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Lade- und Entladetechniken für LiFePO4-Akkumulatoren
Grundsätzliches: Je schonender die Ladung und Entladung erfolgt, desto höher ist die Energieeffizienz und die Haltbarkeit der Akkumulatoren. Die Lebensdauer der Akkumulatoren wird darüber hinaus von der Art der Nutzung bestimmt. Häufige Entladungen bis zur untersten Spannungsgrenze und Ladungen bis zum absoluten Lademaximum reduzieren die Haltbarkeit. Typische Ladung/Entladung einer LiFePO4-Zelle:
Angabe: Nennspannung 3,2V
Bei diesen Angaben wird die höchste Haltbarkeit im Elektroauto dadurch erreicht, dass sie bis max. 3,5V geladen wird und die Ladung bei C/5 bzw. 20A begonnen wird. Die Ladung sollte bei dieser Beispielzelle bei ca. 500mA Ladestrom beendet werden.
Auch wenn die Angaben der Beispielzelle höhere Werte erlauben, sollte immer etwas weniger geladen werden. Bei der Entladung sollte ebenfalls etwas „Luft“ nach Unten gelassen werden. In diesem Fall würde ich bei 2,3V die Grenze ziehen und danach keine Energie mehr entnehmen.
Die Verschaltung der Akkumulatoren:
Der einfachste Weg ist die Parallelschaltung von Einzelzellen zu einer Zelle bis zur gewünschten Kapazität und Reihenschaltung dieser so geschalteten Zellen bis zur gewünschten Endspannung. Um einen so verschalteten Block ohne Überladung der Zellen zu laden, wird über jede Zelle ein Balancer gelegt. Im günstigen Fall wird die Spannung jeder Zelle bei Last überwacht und bei Erreichen der Schlussspannung einer einzigen Zelle gleich der ganze Block abgeschaltet. Die Sparlösung kann darin bestehen, die schwächste Zelle zu nehmen und die Abschaltung dann vorzunehmen, wenn diese Zelle die unterste Spannungsgrenze erreicht hat – in der Hoffnung, das wirklich alle anderen Zellen „fitter“ sind und die Schlussspannung noch nicht erreicht haben.
Bei der Elektrifizierung eines PKWs wird ausschließlich das beschriebene Verfahren angewendet. Der ganze Akkublock hängt an der schwächsten Zelle. Wer etwas Erfahrung auf dem Gebiet der Lithium-Akkumulatoren hat, wird bestätigen, dass selbst aus einer Fertigungsserie Akkumulatoren dabei sein können, die sehr schnell ihren Lebensgeist aushauchen. Insbesondere bei sehr preiswerten LiFePO4-Akkumulatoren muss mit starken Fertigungsschwankungen gerechnet werden. Welche Auswirkung diese Art der Verschaltung auf die Zuverlässigkeit des Akkublocks hat, kann sich jeder leicht vorstellen.
Die intelligentere, allerdings auch teurere Lösung besteht darin, alle Akkumulatoren dynamisch verschaltbar anzuordnen, damit schwache Akkumulatoren gezielt einzeln herausgeschaltet und später getauscht werden können. Ein weiterer nicht unerheblicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass auf die verlustbehaftete und EMV-kritische PWM-Signalgebung für den Motor weitgehend verzichtet werden kann und während der Rekuperation Einzelzellen effektiver geladen werden können (die Motorspannung während der Energierückgewinnung muss nicht höher als die Akkublockspannung sein, um einen Ladevorgang auszulösen). Bei dieser Variante muss allerdings eine Einzelzellenladung erfolgen. Balancer würden die Energieeffizienz im Ladevorgang stark reduzieren, weil das gleichmäßige Entladen aller Zellen nicht sicher gewährleistet ist. Das dynamische verschalten der Zellen stellt eine sehr hohe Herausforderung an die Elektronik dar. Dank der modernen FETs und IGBTs sind aber solche Probleme lösbar.
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