Stromversorgungsbox für 12V/14Ah auf Lithium-Eisenphosphat-Basis

Ein Bauvorschlag

Nachdem mein Bleiakku für meine Portabelstation schlapp gemacht hatte, überlegte ich, ob eine modere Akkutechnologie zum Einsatz kommen könnte, um Gewicht zu reduzieren.
 

Lithium Eisen Phosphat Zellen (LiFePO4) haben eine fast viermal so große Energiedichte wie NiCd-  oder Bleiakkuzellen. Sie neigen kaum zur Selbstentladung und eignen sich daher perfekt für den mobilen Einsatz. Wie immer im Leben erkauft man dies mit Nachteilen, hier mit einem noch recht hohen Preis. Wenn die angegebenen Lade-Entlade-Zyklen von einigen Tausend erreicht werden, sollte der Akku mich überleben. In der Tabelle sind einige Werte von verschiedenen Akkus gegenüber gestellt.

Bei einer Zellen-Nennspannung von 3,2V entsprechen 4 Zellen den üblichen Spannungsgrößen von Bleiakkus.
 
Nach [1] bieten LiFePO4 folgende Vorteile:

•   Hohe Sicherheit: Aufgrund des festen Elektrolyt und der Zellchemie gelten LiFePO4-Zellen als eigensicher, d. h. ein thermisches Durchgehen und eine Membranschmelzung wie bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren gilt als ausgeschlossen.
•   Leistungsdichte bis zu 3000 W/kg, höher als beim herkömmlichen Li-Ion-Akku auf LiCoO2-Basis, dadurch hohe Belastbarkeit
•   Hohe Dauerentladeströme
•   Sehr hohe Impulsbelastbarkeit 25C (2 s)
•   Hohe Ladeströme möglich (0,5C–3C), Pulsladeströme bis 6C (10 s) Bei Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren ist eine schnelle Ladung möglich. Bei meist verwende-ten Zellblöcken in Reihenschaltung zur Erhöhung der Blockspannung sollte ein Batte-rie-Management-System den Ladestrom abschalten oder herunterregeln, um eine Überladung einzelner Zellen zuverlässig zu verhindern.
•   Hohe Zyklenfestigkeit, abhängig von der Entladetiefe: > 1000 Zyklen bei 100 % DOD, 20 °C, 5000 Ladezyklen bei 70 % Entladetiefe, über 10.000 Zyklen bei geringer Entladetiefe, dadurch lange Lebensdauer und günstige Betriebskosten
•   Flaches Spannungsprofil bei Ladung und Entladung
•   Weiter Temperaturbereich für Lagerung und Betrieb, Praktische Erfahrungen zeigen, dass eine Nutzung bis ca. +10 °C problemlos ist, darunter führt hohe Stromentnahme über 0,5C (Traktionsanwendung) zu stärkeren Spannungseinbrüchen, jedoch ohne merklichen Kapazitätsverlust der Batterie.
•   Selbstentladung ist mit ca. 3–5 % pro Monat niedrig

Nachteile sind

•   Geringere Energiedichte und dadurch höheres Gewicht und Platzbedarf als bei Lithium-Polymer-Akkumulatoren für gleiche Kapazität.
•   Aufgrund des flachen Spannungsverlaufs wird die Bestimmung des Ladezustands erschwert.
•   Für einen sicheren Betrieb ist eine Schutzschaltungen (Überladungs- und Tiefenentla-deschutz) notwendig; Balancerschaltungen sichern eine effektive Nutzung der Zellen in Akkupacks

Realisierung

Es werden zwar komplette 12V LiFePO4 –Akkus angeboten, die von der Bauform den üblichen Blei-Gel-Akkus entsprechen, aber der Preis schreckte mich vom Erwerb ab.

Nach einigen Recherchen bestellte ich bei [3] vier „Headway“-Rundzellen mit 14Ah. Der Lieferant sichert zu, dass die Akkus vom Innenwiederstand selektiert wurden. Dies ist eigentlich bei der Reihenschaltung aller Akkus sinnvoll, um unterschiedliches Laden der einzelnen Zellen zu vermeiden.

Mit vier speziellen Montagehaltern aus Plast sind die Rundzellen stabil ausgerichtet. An beiden Polen der Zellen befinden sich Schraubkontakte. Damit wird eine hochstromfeste Verbindung gesichert.  Mit den lieferbaren Haltern und Kontaktschienen lässt sich nach dem Baukastenprinzip ein Akku in allen erdenklichen  Varianten zusammenstellen. Andere angebotene Zellentypen verfügen beispielsweise über punktgeschweißte Anschlussfahnen oder Lötanschlüsse. 
Um die teuren Akkuzellen zu schützen, spendierte ich meinem Akku ein Batteriemanage-mentsystem (BMS). Das BMS enthält einen Tiefentladeschutz mit Überwachung der einzelnen Zellen. Sobald die erste Zelle kurz vorm Erreichen der Entladeschlussspannung steht (etwa bei 2,3V) wird der Akku vom Verbraucher getrennt. Gleiches erfolgt bei Überladung.  Zusätzlich ist im BMS eine Kurzschlussabschaltung vorgesehen. Sollten sich die Zellen unterschiedlich aufladen, sorgt die Balancerfunktion des BMS für den Ausgleich. Durch das BMS wird allerdings der Maximalstrom festgelegt, obwohl mein 10C Akku bis zu 140A Strom liefern kann. Bei meinem  „kleinen“ BMS sind es nur 15 A.

