Bleibatterie raus, LiFePO4-Batterie rein

Nachdem meine drei parallelgeschalteten, als Wohnteil-Batterien verwendeten Blei-Akkus im Abstand weniger Tage versagten, wurde eine LiFePO4-Batterie mit 100 Ah von Ultimatron (Frankreich) angeschafft.
Ein automatisches Trennrelais und eine Ladeleitung mit 25 mm² waren bereits vorhanden, so dass die Batterie direkt eingebaut werden konnte - so der Gedanke.....

Also Fahrersitz ganz nach vorne schieben, die alten Batterien ausbauen. und die neue 100 Ah-Batterie in den Sitzkasten stellen. Sollte passen, denn früher war bereits eine 100 Ah-Bleibatterie mit identischen Abmessungen dort installiert.
Der Sockel und das Gehäuse passten auch millimetergenau in die Sitzkiste, aber leider war der Deckel der neuen Batterie ca. 8 mm breiter als die übrige Batterie, und passte einfach nicht rein.
Man hätte einen Ausschnitt in die Sitzkonsole schneiden können, aber das war mit im Moment zu aufwendig. Also musste eine andere Lösung her.
Zum Glück kann man die neue Batterie in allen Lagen betreiben (nur nicht über Kopf), also wurde sie in Längsrichtung auf der Seite liegend in den Kasten gelegt.
Dann ein passendes Brett zwischen Batterie und Sitzkasten, damit die Batteriepole nicht gegen das Metall kommen, Spanngurt rüber und festgezurrt.
Soweit alles gut. Die Kabel waren lang genug, und konnten direkt angeschlossen werden.
Die Batterie kann per Bluetooth mit einer App auf dem Smartphone verbunden werden, wo alle möglichen Daten angezeigt werden und mit der man die Batterie auch abschalten kann.

Zunächst sah alles ganz gut aus, die Batterie war schon zu 50% geladen. Bereits kurz nach dem Anschließen der Batterie, die Spannung betrug ca. 13,6 Volt, zog das Trennrelais an.
Dadurch waren jetzt Wohnraum- und Starterbatterie gekoppelt, was ja eigentlich erst bei laufendem Motor erfolgen soll. Weil das Trennrelais spannungsgesteuert ist, war es ein plausibler Vorgang, wenn auch nicht erwünscht.
Der Motor wurde gestartet, und sofort flossen rund 75 Ampere als Ladestrom in die Batterie. Die Spannung stieg - anders als bei einer Blei-Batterie - nur unwesentlich auf 13,8 Volt an.
Die Lichtmaschine meines T4 liefert unbelastet eine Spanung von 14,5 -14,7 Volt, je nach Temperatur. Das war auch schon bei dem Vorgänger so. Sobald man einige Verbraucher einschaltet, geht die Spannung etwas zurück.
Also ideale Bedingungen zum Laden einer LiFePO4-Batterie. Der Strom ging mit der Zeit auf ca. 25 A zurück, während die Batteriespannung weiter anstieg.
Bei einem Ladezustand von 100% floss dann schlagartig kein Ladestrom mehr in die Batterie. Der Ladevorgang hat keine Stunde gedauert. Bei einer Bleibatterie hätte man für ein ähnliches Ergebnis wahrscheinlich einen halben Tag gebraucht.
Nun bleibt noch das Problem mit dem Trennrelais, dass ja auch irgendwann wieder abfallen soll, wenn der Motor eine gewisse Zeit steht. Wegen der nahezu konstanten Spannung einer LiFePO4-Batterie funktioniert das nicht ohne weiteres,
weil das Relais erst unterhalb von 12,8 Volt trennt. Dann wäre die LiFePO4-Batterie aber schon nahezu entladen. Also musste auch hierfür eine Lösung gefunden werden.

Am Relais gibt es zwei dicke Anschlüsse für die Pluspole beider Batterien, sowie einen Anschluss für Starthilfe und den Masseanschluss.
Der Starthilfe-Anschluss lässt das Relais 30 Sekunden lang anziehen, wenn man ihn kurz an Plus legt, so dass man bei entladener Starterbatterie den Strom aus der Zusatzbatterie zum Starten verwenden kann. Das funktioniert recht gut.
Meine Überlegung war, dass man den Relais irgendwie mitteilen muss, dass es bei etwas höheren Spannungen ein- bzw. abschalten soll. Eine Manipulation der Relais-Elektronik sollte aber nicht stattfinden.
Die Lösung war eine Diode (1N4007) in der Masseleitung des Relais. Die Diode verursacht einen Spannungsabfall von ca. 0,6 - 0,7 Volt (bei mir waren es 0,652 Volt), so dass das Relais jetzt erst bei 13,7 statt 13 Volt anspricht, aber auch schon bei weniger als 13,5 statt 12,8 Volt abfällt.
Damit waren alle Bedingungen zu 100 % erfüllt.

