Elektrik-Renovierung Toyota LandCruiser HZJ 78

Wie kommt man zu einer LIFePO4 Batterie?

Historie

Wir sind in den Wintermonaten 2018/19 und reisen durch den Westen der USA: Einmal mehr haben wir einen schönen Stellplatz irgendwo in einer der vielen Wüstengegenden gefunden. Die Sonne geht bereits um 16 Uhr hinter den Bergen unter und es wird kühl. Jetzt die Standheizung an und bald ist es warm im Toyota. Ein Blick auf die Spannungsanzeige der Verbraucherbatterie zeigt 12,8 V, reicht dies bis morgen früh?

Vor uns liegt jetzt eine Heizperiode von sechs Stunden am Abend und zwei Stunden morgens. Die Heizung zieht im Dauerbetrieb bei Volllast 30W (2,5A), somit stehen morgens dann 20Ah auf dem Stromzähler. Rechnet wir noch Kühlbox, LED-Licht und sporadisch die Wasserpumpe hinzu, dann sind wir in Summe bei 30Ah, die unsere Batterien zu liefern haben, bis die Sonne wieder scheint oder die Lichtmaschine beim Fahren lädt ...

Der morgendliche Blick auf die Spannungsanzeige zeigt uns noch 12,2 V; da ist nicht mehr viel an restlichen Ah verfügbar. Da wir keinen Batteriemonitor installiert haben, der akkurat den Ladezustand aus Saldierung der Ströme errechnet, gibt es eine sehr grobe Faustformel für diesen Batterietyp, um den Ladezustand zu schätzen: 100% = 13V; 0% < 12V; mit linearem Verlauf. Somit sind die Batterien morgens quasi leer. Dies passierte uns regelmäßig, manchmal sank die Spannung sogar unter 12V ...

Somit begann ich mich intensiver mit unserer Infrastruktur zu beschäftigen und welche Möglichkeiten der Verbesserung es denn gäbe. Unsere bisherige Infrastruktur (von Tom´s Fahrzeugtechnik aus dem Jahr 2008):

Zur Erläuterung siehe auch Glossar unten!

2 Verbraucherbatterien Optima Yellowtop AGM mit je 55Ah, somit eine Kapazität von 110Ah (NP 180 EUR pro Batterie)
Starterbatterie Optima Yellowtop AGM mit 55Ah
IBS Batteriemonitor trennt Starterbatterie von Verbraucherbatterie, wenn Motor steht
IBS Batteriemonitor verbindet Starterbatterie mit Verbraucherbatterie, wenn Motor läuft
100 W Solar mit MPPT-Regler, eingestellt auf GEL; ohne Temperaturfühler)
Lichtmaschine mit 80A.

Schaltbild IBS Batteriemonitor (Quelle: IBS) Das Bild rechts zeigt prinzipielle Schaltbild eines IBS Batteriemonitors (Quelle: IBS). Mit BM (Batteriemonitor) ist das Anzeigegerät gemeint, welches die Spannung der Batterien und den Betriebsmodus anzeigt.

Dies klingt erst mal gut und ist auch ausreichend, wenn man im Sommer unterwegs ist, wenig heizt, viel fährt und die Sonne mit Laden nachhilft. Die konzeptionellen Schwächen fallen erst dann auf, wenn diese Infrastruktur richtig gefordert wird.

Eine Optima Yellowtop AGM Batterie ist sicher ein gutes Produkt. Sie dient gleichermaßen als Starterbatterie wie auch als Verbraucherbatterie. Sie ist zyklenfest, darf also regelmäßig entladen werden, ohne Schaden zu nehmen. Eine traditionelle Starterbatterie ist dafür nicht ausgelegt und verliert schnell ihre Leistung. Eine Optima ist als Gel-Batterie auslaufsicher, bedarf keiner Pflege, kann in jeder Lage montiert werden, ist rüttelfest und liefert mit 765A einen sehr hohen Startstrom bei Minus 20°C.

Allerdings braucht eine solche Batterie auch eine gewisse Pflege, wenn sie über Jahre diese Leistung bringen soll:

Die Batterie will optimal nach einer speziellen Ladekennlinie geladen werden, U1 sollte 14,4V ohne Temperaturkompensation betragen
Bei Temperaturen über 20°C sollte diese reduziert werden, bei unter 20°C kann sie erhöht werden
Die Batterie will regelmäßig voll geladen werden werden, ansonsten beginnen leistungsmindernde Sulfatierungsprozesse im Inneren. Für längere Zeit darf sie sich somit nicht in einem teilgeladenen Zustand befinden.

