LiFePO4 Im Boot???

Hallo,

geht schon, kann man alles irgendwie machen, ist aber teuer und aufwändig, da die Spannung einer LiFePo4-Zelle je nach Ladezustand zwischen so etwa 3,0 und 4,2V schwankt. In einem 12V-System bedeutet das, dass man entweder die Bordspannung zwischen 9V und 12,6V halten muss - das beißt sich leider mit der Lichtmaschine und auch sonstigen Verbraucheransprüchen - oder dass man die Spannung der Akkus mit einem Gleichspannungswandler an die Bedürfnisse des Bordnetzes anpasst. Dann sind die Akkus also nicht mehr wie bisher direkt am Bordnetz angeschlossen, sondern nur über einen in beiden Richtungen (Laden und Entladen) automatisch arbeitenden DC/DC-Wandler. Das treibt die Kosten leider extrem nach oben und begrenzt die Belastbarkeit, also die Höhe der Lade- und Entladeströme. Ferner müssen Lipos und LiFePos streng nach Vorschrift geladen und Entladen werden. Schon geringste Überladungen oder Tiefentladungen schädigen die teuren Zellen unwideruflich. Daher müssen die Zellen zwingend balaciert werden, was ebenfalls eine aufwändige Steuerung notwendig macht. So einfach wie bei Bleiakkus eine Lichtmaschine dranhängen geht also nicht. Als letztes kommt dann noch die blöde "kalendarische Lebensdauer" zum tragen: Nach etwa fünf Jahren sind Lithium-Akkus mit oder ohne verwendet worden zu sein am Ende. Vielleicht wird das später mal besser, aber heute ist das meines Wissens noch so.

Grüße, Tom

Ich bin selbst Modellbauer und hatte noch nie Feuerprobleme mit Lipos. Diese öft zu lesende Brandgefahr ist vermutlich eine Überlieferung aus Lipo-Anfangszeiten, wo es bei minderwertigen Konstruktionen schon mal zu Entzündugen kommen konnte. Diese Zeiten sind aber vorbei. Allerdings gibt es Lipos nicht in Zellenkapazitäten von mehr als 10Ah. Sie kommen hier also ohnehin nicht in Frage und wären auch viel zu teuer.

Mit LiFePos ist es bzgl. des erforderlichen balancing leider ebenso wie bei Lipos. Es muss sicher verhindert werden, dass die Ladespannung einzelner Zellen 4,2V überschreitet. Das geht nur durch balancing oder eine vergleichbare Spannungsbegrenzung. Lässt man diesen Schutz weg, heißt es nicht zwangsläufig, dass man dann schnell kaputte Akkus hat, aber die Gefahr besteht nun mal. Denn anders als Bleiakkus können LiFePos keine überschüssige Ladungsmenge schadlos in Wärme oder Elektrolyse umsetzen und sich so quasi selbst balancieren, sondern es beginnen unweigerlich chemische Zersetzungsprozesse der Aktivmassen, die den Akku sofort stark schädigen. Das balancing läuft vom Aufwand her auch eher unter ferner, denn wenn ohnehin schon die Notwendigkeit einer aufwändigen DC/DC-Wandlung in beiden Richtungen, sowie einer kompletten Steuerung besteht, kommt es darauf nun auch nicht mehr an.

Mir fehlen bisher leider noch die Erfahrungen im Betrieb von LiFePo-Akkus in 12V-Umgebungen, wo mit Lichtmaschinen geladen wird. Allerdings kann ich mir vorstellen, dass hier ein wirklich großes Potential besteht. Wenn anschlussfertige DC/DC-Wandler-Lösungen zur Adaption von LiFePos an 12V-Systeme zur Verfügung stehen, dürfte diese Technik sich über kurz oder lang durchsetzen. Letztlich ist das natürlich eine Frage des Preises, denn über den entscheiden 95% der Anwender, welche Technik sie anschaffen. Preislich ist die gute alte Bleiakkutechnik immer noch unschlagbar. Wenn aber das Leistungsgewicht im Vordergrund steht und der Preis nur eine untergeordnete Rolle spielt (im Elektroauto z.B.), ist der Bleiakku sofort mausetot.

Grüße, Tom

Ist in etwa wie mit dem Elektroauto, da steht die Markteinführung auch schon seit gut 100 Jahren unmittelbar bevor... Wir wollten gerade eins kaufen (also richtig elektrisch, nicht so ein Hybrid-Dingen), mussten aber einsehen, dass es wohl doch noch zu früh ist. Das was man will gibt es nicht, das was es gibt ist viel zu teuer und taugt nicht viel und das was für 2012 angekündigt war (Renault Zoe ) kommt dann doch frühestens 2013.

