Wie verläuft das Laden und Balancen

[Bastel Jan]

Hallo,

ich habe gerade nochmal über das Laden von den LiFePo4 Zellen nachgedacht und mir sind dabei Fragen aufgekommen, die vielleicht hier jemand beantworten kann. Ich habe einen Akku Pack mit 12 Zellen a 100AH. Geladen wird bekannt mit CC/CV (Konstant Strom / Konstant Spannung). Wenn jetzt alle Zellen im Idealfall gleichzeitig ihre Ladeschlussspannung erreichen wechselt das Ladegerät auf Konstant Spannung und alle Akkus werden noch so lange weiter geladen, bis der Ladestrom nur noch sehr gering ist. Dann schaltet das Ladegerät ab. Wenn die Zellen jetzt aber nicht gleichzeitig ihre Ladeschlussspannung erreichen, das Ladegerät aber doch schon auf CV umschaltet, dann dürften die Zellen, die zuerst auf Ladeschlussspannung waren als erstes so voll sein, dass der Ladestrom einbricht. Die Anderen Zellen hätte vielleicht noch etwas vertragen können. Ist das so oder können die Zellen wenn sie voll sind noch den Ladestrom Leiten so das nur die leeren Laden? Macht für mich keinen Sinn. Was würde dann mit der Energie passieren?

Mein Ladegerät könnte z.B. auf CV umschalten, obwohl nicht alle Zellen am Ladeschluss sind, weil das Ladegerät bei 12x3,65V auf CV umschaltet und der Balancer erst bei 3,8V das Laden unterbricht.

Wenn ich den Akku Pack auf 12x3,65V gebalanced und aufgeladen habe und das Ladegerät von selbst abschaltet, weil der Ladestrom sehr gering ist, dann schaltet das Ladegerät ab. Dann fällt die Spannung relativ rasch wieder auf 3,45V ca. Wenn ich nun das Ladegerät wieder anstecke, dann läd es eine ganze Weile mit 15A bevor die Akkus wieder 3,65V haben und das Ladegerät in CV wechselt. Da die Akkus aber doch eigentlich schon voll waren, wo ist die Energie hin?

 

[Bernd Schlueter]

Ein voller Lithium-Akku ist ein voller Lithiumakku. Da muss also jemand entladen haben. Ich tippe auf das Ladegerät.
Wenn die Spannung der Batterien maximal ist, ist das ein ungesunder Zustand, in dem die Dendriten wachsen. Also ist das Ladegerät so klug und entlädt, bisher von Dir unbemerkt, alle Akkus ein wenig. Gut beobachtet.
Ich soll mit meiner Zitrone auch nach dem Laden 10 Meter fahren, damit die Spannung ein wenig gesenkt wird. Dass da ein Entladungsstrom fließ,t solltest Du mit einem Strommessgerät feststellen können. Das können gut die Balancer sein, die das tun. Du solltest nicht mit ihnen schimpfen. Sie haben sich etwas dabei etwas gedacht. Aber sie hätten aus ihren Herzen auch keine Mördergrube machen müssen und Dir wenigstens einen Piep sagen können.

 

[hallootto]