Somit offenbaren sich jedoch eine Reihe von Schwächen:

Diese Art von Batterien dürfen max. zu 50% entladen werden, bevor es in den Bereich der Tiefentladung geht und die Batterie Schaden nimmt. Es stehen somit maximal nutzbar nur 55Ah zur Verfügung
Der Regler der Lichtmaschine stellt 14,2 V an Spannung bereit, die Batterien können damit machen, was sie wollen. Von einer geregelten Ladetechnik sind wir damit weit entfernt
Zum Zeitpunkt des Zusammenschaltens von Starterbatterie mit der Verbraucherbatterie haben diese unterschiedliche Ladezustände; somit fließen ab diesem Zeitpunkt unkontrollierte Ausgleichsströme
Zum vollständigen Laden wird ab ca. 80% Ladung viel Zeit benötigt, da der Innenwiderstand der Batterie steigt
Nach einer Tagesetappe mit 5 Stunden Fahrzeit sind die Verbraucherbatterien nicht voll
Nur der Solarregler lädt nach einer definierten Ladekurve
Es ist keinerlei Temperaturkompensation vorhanden.

Für uns relevante Lösungsvarianten

Meine Prämisse ist die konsequente Trennung von Starterbatterie und Verbraucherbatterie, da diese unterschiedliche Aufgaben und Ladezustände haben und somit zum gleichen Zeitpunkt anders geladen werden wollen. Es ist aus meiner Sicht akzeptabel, die AGM-Starterbatterie mit der Lichtmaschine zu laden, da diese nur während des Startens belastet wird. Zur längerfristigen Pflege sollte diese aber regelmäßig über ein externes Ladegerät mit einer AGM-Einstellung geladen werden.

Das IBS als Trennschalter mag sinnvoll sein, um ein Entladen der Starterbatterie zu verhindern, ist aber zugleich Teil des Problems. Ich habe es deshalb stillgelegt
Ein Ausbauer empfahl den Einbau einer 120A Lichtmaschine gemäß dem Motto, viel hilft viel. Dieser Ansatz ist nicht ganz billig (600-900 EUR ohne Einbau). Die Ladeströme wären sicher stärker, allerdings sichert dies nicht eine Vollladung der Verbraucherbatterien
Es gibt insbesondere im Yachtbau intelligente Laderegler, die sich auf Ladekurven einstellen lassen. Dies erfordert jedoch den Austausch des bestehenden Reglers. Solche Arbeiten sollte man jedoch einen qualifizierten Kfz-Elektriker überlassen, da die Regler auf den Typ der Lichtmaschine abzustimmen sind. Dieser Ansatz bietet jedoch keine Lösung für unterschiedliche Batterien
Eine durchaus valide Alternative ist der Sterlingregler (z.B. AB12130, ca. 400 EUR, Bild rechts). Er wird zwischen Lichtmaschinenregler und der Starterbatterie / Versorgerbatterien installiert. Er lädt die Versorgerbatterien, sobald der Ladezustand der Starterbatterie dies erlaubt, nach definierten Programmen, einschließlich einer Temperaturkompensation. Die Starterbatterie wird konventionell wie bisher geladen. Allerdings arbeitet dann der Solarregler völlig losgelöst, die beiden kennen sich ja nicht, und jeder nach eigener Ladekennlinie. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Regler aus Temperaturgründen nicht in einem Motorraum verbaut werden sollte
Eine weitere Alternative wäre der Ansatz der Firma CTEK, bekannt durch ihre Ladegeräte. Das CTEK D250SA (280 EUR) in Verbindung mit dem Smartpass 120 hätte ich in die engere Wahl gezogen, wenn es optional eine Ladekurve für Li-Batterien gegeben hätte.

Unsere Lösung

VBCS 30/20/250 (Quelle: Votronic) Von der Firma Votronic gibt es die Baureihe der Triplc Charger VBCS xx. Ich habe mich für das kleinste Modell entschieden (VBCS 30/20/250, ca. 580 EUR, Bild rechts). Dieses Gerät ermöglicht 3 Ladequellen; integriert aus einer Hand:

Netzladung (110-230V) mit 20A
B2B (Starterbatterie zu Verbraucherbatterie) mit 30A
MPP-Solarregler mit max. 250Wp Solarleistung.

Weitere Eigenschaften sind:

Stützladung der Starterbatterie
5 Li-Ladekurven (gelten für alle 3 Ladequellen) mit Temperaturkompensation
Ausgleich von Leitungsverlusten
Dauerbetrieb bei Netzanschluss möglich.