Grüße, Tom

Klar, das geht. Ist nur leider ziemlich teuer und macht gewisse Anpassungen bei den Lade- und Entladeschlussspannungen erforderlich. Für alle die das nicht abschreckt ist das sicher eine gute Lösung. Allerdings ist die "kalendarische Lebensdauer" von etwa 5 Jahren bei Lithium-Systemen noch eine ziemlich fette Kröte, die man schlucken muss. Aus meiner täglichen Praxis mit den Kunden kenne ich deren Hauptproblem mit Lithium-Akkus inzwischen auch recht gut: Die Kosten! Wenn's ans bezahlen geht, sind sie sofort wieder bei den guten alten Bleiakkus. Eigentlich schade.

Ein Server-Netzteil würde ich hierfür aber nur im allergrößten Notfall verwenden. Wenn's schon an den Kosten eines brauchbaren Ladegerätes klemmt, scheint mir das Budget für eine Umrüstung auf Lithium-Technik schlicht nicht auszureichen. Da diese Akkus besonders teuer sind, sollte man m.E. auch alles vermeiden, was übermäßigen Verschleiß mit sich bringt. Eine 4S2P-Kombination von diesen 3,2V/100Ah-Zellen kostet immerhin 1.200,- Euro (zzgl. Balancer + Lade-/Tiefentladeschutztechnik).

Grüße, Tom

Die LiFeYPo4 Zellen von Winston haben einen guten Ruf, sind erschwinglich und für einen Spannungsbereich von 2,5 - 3,8 V bei 3,2V Nennspannung ausgelegt. Mit der Yttrium-Dotierung sollten es wohl eher 10 als 5 Jahre Lebensdauer werden können und wenn man sie 70% DoD bei max. 0,3C Ladestrom betreibt, dann stirbt die den Alterstod, denn >5.000 Zyklen bekommt man bei normaler Nutzung in 10 Jahren kaum hin. 100Ah als 4s-Block ist auch für unter 500,- Euro machbar, die Einzelzellen gibt es inzwischen als fertig konfektionierte Packs bis 1000Ah. Letzterer kostet allerdings auch noch an die 1.400,- Euro. Balancer mit Tiefentlade-/Überladeschutz gibt es auch unter 50,- Euro pro Zelle, wenn jetzt noch geeignete Ladetechnik für den Mobilbereich existieren würde, dann gibt es nicht mehr viele Gründe etwas anderes zu nehmen, zumal im Wohnmobilbereich die magischen 3,5to damit wesentlich leichter zu realisieren sind, als mit dem ganzen Bleigelumpe.

Ich suche nach schaltungstechnischer Kompetenz, um meine noch offenen Fragen zu lösen und möchte dann einen 4s Akku-Block von 3-400Ah in unser Reisemobil bauen. Blei gehört heutzutage nicht mehr auf die Straße.

... natürlich gegen angemessenes Entgelt.

Folgende Aufgabe wäre zu lösen:
Die Service-Batterie besteht aus 4 LiFeYPo4-Zellen mit 400Ah und einem BMS aus LiPro1-1. Diese Balancer-Module sollen über Ihre LVP- und OVP-Ausgänge die Verbraucher bzw. mehrere Ladeeinrichtungen (LiMA, Solar und Netzladegerät) abschalten. Dies wäre zwar auch mit SSR's zu realisieren, aber entweder sind die Innenwiderstände zu hoch und man hat Zusatzheizungen oder -nimmt man Industriequalität wie Crydorms- es werden insgesamt 500,- fällig um die Aufgabe zu lösen. Die BTS 555 von Infineon wären sowohl vom Innenwiderstand als auch von den Möglichkeiten der Strommessung und -begrenzung bei hoher Belastbarkeit (>165A) ideal und dazu ausnehmend preiswert. Da der Lötkolben bei mir seit der Ausbildung von vor rund 30 Jahren schweigt und ich im Hochstrombereich nicht die geringste Erfahrung habe, suche ich dringend nach Unterstützung.
Eine solche Platine könnte -so gut designet und gefertigt- sicher auch in größeren Stückzahlen von Interesse sein, da der BTS 555 unter 10,- Euro zu haben ist und weit mehr kann, als nur zu schalten (Strommessung, Über- und Unterspannungsschutz). Wer traut sich?

Beste Grüße
Rüdiger

Zitat

Die BTS 555 von Infineon wären sowohl vom Innenwiderstand als auch von den Möglichkeiten der Strommessung und -begrenzung bei hoher Belastbarkeit (>165A) ideal und dazu ausnehmend preiswert.

