Auf LiFePo4 Akkus umrüsten

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Aktualisiert – Juni 5, 2024

Umrüsten auf LiFePo4 Akkus lohnt sich aus zwei Aspekten: Gewichtsersparnis und Lebensdauer. Beides im Wohnmobil willkommene Gründe, um die alten AGM-Batterien auszutauschen.

Eine AGM-Batterie soll nach 60% Entladung aufgeladen werden. Eine LiFePo4-Batterie hält tatsächlich 100% ihrer Nenn-Kapazität durch. Zudem benötigt eine AGM-Batterie Erholungsphasen, wenn hohe Ströme kontinuierlich abgefordert werden, z.B. im Wechselrichterbetrieb.
Im Test hielt eine 120 Ah AGM-Batterie bei einer definierten permanenten Stromentnahme 31 Stunden, die LifePo4-Batterie mit 110 Ah 54 Stunden durch.
Auch im Ladeverhalten unterscheiden sich die beiden Bauarten: die AGM-Batterie benötigt 12 Stunden, die LiFePo4-Batterie 6 Stunden, um die verbrauchte Energie wieder aufzufüllen.
Zum Gewicht: die AGM liegt bei rund 26 kg, die LiFePo4-Batterie bei 10 kg.

Nun ist nicht jeder per Du mit dieser Technik, weshalb oft davor zurückgeschreckt wird, diesen Schritt zu wagen. Allerdings ist, wie immer, gewusst wie der Schlüssel zu dem vermeintlichen Geheimnis, das man zunächst dahinter wittert.

Eine Schritt für Schritt Anleitung soll helfen, die Scheu zu verlieren und mit Sicherheit den Tausch erfolgreich zu meistern.

Bei allen Komponenten, mit Ausnahme der Akkus selbst, werden Victron-Geräte eingesetzt.

Einkaufsliste

Je nach Leistungs-Erfordernis wählt man die gewünschte Ampère-Stunden (Ah), z.B. von EVE 280 Ah. Da wir uns die Batterie selbst zusammenstellen und eine einzelne Batteriezelle 3,35 V hat, wir aber meist 12 V Bordnetzspannung benötigen, werden davon vier Stück in den Warenkorb gelegt. Bei 24 V, wie z.B. in LKW-Chassis-basierten Wohnmobilen, müssen 8 Zellen gekauft werden.

Sollen größere Leistungen abgefordert werden, können Zellen auch parallel geschaltet werden. Z.B. ergeben 2 x 280 Ah-Zellen zu 4 x 3,35 V parallel verschaltet eine Kapazität von 2 x 280 Ah = 560 Ah.

LiFePo4-Batterien benötigen ein sog. Batterie-Management-Sytem (BMS), das sie vor zu hohen, wie zu tiefen Spannungen schützt und – im Fehlerfall – rechtzeitig die Minus-Leitung elektronisch trennt.

Weiter ist ein Balancer sinnvoll, der dafür sorgt, dass alle Zellen stets die angenähert identische Spannung aufweisen.

Ladegerät / Ladebooster dienen dem Laden der LiFePo4-Batterie mit Landstrom, bzw. während der Fahrt über die Lichtmaschine.
Derartige Geräte, so sie bereits für die AGM-Batterie verbaut sind, für LiFePo4-Batterien geeignet sein. Entweder sind sie manuell einstellbar oder erkennen selbsttätig den Batterietyp und laden mit der entsprechenden Ladekurve. Falls weder die eine, noch die andere Gegebenheit vom Ladegerät zur Verfügung gestellt wird, benötigt man ein entsprechend geeignetes, neues Gerät.

Wer einen Wechselrichter zu betreiben beabsichtigt, kann sich u.U. ein separates 230 V Ladegerät sparen, denn die größeren Wechselrichter, wie z.B. Victron Multiplus II verfügen bereits über ein eingebautes, sehr leistungsfähiges Ladegerät.

Bei der Leistung des Ladeboosters ist die Leistungsabgabe der Lichtmaschine im Auge zu behalten, ggf. eine stärkere einzubauen. Ein Ladebooster mit 30 A Ladestrom gilt als Standard und kann i.d.R. ohne eine leistungsstärkere Lichtmaschine verbaut werden.
Zu beachten sind den Herstellerangaben entsprechende Verwendung dicker und kurzer Kabel, um Spannungsabfälle von Lichtmaschine zum Ladebooster und vom Ladebooster zur zu ladenden Batterie gering zu halten. Gute Ladebooster kompensieren Spannungsverluste von der Lichtmaschine zum Ladebooster, indem sie die Ausgangsspannung automatisch anheben.

Ein Berechnungs-Tool für Kabequerschnitte findet sich hier.

Bei allen Schraub-, Klemm- oder Quetsch-Verbindungen stets auf festen Sitz achten!
Lockere Verbindungen erzeugen hohe Widerstände, die bei entsprechenden Strömen zu starker Erhitzung, bis hin zum Kabelbrand führen können!

