Alle Lithium-Akkusysteme müssen so geladen werden, dass ein Zellspannungsausgleich erfolgt, da anderenfalls sich im Laufe der Zeit deutlich unterschiedliche Einzel-Zellspannungen einstellen. Das gilt natürlich ebenso für LiFePO4 - Akkuspacks. Nun haben ja die allermeisten LiFePO4-Akkus ein BMS integriert, dass diesen Zellausgleich -meistens kurz vor Erreichen der Ladeschlussspannung- vornimmt, insofern gibt es diesbezüglich bei den allermeisten Nutzern keine Probleme.

Bei den wenigen Akkus aber, die kein integriertes BMS haben, ist es dann erforderlich, wenigstens von Zeit zu Zeit die Zellen auszubalancieren. Da man an die Einzelzellen ja nicht heran kommt, muss man ein so genanntes "Balancer-Ladegerät" zu verwenden. Diese Akkus sind aber wirklich eher selten anzutreffen.

Was ist eigentlich ein "Balancer-Laderät"?

Eines tut ein so genanntes "Balancer-Ladegerät nicht: Es balanciert nicht die Einzelzellen eines Akkupack gezielt aus, so wie man es von einem Balancermodul oder BMS kennt. Das kann es ja auch nicht, weil es weder die Einzelspannungen kennt, noch gezielt auf die einzelnen Zellen einwirken kann.

Die Bezeichnung "Balancer-Ladegerät" ist daher ein wenig irreführend. Diese Ladegeräte haben lediglich eine besondere Kennlinie, die es ermöglicht, den Akku zeitweise mit extrem geringen Strömen zu laden, und zwar bei Erreichen der Ladeschlussspannung. Hat eine Zelle nun wirklich die Maximalspannung (3,65 - 3,7 Volt) erreicht, wird diese zwar noch immer beaufschlagt, aufgrund des sehr geringen Gesamtstromes von meist weniger als 1 A steigt die Spannung in dieser Zelle aber nicht weiter an, während die Zellen mit (noch) niedrigerer Zellpannung weiterhin Ladung aufnehmen und somit (irgendwann) angelichen sind. Das ist natürlich nicht so effektiv, wie ein Balancing mittels Einzelmodulen oder BMS, erfüllt aber letztendlich auch seinen Zweck. Der Nachteil hierbei ist, dass das "Ausbalancieren" erheblich länger dauert, als z.B. bei einem aktiven Balancing.

Derartige Ladegeräte sind in Reisemobilen und auf Booten in der Regel nicht verbaut und werden -sofern der verwendete Akku ein integriertes BMS hat- auch nicht benötigt. Falls ein solches Ladegerät doch vorhanden ist, muss unbedingt sichergestellt sein, dass dieses einen LiFePO4-Modus hat und dieser ausgewählt ist, da LiFePO4-Akkus anderenfalls Schaden nehmen können!

Ist ein solches Ladegerät nicht vorhanden, muss der Akku zwingend mit einem Balancersystem ausgestattet sein, das die Zellen ausbalanciert. Dann allerdings kann ein ganz normales Ladegerät für Blei-Nassakkus verwendet werden. Eine spezielle Ladekennlinie ist nicht erforderlich.

Im folgenden beziehe ich mich immer auf LiFePO4-Akkus mit integriertem BMS:

Ladegeräte für LiFePO4 Akkus sollten eine CCCV Ladecharakteristik haben, d.h. es wird erst mit konstantem Strom (CC) und dann mit konstanter Spannung (CV) geladen. Dies sind de facto die ganz normalen Ladegeräte für Blei-Nassakkus, ohne irgendwelche besonderen Kennlinien, sondern einer simplen IU-Kennlinie .
Die Ladeschlussspannung wird während während der CC-Phase nicht erreicht. Nach dieser Phase wird der Akku mit der eingestellten Ladeschlussspannung beaufschlagt. Die Stromaufnahme fällt nun ab, weil sich die Akkuspannung der angelegten Spannung angleicht.

