Wie wird ein LiFePo4 Akku richtig geladen (und entladen)?

Die richtige Ladereglung ist ein recht schwieriges Thema. Das liegt daran, das der Ladezustand (SOC) bei LiFePo4 Akkus nur schwer zu derektieren ist. Das Problem liegt darin, das die Spannungskurve über den Ladezustand sehr flach ist. Es sind nur einige Millivolt.

In der Grafik ist zu sehen, das zwischen 20% und 95% Ladezustand (SOC) nur ein Spannungsunterschied von 3,25V – 3,35V besteht. Das sind nur 0,1V!

Deshalb wird meistens in EV Systemen die eingeladene und entnommene Leistung gemessen und zur Ladezustandsanzeige herangezogen.
Wie aber kann ich ermitteln, wie hoch die eigentliche Akkukapazität ist? Die Speicherfähigkeit des Akkus ist ja eine theoretische, die vom Alter, der Temperatur und anderen Faktoren abhängig ist. Wird der Akku belastet, ist die Spannung kaum noch aussagefähig.
Deshalb muss die Ruhespannung gemessen werden. Die oben gezeigte Grafik ist eine soche “Ruhespannungskurve”.

Wir gehen in der nachstehenden Erklärung davon aus, das der Akku bis zu einer Nennkapazität von etwa 90-95% geladen wird und bis zu einer Nennkapazität von etwa 15 % entladen wird. Das ist ein Wert, der bei guten Akkus eine Lebensdauer von 2000 Ladezyklen gewährleisten sollte.

Akku laden

In der Regel werden LiFePo4 Akkus bis zu einer Spannung von 3,5V geladen. Diese Spannung ist allerdings abhängig vom Ladestrom. Je höher der Strom, desto höher kann die Ladeschlußspannung ausfallen. Bei etwa 0,5CA (der halbe Ladestrom der Akkukapazität) kommt das dann in etwa hin, wie in der Grafik unten zu sehen ist!
Um zu schauen, ob wir dann tatsächlich 90-95% Ladung erreicht haben, warten wir etwa 1 Stunde, und messen die Ruhespannung an der Zelle. Wenn wir etwa 3,35V haben, ist alles OK! Bei einem anderen Wert, korrigieren wir die Ladespannung etwas nach oben oder unten. Bei anderen Ladeströmen kann die Ladeschlußspannung anhand der Grafik korrigiert werden.

Die meisten simplen BMS (Aliexpress etc.) laden LiFePo4 Zellen bis 3,7V, was eindeutig eine Überladung im Berich über 110% bedeutet! Dies mindert die Lebensdauer der Zellen erheblich!

Nach dem Hauptladevorgang balancieren die meisten BMS noch die Zellen, d.h. Zellen mit zu niedriger Spannung werden nachgeladen. Wenn dieser Vorgang zu lange durchgeführt wird, werden alle Zellen auf 3,5V geladen, was zu viel ist. Nach der Ladung sollten die Zellen ohne Last 3,35V haben!

Billige BMS fangen sogar erst bei 3,5V an zu balancieren, was unweigerlich zu einer Überladung führt. Brauchbare BMS, wie z.B. das EMUS bieten die Möglichkeit, einzustellen, ab welcher Ladespannung mit dem Balancieren begonnen wird. Diese Spannung sollte so gering wie möglich sein, damit auch Zellen, die deutlich in der Ladung abweichen, noch ausreichend balanciert werden können!

Akku entladen

Die meisten Batterie Management Systeme (BMS) ziehen die entnommene Energie zur Anzeige des SOC heran, wie oben bereits beschrieben. Wenn unser System nun 15% anzeigt (oder bei einer entsprechenden Kompensation 0%, was man beim EMUS BMS einstellen kann), verfahren hier ebenso. Wenn wir also schätzen, das der Akku noch 15 % Restkapazität haben sollte, warten wir etwa 1 Stunde, und messen die Ruhespannung an der Zelle. Dieser sollte jetzt etwa 3,20 – 3,25V betragen. Bei einem anderen Wert, korrigieren wir die Entladeleistung etwas nach oben oder unten.

Das war es eigentlich schon. Unangenehmer Weise verändert sich aber die Kapazität unseres Akkus mit zunehmendem Alter, und wir müssen diese Prozedur in regelmäßigen Abständen durchführen, ansonsten wird er irgendwann tiefentladen!

Moderne EV Systeme machen das automatisch in dem sie die Ruhespannung nach einer bestimmten Zeit ohne Belastung des Akkus messen, und die Kapazität neu berechen. Das EMUS BMS kann das z.B. nicht, es hat zwar auch so eine Funktion, die die Spannung nach ein paar Sekunden misst, wenn der Strom unter 0,5 der Akkukapazität sinkt, das ist aber viel zu ungenau!

Temperatur

Der Temperatureinfluss auf LiFePo4 Zellen ist nicht zu unterschätzen. Schon bei Temperaturen unter 10°C sinkt die Leistung des Akkus erheblich!

Bei sinkender Temperatur steigt der Innenwiderstand der Zelle an. Das macht sich erst einmal in einer geringeren Zellspannung unter Last bemerkbar. Der Effekt im Betrieb ist, das bei einem höheren Innenwiderstand der Zelle, mehr Leistung im Akku in Wärme umgewandelt wird, was zu einer geringeren Effektivleistung führt. Dieser Effekt relativiert sich allerdings nach einiger Zeit, durch die Selbsterwärmung des Akkus.

 

Beitrag wird fortgesetzt…..
Die Konfiguration des EMUS BMS ist im nächsten Beitrag dokumentiert: EMUS BMS Konfiguration

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