentladung, um nur einige Vorteile zu nennen.

Verschiedene Technologien Lithium-Batterien

Es gibt mehrere Arten von Lithiumbatterien auf dem Markt, die jeweils spezifische Eigenschaften haben.
Die wichtigsten davon sind:

  • Lithium Ion
  • Lithium-Polymer (einschließlich Kobalt oder Mangan oder beides wie NMC)
  • Lithium eisen Phosphat (LFP - LiFePO4)

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4 oder LFP) gilt als der sicherste auf dem Markt. Das ist genau der Grund, warum wir bei WhisperPower diesen Batterietyp in den verschiedenen Versionen anbieten. Wir sind uns bewusst, dass die anderen Typen andere Vorteile haben, wie z. B. eine etwas höhere Energiedichte, wie es bei der NMC-Batterie der Fall ist, aber diese Typen sind deutlich weniger sicher. Bei WhisperPower steht die Sicherheit an erster Stelle.

Die Anwendung ist entscheidend

Vor dem Kauf einer Lithiumbatterie ist es äußerst wichtig, die Anwendung zu kennen. Mit anderen Worten: Wo wird die Batterie eingesetzt, wie wird sie verwendet, wie viele Lade-/Entladezyklen sind geplant usw. Die wichtigste Anwendung, mit der wir uns bei Lithium-Ionen-Batterien befassen, sind Hybridsysteme für den Antrieb und/oder die Stromversorgung, die immer häufiger in ein Fahrzeug oder ein Schiff eingebaut werden. Die Batterien werden häufig in der Situation mit vielen Lade-Entlade-Zyklen oder High-Cycle-Einsatz verwendet. Mit zyklischer Nutzung ist gemeint, dass die Batterie tief entladen und dann schnell wieder aufgeladen wird, wobei sie auch während der Entladung geladen wird (Nutzung des Systems). In einem Elektroauto zum Beispiel wird die Batterie während der Fahrt entladen. Während des Ladevorgangs wird die Batterie nicht angetrieben. Mit anderen Worten: Während des Ladevorgangs wird keine Energie aus der Batterie im System verbraucht. All diese Parameter werden bei der Wahl der richtigen Batterie und Batterietechnologie berücksichtigt. Sie werden sehen, dass bei Autos die Kompaktheit und das Gewicht wichtiger sind, da hier eine bedingte Drucksituation besteht. Daher wählen wir für diese Anwendung eine andere Batterietechnologie.
Zurück zur Auswahl der richtigen ION-Batterie. Nachdem die richtige Batteriekapazität und das gesamte AC- und DC-System bestimmt worden sind, müssen die entsprechenden Systemkomponenten bestimmt werden.
Die Nennspannung einer LFP-Zelle beträgt 3,2 V (bei einer normalen Blei-Säure-Batterie sind es 2 V pro Zelle). Eine 12-Volt-LFP-Batterie ist eigentlich eine 12,8-Volt-Batterie, die aus 4 in Reihe geschalteten Zellen von 3,2 Volt = 12,8 Volt besteht.

Lithium Eigenschaften

Die Spannung einer einzelnen Batteriezelle beträgt 3,2 Volt. Dies ist die sogenannte Nennspannung. Die tatsächliche Spannung während des Gebrauchs kann jedoch von 2,5 bis 4,2 Volt schwanken. Wenn die Spannung unter 2,5 Volt fällt, wird die Zelle beschädigt. Die Zelle ist dann zu tief entladen und wird irreparabel beschädigt. Wenn die Spannung über 4,2 Volt steigt, wird die Zelle ebenfalls beschädigt. Die Zelle ist dann überladen und wird irreparabel beschädigt.
Die Zellen einer LFP-Batterie gleichen sich nicht selbst aus, wie es bei Blei-Säure-Batterien im Allgemeinen der Fall ist. Die Zellen in der Batterie sind nie zu 100 % identisch, so dass es im Laufe der Zeit zu einer ungleichmäßigen Ladung der Zellen kommt. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Zellen ausgeglichen werden, damit sie alle gleichmäßig geladen sind. Whisper Power Lithiumbatterien haben diese Ausgleichsfunktion eingebaut. Bei billigeren Lithiumbatterien muss diese Ausgleichsfunktion hinzugefügt werden. Dies geschieht oft durch eine lose Platine, die mit den Zellen verbunden werden muss.
Bei Blei-Säure-Batterien fließt während der Erhaltungsladung immer ein Strom. Daher sind Zellen, die weniger voll sind, immer noch voll, und der Ausgleich erfolgt automatisch, ohne dass wir es bemerken.
Bei Lithiumbatterien gibt es keinen Strom mehr, wenn die Batterie voll ist. Aus diesem Grund findet kein Ausgleich statt, wenn die Zellen ungleichmäßig gefüllt sind.
Es ist also sehr wichtig, dass die Batterien richtig konditioniert und vor Tiefentladung und Überladung geschützt sind, und die Zellen müssen ausgeglichen werden.

