Technik: Lithium-Akkus - Schneller Strom

Umrüstung auf Lithium ist das The­ma zahlreicher Leseranfragen. Im Kern geht es dabei immer um das Zusammenspiel von vorhandener und neuer Technik sowie mögliche Vorbehalte. Um Ihnen Antworten aus erster Hand präsentieren zu können, beschäftigen wir uns schon länger in der Praxis mit Stromversorgung auf der Basis von Lithium-Akkus. Nach unseren positiven Erfahrungen mit dem Einsatz des LPS-Systems von Leab/Clayton (YACHT 6/2018) war nun ein System aus Einzelkomponenten an der Reihe.

Das LPS heißt mit vollem Namen Lithi­um-Power-System und ist eine komplette Stromversorgung für kleine Boote oder auch Wohnmobile. Der Hersteller Clayton hat dafür in einem Gehäuse sowohl den Akku als auch Ladegerät, Wechselrichter und Batteriemanagement betriebsfertig untergebracht. Entsprechend einfach gestaltet sich der Anschluss an Bord: 230 Volt kommen direkt aus der Steckdose am LPS. Für 12 Volt gibt es ganze vier Klemmen: zwei für die Starterbatterie, zwei fürs Bordnetz. Fertig, eigentlich braucht man nichts anderes.

Zwei Gründe sprechen jedoch für eine andere Lösung: Das LPS gibt es nur in zwei Größen, mit 70 oder 100 Amperestunden. Und es ist durch die zusätzlichen Komponenten deutlich höher als übliche Bordbatterien. Auf unserem Testschiff erwiesen sich genau diese beiden Punkte als Ausschlusskriterien.

Die Crew verlangte nach mehr Kapazität, und der Batterieraum ist ab Werft auf die Bauhöhe von Autobatterien zugeschnitten, eine Modifikation war wegen der sich darüber befindenden Kojen nicht möglich. Die nahe­lie­gende Entscheidung: Wir bauen eine Lithium-Stromversorgung aus Einzelkomponenten auf, und zwar so, dass sie wirklich sicher nachbaubar ist.

Die Sicherheit bei Lithium ist ein wichtiger Aspekt. Nicht etwa, weil die Akkus an sich gefährlich wären: Wir haben uns für eine eigensichere Technologie entschieden, die mit den Problemen bei Handys und Notebooks nichts zu tun hat. Der Knackpunkt ist vielmehr die vorhandene Bord­elektrik. Lithium-Akkus können sehr viel mehr Strom liefern als Blei-Akkus. Kabelquerschnitte und elektrische Absicherung müssen dafür ausgelegt sein, sonst droht im Fehlerfall ein Kabelbrand.

CHEMIE

Die Frage, welche Lithiumtechnik für das Bordnetz eines Bootes zum Einsatz kommt, beantwortet sich nahezu von selbst: Bei Li­thium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePo, kurz LiFe) beträgt die Zellenspannung 3,2 Volt, vier Zellen bilden also eine Batterie mit 12,8 Volt Nennspannung. Das ist perfekt zum Betrieb eines konventionellen 12-Volt-Bordnetzes, alle Verbraucher können unverändert weiterbenutzt werden – für kleine und mittlere Bootsgrößen ein enormer Vorteil.

Somit ist die Versorgung der Verbraucher schnell geklärt, nicht jedoch das Laden der Akkus: Da gilt es bei Lithium einiges zu bedenken, wir gehen später noch ausführlich darauf ein.

LiFe ist eine eigensichere Technik. Rauch und Flammen, wie Sie sie aus You­Tube-Videos und von Stammtischgeschichten kennen, werden Sie hier nicht erleben, es sei denn, jemand legt es durch gezielte Falschbehandlung darauf an. Thermisches Durchgehen ist jedenfalls konstruktiv verhindert. Hersteller solcher Akkus demonstrieren die Sicherheit ihrer Zellen gern durch das Perforieren mit einem Nagel, was lediglich zum Ende der Stromlieferung führt.