Bzgl. der Angabe des Maximalstroms im Datenblatts wäre ich vorsichtig! Es handelt sich um ein TO218-Gehäuse. Entsprechend weisen die Anschlusspins die Querschnitt-Abmessungen 1,5 x 0,5mm auf. Das ist ein Querschnitt von lächerlichen 0,75mm²! Die Idee, durch diese Anschlussdrähte 165A marschieren zu lassen, halte ich für außerordentlich gewagt. Normalerweise wird im Datenblatt von Hochleistungstransistoren auf die Begrenzung des Maximalstroms durch die Anschlusspins hingewiesen. Bei Siemens erfolgte das leider nur durch den lapidaren Hinweis, dass man bei Nutzung des Last-Eingangsstrompins 3 (statt der Kühlfahne) 0,5Milliohm zum Innenwiderstand des Bausteins hinzuzuaddieren habe. Die Last-Ausgangsstrompins 1 und 5 sind zum Glück zwei mal vorhanden, wodurch sich ihr Widerstand günstigstenfalls halbiert, wenn man sie auf der Leiterplatte perfekt niederimpedant kontaktieren kann. In der praktischen Umsetzung ist aber mit großen Schwierigkeiten zu rechnen. Ich schreibe da aus täglicher Erfahrung bei der Herstellung meiner Trenn-MOSFETs, welche mit Power-MOSFETs im TO220-Gehäuse arbeiten (gleiche Pinquerschnitte). Es erfordert erheblichen fertigungstechnischen Aufwand, durch Kupferschienen geeignetem Querschnitts und unter Umgehung der Transistor-Pins Last- und Wärmeströme unmittelbar am Transistorgehäuse abzugreifen um hierdurch die Spannungsabfälle unter Volllast so gering wie möglich zu halten und die dennoch dort anfallende Verlustwärme sicher abzuführen. Der Hersteller der von mir verwendeten Transistoren (International Rectifier, IRF) gibt beispielsweise ein Strom-Durchleitvermögen für den Silizium-Chip des Einzeltransistors von 400A an, beschränkt den zulässigen Maximalstrom durch die Anschlusspins aber auf relativ zahme 75A. Selbst bei nur 75A fallen an den Pins bereits rund 15W an Wärme an, die man dort nicht ohne weiteres wegtransportiert bekommt. Bei Volllast des BTS555 mit einem konstanten Strom werden bei "normaler" Leiterplattenmontage rund 50W allein an den Pins abfallen. Dazu kommen dann noch die Wärmemengen, die an den Leiterbahnen der Leiterplatte zusätzlich frei werden. Also meiner Meinung nach ist der genannte Maximalstrom des BTS555 von 158A praktisch nicht nutzbar. Man wird schon sehr sorgfältig bauen müssen, um auch nur die o.g. 75A pro Schaltkreis sicher nutzen zu können. Wenn man aber 4 bis 6 Stück davon braucht, um den benötigten Strom durchzuleiten, ist der BTS555 mit einem Preis von rund EUR 4,40 pro Stück zu teuer, denn das geht also auch deutlich billiger. Ob man mit der sonstigen Innenbeschaltung etwas anfangen kann, hängt natürlich von der Applikation ab.

Meine Empfehlung: 4 bis 6 Stück IRF2804 sorgfältig mit Kupferschienen parallel geschaltet leisten problemlos 500 bis 1.000A. Man kommt so auf einen praktisch erreichbaren Innenwiderstand von nur 0,5Milliohm und zwar inklusiv der Kupferschienen. Die Transistoren kosten auch nur 50 Cent...

Zitat

...und ich im Hochstrombereich nicht die geringste Erfahrung habe...

Wie sagte schon Captain Jack Sparrow bei "Der Fluch Der Karibik":

Was ein Mann kann und was ein Mann nicht kann: ...Ich zum Beispiel kann dich absaufen lassen, aber das Schiff allein nach Tortuga bringen, das kann ich nicht. Klar soweit?

Wie gut dass es Internetforen gibt...

Grüße, Tom

Hallo Tom,

ich hatte ja gehofft, Dich aus der Reserve zu locken und ein "kein Problem" zu hören, aber der Versuch schlug wohl fehl.
So beibt es eben beim Power-Lader, den ich irgend wann bei Dir ordern werde.

Trotzdem Danke für die wertvollen Hinweise. Dann bin ich wohl doch wieder bei den Crydoms in Puckbauweise die mit professioneller Verpressung der Kabel und sorgfältigem Anschluss die 100A ab können.

Ein Elend wenn man nicht alles selber machen kann. *soifz*

Beste Grüße
Rüdiger

Zitat

ich hatte ja gehofft, Dich aus der Reserve zu locken und ein "kein Problem" zu hören, aber der Versuch schlug wohl fehl.

Die Kosten Rüdiger, die Kosten...

Grüße, Tom

Ein einzelner Prototyp ist sicher zu teuer für einen von uns beiden, da gebe ich Dir selbstverständlich recht.

Beste Grüße
Rüdiger

Was sagt denn ICS zu dem Problem?