Dauer

In der Praxis zeigt sich, dass die meisten Blei-Säure-Batterien aufgrund von Sulfatierung, d. h. der Verhärtung der Platten in der Batterie, vorzeitig ausfallen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Benutzer die Batterie über einen längeren Zeitraum teilweise oder vollständig entladen hat. Dies ist häufig bei Anwendungen zu beobachten, bei denen die Batterien nur einen Teil des Jahres genutzt werden, wie z. B. bei Yachten, Wohnmobilen und Wohnwagen.
Kurz unter einander die Vorteile einer Li-Ion-Batterie:

  • Sicher, wenn die richtige Lithium-Technologie (LFP) verwendet wird.
  • Sie haben eine sehr hohe Energiedichte und sind daher sehr kompakt und bis zu 30-50 % kleiner als Bleibatterien.
  • Ein extrem geringes Gewicht, das bis zu 70 % unter dem von Bleiakkus liegt.
  • Langlebig: viele Lade- und Entladezyklen möglich, bis zu 6000 Zyklen, das ist mehr als bei Blei-Säure-Batterien.
  • Sehr hoher Wirkungsgrad von 92 % im Vergleich zu 80 % bei einer Bleibatterie. Selbst bei geringer Entladung bleibt der Wirkungsgrad hoch. Bei Blei-Säure-Batterien sinkt der Wirkungsgrad drastisch, wenn die Batteriekapazität zwischen 80 und 100 % liegt. Daher empfehlen wir den Einsatz von LFP-Batterien in Solar- und Generatoranwendungen, wo erhebliche Einsparungen an Kraftstoff und CO2-Emissionen erzielt werden.
  • Kein Memory-Effekt, kein Wiederaufladen von vab 80 auf 100% bei abnehmendem Ladestrom wie bei Bräunungsakkus.

Preis

Der Anschaffungspreis ist höher als bei einer Bleibatterie, aber die Batterie hat eine viel längere Lebensdauer. Aus diesem Grund ist die Lithiumbatterie über die gesamte Lebensdauer gesehen wirtschaftlicher.

Was ist wichtig?

Wir haben gesehen, dass die Lithium-Batterie bei unsachgemäßer Verwendung gefährlich sein kann. Daher ist es wichtig, mit einem zuverlässigen Lieferanten zusammenzuarbeiten, der die richtigen Systeme für die Anwendung des Benutzers konfigurieren kann. Das kostet zwar etwas mehr in der Anschaffung, aber der Vorteil ist, dass das System garantiert funktioniert, zuverlässig und vor allem sicher ist. So können Sie die Energie optimal nutzen, wo und wann Sie sie brauchen.

Deshalb sind LFP-Lithiumbatterien (LiFe PO4) die einzig richtige Wahl für Systeme unter anspruchsvollen Bedingungen, bei denen Gewicht, Größe, Leistung und Energieeffizienz wichtig sind. Whisper Power liefert die folgenden Lithium-Batterien:

  • Wir bieten unseren Kunden unsere Li-Ion Basic-Reihe an, die für kleinere Stromversorgungssysteme geeignet ist, für 12 und 24 VDC.
  • Mit der ION Power Plus liefern wir eine leistungsstarke "System"-Batterie für größere Systemkonfigurationen, insbesondere 24 und 48 VDC.