Nein das Kernproblem sind die Balancer, diese sind nicht auf die korrekte Ladeschlussspannung eingestellt. Im Idealfall steuern alle Balancer durch, wenn das Ladegerät die Ladeschlussspannung 12 x 3,65V erreicht hat.
Beispiel:
6 Zellen haben bereits 3,8V und balancieren, dann bleibt für die anderen Zellen noch 6 x 3,5V übrig. Ich will nicht sagen dass die Zellen nicht voll sind, aber es könnte mit der Zeit dazu führen, dass diese dann immer weniger abbekommen und nie ganz voll werden. Im Extremfall sind es dann ggf. 11 x 3,8V und die letzte Zelle erhält dann nur noch 2V. Zwar unwahrscheinlich, aber rechnerisch möglich.
Also es gibt eigentlich nur zwei Möglichkeiten:
1) Die Balancer müssen bei 3,65V ansprechen,
2) oder das Ladegerät macht erst bei 3,8V Schluss. (Ist aber nicht gesund)
Man könnte auch ein zusätzliches Ladegerät Parallel anschließen, welches bis 12 x 3,8V lädt, dann aber mit Zeitrelais. So mache ich das bereits seit über 70.000km. Der Ladestrom dieses zusätzlichen Ladegeräts ist bei mir auf 80% des Balancerstroms eingestellt (1,5A), fällt dann aber zum Ende hin auch deutlich ab und wird z.Zt. nach 30Min vom Zeitrelais ausgeschaltet. Mein Hauptlader wird vom BMS abgeschaltet, wenn die erste Zelle eine Spannung von 3,6V erreicht. Dieser Impuls gibt den Startbefehl für das Zeitrelais, ich glaube ausschaltwischen, und wenn die eingestellte Zeit abgelaufen ist, wird wie gesagt abgeschaltet.

Werden deine Zellspannungen überwacht?
Wie stark ist der Ladestrom noch, wenn die erste Zelle in den Balancer läuft (3,8V).

elektrische Grüße
Peter

 

[el El]

Ich balanciere mit min. erhöhter Ladeendspannung, aber auch kleinerem Strom als Balancermaximalstrom. So kommen die Balancer nicht in Stress und es bleibt genug Spannung für alle Zellen "übrig" um die 3,65 zu erreichen.

 

[Bastel Jan]

Danke für die Antworten. Das das Ladegerät nach dem Laden die Akkus etwas entläd, damit sie nicht so lange an der Ladeschlussspannung liegen macht Sinn. Ich habe aber etwas anderes beobachtet. Das BMS was ich einsetzte ich selbstgebaut. Ich könnte das BMS auf 3,65V einstellen. Das ist aber eigentlich egal, auf was die eingestellt sind, weil die Balancer die Spannungsdrift ausgleichten und damit schon bei 3,4V anfagen alles auf das niedrigste niveau zu regeln. Die 2A Balancer haben aber gegen das 15A Ladegerät kaum eine Chance. Solange die Ladeschlussspannung nicht erreicht ist, weil nicht alle Zellen bei ca . 3,65V liegen fließen auch noch die 15A Ladestrom. Damit die Akkus keinen Schaden nehmen schalte ich das Ladegerät mit einem Relais ab, wenn ein Akku die 3,8V erreicht. Der niedrigste Akku dann in diesem Moment z.B. 3,5V. Die Banlancer arbeiten weiter und entladen alle Zellen die über 3,5V liegen. Auch die Zelle, die nicht vom Balancer entladen wird, hat nach einer gewissen weile (15 min oder so) auch keine 3,5V mehr. Das Ladegerät kann es also nicht entladen haben. Bleibt nur der Ruhestrom vom EL und die Versorgung vom BMS uC. Die Ströme sind aber so gering, dass sie diesen Effekt nicht ausmachen dürften. Wenn keine Zelle mehr > 3,65V hat, wird das Ladegerät wieder eingeschaltet. Irgendwann sind alle Zellen bei ca. 3,65V und das Ladegerät wechselst in den CV Betrieb und schaltet sich dann irgendwann von selbst ab.

Bei einem anderen EL habe ich das BMS noch nicht fertig. Diesen lade ich einfach so und überwache die Spannungen mit einem Messgerät. Hier ziehe ich den Stecker vom Ladegerät (Steckdose) raus, sobald ein Akku 3,7V erreicht. Damit komme ich schon eine Weile gut zurecht weil ich nicht so weit fahre brauche ich kein 100% geladenes Pack und ich Entlade auch nur für 16km. Eine halbe Stunde nach dem Laden haben aber trotzdem alle Akkus wieder ca. 3,38V. Auch die, die beim Laden besonders viel höher waren als die Anderen. Wenn der erste 3,7 hat, hat der schwächste ca. 3,56V. Das Ladegerät ist aus. Sollte es dennoch die Spannung des Packs auf 12x3,38V entladen?

