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Grundlagen Lithium Batterie
Entwicklung
Die Entwicklung der Lithium Batterien hat im 2007 einen enormen Auftrieb erhalten durch die grosse Nachfrage nach Elektro- und Hybridantrieben. Im kleinen Kapazitätsbereich mit Energieinhalten von unter 0.1kWh, in Handys, Laptops und Modellflugzeugen, hat die Lithiumtechnologie fast überall die NiMH oder NiCd Batterie abgelöst. Auch Elektrofahrräder (bis 0.5kWh) werden heute weitgehend mit Lithium Akkus gebaut.

Im Traktionsbereich mit Energiemengen von über 1kWh sind aber bisher nur Prototypen eingesetzt worden, da die etablierten die Zellenhersteller diese Anwendungen nicht unterstützten. Die dafür notwendige Kombination aus hoher Energiedichte, langer Lebensdauer, breitem Temperaturbereich, tiefen Kosten und vorallem Sicherheit wagte früher noch kein Hersteller zu versprechen. Die Reaktionsfreudigkeit von Lithium kann dazu führen, dass in gewissen Umständen in der Batterie eine "unkontrollierte Entladung" stattfinden kann, die so viel Hitze erzeugt, dass die Zelle explosionsartig zerstört wird (...das macht übrigens das Benzin auch! Einen Laptop mit einem Benzintank wäre wahrscheinlich strengstens verboten.)

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Lithium Technologien
Auf dem Markt werden heute unterschiedliche Zellenchemien und Verpackungsvarianten angeboten. Je nach Anwendung ist die eine oder andere optimaler.

Chemie
Lithiumbatterien werden oft auch als LiIon (Lithium-Ionen) Batterie bezeichnet. Diese Bezeichnung gilt für alle Chemien, da es immer die Ionen sind, die wandern.

Die verbreiteste Zellenchemie ist die Lithium Cobalt (LiCoO2) Zelle. Sie bietet die höchste Energiedichte von bis zu 200Wh pro kg und wird als Rundzelle in der Bauform 18650 wie auch als flache Plattenausführung als Lithium-Polymer (LiPo) Batterie geliefert. Eine Lebensdauer von 300 - 500 Zyklen, schlechtes Verhalten bei tiefen Temperaturen und Explosionsgefahr machen diese Chemie nur ideal für Kleinanwendungen, wo die Lebensdauer und der Temperaturbereich unkritisch sind. Die Firma Thundersky bietet für Elektrofahrzeuge schon länger relativ kostengünstige Traktionszellen mit grossen Kapazitäten an, jedoch konnten Temperaturverhalten und Lebensdauer nicht überzeugen. Kokam bietet LiPo Zellen, die eine sehr hohe Energiedichte von bis zu 160Wh/kg bringen, allerdings ist die Lebensdauer kritisch und eine umfangreiche Überwachung jeder Zelle ist notwendig. An der Solar Challenge 07 in Autralien sind viele Fahrzeuge mit diesen Zellen gefahren.

Die Lithium Mangan (LiMn2O2) Zelle bietet ein weniger kritisches Sicherheitsverhalten und eine bessere Lebensdauer, allerdings bei nur 100Wh/kg. Dafür ist das Verhalten bei tiefen Temperaturen besser und die Kosten sind tiefer als bei der LiCoO2 Zelle. Die Temperaturbeständigkeit bei hohen Temperaturen und die Lagerfähigkeit ist jedoch nicht optimal. Sie sollte bei 50% Ladung gehalten werden, für eine beste Lebensdauer. Eine Überladung und Tiefentladung führt zwar nicht zur Explosion, aber zu bleibenden Schäden.

Die neuste Technologie ist die Lithium Eisenphosphat (LiFePO4) Batterie. Sie wird seit 2007 von mehreren Herstellern angeboten und verspricht die Kombination der Robustheit und Lebensdauer der NiCd Batterie und der Energiedichte der Lithiumbatterie. Mit 80 - 100 Wh/kg bietet sie mehr als die doppelte Kapazität gegenüber der NiCd Batterie beim gleichen Gewicht, hat einen sehr tiefen Innenwiderstand (6 Min entladen und 30 Min laden möglich), eine Lebensdauer von über 1000 Zyklen und ist vorallem sehr sicher. Die meisten Fahrzeughersteller setzen aus diesen Gründen auf die LiFePO4 Zellen.