Dieses Gerät vereinigt somit alle Anforderungen, muss aber außerhalb des Motorraums installiert werden. Nachdem unsere Optima´s in den USA ziemlich gelitten hatten und ein Ersatz anstand, habe ich mich mit dem Thema der Lithiumbatterien näher beschäftigt. Der Preis dieser Technologie ist hoch, allerdings sind das auch deren Vorteile. Wenn man viel unterwegs sein möchte und dies auch in widrigen Jahreszeiten, dann gilt dieser Typ als eine ernsthafte Alternative.

Unser Entschluss war letztlich eine Liontron 100Ah LiFePO4 Batterie (960 EUR). Ich gehe davon aus, dass wir in einer 10-jährigen Gesamtkosten- und Nutzenbetrachtung damit besser liegen als mit einer AGM-Lösung. LiFePO4 steht übrigens für Lithiumeisenphosphat und ist die aktuell führende Akku-Technologie:

> 3.000 Zyklen bei 90% Entladung
5 Jahre Garantie
Bis 100% ladbar in kurzer Zeit
Batterie hat keine Sulfatierung, muss somit nicht voll geladen werden
90Ah nutzbar bei gleicher Kapazität wie bisher
Leicht (14,5kg im Vergleich zu 2x20kg)
Eingebautes Batterie-Managementsystem (Monitoring via Bluetooth; Spannungs- und Temperaturschutz, jederzeit bekannter Ladezustand in % und Ah)

Allerdings möchte ich die Nachteile und Risiken nicht unerwähnt lassen:

Komplexitätszunahme. So sollte z.B. die Li-Batterie ohne Benutzung bei 80% Kapazität gelagert werden (lässt sich über Ladeprogramme am Gerät einstellen), Weiterhin ist die Temperatur im Staukasten zu beachten, die regelmäßige Ladung der Starterbatterie, usw.
Das Votronic-Gerät hat drei Funktionen in einem; ein Ausfall wäre fatal. Ich setze hier auf "Made in Germany" und habe den alten Solarregler als Ersatzteil dabei ...
Die gesamte Versorgertechnik muss aus dem Motorraum in den einen der Staukästen umziehen (Verlust an Stauraum)
Die Li-Batterie mag nur einen Temperaturbereich von 0 - 40°C.

Der gesamte Einbau erfolgt in eine Staukiste hinter dem Fahrersitz, in der auch eine AirTop Luftstandheizung bereits ihre Heimat hat. Somit kann es der Li-Batterie nicht zu kalt werden.

Wichtige Themen beim Einbau waren:

Ausbau der bisherigen Versorgerbatterien aus dem Motorraum und Stilllegung des IBS
Legen einer 10 mm2 Leitung (für B2B) vom Motorraum in die Staukiste im Wohnraum
D+ Signal zum Steuern der B2B-Ladung finden; alternativ habe ich das Zündungssignal des Zigarettenanzünders abgegriffen. Die Spannung wird benötigt, um zu erkennen, ob die Lichtmaschine arbeitet. Ab diesem Zeitpunkt arbeitet die B2B-Funktion. Ich habe dieses Signal abschaltbar gemacht, wenn ich keine B2B-Ladung brauche
Stabile Befestigung der Li-Batterie
Alle Kabel gemäß Schaltplan absichern und ordentlich mit Kabelschuhen versehen
Alle Kabel in Schutzrohre verlegen und 220V von 12V trennen (nicht im selben Schutzrohr)
Wärmeisolierung des Heizungsausgangs der Airtop
Temperaturüberwachung in der Staukiste (bei >30°C beginnt ein PC-Lüfter mit seiner Arbeit)

Die nachfolgenden Bilder des Einbaus zeigen unten von links nach rechts:

Alte Optima-Batterien im Motorraum während des Ausbaus
Einbau in die Staukiste: Votronicgerät oberhalb der Standheizung; links der PC-Lüfter mit Raumthermostat
Gesamtansicht mit neuer Batterie; Pluspol isoliert gegen Kurzschluss
Abdeckung zur Nutzung als restlicher Stauraum.

