LiFePo Starterbatterie: ein Langzeitversuch

  • Hallo Kasten-Kollegen,



    Im Rahmen meiner Abspecken - leicht gemacht Initiative wurde natürlich auch das Gewicht der Startbatterie, stolze 21,5 kg, kritisch hinterfragt. Ist das wirklich nötig? Kann man da nicht sparen? Was bei der Aufbaubatterie so gut geklappt hat, sollte doch auch bei der Starterbatterie möglich sein, die Umrüstung auf LiFePo.


    Einige Recherche Abende später hat sich rauskristallisiert, dass Selberbauen keine Option für mich ist und ich auf einen kommerziellen Anbieter zurückgreifen wollte. Diese versorgen derzeit vor allem die Gewichtsfetischisten im Rennsport mit solchen Starterbatterien.



    Meine Bedenken bezogen sich dabei vor allem auf die kalte Jahreszeit, also auf den Temperaturbereich von -20 bis + 5 Grad. Bei Elektroautos wird das so gelöst, dass solange die Batterie kalt ist, die Leistung reduziert wird. Aber wie kann das bei der Starterbatterie funktionieren, die ja nur für wenige Sekunden und dann mit voller Leistung benötigt wird?


    Eine Batterieheizung scheidet aus, da ich ja an einem kalten Morgen nicht erst 10 Minuten die Batterie vorglühen will ...



    Ein anderes wichtiges Thema war, dass ich keine großen Umbauten an der Elektrik wollte, insbesondere Lichtmaschine und Laderegler wollte ich nicht anpassen.



    Schließlich nahm ich Kontakt zu einem Anbieter solcher Batterien auf, um meine Fragen zu klären. Das Ergebnis möchte ich grob so zusammenfassen:


    • es gibt Plu&Play "Drop in Replacement" LiFePo Starterbatterien
    • die Batterien haben typisch ein Batterie Management Systeme (BMS) das Entladung und Ladung überwacht
    • das BMS regelt bei geringer Temperatur den Lade- und Entladestrom entsprechend herunter, so dass die Batterie keinen Schaden nimmt (bzw nehmen soll ...)
    • ist es zu kalt, so wird der Starter es Aufgrund der seitens des BMS reduzierten Leistung zunächst nicht schaffen, den Motor durchzudrehen. Jedoch soll sich die Batterie durch die Stromentnahme dabei so rasch genügend erwärmen, dass rasch gefahrlos die notwendige Leistung abgerufen werden kann und der Startermotor dann durchzieht
    • Nach dem Motorstart ist die Batterie immer warm genug, um geladen werden zu können


    Soweit die Theorie aus Sicht der Hersteller.



    Doch wie sieht es in der Praxis aus?



    Die mögliche Gewichtsersparnis von gut 13 kg war verlockend genug, einen Selbstversuch zu starten und die serienmäßige 100 Ah Stunden Blei-Starterbatterie durch eine 60 Ah LiFePo Euro 6 Starter-Batterie zu ersetzen.
    Der Austausch war tatsächlich Plug&Play, d.h. wir mussten keinerlei Modifikationen am Fahrzeug vornehmen.


    Warum Euro 6? Weil ich beim Fahrzeugwechsel in 1-2 Jahren die Batterie in das neue Fahrzeug mit umziehen will ...



    Meine Wahl fiel dabei auf die X-Power 60 Ah Batterie von CS Batteries, die mit 8,3 kg erheblich leichter ist als die Serienbatterie mit 21,3 kg.



    Der Einbau erfolgte im Oktober 2021. Der Darauf folgende 10 tägige Herbsturlaub mit z.T Temperaturen leicht unter dem Gefrierpunkt verlief – bezüglich der Batterie – völlig unspektakulär. Will sagen, der Wagen startete morgens vorzüglich und es wirkte sogar so, als ob der Starter williger durchzog, als mit der Bleibatterie.


