LiFePO4 Akkupack
	Projekt: LiFePO4 10A Akkupack
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	Einleitende Worte
	Bei meinen Portabelaktivitäten habe ich mich von Blei Akkus verabschiedet. Ich nutze nur noch LiFePo4 Akkus und möchte ein paar Tipps zum richtigen Umgang geben. Was ist LiFePo4 und was ist daran so bemerkenswert?
	LiFePO4, eine sichere Lithium Technologie
	Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus kamen Ende der 1990er Jahre auf den Markt, und wie bei den meisten neuen Technologien dauerte es lange, bis sie praktisch und erschwinglich wurden. Die Lithium-Eisenphosphat-Verbindung ist sehr stabil, weist jedoch keine besonders gute Eigenleitfähigkeit auf. Um dieses Problem zu umgehen, ist die Verbindung mit einem leitfähigen Material [üblicherweise Kohlenstoff], beschichtet, um den Elektronenfluss zu erleichtern. Bei diesen Akkus besteht die Kathode aus Lithium-Eisenphosphat. Die Anode besteht aus Graphit mit eingelagertem Lithium. Viele der besonderen Eigenschaften von LiFePO4 beruht auf einem besonderen Kristallgitter. Diese Anordnung bietet zahlreiche Vorteile. Der vielleicht wichtigste Vorteil für uns ist die konstante Entladungsspannung. Herkömmliche Akkus beginnen stark, und dann fällt die Spannung langsam ab, wenn sich der Akku entlädt. Lithiumzellen behalten ihre volle Spannung fast bis zum Ende.
	LiFePO4 Akkus haben gegenüber Bleiakkus ein hohes Energiepotential, sind viel kleiner und vor allem auch leichter und erreichen bei richtiger Behandlung eine große Lebensdauer. Sie sind aber noch deutlich teurer. LiFePO4-Zellen liefern sehr hohe Entladeströme, sind schnellladefähig und haben eine extrem geringe Selbstentladung von ca. 3 bis 5% pro Monat. Die Nominalspannung einer Zelle liegt bei 3,2 bis 3,3 V. Die einzelnen Zellen können, ohne Schaden zu nehmen, bis ca. 3,65 V geladen werden. Bei externem Laden sollte immer ein passendes LiFePO4 Ladegerät verwendet werden. Nur dieses ist auf die LiFePO4 Zellchemie mit der nötigen Ladekennlinie und Ladeendspannung abgestimmt. Ich empfehle ein LiFePO4 Ladegerät zu nutzen. Denn durch die Verwendung von nicht auf diesen Zelltyp konigurierte Ladegeräte wird die Lebensdauer eines LiFePO4 Akkus durch schnellere Alterung der Zellchemie verkürzt. Bei einer Nennspannung von 3,3 V pro Zelle liefern 4 Zellen, in Reihe zu einem Akkupack geschaltet, ca. 13,2 V. Und mit einer Entladeschlusss Spannung von 2,5 V pro Zelle und damit 10 V pro Akkupack habe ich genau meinen Wunschakku. LiFePO4: Nennspannung 3,3 V/Zelle bzw. 13,2 Vbei 4 Zellen; Entladeschlusss Spannung 2,5 V/Zelle bzw. bei 4 Zellen 10 V.
	Diese beide Video Sequenzen informieren über wichtige Daten und vermitteln die Handhabung von LiFePO4 Akkus. Video Sequenz-1 Video Sequenz-2
	Vorteile einer LiFePO4 Zelle
	muss nicht voll aufgeladen sein, Lebensdauer erhöht sich sogar noch leicht, wenn der Akku nur zu 90% aufgeladen ist   Konstante Entladungsspannung - wird bis zum Ende konstant gehalten   breiterer Betriebstemperaturbereich   geringer Innenwiderstand   ein Ausbalancieren der Zellspannungen ist erforderlich!   hoher Wirkungsgrad   extrem sicher, keine Explosionsgefahr   exzellente Zyklisierung, verträgt mehr als tausend Ladezyklen im Vergleich zu ein paar hundert für herkömmliche Akkus   Kleiner und leichter, Gewicht- und Platzeinsparung von bis zu 70%
	Teuer? Ja, LiFePO4 Akkus sind im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien teurer. Jedoch relativieren sich diese höheren Anschaffungskosten schnell aufgrund der längeren Betriebslebensdauer, hohen Zuverlässigkeit und hervorragenden Energienutzungsgrad.