Alte Optima-Batterien im Motorraum während des Ausbaus

Einbau in Staukiste: Votronicgerät oberhalb der Standheizung; links PC-Lüfter mit Raumthermostat

Gesamtansicht mit neuer Batterie; Pluspol isoliert gegen Kurzschluss

Abdeckung zur Nutzung als restlicher Stauraum

Erste Erfahrungen

Wir haben jetzt Strom im Überfluss: Das Monitoring zeigt aktuell sogar 117Ah bei voller Ladung. Wir haben somit 17Ah als "Discount" erhalten. Die Solaranlage auf dem neuen Hubdach (dies ist ein eigenes Thema) mit jetzt 150 Wp lädt nach einer Nacht in den Bergen (bei 10°C) innerhalb weniger Stunden den Akku von 90% wieder auf 100% auf. Dies ist ein ganz neues Gefühl von Kapazität, wie wir es nie kannten. Die App rechts zeigt alle wichtigen Kennwerte an, so dass wir jederzeit den Ladezustand und die aktuelle Strombelastung (Ladung oder Entladung in A) kennen. Wichtig ist auch die Innentemperatur der Batterie, da diese empfindlich auf Frost und hohe Temperaturen reagiert ...

Wieder unterwegs: Auf der Ligurischen Grenzkammstraße ...

Ich schätze, dass wir zwei bis drei Tage ohne Solaranlage an einem Stellplatz bei kühlem Wetter auskommen. Drei Stunden Fahrzeit sollten reichen, um den Akku wieder voll zu laden. Jetzt könnte so manch einer leichtsinnig werden und nach neuen Verbrauchern Ausschau halten. Wie wäre es denn mit einer Nespressomaschine oder einem Induktionskochfeld? Also noch schnell einen 2000W Inverter nachrüsten, der Akku liefert ja 150A als Dauerstrom, fragt sich nur wie lange ...

Bei unserem Reiseprofil sind wir jedenfalls froh, diese Kapazitäten in Reserve zu haben. Vielleicht führt uns ja mal eine Winterreise gen Nordkap, dann brauchen wir Strom satt!

Glossar
A	Stromstärke I in Ampere
V	Spannung U in Volt
W	Leistung in Watt; berechnet als V x A
WP	Leistungsangabe für Spitzenleistung eines Solarmodules (Watt peak)
Akku - Batterie	Genau genommen dürften wir nachfolgend nur über Akkus sprechen, Batterien lassen sich nicht aufladen
AGM-Akku	Absorbant glass mat; Eine Form des Säure-Blei-Akkus, bei der das Elektrolyt in einem Vlies aus Glasfaser gebunden ist
B2B	Batterie zu Batterieladung; Die Spannung, bzw. der Strom der Quellbatterie wird so aufbereitet, dass gemäß einer Ladekurve die Zielbatterie optimal geladen wird
IBS	Intelligent Battery System; Hersteller für Doppelbatteriesysteme
IU1oU2oU3	Spezielle Ladekennlinie für Akkus: zuerst konstanter Strom I, dann konstante Spannung U1 ....
MPPT-Regler	Maximum Power Point Tracking; Technologie zur bestmöglichen Ausnutzung der Solarenergie; im Gegensatz zu günstigeren PWM-Reglern (siehe auch weitere Erläuterung)

1. Nachtrag, Dezember ´20: Messungen

Kürzlich erfolgte noch ein Belastungstest des LI-Akkus, wobei die folgende Entladekurve im Bild rechts ermittelt wurde.

Die Messung wurde bei 15°C Batterietemperatur durchgeführt und 6A Dauerlast; die %-Werte sind bezogen auf 100Ah. Nach 9 % Ladezustand erfolgt ein schneller Spannungsabfall und das BMS (Batteriemanagementsystem) schaltet den Akku ab. Im Alltagsbetrieb sollte somit spätestens bei 12,8 V nachgeladen werden.

2. Nachtrag, Dezember ´20 und danach: Noch mehr Neuerungen ...

Und es ging noch weiter mit Hans-Jörgs Toyota: Schließlich stand noch etliches anderes aus, so war ein neuer Innenausbau, eine höheres Hubdach und auch eine neue Heizung erforderlich. Später folgte noch eine Motorvorwärmung. Selbstverständlich berichtet unser Autor auch darüber:

3. Nachtrag, August ´23: Und noch mehr zu LIFePO4

Wer zum hier angesprochenen Thema weitere Informationen wünscht, dem können wir einen ergänzenden Bericht unseres Autors Sigi Heider empfehlen: Er hat sich wieder einmal wie üblich sehr tief in die Details gekniet:

Lithium-Eisen-Phosphat Akku: Ein theoriebasierter Praxisbericht ...

Anm. der Red.: Weitere Beiträge von Hans-Jörg finden sich in unserer Autorenübersicht!