Wichtiges zur Ladung von LFP / LiFePO4-Akkus

  • Da offenbar weitgehend Unkenntnis besteht, wie LiFePO4-Akkus optimal geladen werden, hier einmal eine kurze Anleitung:


    1. Als erstes einen Blick in die Betriebsanleitung des Akkuherstellers werfen, dort sind üblicherweise die empfohlenen Werte für die Ladespannung und den maximale Ladestrom eingetragen.
    2. Die Ladespannung für LiFePO4-Akkus darf in den meisten Fällen 3,6 bis 3,65V pro Zelle betragen. Für vierzellige 12,8V-Batterien also 14,4 bis 14,6V. Oberhalb dieser Spannungsschwellen trennt das BMS die Batterie zur Sicherheit von der Ladestromquelle.
    3. Die Entladeschlussspannung darf bei LiFePO4-Zellen zwischen 2 und 2,5V pro Zelle liegen. Für vierzellige 12,8V-Batterien also 8 bis 10V. Auch hier trennt das BMS bei Unterschreitung der zulässigen Spannungsschwelle die Batterie von der Entladelast.
    4. Zuweilen gibt es in der Beschreibung des Herstellers oder Händlers zwei Ladestromwerte: Den empfohlenen maximalen Ladestrom und den maximal zulässigen Ladestrom. Beide kann man durchaus wörtlich nehmen: Der niedrigere Ladestrom ist immer der "empfohlene", also derjenige, der die Zellen weniger stresst. Der maximal zulässige Ladestrom stellt die Grenze dar, bei deren Überschreitung es zu Beschädigungen der Elektrodenwickel kommen kann. Diese Grenze sollte man mit Blick auf die Lebensdauer nicht überschreiten.
      Aber: Beide Grenzen gelten bei LiFePO4-Akkus generell nur unter dem Vorbehalt, dass die Zellentemperatur im optimalen Bereich liegt. Wie wir weiter unten noch sehen werden.
    5. Generell gilt: Je niedriger der Ladestrom ist, desto weniger wird der Akku belastet (geringere Temperaturentwicklung, geringere Neigung Neigung zum Lithium-Plating) und desto höher sind die erreichbare Zyklenzahl und Lebensdauer. Dennoch werden durchaus regelmäßig auch sehr hohe Ladeströme von LiFePO4-Akkus gut vertragen. Die Lebensdauer verkürzt sich hierdurch allein nur sehr moderat. Man sollte jedoch niemals die vom Zellenhersteller genannten maximalen Lade- und Entladeströme überschreiten, denn andernfalls kann es zu ernsten Schäden an den Akkus kommen (Überhitzung durch die entstehende Verlustleistung am ohmschen Widerstand der Elektrodenwickel).
    6. Aus diesem Grund ist es im Kraftfahrzeug auch stets unerlässlich, zur Aufladung einer LiFePO4-Batterie einen Ladebooster (auch Ladewandler genannt), zu verwenden! Denn nicht nur, dass ein Ladebooster bei modernen Fahrzeugen mit Abgasnormen Euro 5, Euro 6, Euro 6temp (und höher) die dort ständig in kurzen zeitlichen Abständen vom Fahrzeug-BMS reduzierte Lichtmaschinenspannung wieder auf ein für LiFePO4-Akkus geeignetes Niveau anhebt, was die Aufladung von LiFePO4-Akkus überhaupt erst sinnvoll ermöglicht und diese dann meist auch noch erheblich beschleunigt, begrenzen Ladebooster zugleich den Ladestrom auf einen vom Hersteller des Boosters festgelegten Maximalwert! Diese in jedem Ladebooster fest eingebaute Form der Strombegrenzung ist für uns LiFePO4-Akkufreunde eine höchst willkommene Eigenschaft. Ursprünglich entwickelt wurde diese Strombegrenzung als Selbstschutz der Ladebooster, damit sich die Geräte effektiv gegen Überlastung durch hungrige Akkus schützen konnten. Diesen Schutzeffekt von Ladeboostern und Ladewandlern nutzen wir für unsere LiFePO4-Akkus nun dankbar aus.
    7. Neben dem Ladestrom ist auch der Akkutemperatur genügend Aufmerksamkeit zu widmen, da LiFePO4-Akkus unter 17°C und über 40°C nur mit vermindertem Strom geladen werden dürfen, um das oben beschriebene schädliche Lithium-Plating zu verhindern. Unter +3° und über 65°C dürfen LiFePO4-Akkus sogar überhaupt nicht mehr geladen werden, bzw. bestenfalls nur noch mit ganz kleinem Strom.