	Laden von LiPo-Akkumulatoren
	Das Ladegerät für den LiFePO4 Akkupack sollte eine CCCV [Constant Current Constant Coltage] Ladecharakteristik haben. Es wird zuerst mit konstantem Strom geladen, dabei steigt die Ladespannung an. Beim Erreichen der Ladeschlusss Spannung mit konstantem Strom ist ein LiFePO4 Akkupack meist noch nicht voll, die fehlende Kapazität muss über eine konstante Spannung bei einem abfallenden Strom aufgeladen werden.
	Normalerweise soll ein LiFePO4-Akku mit 1C oder 1,5C bei einer Abschaltspannung von 3,6 Volt pro Zelle und immer mit Balancer geladen werden. Der Balancer dient der Sicherheit und soll ein Überladen der einzelnen Zellen vermeiden. Als erstes muss man für einen konstanten Ladestrom [CC] von z.B. 1 A sorgen. Jetzt muss man nur noch dafür sorgen, dass die max. Ladespannung nicht überschritten wird, indem man diese konstant [CV] auf z.B, 3,6 V hält. Wenn sich jetzt mit der Zeit der Akku lädt, verkleinert sich der aufgenommene Strom. Die Wahl des Ladestroms und der Ladespannung ist dem Datenblatt des verwendeten Akkus zu entnehmen und ist hier nur exemplarisch festgelegt worden.
	Das passende Ladegerät: Wie alle Lithium-Ionen-Akkusysteme müssen LiFePO4 Akkupacks mit einem Balancerladegerät geladen werden, sofern sie kein BMS verbaut haben. Hierbei ist zu beachten, dass für LiFePO4 Akkus das Balancer-Ladegerät im "LiFe" Modus sein muss. Akkupacks werden mit deren Gesamtspannung geladen. Die Balancierung der Zellen übernimmt dabei das Balancer-Ladegerät oder ein eingebautes BMS. Das Ladegerät muss auf eine Ladeschlusss Spannung von maximal 3,6 V pro Einzelzelle eingestellt werden. Ein 4S-Akku hat also eine Ladeschlusspannung von 4 x 3,6 V = 14,4 V.
	Abschaltspannung oder CUT-OFF
	In diesem Punkt unterscheiden sich die LiFePO4Akkus der unterschiedlichen Hersteller ein wenig. Dies liegt an der Zusammensetzung der Chemikalien und an der Spannungslage, sowie Entladekurve der Akkus. Niemals eine Zelle unter die maximale Entladespannung. Cut-Off Voltage, bringen! Meist liegt diese um 2 V bis 2,5 V. Unbedingt das Datenblatt zu Rate ziehen!
	Beachte, dass der LiFePO4 Akku keine signifikante Spannung verliert, bis 90% seiner Kapazität genutzt wurden. Die Spannung bricht aber kurz vor Erreichen der Ladeschlusss Spannung SCHNELL und ABRUPT ein!
	BMS - Battery Management System mit Balancerfunktion
	Ein Zellspannungsausgleich ist bei allen Akkus, die aus mehr als einer Zelle bestehen, wichtig, um die volle Kapazität eines Akkus ausnutzen zu können. Ohne ein Balancing bestimmt in einem Mehrzellen-Akku stets die schwächste Zelle darüber, welche Kapazität das Gesamtsystem hat. Da einzelne Zellen aber unterschiedlich altern, kann man selbst mit einer gewissenhaften Selektion nicht sicherstellen, dass alle Zellen eine identische Kapazität aufweisen. Ein BMS [Batterie-Management-System] sorgt für ein sicheres Entladen/Laden der Batterie und überwacht die Einzelzellen eines Batteriepacks. Durch Balancierung ungleich geladener Zellen während der Ladung, wird der Zelldrift reduziert. Durch die regelmäßige Balancierung ist die optimale Nutzung der Kapazität sichergestellt, gleichzeitig wird eine übermäßige Alterung einzelner Zellen verhindert. Darüberhinaus überwacht das BMS die Einzelzellspannung und unterbricht bei Über- oder Unterspannung einer einzelnen Zelle, den Lade bzw. Entladevorgang. Durch die Einhaltung der Betriebsparameter erhöht sich die Zyklenfestigkeit, sprich die Lebensdauer des Akkupacks. Zum Testen der Überwachungsfunktion des BMS habe ich auf denAkku Entlader zurückgegriffen. Durch den niedrigen Eigenverbrauch [ca. 20 bis 30 uA/Zelle] eines BMS ist eine geringe Belastung des Akkus gewährleistet. Dies ist besonders bei längeren Stand- oder Lagerzeiten von Bedeutung.