    Daher war natürlich die Spannung groß, was im bayerischen Winter passiert. Mein Einsatzprofil im Winter ist 2-3 mal wöchentlich eine Kurzstrecke von 13 km einfach morgens hin und abens zurück.
    Das hat den ganzen Winter anstandslos funktioniert. Auch bei angezeigten -10 Grad drehte der Anlasser den Motor mit großem Schwung an und der Start verlief problemlos.
    Die Batterie scheint auch immer wieder ausreichend geladen worden zu sein.



    Bisher zwar noch keine Langzeitstudio aber bezogen auf den ersten Winter ein geglückter Selbstversuch. Ich werde über die Langzeiterfahrung hier berichten.



    Ciao


    Wolfgang

    Knaus BoxStar Solution 4 five, Maxi, Camperfedern v., 96kW, FASP 650 drehbare Beifahrer-Doppelsitzbank (vorher Schnierle Zusatzsitz), EuroCarry 66401 Radträger, Thule Omnivent Motor, Truma Mono Control CS, Gassteckdose, Flexaport Trenntoiletteneinsatz, SOG, LiFePo Aufbau- und Starterbatterie, 100Wp Solar, Großraum M

    Einmal editiert, zuletzt von bergwolf ()

  • Hallo Wolfgang,


    danke für den informativen Bericht. Ich interessiere mich auch sehr für dieses Thema und insbesondere über Langzeiterfahrungen...


    Grüße Manni


    Bei über 100 Jahren stabiler und günstigen Formationen der Starterlaubnis herkömmlicher Starterbatterien, sind natürlich 13 Kilogramm! eine Hausnummer der Herausforderung zum Tausch genannter Beständigkeiten. :rolleyes:

  • Danke für den Bericht, auch wenn ich nicht alles verstehe :confused::
    Wie regelt das BMS den Entladestrom herunter und warum? Halt ich für 'komisch'. Gerade bei niedrigen Temps ist das Entladen doch NIE ein Problem.


    Und beim Entladen schafft die Batt. für 1 sek. 1200A (Startervorgang) laut Spec.. Dabei soll die Batt. bei z.B. -5 Grad Außentemp. so warm werden, dass sie anschließend über 5 Grad warm ist? Auch komisch.


    Wenn ich mal praxisnah annehme, dass der Anlasser 500A für 1 sek. braucht und dann evtl. noch 3 sek. mit 250A dann sind das 1250As. Wenn man nicht minutenlang orgelt, sondern der Motor schnell anspringt (z.B. wie oben in 3 sek.) dann ist der Kapazitätsverbrauch minimal. Nur die Batt. wird doch NIE dadurch so warm, dass sie über +5 Grad kommt, wenn sie z.B. -5 Grad kalt war.


    Was leider im Dunkeln bleibt ohne Messung ist, wann sie denn nun wirklich nachlädt, bzw. wie hoch der Ladestrom trotzt unter 0 Grad im 'reduzierten' Modus wäre. Das ist vermutlich der 'Krückstock', dass sie trotzt unter Null genügend nachlädt und damit den Startvorgang und Lichtverbrauch etc. ersetzen kann oder es gleich direkt von der LiMa genommen wird. Wenn man also annimmt, dass die Batt sich nicht auf 5 Grad erwärmt, wird also trotzdem soviel nachgeladen, dass der Kapazitäts-Verbrauch ersetzt wird.


    Im übrigen gibt es auch Leute, die eine LiFePO4 in den Eisschrank stellen und anschließend laden und dann sagen: Geht doch.
    Warum auch nicht! Denn es ist ja keine Go/NoGo-Reaktion der Batterie, sondern es passiert ein Lithium-Plating und damit ein schleichender Verlust der Kapazität, dümmstenfalls ein Kurzschluß. Ergo sinkt eigentlich NUR die maximal mögliche Zyklenzahl und evtl. die Kapazität und das merkt man sicher nicht in den ersten Jahren. Wobei es Zellen-Hersteller gibt, die ein Laden unter 0 Grad als absolut nicht zulässig beschreiben.
    Bei Interesse: https://www.microcharge.de/for…_Lithium-Ionen-Zellen.pdf und/oder https://www.microcharge.de/for…-akkus-mit-zu-hohem-lade/