Das im Wagen eingebaute Ladegerät hat eine Ladekurve für Bleibatterien. Es wird solange geladen, bis die Spannung ca. 14,4 Volt beträgt, anschließend wird die Spannung auf ca. 13,8 V reduziert, was zum völligen Aufladen der LiFePO4-Batterie ausreicht. Es dauert nur länger, als mit der Lichtmaschine. Fällt die Spannung danach auf unter 13,4 Volt, wiederholt sich der Vorgang.
Das Trennrelais würde also auch in diesem Fall zuschalten, womit dann auch die Starterbatterie geladen wird.

Auch wenn die neue Batterie erheblich teurer als eine Gel- oder AGM-Batterie ist, spricht einiges für den Kauf:

* Deutlich höhere Zyklenzahl,
* Deutlich geringerer Spannungseinbruch bei hoher Belastung,
* Schnelles Aufladen durch die Lichtmaschine in unter 2h (bei völlig entladener Batterie),

* Höhere nutzbare kapazität (x2),
* Eingebaute Schutzschaltung gegen Überspannung, Unterspannung, Übertemperatur, Untertemperatur, Kurzschluss,
* Zugriff auf alle Funktionen und Messwerte per Bluetooth. Die Batterie lässt sich auch komplett ausschalten, was den Hauptschalter spart.

Nachteil ist, dass sich die Batterieunter 0°C nicht laden lässt. Aber man kann sie bis -30°C entladen, was die Sache etwas entschärft.
Die Temperatur lässt sich ja durch den Betrieb der (Stand-)Heizung relativ einfach in den Plus-Bereich bringen.
Außerdem gibt es auf Wunsch eine Version mit eingebauter Heizung, die sich auch unter 0°C laden lässt. Dabei wird zunächst der Ladestrom zum Erwärmen der Batterie verwendet,
bevor bei ausreichender Temperatur (knapp über 0°C) der Ladevorgang eingeleitet.

Das BMS sollte eigentlich verhindern, dass die Batterie bei Temperaturen unter 0°C geladen wird.

Nachdem ich die Batterie einmal komplett entladen habe (bis sie sich abgeschaltet hat), war ich ertstaunt, wie hoch der Ladestrom nach dem Motorstart sein kann. Bei mir lagen kurzzeitig 110 Ampere an !
Zwar besteht dadurch noch keine Gefahr für die Lichtmaschine, aber das BMS hätte um ein Haar die Ladung unterbrochen (110A + 32 Sekunden).
Auch wegen der recht hohen Spannung der nahezu unbelasteten Lichtmaschine (14,7 V) kommt es gelegentlich zum Abschalten der Ladung durch das BMS.
Allerdings geschieht das in einem Bereich, in dem die Batterie eh schon zu fast 100 % geladen ist.

Um die Sache zu entschärfen, habe ich mir jetzt einen Regler für 14,4 Volt bestellt.
0,3 Volt weniger klingt nicht nach besonders viel, bewirkt aber gerade bei der Ladung stromhungriger Batterien, dass der Ladestrom deutlich geringer wird.
Damit wird auch gleich ein anderes Problem beseitigt, nämlich die Überladung der Starterbatterie.
Bei Bleibatterien sollte man die Spannung möglichst nicht über 14,4 Volt ansteigen lassen, einige AGM-Batterien vertragen kurzzeitig auch 14,7 Volt.
Allerdings nur, solange die Batterie noch einen nennenswerten Ladestrom aufnimmt. Sonst fängt sie an zu gasen, und verliert dadurch an Kapazität und letztendlich an Lebensdauer.
Die LiFePo4-Batterie stört es dagegen nicht, wenn sie ständig mit 14,4 Volt versorgt wird. Solange die Spannung der einzelnen Zellen unter 3,65 Volt liegt, besteht keine Gefahr.


Ich befürchte zwar nicht, dass es nach Einbau des neuen Reglers zu einem Strom-Engpass kommt, aber notfalls kann man ja noch durch eine Leitung mit höherem Querschnitt zwischen Generator und Batterie nachhelfen.
Die werkseitig verwendete Leitung mit 16 mm² ist eigentlich schon für die kleineren Lichtmaschinen recht dünn gewählt.
Erst recht bei der 150A Lichtmaschine ist es mehr ein Vorwiderstand. Nicht umsonst hat der Hersteller dafür eine Leitung mit Silikon-Isolierung gewählt.
Vermutlich wurde deswegen auch der Regler mit 14,7 Volt verwendet.
Für den Fall, dass bei mir das Licht zu trübe leuchtet oder beim Betrieb leistungsstarker Verbraucher die Spannung in einen nicht optimalen Bereich zurück geht,
besteht ja immer noch die Möglichkeit, die Leitung zu verstärken. Ich habe noch einige zig Meter 25 mm² hochflexibel und silikonisoliert vorrätig.