	Formieren neuer LiFePo Akkus
	Ein Akkupack besteht immer aus einzelnen Zellen, die zusammen einen Pack ergeben, dabei sind oftmals mehrere Zellen nicht nur seriell, sondern auch parallel verschaltet. Neue LiPo-Zellen benötigen einige Zeit, bis die Chemie sauber arbeitet. Ich formieren meine Akkus grundsätzlich, indem sie im neuen Zustand 2x mit einem 1/2C laden und 2x mit einem 1/2C entladen. Die Entladeschlusss Spannung setze ich dabei auf 2,5V pro Zelle. Für die einen ist es Hokuspokus, ich habe jedoch festgestellt, dass die Akkus im Neuzustand sowohl einen höheren Zellendrift während des Ladens haben, wie auch einen höheren Zellen-GAP, der sich nach diesem Vorgang dann verliert. Weiterhin sinkt mit zunehmender Anzahl an Ladungen auch der Innenwiderstand.
	Diese LiFePO4 Zellen kamen bei mir zum Einsatz
	HEADWAY 38120 SE, eine preisgünstige und gute 10C hochkapazitive LiFePO4-Schnelladezelle     Kapazität von 10 Ah   Nominale Spannung beträgt 3,2 V   Ladeschluss Spannung bei 3,65 V   Entladeschluss Spannung beträgt 2,5 V   Dauer Entladestrom nicht über 5C und der maximale Ladestrom sollte 4C nicht überschreiten
	Skizze der Verdrahtung vom Akkupack.
	Durch meinem eingesetzten BMS wird allerdings der Maximalstrom auf 12 A festgelegt. Der Eigenverbrauch von ca. 20µA/Zelle kann ich verkraften.
	Aufbau Akkupack
	Die vier Zellen werden durch die vier Zellenhalter positioniert. Damit ist die Form des Akkupacks vorgegben. Nun muss nur noch verkabelt werden. Zwei der Unter- und Oberseiten der Zellhalter bekommen je zwei Bohrungen, um die Kabel sauber führen zu können. Für meine vorwiegenden portabel Aktivitäten musste ein Gehäuse sein. Ich habe lange überlegt und mich für Acrylglas entschieden. Es lässt sich sehr gut verarbeiten.
	Im abnehmbaren Deckel wurden die beiden Power-Pole Anschlüsse eingearbeitet. Wichtig war mir auch, die einzelnen Zellen bei Bedarf überwachen zu können. Das übernimmt ein Akkuchecker. Da ich diese Informationwn nicht immer angezeigt haben möchte, übernimmt ein Schiebeschalter diese Aufgabe. Der abnehmbare Deckel wird von dem L-Profil mit vier Schrauben fixiert. Über diesen "Schacht" kann ich die vier Akkuzellen und das BMS-System bei Bedarf herausnehmen.
	Das BMS wurde auf die untere Platte geklebt und verkabelt. P+ und P- die beiden Versorgungs- bzw. Ladeklemmen müssen hier noch angelötet werden. Durch meinem eingesetzten BMS wird allerdings der Maximalstrom auf 12 A festgelegt. Der Eigenverbrauch von ca. 20µA/Zelle kann ich verkraften.
	Hier ist noch mal der Akkupack mit den beiden Platten zu sehen. Die obere Platte ist noch abgeklappt, um die Datails besser sehen zu können.
	Nachdem ich alles verdrahtet hatte, ein nochmaliger Check der Anschlüsse. Keine Beanstandungen. Messungen an den Balanceranschlüssen waren auch OK. Aber, warum konnte ich keine Spannung an den BMS Ausgangsklemmen messen? Ich erinnerte mich, dass beim erstmaligen Betrieb das BMS freigegeben werden muss. Durch kurzzeitiges Anlegen der Spannung bzw. dem Anschließen des Ladegeräts gibt das BMS die Anschlüsse frei. Erleichterung, alles im Lot. Merke dir: Auch nach einer Abschaltung wegen Unterspannung, kleiner 10 Volt, muss das BMS durch Anschluss an ein Ladegerät freigegeben werden. Dazu muss das Ladegerät schon beim Anschluss an die Batterie eine Ausgangsspannung liefern.