Auch elektrisch ist LiFe durchaus zurückhaltend: Bei Laden mit dem falschen Equipment quittieren die Zellen zwar den Dienst, lassen aber Ihr Schiff heil. In der Summe sind LiFe-Akkus nicht gefährlicher als geschlossene Bleibatterien.

Das Kontrastprogramm dazu präsentieren Lithium-Cobalt-Zellen (LiCo), die aus Gewichts- und Kapazitätsgründen in vielen mobilen Geräten zum Einsatz kommen. Diese reagieren auf mechanische oder elektrische Misshandlung durchaus mit einem Feuerwerk. Hintergrund: Bei zu starker Erwärmung können solche Zellen intern so beschädigt werden, dass ihre Bestandteile miteinander reagieren und sie sich selbst immer weiter aufheizen. Den Prozess nennt man thermisches Durchgehen. So etwas ist mit Bordmitteln kaum zu löschen, es endet erst, wenn kein reaktionsfähiges Material mehr übrig ist. Darum bietet kein seriöser Hersteller LiCo-Technik als Bordnetz-Akku für den Wassersportmarkt an. Was Sie per Internet beziehen können, ist eine ganz andere Frage.

BATTERIEÜBERWACHUNG

Im Zusammenhang mit Lithium-Akkus ist immer wieder vom Batterie-Managementsystem, kurz BMS, die Rede. Das muss auf jeden Fall vorhanden sein, entweder als Ein- zelkomponente oder integriert.

Warum? Li­thiumzellen aller bekannten Bauarten können überschüssige Ladung nicht loswerden, ohne sofort Schaden zu nehmen. Aber die Zellen eines Akkus weisen unabhängig von der Technik immer kleinste Unterschiede auf. Folge ist, dass deren Ladezustände im Laufe der Zeit auseinanderdriften.

Im Blei-Akku wird dies einfach durch gezieltes leichtes Überladen der ganzen Batterie automatisch ausgeglichen. Im Lithium-Akku ist das nicht so einfach möglich, stattdessen muss Elektronik für den Ausgleich zwischen den Zellen sorgen. Dies ist eine der Aufgaben des BMS. Es misst die Spannung jeder einzelnen Zelle, und eine Schaltung – wieder an jeder Zelle – leitet notfalls den gesamten Ladestrom an ihr vorbei.

Den Vorgang nennt man Balancieren, er ist technisch der aufwendigste Part der Überwachungselektronik. Ohne ihn würden innerhalb weniger Ladezyklen einzelne Zellen durch Überladung, andere durch Tiefentladung unbrauchbar.

Ein vollständiges BMS hat indes noch weitere unverzichtbare Aufgaben: Es trennt den Akku vom Anschluss, wenn Über­ladung, Tiefentladung, zu hoher Stromfluss oder das Überschreiten der zulässigen Betriebstemperatur drohen. Dabei wird zwischen Ladestrom und Stromverbrauch unterschieden – sonst wäre beispielsweise ein Akku, der wegen niedrigen Ladezustands abgeschaltet hat, nicht wieder aufladbar.

Einige moderne BMS können zudem ihre Daten per Netzwerk an andere Systeme weitergeben, beispielsweise Plotter. Vom Blei-Akku ist bekannt, dass während der Entladung die Spannung langsam abnimmt. Beim Lithium-Akku bleibt die Spannung dagegen über einen weiten Bereich des Ladezustands nahezu konstant, kurz vor der vollständigen Entladung sinkt sie dann sehr schnell.

Gut für den gleichmäßigen Betrieb des Bordnetzes – das Einschätzen der verbleibenden Betriebszeit ist aber ohne elektronische Helfer fast unmöglich. Wer bereits einen Batteriemonitor an Bord hat, kann diesen unter Umständen auch für ein Lithiumsystem einsetzen.