    Also am Besten noch mal in 10 Jahren melden....mit jährlicher Angabe der Zyklen und Kapazität :zungelang:


  • Daher hat man für automotive Anwendungen Ultraphosphate Starterbatterien entwickelt, s. A123:
    Systems - Lithium-ion 12V Starter Battery | A123 Systems

  • Danke für den Bericht, auch wenn ich nicht alles verstehe :confused::
    Wie regelt das BMS den Entladestrom herunter und warum? Halt ich für 'komisch'.


    Vielleicht bin ich bezüglich meines Vertrauens in custom BMS Fähigkeiten zusehr von meinen in den 80erJahren begonnenen Erfahrungen mit leistungsfähigen MOSFETS vorbelastet ...



    Gerade bei niedrigen Temps ist das Entladen doch NIE ein Problem.


    Meine Erfahrungen mit Hochstromentladungen >> 50 C sprechen da eine ganz andere Sprache. Hier werden die entsprechenden Akkus daher extra vor dem Flug vorgeheizt ...



    Eine 8 Jahre alte Masterarbeit als 'Bibel' zur Beurteilung des Verhalten aktuellster Lithium Batterie Chemien zu zitieren halte ich zumindest für gewagt ...
    Zusätzlich hat diese Arbeit das in der Starterbatterieanwendung vorliegende Ultrakurzzeitbelastungsprofil gar nicht untersucht ...



    Natürlich werde ich berichten, wie es auf Dauer läuft. Wer weiß, vielleicht steckt ja auch ne A123 oder ähnlich gelagerte Chemie in der Batterie...


    Danke @adriapilot für den Hinweis

    Knaus BoxStar Solution 4 five, Maxi, Camperfedern v., 96kW, FASP 650 drehbare Beifahrer-Doppelsitzbank (vorher Schnierle Zusatzsitz), EuroCarry 66401 Radträger, Thule Omnivent Motor, Truma Mono Control CS, Gassteckdose, Flexaport Trenntoiletteneinsatz, SOG, LiFePo Aufbau- und Starterbatterie, 100Wp Solar, Großraum M

  • Hab nochmal kurz beim Hersteller nachgeschaut:



    Zitat


    Neueste A123 Lithium-Eisen-Phosphat Zellen-Technology Gen3
    Batterie-Management System (BMS):

    • Überlastschutz
    • ...
    • Temperaturschutz der Zellen
    • Temperaturschutz des BMS


    Zitat

    Zellen-Technologie: Lithium-Eisen-Nanophosphat LiFePO4
    Zellentyp: A123 Systems
    ...
    Temperaturbereich (Entladung): -20°C bis +65°C
    Temperaturbereich (Ladung): 0°C bis +50°C (unter 0°, automatisch verringerte Ladeleistung)


    Das BMS wird zwar dort nicht genauer spezifiziert, jedoch werden an anderer Stelle beim gleichen Anbieter (Aufbaubatterien) hochleistungs BMS mit 200 A Dauer und 400 A Kurzzeitbelastbarkeit vorgestellt.
    In jedem Falle sind immer die MOSFETs (Feldeffekttransistoren) für das Durchleiten des Stromes zuständig. Diese können selbstverständlich auch gepulst werden, um den effektiven Strom zu reduzieren.
    Das kennt man auch zu Hause vom Induktionskochfeld, wo dieses pulsen sehr niederfrequent (wenige Hz) stattfindet, während die Frequenz mit der Elektromotoren per Feldeffekttransistor angesteuert werden heutzutage typischerweise im Bereich mehrerer kHz liegt. Das kann man auch gut in dem einen oder anderen Elektrofahrzeug hören (straße und Schiene) ...