	Hier noch mal ein letztes Foto vom Innenleben des Akkupacks. Deutlich ist die Kammerbauweise zu sehen. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, habe ich die Verdrahtung in dieser Kammerbauweise vorgenommen. Diese besteht aus 2 dünnen mit 3 Distanzbolzen auf Abstand gehaltenen GFK Platten. Die untere Platte trennt von den Akkuzellen. Auf der oberen Seite dieser Platte wurde das BMS Modul mit doppelseitigem Klebeband fixiert. Hier enden die 5 Kabel aus dem Akkupack und werden mit der BMS verbunden. Diese Kabel müssen in der richtigen Reihenfolge mit der BMS verbunden werden. B- ist schwarz, der Minuspol von dem an gezählt wird B1 von Minus des 2. Kabel B2 von Minus das 3. Kabel B3 von Minus das 4. Kabel B+ ist rot, der Pluspol Das alles wird dann in dan Gehäuseschacht geschoben und mit der Deckplatte verschraubt.
	Fertiger Akkupack. Gut zu sehen der Schiebeschalter zum aktivieren des Akkucheckers. Dieser wurde gerade eingeschaltet. Die Informationen sind sehr gut zu erkennen. Die 3-stellige zyklische Anzeige von Gesamtspannung, Spannung Zelle-1, Zelle-2, Zelle-3 und Zelle-4 informieren mich über den aktuellen Zustand des Akkupacks. Bei Abweichnungen vomn vorgegebenen Grenzwert erfolgt ein aktustischer Alarm und ich kann sofort reagieren. Die Anzeige ist sehr deutlich durch das Acrylglas wahrnehmbar. In der Mitte die beiden Power-Pole Klemmen zur Bereitstellung der Versorgungsspannung. Über diese beiden Anschlüsse wird auch der Akkupack mit dem Ladegerät verbunden und geladen.
	LiFePO4 Akkupacks im Vergleich. Links in schwarz 12V/6,6 A, rechts daneben 12V/2A und in der Mitte 12V/10A. Größenverglech zur Streichholzschachtel.
	Meine Erfahrungen mit dem LiFePo4 Akkupack
	Die Spannung bleibt während der Entladung nahezu konstant. Das sagt aber nichts über den Ladezustand des Akkus aus.   Die Leistungsfähigkeit lässt bei niedrigen Temperaturen nach. Gerade bei /p Betrieb von den Bergen solltest du das im Winter beachten. Die reduzierte Leistungsfähigkeit verursacht aber keinen Schaden für den Akku, der sich bei Zimmertemperatur schnell wieder regeneriert. Mein Tipp. Bei /p Aktivitäten im Winter lieber zwei kleinere Akkus mitnehmen und in der "warmen" Jackentasche unterbringen.   Ein Kurzschluss ist unbedingt zu vermeiden! Gerade während eines portabel Betriebs kommt oft etwas Hektik auf. Da sind verpolungssichere Stecker zu empfehlen. Ich nutze Power-Pole.   So ein Akkupack ist bei richtiger Behandlung fast nicht "kaputt zu funken". Er hat eine lange Lebensdauer. Ich empfehle den Akkupack öfters mit Balancer oder BMS nachzuladen, auch wenn er nur zu 50 bis 80% entladen ist. Nach jeder größeren Aktivität wird bei mir geladen.   Auf eine Tiefenentladung reagiert der LiFePo4 Akkupack sehr empfindlich. Er wird heiß und das ist tödlich! Bei Erreichen der Entlade Schlussspannung sofort die Aktivität abbrechen!   Noch was zur Lagerung. Wenn der Akku über einen längeren Zeitraum mal nicht gebraucht wird, Akkupack vom Verbraucher trennen. Monatlich oder 1/4 jährlich den Ladezustand kontrollieren und bei Bedarf nachladen, obwohl der Kapazitätsverlust gering ist. Die LiFePo4 Zelle ist auch sehr resistent gegen Selbstentladung. Es wird von ca. 5 % je Monat ausgegangen.