 

[Emil]

Wenn ich hier lese dass ihr alle die Zellen bis 3,65V ladet, und dann wahrscheinlich bei jedem Ladevorgang auch noch lange Zeit dort das passive Balancing durchführt, frage ich mich ob ihr euch bewusst seit dass das sehr schädlich für die Zellen ist.

Ok, die Zellen erreichen auch so einen Gesamtenergiedurchsatz der 1000-2000 Vollzyklen entspricht, aber wenn statt bis 100 % SOC nur bis 90 % SOC laden würde dann wäre der Gesamtdurchsatz ein Vielfaches. Auch die kalendarische Lebensdauer wird durch einen ständig hohen SOC deutlich reduziert.

Warum müsst ihr unbedingt bis 3,65 V laden, wenn 3,5 V auch schon reichen würden, da dazwischen nur noch eine geringe Energiemenge in die Zellen geladen wird. Es macht bei passiven Balancern die sich bei 3,5 V schon einschalten keinen großen Sinn bis 3,65 V zu laden. LiFePO4-Zellen werden auch bei niedriger Spannung voll, wenn man sich Zeit lässt.

Das passive Balancing ist am effektivsten und am schonenesten für die Akkus wenn man nur so lange lädt bis sich der erste Balancer aktiviert. Dann muss entweder das Laden wieder abgeschaltet, oder der Strom unter den maximalen Balancerstrom reduziert werden. Die Gesamtspannung sollte nur minimal über der Summe der Balancereinschaltspannungen liegen, so dass am Schluss alle Balancer gerade aktiv sind. Aber wie schon geschrieben, ist das passive Balancing insgesamt wegen der ständigen Vollladungen schädlich für die Zellen. Gute Zellen haben keinen so hohen Drift dass bei jeder Ladung ein schädliches passives Balancing an der 100 % SOC Grenze nötig ist.

Habt ihr schon mal über aktives Balancing nachgedacht?

Ich verwende jedenfalls nur noch ständiges aktives Balancing und lade meine Winstons mittelerweile jeden Tag nur noch mit 3,4 V, was bei dem geringen Ladestrom von PV (< C20) etwa 90 % SOC entspricht. Die Spannungen der Zellen liegen damit im gesamten Nutzbereich von 20-90 % SOC nur etwa 10 mV. auseinander.

 

[Emil]

Zyklischen Lebensdauer von Lithiumakkus in Abhängigkeit des genutzten SOC-Fensters:
[attachment 2410 Li-Aging-SOC-Window.PNG]

Kalendarische Lebensdauer in Abhängigkeit vom SOC:
[attachment 2411 LiFePO4_Alterung.jpg]

 

[hallootto]