Optionen

Wer den Ladezustand der Batterien nicht allein schlicht übr die Bluetooth-Schnittstelle via App abfragen, sondern stets über eingehende Solar-Energie, Ladezustand, Verbrauchswerte informiert sein möchte, kann sich z.B. von Victron Cerbo GX mit Touch 70 Monitor alle relevanten Werte anzeigen lassen, Geräte konfigurieren, etc..

Zellenausgleich

Auf Grund von Fertigungs-, Materialtoleranzen sind die Eigenschaften einer Zelle nie exakt identisch. Da ein BMS bei Erreichen einer bestimmten Zellenspannung von einer entladenen Zelle ausgeht und die gesamte Batterie abschaltet, selbst, wenn die restlichen Zellen noch nicht entladen sind, gilt es alle Zellen auf einem idealerweise identischen Spannungspegel zu halten.

Ein Zellenausgleich benötigt Zeit. Es schadet nicht, die Zellen nach Lieferung gleich in einer Reiher parallel aufzustellen, alle Minus-Pole mit den mitgelieferten sog. Busbars zu verbinden, ebeso mit allen Pluspolen zu verfahren. Auf diese Weise kann über Nacht eine Zelle mit geringerer Ladung von einer anderen Zelle Ladung übernehmen und so ein ausgeglichenes Spannungspotenzial über alle Zellen erreicht werden.

Die Batterie

Spannungsmessung

In obigem Beispiel wurden 16 Zellen ausgeglichen, die nun auf ihre jeweilige Spannung überprüft werden. Hierzu sollte ein Digitalmultimeter mit einer Auflösung von 0,001 V ±0,03 % oder besser verwendet werden. Eine Max/Min-Funktion erleichtert das Erfassen der Spannungsabweichung einer Messreihe, wie hier über 16 Zellen.

Sind alle Zellen mit weitgehend identischen Spannungen als ausgeglichen bestätigt, können die Zellen in die gewünschte Anordnung gebracht werden. Hier sollen vier mal vier 3,35 V Zellen parallel verschaltet (ergibt 4 x 280 Ah = 1.120 Ah) und danach die resultierenden Vierer-Packs von je 3,35 V in Serie zu einer 13,4 V Batterie zusammengeschaltet werden.

Aufbau

Hier wurden die Vierer-Blocks, die letztlich jeweils EINE 3,35 V Zelle repräsentieren, in Reihe geschaltet, um zusammen 4 x 3,35 V = 13,4 V bereitzustellen.

Die rosafarbenen Schaumstoffeinlagen dienen der Vibrationsdämpfung. Gesamtgewicht inkl. Gehäuse 96 kg. Gewichtsersparnis gegenüber 4x AGM DeepCycle Batterie 222 kg! Abmessungen (B) 619 x (H) 407 x (T) 283 mm.

BMS-Anschluss

Das BMS verfügt über zwei dicke Kabelanschüsse, P- und B-. B- wird an den Minus-Pol der Batterie angeschlossen, P- führt zum Minus-Anschluss der Verbraucher. Dieser Kabelquerschnitt sollte ebenso für die Plus-Leitung zur Batterie eingesetzt und nicht unterschritten werden.

Die beiden 35 mm² dicken schwarzen Kabel (oben) werden mit der Masse-Schiene (-) des Lynx-Shunts, die blauen Kabel (unten) mit dem Minus-Pol der Batterie verbunden.
Üblicherweise existiert für BMS kleiner 400A nur ein schwarzes und blaues 35 mm² Kabel. Ab 400 A werden je zwei gleichfarbige 35 mm² Kabel parallel angeschlossen, um den Kabeldurchmesser physisch ausreichend flexibel, elektrisch jedoch doppelt so belastbar zu gestalten.

Das XENES-BMS verfügt über einen integrierten Balancer.

Balancer-Anschluss

Je Batterie existieren vier Zellen. Entweder besitzt eine Zelle tatsächlich nur EINE 3,35 V Zelle oder aber mehrere (hier vier Stück), die wiederum je einen (hier gemeinsamen) Minus und Plus-Pol aufweisen.

Das schwarze Kabel des weißen Steckers (-) unten links wird mit dem Minus-Pol der ersten (hier gemeinsamen) Zelle, sowie die vier roten Kabel (+) mit jeweils dem Plus-Pol der ersten (das ist jene Zelle / jener Zellenverbund, der aus Sicht des BMS als erster mit B- verbunden ist; in der oben abgebildeten Frontansicht der Zellenblock oben rechts), zweiten, dritten und vierten Zelle(neinheit) verbunden.

Sollten die Kabel zu kurz sein, dürfen sie verlängert werden. Allerdings ist zu beachten, dass letztlich ALLE fünf Kabel gleich lang sind, um eine Verfälschung der Messergebnisse zu vermeiden!