    Knaus BoxStar Solution 4 five, Maxi, Camperfedern v., 96kW, FASP 650 drehbare Beifahrer-Doppelsitzbank (vorher Schnierle Zusatzsitz), EuroCarry 66401 Radträger, Thule Omnivent Motor, Truma Mono Control CS, Gassteckdose, Flexaport Trenntoiletteneinsatz, SOG, LiFePo Aufbau- und Starterbatterie, 100Wp Solar, Großraum M

  • Danke für den Bericht, auch wenn ich nicht alles verstehe :confused::
    Wenn ich mal praxisnah annehme, dass der Anlasser 500A für 1 sek. braucht und dann evtl. noch 3 sek. mit 250A dann sind das 1250As. Wenn man nicht minutenlang orgelt, sondern der Motor schnell anspringt (z.B. wie oben in 3 sek.) dann ist der Kapazitätsverbrauch minimal. Nur die Batt. wird doch NIE dadurch so warm, dass sie über +5 Grad kommt, wenn sie z.B. -5 Grad kalt war.



    Das mit dem "Nach dem Start ist die Batterie warm" hat mich nicht kalt gelassen.


    Hab daher nochmal etwas die Physik bemüht:


    Eingansdaten:

    • Spezifische Wäremakapazität einer LiFePo Batterie ~ 0,2 Wh / (kg x K) bzw. ~ 720 J / (kg x K), d.h. um ein Kilogramm Batterie um ein Kelvin zu erwärmen braucht man 720 J = 720 Ws (Watt-Sekunden) Energie
    • Innenwiderstand (R): ~ 1 mOhm
    • Masse Batteriezellen: ~ 6 kg


    Formeln:

    • Spannung (U) = Widerstand (R) * Strom (I) (Spannungsabfall in der Batterie durch den Stromfluss)
    • Leistung (P) = Strom (I) * Spannung (U)
    • Energie = Leistung (P) * Zeit (Einheit Joule = Watt-Sekunde = Ws)


    typisches Startszenario im Winter:

    • 10 s Vorglühen mit 120 A -> Spannungsabfall 0,1 V -> 100 Ws
    • 2 s Startermotor mit 500 A -> Spannungsabfall 0,5 V -> 500 Ws


    Das heißt, wenn mich Physik und Mathematik nicht täuschen, bringt ein Startvorgang 600 Ws an Wärmeleistung (plus etwas Verlustenergie im BMS, die auch in Wärme umgewandelt wird),
    was die Batterie nur sehr leicht, nämlich um ~ 0,14 K (oder Grad Clesius) erwärmen würde.


    D.h.: Die Herstelleraussage, dass nach dem Startvorgang die Batterie "warm ist" ist physikalisch nicht nachvollziehbar (oder auch Quatsch). Scheint aber bei dieser Zelltechnologie nicht soo schlimm zu sein.


    Vor allem heißt es, dass @Guenter52 diesbezüglich recht hat :)

    Knaus BoxStar Solution 4 five, Maxi, Camperfedern v., 96kW, FASP 650 drehbare Beifahrer-Doppelsitzbank (vorher Schnierle Zusatzsitz), EuroCarry 66401 Radträger, Thule Omnivent Motor, Truma Mono Control CS, Gassteckdose, Flexaport Trenntoiletteneinsatz, SOG, LiFePo Aufbau- und Starterbatterie, 100Wp Solar, Großraum M

  • Hallo Wolfgang,


    vielen Dank für deinen Bericht. Bitte halte uns auf dem Laufenden. Ich hatte mir auch diese Batterie angesehen, war aber wegen spärlicher technischer Details auf der Website des Anbieters davon abgekommen. Habe jetzt seit einem Jahr einen Winston 12V-Block mit 60Ah (WB-LP12V60AH) ohne BMS als Starterbatterie verbaut. Mit etwas Bastelei und gutem Zureden geht auch das ohne Eingriff in die vorhandene Verkabelung.


    VG Stefan

    Westfalia Columbus 600D 109kW BJ2013, 100Ah LFP, 200Wp Solar, VBCS, Lesjöfors *198, 8' ZLF von Caravantechik, Grabber 235/75 R15.