Hallo Emil,

das mit der SOC-Bandbreite habe ich nun schon häufiger gelesen, verstehe es aber nicht.
Wenn ich meine Zellen nur bis 3,5V laden würde, dann habe ich bereits 99% SOC erreicht. Die letzten 0,15V sind also nur noch 1% der Kapazität, und diesen Bereich nutze ich zum balancieren, da ich festgestellt habe, dass man unter 3,6V viel länger balancieren muss, bzw. es gar nicht hin bekommt. Gut, bei mir sind nicht alle Zellen gleich. Ich habe in meinem Akku-Pack 16 X LFYP aus gleicher Charge aus dem ersten KEWET, 4 x LFP nachgekauft, gebraucht, und schon etwas "weich", und 16 x LFP 40Ah zu 4s4p verschaltet, auch gebraucht und schon "weich". Aber alles funktioniert, auch über 80Km weit.
Bei deiner zweiten Grafik sehe ich keinen Zusammenhang zur Diskussion. Dort kann man lediglich ablesen, dass eine höhere Temperatur zu weniger Lebensdauer führt, aber bei 25°C sind das auch nur 0,05%, erst höhere Temperaturen reduzieren die Lebenserwartung stärker.
Die Kernfrage ist ja auch die Definition des SOC. Ist 100% SOC 2,5V bis 4,0V, da ja die Initialspannung 4,0V ist (bei "unseren" LFP-Zellen). Und wo ist die untere Grenze, und wird diese unter Last, oder an der ausgeruhten Zelle gemessen.
Es ist eben eine kleine Wissenschaft, und jeder muss für sich die beste Lösung finden. Wenn Du die Zeit und Möglichkeit hast, deine Solaranlage zu nutzen, dann ist das gut. Ich komme in der Regel zwischen 18:00 und 19:00 Uhr nach hause, da ist nicht mehr viel mit Solar. Und wenn ich bei meiner Methode mit anfänglich 1,5Ah abfallend, und im Mittel mit 1Ah für 30Min balanciere, dann sind das rechnerisch 0,3% der Kapazität. Also auch in dieser Rechnung reden wir nur über Peanuts. Ich habe aber festgestellt, dass diese scheinbar geringe Menge in der Addition dazu führt, dass die schwächeren Zellen ins Hintertreffen geraten, wenn ich nicht lange genug oder gar nicht balanciere. Da ich täglich fahre und lade, wäre die Differenz in einem Monat bereits 9%. Das hatte ich schon mal, und ist sehr aufwändig wieder auszugleichen.
Im Übrigen fahre ich mit meinen täglichen ca. 50Km auch nur 50% SOC aus meinen Akkus, und das seit 6 Jahren und über 70.000km. So falsch kann das also nicht sein.
Das soll nicht bedeuten, dass dein Ansatz falsch ist, es ist lediglich eine etwas andere Interpretation, und andere "Experimente" und Erkenntnisse macht die Sache interessant. Sind unsere Akkus doch die wichtigste und größte Investition bei dem Experiment ELEKTROMOBILITÄT.

elektrische Grüße
Peter

 

[Emil]

das mit der SOC-Bandbreite habe ich nun schon häufiger gelesen, verstehe es aber nicht.
Wenn ich meine Zellen nur bis 3,5V laden würde, dann habe ich bereits 99% SOC erreicht.

Wie voll Deine Zellen bei 3,5 V sind hängt vom Ladestrom ab. Wenn er gering ist dann sind die Zellen unter Umständen schon bei einer geringeren Spannung voll. Bei hohem Ladestrom dagegen dauert es dann bei 3,5 V länger, oder sie sind dann erst bei 3,6 V mit vollem Strom voll.

Tatsächlich ist es so dass die Spannung alleine nicht reicht um zu beurteilen ob Zellen wirklich voll sind. Wenn man mit noch mehr Spannung und länger lädt bekommt man noch ein paar % mehr in die Zellen.

Dass unterschiedliche Zellen mit passiven Balancing nur über eine hohe Spannung auszugleichen sind ist eine Folge des unterschiedlichen Innenwiderstands. Ein Ausgleich erfolgt dann letztlich erst wenn man nur noch mit sehr geringem Strom lädt.

Aber alles funktioniert, auch über 80Km weit.

Das "weich" ist halt schon ein Anzeichen für die Alterung, die sich aber durch die das lange Laden bei hoher Spannung noch beschleunigen wird. Und es ist zu erwarten dass auch die heute "guten" Zellen irgendwann dadurch weich werden. So viele Zyklen hast Du ja auch noch nicht drauf.

Bei deiner zweiten Grafik sehe ich keinen Zusammenhang zur Diskussion. Dort kann man lediglich ablesen, dass eine höhere Temperatur zu weniger Lebensdauer führt, aber bei 25°C sind das auch nur 0,05%, erst höhere Temperaturen reduzieren die Lebenserwartung stärker.