Die Buchsen an der unteren Längsseite des BMS, bezeichnet mit NTC und UART dienen dem Anschluss des Temperatursensors (NTC) und des Bluetooth-Moduls (UART), über das die Verbindung zur BMS-App aufgebaut wird.

Batterie- und Verteiler-Anschluss

Mit dem Victron Lynx Shunt und Distributor ermöglicht Victron die Messung ein -und ausgehender Ströme bis in den 1 kA-Bereich, sowie die Vor-Absicherung angeschlossener Verbraucherstränge zur Verfügung.

Die erhobenen Daten werden über Cerbo GX auf dem Touch-Panel angezeigt.

Die Batterie wird mit kurzen und für die zu erwartenden Ströme ausgelegte, dicke, wie kurze Kabel an den Eingängen des Lynx-Shunts angeschlossen.

Alle M8-Schraubverbindungen sind mit 14 Nm anzuziehen.

Lynx Shunt und Distributor wiegen zusammen 3,6 kg.

MPPT-Regler-Anschluss

Der Ausgang des MPPT-Reglers wird an einem der Distributor-Ausgänge angeschlossen. Sofern mehrere MPPT-Regler im Einsatz sind, können diese auf einer Klemme des Distributors zusammengeführt werden.

Der MPPT-Regler wiegt 4,5 kg.

Ladebooster- / Ladegerät-Anschluss

Die Ausgänge von Ladebooster, wie Ladegerät werden direkt an einem der Ausgänge des Distributors angeschlossen.

Der Ladebooster wiegt 1,8 kg, das Ladegerät 1,3 kg.

Verbraucher-Anschluss

Die Summe aller Ströme eines Versorger-Stranges multipliziert mit 1,35 ergibt die Größe der einzusetzenden Vorsicherung. Werden 105 A erwartet, ergibt sich die Sicherung zu 105 x 1,35 = 148 mit 150 A.

Verbraucher werden stets einzeln über entsprechend berechnete Sicherungen abgesichert.

Cerbo GX und GX Touch-Anschluss

Der „Datensammler“ Cerbo GX wird über das beiliegende Verbindungskabel mit dem GX Touch Panel verbunden. Geräte, die mit dem Cerbo GX kommunizieren werden via VE.direkt-Kabel, bzw. auch über USB-zu-VE Adapter an selbigen angeschlossen. Beides muss bedarfsweise separat bestellt werden.

Externer Batterie-Anschluss

Ein externer Batterieanschluss kann z.B. dazu dienen, zwei Fahrzeuge, die beide über PV-Module und ein Batteriepack verfügen, mit einander zu verbinden, um in einem der Fahrzeuge nicht benötigte Energie für das zweite Fahrzeug mit höherem Verbrauch nutzbar zu machen.

Ein weiterer, externer MPPT-Regler-PV-Anschluss kann dazu dienen, zusätzlich externe PV-Module mit dem Eingang des MPPT-Reglers zu verbinden, um eine höhere solare Ausbeute und größere Leistungsparameter zu erzielen. Vorausgesetzt, dass der verbaute MPPT-Regler über entsprechende Leistungsreserven verfügt.

Hier ist der Victron Smartsolar MPPT-Regler 250/100 Tr VE.Can verbaut, der bei 12 V DC einen Ladestrom von bis zu 100 A generiert. Die maximale PV-Leerlaufspannung beträgt lt. Datenblatt 250 V.

In die jeweilige Plus-Leitung der externen Anschlussbuchse ist in beiden Fahrzeugen eine Sicherung von 80 A einzuschleifen, um einerseits zu hohe Ströme abzufangen, andererseits einen Kurzschlusschutz zu erzielen. Ebenso ist ein Leistungsschalter in der Plus-Leitung empfehlenswert, um bei Nichtgebrauch die externen Batterie-Anschlussbuchsen abschalten zu können.

Fazit

Eine solide Einheit, die sämtliche Komponenten in einem Block beinhaltet, stellt letztlich 1.120 Ah zur Verfügung, wiegt etwa 145 kg und erlaubt trotz aller Kompaktheit den Zugang zu allen Anschlüssen sämtlicher Komponenten ohne Demontage einzelner Geräte.

Hinweis

Alle Elektro-Installationsarbeiten sind von qualifiziertem Personal unter Beachtung geltender Vorschriften durchzuführen. Bei Arbeiten an Elektro-Installationen sind diese stets gesichert stromlos zu halten!
Zur Information unbeteiligter Dritter sind während der Dauer der Arbeiten entsprechende Hinweisschilder an den Abschaltvorrichtungen anzubringen.

p.s. Wer persönliche Unterstützung in der Umsetzung gegen Entgelt benötigt, kann gern eine Buchung vornehmen!