Man sieht an den Kurven, dass die Spannungen beim Laden und besonders beim Entladen in sehr kleinen Grenzen bleiben. Gerade beim Entladen ist die Spannung lange Zeit fast konstant. Für die Entladekurve entnehme ich bei 0,5 C ca. 3 V und für die Ladekurve bei 0,5 C maximal 3,5 V. Das Datenblatt gibt zwar als absolute minimale Spannung 2,5 V an und als maximale Spannung 4 V. Aber das sind Werte ab denen die Batterie zerstört wird. Man sollte sich unbedingt aus den stark gekrümmten Kurven an den Enden heraushalten. In der Literatur werden für die Anwendungen auf Yachten und ähnlichem als optimale Werte für die minimalen/maximalen Spannungen 2,9 V und 3,55 V pro Zelle angegeben, was einem Spannungsbereich für den Batteriesatz von 11,6 bis 14,2 V ergibt. Um die Lebensdauer noch zu erhöhen habe ich einen etwas konservativeren Wert der maximalen Ladespannung festgelegt, nämlich 3,45 V pro Zelle = 13,8 V maximale Ladespannung. Das BMS Gerät misst immer die Zellenspannung um Schaltpunkte zu aktivieren, da die Zellenspannungen voneinander abweichen können.

Da mein BMS vier frei programmierbare Schaltpunkte hat, habe ich den untersten Schaltpunkt für die Abschaltung des Entladebusses auf 2,9 V Zellenspannung (11,6 V-Batteriesatzspannung) festgelegt und bei 3V Zellenspannung (12 V-Batteriesatzspannung) wird ein Batteriealarm ausgelöst. Bei 3,45 V Zellenspannung (13,8 V-Batteriepackspannung) werden sämtliche Ladesysteme abgeschaltet und bei 3,55 V Zellenspannung (14,2 V-Batteriesatzspannung) wird der Ladebuss von dem Pluspol des Batteriesatzes getrennt.

Für die Abschaltungen des Entlade- und Ladebusses werden Hochstromrelais verwendet, die über das BMS von einem Steuergerät ein und ausgeschaltet werden.

Somit liegt der Spannungsbereich meiner Batterieanlage zwischen 12 V und 13,8 V, wobei der größte Teil des Betriebes bei einer Spannung zwischen 13 V und 13,3 V stattfindet, also etwas höher als bei einer Blei-Batterie Anlage, was die Verbraucher danken.

Neben der Einhaltung der Betriebsparameter bietet das BMS auch die Möglichkeit eines automatischen „Balancing“, was aber in meinem Fall nicht benötigt wird, da erstens ein gutes „Top Balancing“ durchgeführt worden war und zweitens die Betriebsparameter recht konservativ außerhalb der Knickpunkte am Beginn und Ende der Entlade- und Ladekurve liegen. Daher habe ich das automatische „Balancing“ ausgeschaltet und damit gute Erfahrungen gemacht, denn nun auch nach knapp zwei Jahren liegen die einzelnen Zellenspannungen innerhalb von wenigen Millivolt. Zur Überwachung hat mein BMS auch noch die Möglichkeit die Daten auf einen Bord PC zu übertragen.

Gesamtbild des BMS Control

Mit Anzeige der einzelnen Zellspannungen, sowie den Innenwiderständen, Minimum und Maximum der Zellenspannungen, Batteriesatzspannung, Entlade- und Ladestrom, SOC (State of Charge, SOH (State of Health) und der Batterietemperatur. Mit diesem Programm kann man auch die Schaltpunkte programmieren, die Hysterese zum Wiedereinschalten der Hochstromrelais bestimmen und ein Balancing festlegen. Wie man sieht liegt der Spannungsunterschied der einzelnen Zellen bei maximal 3 bzw. 7 Millivolt! Dies wird nur durch ein gutes balancieren vor dem Einbau erreicht und soll jahrelang halten.

Layout

Bezeichnung der wichtigsten Bauelemente.

Das BMS befindet sich hinter der oberen Trennwand im nächsten Kompartment. Mit dem kleinen Schalter am unteren Rand der oberen Zelle schaltet man das BMS Ein und Aus. Nach dem Ausschalten ist das Schiff totgeschaltet, da die Hochstromrelais abgeschaltet sind und sämtliche Verbraucher bis auf die automatischen Bilgepumpen abgeschaltet sind. Auch eine gute Diebstahlsicherung, denn den Schalter findet bestimmt keiner.

Nun kommt das knifflige – das Abschalten der Ladeeinrichtungen. An Ladeeinrichtungen habe ich an Bord: 160 A Lichtmaschine an der Hauptmaschine, 3 KW Inverter/ Ladegerät mit100 A Ladestrom, ein zweites Ladegerät von Mastervolt mit 80 A die über den Generator oder Landstrom betrieben werden, einen Windgenerator max 30 A, vier Solarpanele a 160Wp entspricht einem maximalen Ladestrom von ca. 45 A und einem Wellengenerator mit einem maximalen Ladestrom von ca. 50 A.