Man kann darin auch ablesen dass hohe Ladezustände unabhängig von der Temperatur zu einer Reduktion der Kapazität führen. Wenn man z.B. sein Fahrzeug am Abend gleich lädt und dann das Fahrzeug dann 8 h bis zum Morgen bei 100 % Ladezustand stehen lässt, dann entspricht dieser Teil alleine einem Kapazitätsverlust von 5 % in 27 Monaten. Da kommt dann noch die Degradation in den anderen 16 h des Tages hinzu. Bei den Winstons merkt man die Degradation nicht so schnell, weil sie von Hause aus mit 10-20 % mehr Kapazität ausgeliefert werden als drauf steht. Aber irgendwann wir der Kapazitätsverlust auch dort sichtbar.

Die Kernfrage ist ja auch die Definition des SOC. Ist 100% SOC 2,5V bis 4,0V, da ja die Initialspannung 4,0V ist (bei "unseren" LFP-Zellen). Und wo ist die untere Grenze, und wird diese unter Last, oder an der ausgeruhten Zelle gemessen.

Wenn man das Datenblatt von Winsten LFP Zellen ansieht dann steht dort eine Ladung mit 0,5C bis 4.0V. Damit erreichen die Zellen Nennkapazität und sind damit 100 % voll. Wenn Du jetzt mit viel geringerem Strom lädst dann sind die Zellen schon bei niedriger Spannung voll.

Im Übrigen fahre ich mit meinen täglichen ca. 50Km auch nur 50% SOC aus meinen Akkus, und das seit 6 Jahren und über 70.000km. So falsch kann das also nicht sein.

Bisher waren da ja nur 1400 Zyklen. Die Frage ist wie viel Kapazität verloren ging und welche Verschlechterung des Innenwiderstandes eingetreten ist, und wie schnell die Degradation fortschreiten wird.

Wenn Du nur 50 % der Kapazität nutzt würde nichts dagegen sprechen normal nur bis 90 % Kapazität und nur alle paar Tage den Ausgleich zu machen.

Sind unsere Akkus doch die wichtigste und größte Investition bei dem Experiment ELEKTROMOBILITÄT.

Eben deswegen mahne ich zur Vorsicht, denn die Auswirkung falscher Nutzung stellt sich erst nach vielen Jahren heraus. Und mein Ziel bei der Lebensdauer meines Speichers beträgt eher 20+ Jahre statt nur 10 Jahre für typische Elektrofahrzeuge.

 

[wolfgang dwuzet]

noch ein paar % mehr in die Zellen.




Man kann darin auch ablesen dass hohe Ladezustände unabhängig von der Temperatur zu einer Reduktion der Kapazität führen. Wenn man z.B. sein Fahrzeug am Abend gleich lädt und dann das Fahrzeug dann 8 h bis zum Morgen bei 100 % Ladezustand stehen lässt, dann entspricht dieser Teil alleine einem Kapazitätsverlust von 5 % in 27 Monaten. Da kommt dann noch die Degradation in den anderen 16 h des Tages hinzu. Bei den Winstons merkt man die Degradation nicht so schnell, weil sie von Hause aus mit 10-20 % mehr Kapazität ausgeliefert werden als drauf steht. Aber irgendwann wir der Kapazitätsverlust auch dort sichtbar.
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hallo,
der oben rot markierten aussage kann ich leider nicht zustimmen,
denn ich lade meine lithiumeisenphophatzellen seit ich sie habe (7jahre) IMMER nach dem heimkommen, und sie bleiben dann voll bis zum nächsten morgen stehen, (die ersten 5 jahre im winter täglich im sommer jeden 2,tag) die letzten beiden jahre nur noch zweimal die woche (rente)
allerdings lade ich von anfang an nur bis 3,55volt, und es ist noch immer keinerlei reichweitenverlußt festzustellen, ich konnte kürzlich bei der tour nach sinsheim sogar einen ZUGEWINN an reichweite feststellen (die letzten waldmühlenfahrten endeten nach jeweils knappen 120km auf der rückfahrt von sinsheim mußte ich wegen umleitung 134km zurücklegen, und stellte zuhause fest, das das ende der fahnenstange noch immer NICHT erreicht war....
bye wolle
PS: sinsheim dieses jahr bei ca 16-20 grad, waldmühle 2016 bei etwa 25 grad

 

[el El]

Warum müsst ihr unbedingt bis 3,65 V laden, wenn 3,5 V auch schon reichen würden, .... wenn man sich Zeit lässt.