Das Prinzip, Lade- und Entladeströme aufzusummieren und daraus den Ladezustand abzuleiten, funktioniert auch hier – sofern der Monitor sich auf die Eigenschaften von LiFe-Akkus programmieren lässt. Idealerweise ist der Batterietyp LiFe direkt im Menü anwählbar. Wenn nicht, dann können Sie immer noch versuchen, das Blei-Programm durch geschickte Parameter anzupassen: Für den Ladefaktor setzen Sie 100 Prozent ein, beim Peukert-Koeffizienten 1,0.

Ob die automatische Kalibrierung auf den Ladezustand funktioniert, bleibt leider Glückssache, das Blei-Kriterium passt nicht wirklich. Sie haben es sicher schon bemerkt: Dieses Spielen an den Parametern hat lediglich Auswirkungen auf die Anzeige der Restkapazität am Batteriemonitor. Das Verhalten von Ladegerät oder Sicherheitseinrichtungen wird dadurch nicht beeinflusst. Sie können damit keine gefährlichen Situationen herbeiführen.

AKKU-WAHL

Bei Lithium-Akkus für das Bordnetz besteht derzeit die Auswahl zwischen zwei Konzepten: Aufbau eines Systems aus Einzelteilen, also Zellen, Verbindern, Batteriemanagement und Sicherheitseinrichtungen. Das ist zwar sehr gut skalierbar. Doch schon die Planung ist aufwendig und der Aufbau praktisch nur von Fachkräften zu bewältigen. Wie so etwas aussehen kann, sehen Sie im Bild unten rechts: Es ist nichts für den Eigenbau.

Glücklicherweise sind Sie heute als Kun­de nicht mehr darauf angewiesen, Ihre Lithiumbatterie aus Einzelteilen zusammenzusetzen; Sie bekommen die Akkus auch als fertige Batterieblöcke, die bereits alle zum sicheren Betrieb nötigen Komponenten enthalten.

Teilweise orientieren sich sogar die Abmessungen an üblichen Blei-Akkus. Neben dem eigentlichen Lithium-Stromspeicher sind das BMS und die wichtigsten Sicherheitseinrichtungen integriert. Eine damit aufgebaute Stromversorgung bleibt halbwegs überschaubar, wir haben uns darum für dieses Konzept entschieden. Die von uns eingesetzten Akkus stammen von der Firma AMPS (Advanced Mobile Power Systems), vertrieben über Sterling Power.

Es gibt ähnliche Modelle von verschiedenen Herstellern. Die Akkus haben nur zwei Anschlüsse: Plus- und Minuspol. Ein Zugriff auf die Daten des internen Batteriemanagements ist nicht vorgesehen. In diesem Fall fiel das nicht weiter ins Gewicht, da der Ladezustand über einen externen Batteriemonitor überwacht werden kann.

Die Akkus vom Typ AMPS 100Ah lassen sich einfach parallel schalten. Wir konnten so eine Batteriebank mit den gewünschten 200 Amperestunden Nennkapazität aufbauen. Dieses einfache Verfahren ist nicht allgemeingültig. Es gibt auch Lithium­-Akkus, bei denen die BM-Systeme bei Parallelschaltung unter­einander kommunizieren müssen.

Für den Starter-Akku sind wir bei der Bleibatterie geblieben. Hier hätte Lithium nur einen kleinen Gewichtsvorteil bedeutet, jedoch wären umfangreiche Modifikationen an der Motorelektrik nötig gewesen: Anlasser-Motoren rechnen damit, dass die Spannung des Blei-Motor-Akkus beim Startvorgang auf deutlich unter 10 Volt zusammenbricht und sind entsprechend dimensioniert.

Mit einem Lithium-Akku wäre dies nicht der Fall, der Starter würde also mit zu hoher Spannung betrieben; sollte die Maschine nicht sofort anspringen, drohte der Anlasser dann durchzubrennen. Zudem hätten wir den Regler der Lichtmaschine gegen eine Version für LiFe-Akkus tauschen müssen, was aber mechanisch nicht möglich war.