Die LiFePO4 Batterie wird unter der Bezeichnung "dreifels Lithium Power" durch dreifels ag fürs TWIKE angeboten. Eine Kapazität von 3.0 kWh oder 6.0 kWh für eine Reichweite von 60 oder 120km wird als Grundversion angeboten. Der Einbau ist in alle TWIKE mit minimalen Modifikationen möglich. Der Einbauaufwand liegt bei 1 - 3 Stunden, je nach dem, wie weit spezielle Zusatzlüfter oder Entladelogiken noch ausgebaut werden müssen.

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Batteriemanagement Das Ladeverhalten der Lithiumzellen ist an sich sehr gutmütig und einfach, wesentlich einfacher als bei der NiCd oder vorallem der NiMH Batterie. Die Ladung erfolgt mit maximalem Strom bis zu einer bestimmten Spannung. Danach wird mit konstanter Spannung weiter geladen, bis der Strom einen Minimalwert erreicht hat.

Bei Einzelzellen ist dies einfach zu realisieren, sobald mehrere Zellen in Serie geschalten werden, besteht die Gefahr, dass die Zellen unterschiedliche Selbstentladung haben und daher eine zu hohe Spannung erhalten. Eine nur 5% zu hohe Spannung führt bei den bisherigen Lithiumzellen zu einer massiven Schädigung der Zelle. LiFePO4-Zellen haben dort ihre Stärke. Daher können sie in bestimmten Fällen auch ohne Einzelzellenüberwachung eingesetzt werden. Bei den anderen Lithium Typen ist es nicht ratsam die Zellen ganz zu entladen oder laden. Dies bedeutet, dass man die nominale Kapazität zugunsten der Lebensdauer nur 50 - 80% nutzen sollte. Mit zunehmendem Zyklenalter wird die Wahrscheinlichkeit grösser, dass einzelne Zellen unterschiedlich geladen sind und damit bei der Entladung tiefentladen oder sogar umgepolt und bei der Ladung mehr als die zulässige Ladespannung erhalten.

Anders als bei den NiCd oder NiMH Batterien lassen sich die Lithiumzellen nicht durch eine kontrollierte Überladung oder Tiefentladung periodisch angleichen. Die Angleichung der Ladung muss daher aktiv mit einer sogenannten "Balancer" Schaltung erfolgen. Der Strom wird dabei während der Ladung mit einem Widerstand "um die Zelle herum" geführt oder einer separaten Ladeschaltung zugeführt, sodass alle Zellen genau die gleiche Spannung haben. Bei einem System mit 100 - 120 Zellen ist dies natürlich sehr aufwendig und teuer. Will man vermeiden, dass der Kunde die Batterie durch die Nutzung beschädigen kann, so ist eine Überwachung der Zellenspannungen jedoch unumgänglich.

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dreifels Batterie Controller Der dreifels Batterie Controller überwacht im Betrieb dauernd die Spannungen und begrenzt sofort die Ladung oder Entladung, wenn die Limiten erreicht werden. Je nach Einsatz verringert sich damit die nutzbare Kapazität mit der Zeit etwas. Periodisch kann dann im Service mit dem Balancer-Modul die Batterie wieder angeglichen und somit auch die nutzbare Kapazität wiederhergestellt werden. Neben vielen anderen Komfortverbesserungen, z.B. durch die integrierte Real Time Clock für zeitgesteuertes Laden und übersichtliche, einfache Anzeige der Kapazität und Effizienz, ist vorallem das Standbymanagement komplett neu gelöst. Auch bei längerem Nichtgebrauch des TWIKE hält der dreifels Controller die Batterien im optimalen Zustand, ohne Gefahr einer Tiefentladung, und mit minimalem Standby-Strom.

Die Controllereinheit ersetzt die bisherigen Batterieüberwachungen und teilweise die Bordnetz-Verteilplatine. Ein moderner Microprozessor überwacht alle Funktionen im Fahrzeug. Der Controller ist kompatibel zu allen bisher gebauten TWIKE und wird die vorhandenen Bedien- und Anzeigeelemente nutzen. Die Umrüstung wird daher einfach und rasch bei den dazu ausgebildeten dreifels Partnern möglich sein.
Neben der Hauptfunktion, dem optimierten und einfachen Batteriemanagement, wird der dreifels Controller eine übersichtliche Anzeige und viele kleine Komfortverbesserungen bieten. Auf einer SD Speicherkarte werden die wichtigsten Vorgänge aufgezeichnet, sodass bei Problemfällen die Ursachen nachträglich ermittelt werden können und ein automatisches Logbuch des Einsatzprofiles erstellt wird.

>>> Produktebeschreibung dreifels Controller

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