Die Erstinbetriebnahme eines neuen LiFePO4 -Akkus

Hier muss zunächst einmal unterschieden werden, ob ich einen Fertigakku erstmalig in Betrieb nehme, oder selbst einen Akku aus mehreren Einzelzellen zusammenbauen will.

Bei einem handelsüblichen Fertigakku ist eine explizite "Initialladung" meist nicht erforderlich, diese hat der Akku schon vor dem Versand erfahren. Hier weisen die Händler meist jedoch darauf hin, dass der Akku vor der ersten Inbetriebnahme nach Datenblatt vollgeladen werden muss. Bei einem Fertigakku geht der Händler meist auch gar nicht auf Zellspannungen ein, sondern spricht nur von der Akkuspannung.

Bei Einzelzellen ist der Aufwand, die Zellen richtig initial zu laden, um einiges höher. LiFePO4-Akkuzellen werden beim Hersteller grundsätzlich teilentladen gelagert, und haben entsprechend bei Auslieferung unterschiedliche Ladungszustände. Warum sie dort nicht vollgeladen gelagert werden, hat mehrere Gründe:

  • die Zellen entladen sich während der Lagerung geringfügig selbst und müssen ohnehin vor der Verwendung initialgeladen und balanciert werden
  • der Energieaufwand ist um einiges höher und bringt keinen wirklichen Nutzen
  • die Zellen sollen vor dem Verkauf möglichst wenig beansprucht werden; denn ein Einlagern bei Initialspannung beansprucht die Zellen unnötig

Bei der ersten Inbetriebnahme eines "gebauten" LiFePO4-Akkupacks müssen die Einzelzellen zunächst vollständig geladen und ausbalanciert werden. Hierzu kann man entweder ein Balancer-Ladegerät oder ein leistungsstarkes Balancer-Modul verwenden. Für nachfolgende Ladevorgänge ist normalerweise ein kleines Balancer-Modul ausreichend, um den Spannungsdrift der Zellen auszugleichen.

Nun hat ja nicht jeder ein Balancer-Ladegerät oder leistungsstarkes BMS zur Verfügung. Das ist auch kein Problem, man kann nämlich auch einfach die Zellen zunächst auf identische Zellspannungen laden (z.B. 3,35 V) und dann parallel schalten. So verbunden, lädt man die Zellen dann langsam auf die maximal zulässige Spannung (3,65 - 3,8 Volt) auf und lässt die Zellen dann eine Weile in Ruhe ausgleichen. Hierzu ist dann allerdings ein Labornetzteil, dass korrekt eingestellt werden kann, erforderlich.

Es ist auch möglich, jede Zelle langsam einzeln bis zu einer vordefinierten Initialladespannung zu laden (die natürlich bei allen Zellen identisch sein muss und von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich ist) und sie anschließend -unter Verwendung normaler Balancermodule- in Serie zu schalten. Anschließend ist das gesamte Paket noch einmal mit der maximalen Akkupackspannung zur Initialladung zu laden (Einzel-Zellspannung x Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen) und das finale Balancing findet statt. Aber auch hier muss zum Laden der Einzelzellen zunächst einmal ein Labornetzteil zum Einsatz kommen.

Um noch einmal deutlich zu machen, dass die richtige Einstellung des Akkutyps am Ladegerät sehr wichtig ist, hier einmal ein Vergleich der Spannungen untereinander:


Li-Ion / LiPo LiFePO4
Nennspannung 3,6 – 3,7 V 3,2 - 3,3V
Ladeschlusspannung 4,2 - 4,22 V 3,5 - 3,65 V (Herstellerabhängig)
Entladeschlusspannung 2,5 – 3,0V 2,0 - 2,8V (Herstellerabhängig)
Initialladung 3,65 - 3,8 V (Herstellerabhängig)

Das Ladegerät muss für den Normalbetrieb dann wieder auf eine Ladeschlussspannung von maximal 3,65V pro Einzelzelle in Reihe eingestellt werden. Ein handelsüblicher Ferigakku hat also eine Ladeschlusspannung von 4 * 3,65V = 14,6V.

Viele Ladegeräte sind höher eingestellt, und können so zu verringerter Lebensdauer des Akkus führen.