VORRÄTE ERGÄNZEN

Kompliziert kann es beim Laden werden. Die Technik aus der Blei-Installation passt nicht ohne Weiteres: Lithium-Akkus benötigen – eigentlich – ein anderes Ladeverfahren als Blei. Beispielsweise darf es keine Er­haltungsladung geben, die Stromzuführung muss beim Erreichen des Vollzustandes definitiv beendet werden.

Das Wort "eigentlich" steht oben, weil es inzwischen Lithium-Akkus gibt, deren ein­gebaute Elektronik das Ladeverfahren selbst anpasst. Diese Eigenschaft ist dann explizit ausgewiesen, beispielsweise durch den Vermerk "Mit AGM/GEL austauschbar ohne Änderung der Ladestruktur".

Fehlt dieser Hinweis, darf keinesfalls mit einem Blei-Lader gearbeitet werden. Für den Landanschluss war das in unserem Fall einfach zu lösen: Das an Bord vorhandene Ladegerät von Sterling kennt bereits einen Modus für LiFe-Akkus, es war nur eine kurze Umstellung im Menü nötig. Ein gleichzeitiges Laden der Starterbatterie aus dem Landnetz ist so natürlich nicht mehr möglich, in der Praxis aber auch nicht nötig.

Aufwendiger, aber immer noch überschaubar ist das Laden per Maschine. Wie oben erwähnt, haben wir den Blei-Starter-Akku belassen, er wird jetzt direkt von der Lichtmaschine geladen. Die für den Selbstbau einfachste Lösung zum Füllen der Lithium-Bordnetz-Akkus ist ein Batterie-zu-Batterie-Lader (B2B-Lader) mit Kennlinie für LiFe. Wir haben das Modell von Sterling Power verwendet, das Prinzip ist aber bei allen Herstellern gleich. Die Motorelektrik bleibt dabei genau so wie vom Hersteller geliefert: Die Starterbatterie hängt direkt an Anlasser und Lichtmaschine, eventuelle Trennrelais oder Diodenverteiler entfallen.

Der B2B-Lader wird parallel zum Start­-Akku geklemmt. Seine Elektronik erkennt, ob die Batterie ausreichend geladen ist und ob Lade­strom zur Verfügung steht; nur dann geht der integrierte Spannungswandler in Betrieb und stellt der Netzbatterie die für sie optima­le Ladespannung zur Verfügung.

Um trotz Standardregler viel Strom aus der Lichtmaschine zu holen, lässt der B2B-Lader deren Spannung deutlich einbrechen, sie bleibt aber mit circa 13,0 Volt immer noch oberhalb der Ruhespannung des Starter-Akkus – dieser wird dabei also nicht belastet. Bei stehender Maschine oder leerer Starterbatterie bleibt das System inaktiv.

Da es dem B2B-Lader grundsätzlich egal ist, wer den Strom erzeugt, kann er auch ein Blei-Ladegerät oder den Windgenerator li­thiumtauglich machen. Diese Stromquellen müssen nur einfach an die Starterbatterie angeschlossen werden.

Winterbetrieb

Für die meisten Bootsleute nicht ausschlag­gebend, aber zu Beginn oder Ende der Saison durchaus wissenswert ist das Verhalten bei niedrigen Temperaturen.

Verwendbar sind Lithium-Eisenphosphat-Akkus von etwa -5 bis +50 Grad Celsius. Praktisch sinkt bereits knapp oberhalb des Gefrierpunkts die Fähigkeit, sehr hohe Ströme zu liefern. Dieser Effekt ist nur vorübergehend, dauerhafte Schäden werden dadurch nicht verursacht. Die Gefahr des Einfrierens besteht erst bei -20 Grad Celsius, wodurch der Akku zerstört würde. Im Außen-Winterlager sollten Lithium-Akkus also nicht im Schiff bleiben.