Die Angabe 4S besagt, dass vier in Reihe (seriell) geschalte Zellen überwacht werden. Bei LiFePO4 sind auch Parallelschaltungen oder größere Zellenzahlen (z.B. 32S) möglich.
Auf Grund der Betriebsströme von bis zu 15 A sind ausreichend dicke Leitungen  (2,5qmm) zu verwenden. Gleiches gilt für die Balancerleitungen B1-B3. Hier fliesen zwar nur Ströme von maximal 100mA, aber wegen der fehlenden Sicherungen sollten diese in allen erdenklichen Fällen eine ausreichend mechanisch stabile Verbindung darstellen.
Am Ausgang habe ich eine 15A KFZ-Sicherung vorgesehen, auch wenn im Fehlerfall die Schutzschaltung des BMS ansprechen sollte.
Das BMS trägt zwar mit einem Eigenverbrauch von ca. 20 µA zur Eigenentladung des Akkus bei, aber selbst bei einer Lagerung im Winterhalbjahr ist dies problemlos zu verschmerzen.
Die Leiterplatte wurde mit doppelseitigem Montageklebeband auf die Akkus geklebt. Ich hoffe, dass das Klebeband die thermische Belastung von Akku und Leiterplatte dauerhaft übersteht.

Zum mechanischen Schutz wurden die Akku und die Leiterplatte des BMS in einem speziell gefertigten Gehäuse aus Sperrholz verpackt. Die Sperrholzplatten bekommt man millimetergenau auf dem Baumarkt geschnitten und die Eckverbindungen werden mit kleinen Holzleisten verstärkt. Dieses Gehäuse soll die Zellen vor Kurzschlüssen und Regen schützen und auch einen Sturz überleben.

Zusätzlich baute ich eine spezielle Akkuanzeige in die Box. Diese Anzeige zeigt abwechselt die Spannung der einzelnen Zellen  und der Gesamtschaltung an. Weiterhin wird bei unterschreiten einer einstellbaren Spannungsschwelle ein akustischer Alarm ausgegeben. Damit wird mir signalisiert, wenn der Akku kurz vor der Entladeabschaltung steht. Die LED-Anzeige braucht etwas Strom und wird im Ruhezustand über einen mehrpoligen Schalter vom Akku getrennt.


Laden
Zum Laden werden zwar spezielle Ladegeräte angeboten, aber die meisten Blei-Akku-Lader erfüllt die gleiche Funktion. Ich verwende mein Labornetzgerät, bei welchem eine Ladeend-spannung von 14.4 Volt und der maximale Ladestrom eigestellt werden. Das BMS ließe Ladeströme bis 12 A zu und wenn kein Schnelladen notwendig ist stelle ich 5A ein. Mit dieser Methode wird erst mit einem Konstantstrom (=Imax) und dann mit der Ladeendspannung geladen (CCCV-Ladeverfahren). Mit dem BMS gibt es einen separaten Ladeanschluss +Ch.
Bei einige BMS ist der -Ch Anschluss herausgeführt und der +Ch mit dem Ausgang verbunden. Um hier Kurzschlüsse über Masseverbindungen, z.B. über die Erdung der Antennenanlage zu vermeiden, sollte der Verbraucher bei Laden vom Akku getrennt werden.

Betrieb
Durch das flache Spannungsprofil des Akkus bleibt die Ausgangsspannung bei etwa 13 V relativ konstant. Kurz vorm Entladeschluss fällt die Spannung recht schnell ab.

 Durch das BMS ergibt sich die Besonderheit, dass irgendwann der fast leere Akku gnadenlos abgeschalten wird.  Ein letztes QSO mit einem leeren Akku ist somit nicht möglich. Das BMS schaltet den Akku auch erst mit dem Aufladen zu. Dieser Effekt sorgte bei der Inbetriebnahme für etwas Rätselraten, da mir nicht klar war, warum die Ausgangsklemmen spannungsfrei blieben.
Der lange Winter bot eine gute Chance auch noch einen Betriebstest um den Gefrierpunkt vorzunehmen. Eine 12V 65W KFZ-Lampe (entspricht einem Entladestrom von etwa 5 A) leuchtete bis zum Ansprechen der Unterspannungsabschaltung 2:40h, bei 20 Grad Zimmertemperatur sind es 2:54h.

Mit der Abweichung kann ich gut leben. Auch werden vom Akku die angegebenen 14Ah geliefert.