Jedes dieser Ladeeinrichtungen lädt mit der IUoU Kennlinie, also Bulkladung, Ausgleichs-ladung und Ladeerhaltung entweder über MPPT Regler oder eingebaut in den Ladegeräten, bzw. Hochleistungsregler. Innerhalb der Betriebsparameter kommt es weder zur Ausgleichsladung noch zu einer Erhaltungsladung sondern alle Ladeeinrichtungen laden voll Power bis zur Abschaltung. Die vier Solarpanele mit ihren vier MPPT Reglern abzuschalten ist einfach. Das BMS schaltet über seinen Schaltkontakt über ein selbstgebautes Steuergerät einfach per Relais die Solarpanele ab. Der Windgenerator wird durch die gleiche Weise abgeschaltet aber ein zeitverzögerter zusätzlicher Kontakt dient als Stoppschalter für den Windgenerator. Die Lichtmaschine kann man nicht so einfach abschalten, aber durch den Einsatz des Sterling Hochleistungsreglers trennt man per Relais einfach die weiße Leitung, welche den Erregerstrom führt, dann bricht das Magnetfeld zusammen und die Lichtmaschine erzeugt keinen Strom mehr. Wenn man die B+ Leitung trennen würde, welcher den gesamten Ladestrom führt, kommt es zu Spannungsspitzen, die die eingebauten Dioden zerstören! Bei dem Inverter/Ladegerät wird einfach per Relais die Eingangsspannung von 230 V getrennt, wie auch bei dem Mastervolt Ladegerät. Bei dem Wellengenerator, welcher wie der Windgenerator ein Permanentmagnetgenerator ist wird einfach die Verbindung zwischen Generator und MPPT Regler getrennt.

Weitere Besonderheiten: Wie wir an den Ladekennlinien gesehen haben nehmen die Lithium Zellen allen Strom auf der Ihnen angeboten wird. Das bedeutet für die Lichtmaschine, dass diese mit 160 A lädt, bis sie oder die Hautmaschine abgeschaltet wird. Das hält keine Lichtmaschine aus, es sei denn sie ist für diesen Zweck gebaut. Aber bei normalen Lichtmaschinen, die ursprünglich für das Laden von Bleibatterien konstruiert wurden verbrennt die Statorwicklung nach einer Weile. Daher habe ich in die Leitung zur Feldwicklung einen regelbaren hochbelastbaren Drahtwiderstand eingesetzt. Damit kann ich den Strom der Feldwicklung (ca. 5 A) für einen Ladestrom von Null bis 160 A regeln. Wenn ich dann noch den Windgenerator mit dem Stoppschalter abschalte und auch die Solarpanele und den Wellengenerator abschalte kann ich dann auch bei langen Motorfahrten den Ladestrom so einregulieren, das Lade- und Entladestrom in etwa gleich sind und damit der Ladezustand konstant bei ca. 60% oder einen anderen gewünschten Wert gehalten wird.

Ein weiterer Punkt ist das Anschließen des Inverters, denn die Batterieanschlüsse dienen bei Generator- oder Landstrombetrieb als Ladeanschlüsse und bei Inverterbetrieb als Verbraucheranschlüsse. Ich habe die beiden 95 mm² Kabel des Inverters an den Entlade/Verbraucherbuss angeschlossen, weil die Entladeströme größer sind als die Ladeströme.

Bei Erreichen der Grenzen der Betriebsparameter, also 12 V und 13,8 V wird ein Signal auf mein Warntableau geleitet, welches dann optisch und akustisch einen Batteriealarm anzeigt. Das ganze System hat sich sehr gut bewährt, wobei es normalerweise nicht zu Abschaltungen des Entlade- oder Ladebusses oder auch nur zu einem Batteriealarm kommt, weil ab und zu auf dem Bordcomputer nach den Ladezuständen gesehen wird. Die Ladezustände werden zusätzlich am Batteriecontroller und am Mastervoltschaltpanel angezeigt. So kann ganz einfach der SOC um die 50 – 60% gehalten werden. Wird der SOC zu hoch wird einfach die Seewasserentsalzungsanlage eingeschaltet, welche mit einem 1,5 KW Wechselstrommotor 150 Ltr. Wasser macht, oder die Waschmaschine nutzt die überschüssige Energie. Auch kochen wir Tee- und Kaffeewasser meistens mit dem Wasserkocher um Gas zu sparen.

Der Generator läuft nur selten und die Hautmaschine nur zur Fahrt ohne Wind oder zum manövrieren.