Von einigen Leuten wurde mir empfohlen, einen Ladebooster zu verwenden.
Damit würde ich mir aber wieder andere Probleme bereiten.
Momentan besteht die Möglichkeit, dass ich mir über die Zusatzbatterie selbst Starthilfe geben kann. Dazu muss lediglich ein Kontakt am Trennrelais angesteuert werden, damit der Strom in Richtung Starterbatterie fließen kann.
Bei Netzanschluss wird die Zusatzbatterie über das im Wagen verbaute Ladegerät geladen. Sobald die Batterie über 13,7 Volt hat, wird über das Trennrelais auch die Starterbatterie geladen.
Das funktioniert, auch wenn verschiedene Batterietypen im Einsatz sind, einwandfrei.
Ein Lade-Booster kann nur ein eine Richtung arbeiten. Außerdem müsste er so bemessen sein, dass die Batterieladung möglichst effektiv ( ca. 50A) erfolgt und alle daran angeschlossenen Verbraucher ebenfalls ausreichend versorgt werden.

Inzwischen hat auch der "kleine" Bus eine LiFePO4-Batterie bekommen.
Es handelt sich um die Batterie, die zuerst in meinem Bus verbaut war, und nicht unter den Sitz passte.
Der California hat ein ausreichend großes Batteriefach, wo man auch noch größere Batterien einbauen kann.
In meinem Bus ist jetzt eine Batterie vom selben Hersteller und mit gleicher Kapazität, aber in einem kleineren Gehäuse verbaut (278 mm statt 353 mm lang).

Die fast 30 Jahre alten Gel-Batterien, die noch zur Erstausrüstung gehörten (Baujahr 12/95), haben erstaunlicherweise noch funktioniert,

aber die Kapazität war deutlich geringer als im Neuzustand.

Weil die alten Batterien andere Maße hatten, musste die Befestigung an die neue Batterie angepasst werden.
Die beiden mittleren Haltewinkel am Boden wurden samt Gewindestange entfernt.

Jeweils ein Holzbrett, bündig zwischen der Batterie und äußeren Haltewinkeln angeordnet und mit dem Boden verschraubt, sorgt dafür, dass die Batterie nicht verrutschen kann.
Ein neu angefertigtes, durchgehendes Winkelprofil 30 x 30 x 2 mm sorgt für die Befestigung der Batterie an den beiden verbliebenen Gewindestangen.
Damit sollte die Batterie mehr als ausreichend befestigt sein, zumal sie ja auch bedeutend leichter als die alten Batterien ist.

Die Ladeleitung beim California hat 20 mm² (2x 10 mm² parallel), ist also ausreichend dimensioniert. Auch hier ist ein spannungsgesteuertes Cyrix-Trennrelais vorhanden.
Allerdings ist die Lichtmaschine kleiner als bei meinem Carthago (90 statt 170 Ampere und 14,4 statt 14,7 Volt). Der Ladestrom ist mit ca. 35A deutlich geringer als beim Carthago, aber immer noch völlig ausreichend.

Auch hier wurde in die Masseleitung des Trennrelais eine Diode eingefügt, damit das Relais bereits unterhalb von ca. 13,5 Volt trennt, und nicht erst bei 12,8 Volt.
Außerdem ist die Masseleitung von Trennrelais nicht direkt an Masse angeschlossen, sondern an Klemme 50 des Anlassers. Dort war bereits das werkseitige Trennrelais minusseitig angeschlossen,
um zu erreichen, dass das Relais beim Startvorgang abfällt, und dadurch der in der Minusleitung der Zusatzbatterie befindliche Shunt (Messwiderstand) geschützt wird.

Das im California werkseitig vorhandene Ladegerät kann ohne große Änderung weiterverwendet werden. Es lädt die Batterie mit 10,0 Ampere, sofern keine weiteren Verbraucher eingeschaltet sind.
Theoretisch wäre eine völlig entladene Batterie damit in etwas über 10 Stunden voll.
Bei Bleibatterien würde der Ladevorgang erheblich länger dauern, weil der Ladestrom mit zunehmender Ladung stetig abnimmt.

Der Im Batteriefach befindliche Thermofühler des Ladegeräts wird noch durch einen Festwiderstand ersetzt, um eine zu starke Reduzierung der Ladespannung bei warmer Umgebung zu vermeiden.
Die LiFePO4-Batterie braucht keine Anpassung der Ladespannung bei Temperaturänderung.
Die Spannungsreduzierung gegen Ende des Ladevorgangs ist unkritisch bzw. sogar vorteilhaft für die Lebensdauer der Batterie.