Ideal sind die Lagerbedingungen während der Saison: Zwischen 40 und 70 Prozent Ladezustand ist der Akku glücklich, also optimal für jemanden, der nach dem Einlaufen schnell von Bord will und sich das Landstromkabel sparen will.

Verhaltensforschung

Lithium-Akkus können jede Menge Strom liefern und aufnehmen, ohne dass die Spannung merklich schwankt, das vertraute Flackern der Lampen beim Anspringen des Kühlschapps gibt es nicht. Das heißt aber auch: Im Fehlerfall würde der Strom nur durch die Kabelquerschnitte begrenzt. Die erste Absicherung muss immer direkt am Akku erfolgen. Wer hier spart, riskiert bei einem Kurzschluss sein Schiff. Beim Laden ergeben sich nur zwei Zustände: Entweder fließt der maximal ver­fügbare Ladestrom oder gar keiner, wenn die Batterie voll ist.

Dass der Akku bei drohender Tiefent­ladung einfach den Strom abschalten kann, mag zunächst suspekt erscheinen. Tatsächlich droht diese Gefahr aber nur, wenn Sie überhaupt nicht auf den Ladezustand achten – und dann stehen Sie mit Blei auch nicht besser da. Außerdem ist bei der Zwangs­abschaltung auch wirklich so gut wie nichts mehr vorhanden; das System versteckt keine halbvollen Akkus.

KOSTEN

LiFe-Akkus kosten zwischen 900 Euro und 1300 Euro pro 100 Amperestunden Nennkapazität. Beim Kauf im einschlägigen Internethandel sollte man die Versandkosten beachten: Lithium-Akkus gelten als Gefahrgut und müssen entsprechend kostenintensiv transportiert werden.

An zusätzlicher Technik war auf unserem Beispielschiff nur der Batterie-zu-Batterie-Lader für rund 250 Euro erforderlich. Weitere 100 Euro wurden für Installationsmaterial wie Kabel, Kabelschuhe und die bessere Absicherung investiert, rund 170 Euro kommen noch für einen LiFe-tauglichen Batteriemonitor hinzu.

Praxis

Die verbauten 200 Amperestunden Nenn­kapazität ergeben 170 Amperestunden nutzbaren Stromvorrat, das sind 80 mehr als bei den ersetzten Blei-Akkus. Die Ausdauer stieg damit von vier auf fast sieben Tage ohne Ladung. Die ganz leeren Akkus wieder komplett aufzufüllen gelang in sechs Stunden, bei Blei waren dafür 24 nötig. Aufgrund der Ladekennlinie von Lithium fördern auch kurze Motorlaufzeiten viel Strom in die Akkus.

Als Resultat war, kaum zu glauben, auf dem 17-wöchigen Törn um die Ostsee trotz dauernd laufenden Kompressor-Kühlschranks und anderer Verbraucher nur selten ein Landanschluss notwendig, wenn überhaupt. Zwei Punkte sind nachzubessern: Wir hatten entsprechend der Installationsanleitung den B2B-Lader ohne Hauptschalter nur mit einer Sicherung auf die Starterbatterie gelegt.

Das hat sich bei einer anschließenden längeren Liegezeit nicht bewährt, hier sollten Sie nach der Version in dem Schema rechts auf Seite 58 vorgehen und bei längerem Verlassen des Schiffs abschalten. Und an unserem Batteriemonitor älterer Bauart lassen sich die Parameter nicht auf lithiumtaug­liche Werte einstellen, das Gerät muss einem neueren weichen.

Im nächsten Heft werden wir beschreiben, welche zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen es gibt und wie man Batteriebrände zuverlässig löscht.

Diesen Artikel lesen Sie in der Juni-Ausgabe 2019 von BOOTE. Hier erhätlich!