      Die beiden Grafiken des weltgrößten Lithium-Akku-Herstellers CATL zum zulässigen Ladestrom bei verschiedenen Temperaturen geben hierüber Auskunft.

      419-lifepo4-ladung-temperatur-gif
    8. Grundlage der Ladung für LiFePO4-Akkus ist eine Ladung mit begrenztem Ladestrom (I) und begrenzter Ladespannung (U), in Kombination gemeinhin bekannt als "IU"-Kennlinie. Hierbei fließt zu Beginn der Ladung zunächst der (für das Ladegerät) maximal zulässige Strom (I-Kennlinie). Bei fortschreitender Aufladung steigt die Zellenspannung an, bis die maximal zulässige Spannung erreicht wird. Ab diesem Moment beginnt das Ladegerät, die Spannung auf diesen Wert zu begrenzen (U-Kennlinie), woraufhin der Ladestrom, durch die Batterie gesteuert, langsam sinkt. Das Ergebnis zeigt das Diagramm:



      Das IU-Ladeverfahren ist für LiFePO4-Akkus ideal, denn es ist technisch einfach, enthält keinen überflüssigen Schnickschnack und ist 100%ig praxisnah. Auch ist es außerordentlich gut für Dauerladung geeignet, also auch zur gleichzeitigen Versorgung von parallel zum Akku angeschlossenen Verbrauchern, wenn für längere Zeit "Landstrom" zur Verfügung steht. Denn anders als bei Bleiakkus braucht man bei LiFePO4-Akkus keine besondere Ladekennlinie für die Erhaltensladung, sondern man kann einfach dauerhaft die maximal zulässige Ladespannung anliegen lassen. Wirklich! Dem Akku schadet das in keiner Weise, ganz anders als einem Bleiakku. Dies ist dem völlig unterschiedlichen inneren Aufbau von LiFePO4- und Bleiakkus geschuldet, denn während Bleiakkus zwar einerseits eine hohe Ladespannung zur Aufladung benötigen, um Sulfatierung zu bekämpfen, aber nur eine weitaus geringere Ladespannung zur Erhaltensladung vertragen, um nicht durch Gasung bzw. Gitterkorrosion verschlissen zu werden, spielt all das bei LiFePO4-Akkus überhaupt keine Rolle: So lange die Spannung bei LiFePO4 im zulässigen Bereich liegt, ist alles in Ordnung. Und: Der Ladestrom sinkt bei vollständig aufgeladenen LiFePO4-Akkus im Gegensatz zu Bleiakkus praktisch komplett bis auf Null ab.

      Daher bringt auch die ursprünglich aus der IU-Ladekennlinie für Bleiakkus weiterentwickelte IUoU-Ladekennlinie für LiFePO4-Akkus keine Vorteile!