  • Hallo Stefan,


    genau Deine LiFeYPo war bei mir auch in der engeren Wahl. Letztlich habe ich mich dann wegen des dort vorhandenen BMS (vor allem Ballancer) und des gegenüber deiner gewählten Variante doch deutlich geringeren Gewichts (8,3 kg vs 13 kg) für die X-Power entschieden. Es half auch, dass der Hersteller/Vertrieb nur ne gute halbe Stunde entfernt von mir ist, so dass ich ihm im Falle eines Falles die Batterie wieder persönlich auf den Hof stellen könnte ....
    Ich bin gespannt auf Deine Langzeiterfahrungen. Wie war bei Dir der Winterbetrieb?


    Ciao
    Wolfgang

    Knaus BoxStar Solution 4 five, Maxi, Camperfedern v., 96kW, FASP 650 drehbare Beifahrer-Doppelsitzbank (vorher Schnierle Zusatzsitz), EuroCarry 66401 Radträger, Thule Omnivent Motor, Truma Mono Control CS, Gassteckdose, Flexaport Trenntoiletteneinsatz, SOG, LiFePo Aufbau- und Starterbatterie, 100Wp Solar, Großraum M

  • Es half auch, dass der Hersteller/Vertrieb nur ne gute halbe Stunde entfernt von mir ist,


    von mir auch, habe von dort schon die Aufbaubatterie. Ich wollte aber nicht noch eine Black Box vom gleichen Anbieter, Risikoverteilung ;) .
    Zum echten Winterbetrieb kann ich noch wenig sagen. Zu selten genutzt und zu selten wirklich kalt gewesen vergangenen Winter.
    VG Stefan

    Westfalia Columbus 600D 109kW BJ2013, 100Ah LFP, 200Wp Solar, VBCS, Lesjöfors *198, 8' ZLF von Caravantechik, Grabber 235/75 R15.

  • Ergo sinkt eigentlich NUR die maximal mögliche Zyklenzahl und evtl. die Kapazität und das merkt man sicher nicht in den ersten Jahren. Wobei es Zellen-Hersteller gibt, die ein Laden unter 0 Grad als absolut nicht zulässig beschreiben.


    Von Winston gibt es die mit dem Y also LiFeYPo4
    Diese soll man auch bei -20°C noch laden können. Aber mal ehrlich der Aufwand wegen 13kg. Bei einem Auto welches 3,5t wiegt? Selbst die meisten Elektro Autos haben für das 12V Bordnetz noch einen Blei Akku:D

  • Aber mal ehrlich der Aufwand wegen 13kg. Bei einem Auto welches 3,5t wiegt?


    Meine 13 Kilo bei der Starterbatterie und ein paar andere Kilos hier und da haben zusammen 65 kg ergeben. Siehe auch mein Abspecken - leicht gemacht Thread)
    Und das ist dann der Unterschied, ob ich alle Kinder mit in den Urlaub nehmen kann, oder nicht...
    Also ganz ehrlich: ja es lohnt sich ... zumindest wenn man, wie ich, den Urlaub mit seinen Kinder verbringen will.

    Knaus BoxStar Solution 4 five, Maxi, Camperfedern v., 96kW, FASP 650 drehbare Beifahrer-Doppelsitzbank (vorher Schnierle Zusatzsitz), EuroCarry 66401 Radträger, Thule Omnivent Motor, Truma Mono Control CS, Gassteckdose, Flexaport Trenntoiletteneinsatz, SOG, LiFePo Aufbau- und Starterbatterie, 100Wp Solar, Großraum M

  • Also ganz ehrlich: ja es lohnt sich ... zumindest wenn man, wie ich, den Urlaub mit seinen Kinder verbringen will.


    Also ganz ehrlich....
    Dann stimmt wohl eher die Konzeption Kasten nicht als Freizeitfahrzeug, wenn ein Akku dafür in den Vergleich gebracht werden muss, damit alle Kinder letzten Endes passen. :confused:

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