Man sieht also, dass die Bandbreite der verwendbaren Ladegeräte ziemlich groß ist, nur dürfen alle diese Ladegeräte nicht über eine Anti-Sulfatierungsfunktion verfügen; denn diese zerstört einen LiFePO-Akku unweigerlich.

Es soll hier auch nicht unerwähnt bleiben, dass das Anstreben der Ladeschlussspannung auf 3,65V pro Zelle (14,6 V Akkuspannung) zwar einen geringfügigen Kapazitätsgewinn mit sich bringt, aber die Zelle dadurch auch stärker gestresst wird. LiFePO4-Zellen fallen nach einer gewissen Zeit -auch ohne Stromentnahme- auf eine Zellspannung von ca. 3,5 Volt zurück. Dieser Spannungsabbau geht nicht spurlos an der Zelle vorbei, sondern lässt die Zelle schneller altern, als es sonst der Fall wäre. Das ist zwar nicht dramatisch, aber dennoch, es soll nicht unerwähnt bleiben.

Schon bei sehr geringer Stromentnahme fällt die Zellspannung relativ schnell auf einen Wert von ca. 3,4 - 3,4x V zurück, um dann -bei gleichbleibend geringer Stromentnahme- etwas langsamer auf ca. 3,3 V zu fallen. Anschließend bleibt die Spannung über den gesamten Kapazitätsbereich nahezu konstant.

Es wäre also dem Akkuleben durchaus zuträglicher, wenn die Ladeschlusspannung akkuseitig bei 14V festgelegt werden könnte. Das Laden dauert dann zwar geringfügig länger, ist aber umso schonender.

Die so genannten Fertigakkus haben eine solche Einrichtung meist nicht, sie begnügen sich stattdessen mit den reinen Sicherheitsabschaltungen. Das bedeutet, dass bei falsch eingestellten Ladeschlussspannungen an der Lichtmaschine, dem Ladegerät oder dem Solarregler, die Akkuzellen ggf. bis zu 3,65 V geladen werden, u.U. sogar noch höher. Dass dies die Zellen unnötig stresst und zu verkürzter Lebensdauer führt, liegt auf der Hand.
Bei von mir konfigurierten Akkusystemem wird immer eine Schaltung vorgesehen, die bei Erreichen der Ladeschlussspannung den Ladevorgang unterbricht, d.h. den Akku von der Stromzufuhr trennt. Dabei ist es unerheblich, ob das Laden mittels Lichtmaschine, Solar oder Netzladegerät erfolgt, und es ist auch unerheblich, ob die angelegte Spannung 14,2 oder 14,8 V beträgt (oder irgendwo dazwischen) liegt. Bei einer Zellspannung von maximal 3,5 V ist Schluss.

Wird eine LiFePO4 Akkuzelle überladen, (>4V), erwärmt sich die Zelle und es entsteht ein Überdruck. Wenn das eingebaute Überdruckventil bereits ausgelöst hat, ist dies durch einen süßlichen Geruch wahrnehmbar. Die Zelle ist dann irreparabel beschädigt und muss entsorgt werden.

Laden bei niedrigen Temperaturen:

Die allermeisten Fertigakkus dürfen nicht bei Temperaturen unter 0°C geladen werden, manche sogar nicht bei unter +5°C. Um dieses zu gewährleisten, unterbindet das BMS das Laden, sobald die Akkutemperatur den für diesen Akku relevanten Wert unterschreitet.

Der Hintergrund dieser Einschränkung liegt darin, dass die Innenwiderstände von LiFePO4-Zellen bei niedrigen Temperaturen recht stark ansteigen. Wird nun z.B. ein 100Ah-Akku mit einem Ladegerät geladen wird, das 25A liefern kann, wird dieses eine ziemlich hohe Ladespannung ausgeben, um diesen Strom zu liefern. Aufgrund der hohen Widerstände, insbesonders der Kathode, würde diese sich sehr stark erwärmen, was dann zu einer punktuellen Erwärmung der Akkuzelle führt. Diese punktuelle Erwärmung schädigt die Zelle. Bei Temperaturen über 5°C liegen die Innenwiderstände der Zellen in einem Bereich, der nicht zu einer starken Erwärung führt.