    9. Zwar kann man auch LiFePO4-Akkus mit der IUoU-Kennlinie laden, jedoch ist der Spannungsabfall am Ende der 1. U-Phase für die im Gegensatz zu Bleiakkus extrem spannungsharten LiFePO4-Akkus eher stressig, da dem Akku dann durch parallel zum Ladegerät angeschlossene Verbraucher wieder Ladung entzogen wird, was einerseits die im Akku gespeicherte Kapazität mindert und andererseits ohne Not die Zyklisierung verstärkt. Weshalb die IUoU-Ladekennlinie für LiFePO4-Akkus generell nur 2. Wahl ist! Auch wenn Ladegeräteverkäufer diesen Umstand gern ganz anders darstellen und am liebsten möglichst teure Ladegeräte mit viel Schnickschnack bei den Ladeverfahren verkaufen. Die Kunden laufen ihnen sogar oft noch nach, weil die (unsinnige) Meinung vorherrscht, dass nur komplizierte Ladeverfahren ein Optimum an Leistung und Lebensdauer aus den wertvollen LiFePO4-Akkus herausholen. Dies stimmt aber nicht, wie die hier beschriebenen Überlegungen beweisen. Man sollte daher sein Geld besser für technisch hochwertige Ladegeräte mit geräuschloser Passivkühlung, hoher Ladeleistung, dicken Kabeln und optimaler Spannungsanpassung an LiFePO4-Akkus ausgeben, als für Geräte mit überflüssigem Gedöns wie IUoUXY-Ungelöst-Ladekennlinien :doing:, die man hier nicht braucht.
    10. Als letztes ist es noch wichtig, die Problematik schlecht balancierter, also unausgeglichener Zellen im Batterieverbund zu verstehen. Denn es hat natürlich seinen Grund, weshalb man stets bemüht ist, sämtliche zu einer Batterie zusammengefassten Zellen bei möglichst gleichem Ladezustand zu halten. Dabei geht es auch nicht um eine ansonsten sinkende Lebensdauer der Batterie, sondern um die ansonsten bei der Ladung und Entladung unvermeidliche vorzeitige Abschaltung der Batterie durch das BMS. Denn: Eine Zelle ist immer die erste, die beim Laden die obere maximal zulässige Spannungsgrenze zu durchbrechen droht. Dasselbe gilt für die Entladung: Eine Zelle ist immer als erste leer und erreicht die niedrigste zulässige Zellenspannung. In beiden Fällen trennt das BMS die Batterie vom Netz, um Beschädigungen durch Über- oder Unterspannung zu verhindern. Die Folge ist eine, je nach Drift der Zellenspannungen, mehr oder weniger verminderte Kapazität der Gesamtbatterie.

      Die animierte Grafik zweigt, was gemeint ist:

      schlechtes_zellenbalancing_klein.gif

      Die jeweils stärksten bzw. schwächsten Zellen stoßen als erste an die Grenzen des zulässigen Spannungsbereiches, was zur Folge hat, dass das BMS an dieser Stelle die Ladung bzw. die Entladung beenden muss und die Batterie abschaltet. Es liegt auf der Hand, das hierdurch einerseits die geringer geladenen Zellen nicht voll aufgeladen werden und andererseits die besser geladenen Zellen nicht voll entladen werden können. Die Folge ist ein zuweilen deutlicher Kapazitätsverlust der Gesamtbatterie, obwohl jede Zelle für sich im Grunde in Ordnung ist und nur verschiedene Ladezustände der Zellen vorliegen. Das Problem ist aber leicht zu lösen, wenn man das Zellenbalancing durch Verwendung eines aktiven Balancers - auch "Equalizer" genannt - verbessert. Es gibt hierfür eine Vielzahl verschiedener Typen am Markt. Ich empfehle hier meinen Power-Equalizer, der meiner Erfahrung nach der bei weitem effektivste aktive Balancer auf dem Markt ist. Er kostet auch keine Reichtümer, gleicht die Zellen aber in kurzer Zeit bis auf nur 1mV Spannungsunterschied aus.


    Das war es eigentlich schon. Anders als Bleiakkus machen uns LiFePO4-Akkus bei der Ladung und Entladung kaum Schwierigkeiten. So gibt es bei LiFePO4-Akkus keine Sulfatierung, sie weisen eine nur sehr geringe Selbstentladerate auf und sind auch bei Kälte noch sehr leistungsfähig (jedenfalls bei der Entladung). Die paar Eigenheiten, die sie von Bleiakkus unterscheiden, haben wir soeben angesprochen und können uns nun darauf einstellen, um die extrem hohe Leistung und die unglaublich lange Lebensdauer von LiFePO4-Batterien auch im alltäglichen Einsatz zu erreichen.


    Grüße, Tom

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