Grüße, Tom

Das wird als nächstes zu klären sein. Soweit mir bekannt, ist die Balancer-Schaltung nicht von denen, sondern freie Entwicklung eines Dritten und angeboten werden auch nur SSR um Ladestrom oder Last abzuschalten. Ein billigeres mit höherem Stromverbrauch und überflüssiger LED und die edle Industrieware zum Extrapreis. Das wäre ja alles schon ok und funktioniert, aber das Bessere ist des Guten Feind und jedes gesparte Watt Verlustleistung heizt weniger, muss weniger gekühlt werden, füllt die Batterie schneller und leert sie langsamer. Alles was da im Moment stattfindet sind mehr oder weniger Einzellösungen und ich bin motiviert auch für unsere Kiste eine gute Lösung zu finden -auch wenn Sie im Hinblick auf den Investitionsaufwand vielleicht nicht die wirtschaftlichste aller möglichen sein mag.
Die fertigen Angebote sind alle noch jenseits von gut und böse und -was mich noch mehr stört- die Hersteller sind nicht Willens klar zu sagen, was genau sie einem verkaufen. Wenn schon die genaue Akku-Chemie ein Geheimnis ist, brauche ich so etwas nicht. Ich muss verstehen können, was ich einbaue, sonst kann ich nix damit anfangen.

Beste Grüße
Rüdiger

Beschreib doch mal genau was Du brauchst:

• Maximalstrom?
• (Dauer-) Nennstrom?
• Nennspannung?
• Potentialtrennung zwischen Ansteuerung und Schaltausgang nötig ja oder nein?
• Wie schaltend (bei high- oder low-Potential der Ansteuerspannung, welche Steuerspannungen (Höhe))?
• Darf die MOSFET-typische Substrat-Diode vorhanden sein oder nicht?
• Gehäuse?
• (IP) Schutzart?
• Wie viele davon werden benötigt?
• Budget?

Im Prinzip müsste man für die Erstellung der Pflichtenliste schon mal 30,- Euro berechnen...

Grüße, Tom

Das ist doch eine Ansage!

Dann man los:
zu 1. Die Schaltung soll ein Crydom D06D100 ersetzen und mit einem niedrigen Innenwiederstand aufwarten, um weniger Verlustleistung zu produzieren. Das entsprechende Datenblatt ist ein guter Ausgangspunkt hinsichtlich der Parameter. Wunschergebnis wäre die Halbierung des Innenwiderstandes, also <=2,5mΩ. Der Laststrom sollte mit ihr auf 120A begrenzt werden können.
zu 2. Nennstrom 100A, 15Min. 120A (das wird die Lichtmaschine zwar nur selten bis überhaupt nicht liefern, aber der Start-Akku soll von den geplanten 400Ah LiFeYPo4 auch nicht leergelutscht werden, wenn die Aufbau-Akkus vorher bis zur Abschaltung durch den Unterspannungs-Schutz entladen worden sind).
zu 3. Nennspannung 0-30V DC (Steuer- und Lastseite). Damit lassen sich die Teile bei 12 und 24V Systemspannung nutzen.
zu 4. Potenzialtrennung wäre nett, aber ich denke nicht zwingend erforderlich
zu 5. Ich habe noch keinen Schaltplan der LiPro's (sollte ich auftreiben können), aber vielleicht hilft das Datenblatt des Crydom der in bereits im Einsatz befindlichen Systemen funktioniert hier ebenfalls
zu 6. bitte keine relevanten Spannungsverluste. Der Akku-Pack würde bis zu 16V Ladespannung vertragen bevor die OVP des LiPro eingreift. Um möglichst schnell und voll zu laden, sollte die volle LiMa-Spannung an der Aufbaubatterie ankommen. Die Zuleitung wird entsprechend dimensioniert (Oder habe ich Deine Frage falsch verstanden?).
zu 7. 4 Bohrungen an den Ecken der Platine reichen, es darf aber auch Hutschienenmontage sein. Anschlüsse möglichst Ringösen. Das ganze wird auf einem Elektroboard im Innenraum verbaut (Batteriekasten, innen)
zu 8. Dass IP68 damit ausscheidet ist klar. Aus Gründen der Haltbarkeit in rugged environements (Stöße bis 5G) wäre ein möglicher Silikon-Verguss der Komponenten optimal, eine Abdeckung bekomme ich selbst hin, das wäre aber bestenfalls eine Sichtblende für neugierige TÜV-Prüfer
zu 9. 3 Stück (1*Ladestromkeis Lima, 1* Ladestromkreis Solar zur Trennung der Panels, 1* Ersatzteil)
zu 10. Lass mich rechnen: Materialwert ca. 30,-€ je Schaltung + 8 Stunden Arbeitszeit (Planung, Layout, Bestückung) + 30,-€ Pflichtenliste = 520,- €. Hab ich mich verrechnet?

Den Rest der Verhandlungen können wir ggf. auch per Mail oder PN führen.

Beste Grüße
Rüdiger