Die Li-Ion-Basisbatterien eignen sich hervorragend für den Einsatz in Fahrzeugen und Schiffen, wo der Entladestrom je nach Batterietyp auf 50 A bis 100 A begrenzt ist.
Es ist notwendig, sich einen Moment Zeit zu nehmen, um den Lade- und Entladevorgang eines solchen Akkus zu betrachten. Nichts ist so ärgerlich wie eine leere Batterie, wenn man Strom braucht. Deshalb ist es wichtig, dafür zu sorgen, dass der Akku sofort nach dem Entladen wieder voll aufgeladen wird. Aber wie macht man das am besten?
Wie bereits erwähnt, sollte ein Li-Ion-Akku niemals überladen werden. Wenn dies geschieht, wird der Akku “gestresst” und kann im schlimmsten Fall Feuer fangen – mit allen Konsequenzen. Verwenden Sie daher immer die richtige Whisper Power Lithium-Batterie für die richtige Anwendung mit dem entsprechenden WhisperPower Ladesystem.
Der Lithium-Ionen-Akku verfügt über eine spezielle Schutzschaltung (BMS , Battery Management System), die dafür sorgt, dass der Akku die maximale Spannung nicht überschreitet. Dieses BMS sorgt auch dafür, dass Ihre Batterie nicht zu tief entladen wird. Wenn die Spannung zu niedrig oder zu hoch ist, sorgt das BMS dafür, dass der Akku nicht beschädigt wird.

Wie schützen wir die Batterie?

Mit dem ION Basic verfügen wir über eine interne Trenntechnik. Wir empfehlen immer eine externe DC-Trennoption wie den Remote Battery Switch Typ 12-500A oder den 24-500A für 24-Volt-Batteriesysteme.
Der modulare DC-Fernbatterieschalter (der Schalter) ist ein intelligenter magnetischer Hochstrom-Schließschalter, der kontinuierliche Gleichströme bis zu 500 Ampere verarbeiten kann. Der Schalter kann leicht im Motorraum oder im Batterieraum installiert werden, während er von einem günstigeren Standort aus durch einen kleinen, auf der Schalttafel montierten Schalter gesteuert wird. Der Schalter kann aber auch von einem Batteriewächter oder einer Lithiumbatterie gesteuert werden, zum Beispiel als Entlade-/Überladeschutz.
Mit dem ION Power Plus haben wir den WIB, der sich um die Abschaltung kümmert, im nächsten Tipp erklären wir das genauer.

Lebensdauer Whisper Power Lithium

Die Lebensdauer einer Batterie nimmt mit dem Alter und der Anzahl der Lade- und Entladezyklen ab. Mit anderen Worten: Je häufiger die Batterie geladen und entladen wird, desto kürzer ist ihre Lebensdauer. Kurz gesagt: Die Lebensdauer des Akkus hängt von der Häufigkeit des Ladens und Entladens ab. Für die ION power basic sind dies mehr als 2000 Zyklen bei einer 1C und 100% DoD (depth of discharge). 1C Entladung bedeutet bei einer LFP-Batterie, dass eine 100Ah-Batterie 1 Stunde lang mit 100A entladen werden kann. Das ist wesentlich länger als bei einer Blei-Säure-Batterie mit einer Zyklenlebensdauer von 200-300 Zyklen bei einer DoD von 50%. Wir sehen also, dass bei Blei-Säure-Batterien der Entladestrom oft um ein Vielfaches geringer ist als die Batteriekapazität einer viel genutzten Batterie als C20. C20 ist eine 20-stündige Entsalzung, d.h. eine 100Ah-Blei-Säure-Batterie mit C20 bedeutet eine 5A-Entladung für 20 Stunden. Wobei wir die Batterie nur zu 50% entladen können. In vielen Fällen ist die Lithium-Batterie die beste Wahl in Bezug auf eine lange Lebensdauer und die niedrigsten Kosten über die gesamte Lebensdauer.

Wie bereits erwähnt, haben Li-Ion-Batterien eine minimale Selbstentladung. Das BMS benötigt einen geringen Strom, so dass trotzdem etwas Energie verbraucht wird. Dies muss berücksichtigt werden, und die Batterie muss mit dem richtigen Ladegerät, einem Solarpanel, einem Windrad oder einer anderen Ladequelle gewartet werden. Wenn die Batterie über einen längeren Zeitraum nicht benutzt wird, müssen Sie dies in Betracht ziehen. Je mehr die Batterie geladen wird, desto schneller beginnt sie von innen zu oxidieren und die Lebensdauer nimmt ab. Wenn Sie die Batterie über einen längeren Zeitraum nicht benutzen, stellen Sie sicher, dass noch etwa 60-70 % Kapazität in der Batterie vorhanden ist, und treffen Sie Maßnahmen, damit die Batterie nicht durch das BMS entladen wird.
Es ist also nicht ganz unklug, die Batterie mit einem Batteriemonitor zu überwachen.