Also für mich gesprochen gibst du Dir die Antwort schon selber: Keine Zeit. Ich lade standardmäßig mit 0,5C und auf länderen Strecken meist mit 1,5C. In diesem Fall ist die Zeit über 3,5V sehr sehr kurz. Balanciert wird meist nur jede oder jede zweite Woche, warum auch öfter? Die Zellen driften kaum auseinander, ich bemerke es nur wenn ich die letzten wenigen paar Prozent Ladung ausnutze - und darauf versuche ich prinzipiell nicht angewiesen zu sein.

 

[Bastel Jan]

Ich habe ja von Litrade ein Ladegerät zu den Winston dazu gekauft. Das ist so eingestellt, dass es bis 12x3,65V läd. Ich denke mal, die wissen was sie da tuen. Die Winston haben auch eigentlich eine Ladeschlussspannung von 3,8V und Initial bei 4.0V. Was ist jetzt mit aktiven und passiven balancern gemeint? Also ich schalte meine balancer schon bewusst mit einem Transistor ein, wenn die Zellen drift zu den anderen Zellen zu hoch ist. Was anderes kann ich damit eh nicht machen. Es gibt noch balancer, die die Energie in andere Zellen verschieben können anstatt diese zu verbraten aber das sollte dem Akku erstmal egal sein was mit der Energie passiert bzw. wo sie her kommt. Das Doofe ist eben das ich nur mit 2A Balance und das Ladegerät so lange 15A nachschiebt, bis 12X3,65V erreicht sind. Erst dann geht es ja in die Strombegrenzung. Ich weiß ja nicht was ihr für tolle Ladegeräte habt, dass ihr den Strom definiert eindrosseln könnt um den Balancern Zeit zu geben. Ich entlade die Akkus meistens nur zu 20%. Es sind also bei weitem keine Vollzyklen auch wenn die Akkus recht weit aufgeladen werden ist es nicht so schädlich als wenn ich sie immer ganz leer fahre. 15A sind ja auch gerade mal 0,15C.

Natürlich könnte ich das BMS zu umprogrammieren, dass es das Ladegerät abschaltet, wenn eine Zelle bei 3,65V an statt wie bis her bei 3,8V. Wenn es Sinnvoll ist dann ist das ja schnell gemacht.

Ich habe also 12 Balancer, die ich wie ich will zu und abschalten kann und die entladen mit 2A. Zusätzlich habe ich ein CC/CV Ladegerät das 15A und 12x3,65V liefert. Das BMS kann ich frei programmieren, wie sollte ich das also eurer Meinung nach am besten machen? Vielleicht die Balancer bei > 3,5V grundsätzlich einschalten?

 

[Sven Salbach]

" BMS zu umprogrammieren, dass es das Ladegerät abschaltet, wenn eine Zelle bei 3,65V an statt wie bis her bei 3,8V. "
bitte nicht..
Das Balancing geht überhaupt erst vernünftig ab ca 3,4V
Wenn nun Zelldrift vorhanden ist, ist die Spanne bis 3,65V viel zu klein.
In diesem Fall muss etwas Luft nach oben sein.
Ansonsten klappt nichts beim Balancen und die Zellen driften früher doer später immer mehr auseinander.
Die 3,8V sind deshalb doppelt unproblematisch, da ja nur bei starken Zelldrift, überhaupt diese Schwelle erreicht wird, auch 4V wären dafür ok
Diese Schwelle nach oben zu schieben macht aber nur Sinn wenn man mit 3C lädt, damit man überhaupt mal was angleichen kann, wärend der Schnelladung.
Auf dauer Schnelladen würde sowieso nicht gutgehen, da im Verhältnis zu wenig Balanciert werden könnte