In der Praxis ergaben sich folgende Erkenntnisse:
Der Preis für zwei neue Blei-Gel-Batterien mit je 90 Ah (wie die ab Werk verbauten) ist nahezu identisch mit dem Preis einer 100 Ah LiFePO4-Batterie.

Der Wagen ist nach dem Batterietausch ca. 50 kg leichter, was sich auch in der Beschleunigung bemerkbar macht. Sie ist zwar nur geringfügig besser, aber immerhin.



Die Kapazität der neuen Batterie kann zu 100 % genutzt werden, so dass im Prinzip dieselbe nutzbare Energie wie mit den alten Batterie zur Verfügung steht.
Die Kapazitätsanzeige im Westfalia-Display ist nicht für LiFePO4-Batterien ausgelegt, und zeigt meist eine voll geladene Batterie an.
Falls am Display eine teilweise entladene Batterie angezeigt wird, kann man davon ausgehen, dass die Batterie demnächst leer ist.
Die Spannungsanzeige funktioniert aber weiterhin einwandfrei.

Zu beachten ist ferner, dass LiFePO4-Batterien immer mit ausreichend Ladung gelagert werden müssen (z.B. Winterlager). Dabei sind die Folgen einer Tief-Entladung noch drastischer, als bei einer Blei-Batterie.
Bleibatterien lassen sich mit etwas Mühe noch halbwegs reanimieren, wenn man sie mal "vergessen" hat. Bei einer LiFePO4-Batterie ist mit einem Totalschaden zu rechnen, sobald die Zellenspannung unter 2,5 Volt sinkt.
Das BMS schaltet in dem Fall die Batterie ab, es kann also keine weitere Energie mehr entnommen werden. Spätestens dann muss die Batterie wieder aufgeladen werden, damit sie keinen dauerhaften Schaden erleidet.

Anders als bei Bleibatterien ist es bei einigen Fabrikaten möglich, den Deckel der Batterie zu öffnen, um defekte Zellen zu ersetzen.
Spätestens hier sollte man aber als Laie keine Experimente machen, denn so eine Batterie kann bei unsachgemäßen Eingriffen auch mal richtig böse werden, und in Flammen aufgehen.

Quote from JX-Frank

Vielleicht hilft es, das Brett, welches das Batteriefach abdeckt, mit einem großen Kiemenblech zu versehen,

und damit einen besseren Luft und Wärmeaustausch zu ermöglichen.

Alternativ gibt es kleine el. Heizblöcke ab ca. 150W für Schaltschränke, die man mit einem Thermostat so schalten könnte,

dass diese mit Landstrom das Batteriefach temperieren könnten.

Das Problem ist, dass man ja nicht immer Landstrom zur Verfügung hat.
So gesehen müsste man zu anderen Mitteln greifen, um Wärme in die Batterie zu bekommen, ohne dabei Strom zu verbrauchen.
Meine Idee wäre ein durch Kühlwasser beheiztes Rohr im Batteriefach, das Über ein Heizkörperthermostat geregelt wird.
Eine Temperatur von ca. 15 - 20°C sollte in kurzer Zeit zu erreichen sein.

Quote from Fridi

warum parallel?

In Reihe ist bestimmt einfacher.

Es gibt solche Flächenwärmetauscher bei Wohnwagenheizungen die nicht auf Luftgebläsen arbeiten.

Das ganze funktioniert dann aber auch nur, wenn das FAhrzeug bewegt wird.

Andernfalls muss man eine komplette Wasserstandheizung einbauen.

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Mein Bus hat eine Wasserstandheizung, von daher wäre es kein Problem.
Aber auch ohne diese würde es funktionieren, nur dass man erst eine Weile fahren muss, damit der Motor ausreichend Wärme liefert.
Das BMS startet den Ladevorgang erst, wenn die Batterie wieder + 5°C hat. Wenn der Wagen schon einige Zeit bei deutlichen Minusgraden abgestellt war,
braucht es seine Zeit, bevor die Batterie warm ist.

Parallelanschluss der Heizung deswegen, weil eine thermostatische Regelung erfolgen muss. Am einfachsten geschieht das mit einem Heizkörperthermostat, wie man ihn von Zuhause kennt.
Die kosten relativ wenig, funktionieren zuverlässig, brauchen keinen Strom und halten ewig.
Wenn man die Batterie zu stark erwärmt, ist das auch nicht gut. So soll ja im Winter nur frostfrei gehalten werden, damit man sie laden kann.

Wer die Sicherheit noch weiter erhöhen will, baut noch ein elektrisches Thermostat in Batterienähe ein, dass erst bei ausreichender Temperatur das Trennrelais bzw. den Ladebooster aktiviert.