Es gibt meines Wissens momentan nur einen Hersteller, der ein Laden auch bei Temperaturen unter -5°C zulässt, wenn auch nicht mit der vollen Stromstärke, mit der die Zelle normalerweise geladen werden kann. Die Kathoden der von Thundersky WINSTON sind mit Yttrium "dotiert" (eine sehr geringe Menge Yttrium ist dem Material der Kathode beigemischt), was einerseits schon generell für geringfügig geringere Widerstände sorgt, anderseits die Widerstände bei Kälte auch nicht so stark ansteigen lässt. Aber auch hier gibt es natürlich Grenzen! So sollte eine WINSTON-Zelle bei Temperaturen unter -10°C möglichst ebenfalls nicht geladen werden, und wenn, dann mit einem Ladegerät, dass nicht mehr als 10% der Zellkapazität 0,1C) als Ladestrom liefert. Bei -5°C kann bereits mit 25% der Akkukapazität geladen werden.

Aber auch bei diesen Akkus steigt beim Laden die Polspannung der einzelnen Zellen an, weil die Widerstände größer sind, als normalerweise. Bei einem herkömmlichen BMS würde die Spannung bis an die Notabschaltgrenze ansteigen, um dann aber sofort wieder abzufallen. Bei den von mir gebauten Akkus ist dieser Anstieg auf 3,5 Volt begrenzt, dann wird der Akku kurzzeitig vom Ladegerät getrennt. Diese niedrigere Spannung sorgt ebenfalls für weniger Beanspruchung der Zellen.

Spannungsanstieg bei Erreichen der Ladeschlussspannung

LiFePO4-Akkus haben gegen Ende der Ladephase einen recht starken Spannungsanstieg. Dies führt meistens dazu, dass das BMS diese Spannungen (die ja nie exakt gleichzeitig ansteigen) ausgleichen kann und somit die Abweichungen der Zellen größer sind, als man es sich wünschen würde

Etwas eindämmen kann man dies, indem man die Ladeperipherie so einstellt, dass die Ladeschlussspannung der maximal gewünschten Zellspannung entspricht. Dies führt dazu, dass nicht bis zum absoluten Erreichen der maximal gewünschten Zellspannung mit dem vollen Strom geladen wird, ganz einfach, weil die Differenz zwischen Ladespannung und Akkuspannung immer kleiner wird. In der Folge sinkt der Strom und das BMS hat länger Zeit, die Zellen auszubalancieren.

Auch kann so meistens mehr Ladung in den Akku gebracht werden (Herr Peukert lässt grüßen)

Mehr zu den Zellspannungen gibT es hier

Starterbatterien
LiFePO4 Starterbatterien werden häufig ohne Balancer angeboten, z.B. Akkus mit A123-Zellen sind im Normalbetrieb nahezu driftfrei. Diftfrei bedeutet nichts anderes, als dass die einzelnen Zellen so ausgewählt wurden, dass alle nahezu die gleiche Charakteristik aufweisen und somit Ströme gleichmäßig aufnehmen, bzw. abgeben.Folglich haben die Einzelzellen (fast) immer den gleichen Ladezustand. Somit ist eine ständige Balancierung zwar nicht zwingend erforderlich, aber auch Starterbatterien danken es einem, wenn die Zellen einmal jährlich mittels eines "Balancer-Ladegerätes" wieder auf den gleichen Stand gebracht werden.

Starterbatterien werden während der Fahrt ausschließlich über die Lichtmaschine geladen. Hierbei ist lediglich zu beachten, dass die Lichtmaschine für einen 12 V Akku nicht mehr als 14,6V liefert.

Bei der Einlagerung einer Starterbatterie (z.B. im Winter) ist keine Erhaltungsladung notwendig. Bei Bedarf kann der Akku vor der Einlagerung einmal voll geladen werden. Die Selbstentladung liegt meist bei lediglich 3% pro Monat.

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