Die Bordstromversorgung

Fast unbegrenzt stromautark!


Weitere Blogbeiträge zum Thema Autarke Stromversorgung im Wohnmobil gibt es unter der Kategorie „Stromversorgung“..

Dieser Beitrag wurde nach Umrüstung der Bordstromversorgung von AGM- auf LiFeYPO4-Batterie im Juni 2017 überarbeitet und aktualisiert. Angaben ohne Gewähr!


Inhaltsübersicht

  1. Bordnetze (12 Volt und 230 Volt)
  2. Batterietechnik zur Stromspeicherung
  3. Ladesysteme zur Nachladung der Stromspeicher:
    1. während der Fahrt
    2. im Stand mit 230V-Landstrom
    3. im Stand ohne Landstrom
  4. Anzeige-/Kontrollsysteme zur Bedienung und Überwachung
  5. Stromsparmaßnahmen
  6. LiFeYPO4-Batterie und Solarstrom

1. Die Bordnetze im Wohnmobil

  • 12V-Stromversorgung mit Lithium-Batterie: Das Hauptstromnetz an Bord hat eine Nennspannung von 12 Volt und versorgt alle zum Betrieb des WoMos erforderlichen Systeme, z. B. Beleuchtung, Frischwasserpumpe, Heizungsumwälzpumpe, Pumpe für Toilettenspülung, FanTastic Vent Dachhauben, Kühl-Gefrierbox, 12V-Ladegeräte für Dyson-Staubsauger, Rasierapparat, Notebook, Tablet, iPhone, eBikes usw., Satelliten-TV-Anlage u. a. m.
  • 12V-Fahrzeugnetz Fiat Ducato: Ein separates 12V-Stromnetz versorgt das Fiat-Basisfahrzeug (Anlasser, Scheinwerfer und weitere Signallampen, Webasto-Standheizung, usw.) über eine Starterbatterie (Blei-Säure). Sie ist über ein Trennrelais mit dem 12V-Bordstromversorgungsnetz verbunden. Das Relais trennt die Netze im Standbetrieb, damit die Starterbatterie nicht durch Verbraucher im Wohnbereich entladen werden kann und somit jederzeitiges Anlassen des Motors möglich ist.
  • 230V-Stromversorgung an Bord: Die 230V-Steckdosen im WoMo liefern Strom, wenn entweder über die Außensteckdose Netzstrom eingespeist wird oder der 1000W-Wechselrichter im WoMo 12V-Strom in 230V-Strom umwandelt. Landstrom hat dabei Vorrang (Netzvorrangschaltung). In meinem FlairLIFE arbeiten drei Wechselrichter: Ein 150W-Gerät im Bad-Spiegelschrank für die Aufladung der el. Zahnbürste, ein spezielles 350W-Gerät an der Sitzgruppe für die WMF/WAECO Pad-Kaffeemaschine und den Frontscheiben-Rollladen. Für alle anderen 230V-Verbraucher bis 1 kW ist im Stauraum unter der Couch ein 1000W-Wechselrichter von AEG installiert, der die gleichen Steckdosen bedient wie der Landstromanschluss.

2. Batterietechnik zur Stromspeicherung

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a) Situation bis Juni 2017

Vor Jahren waren AGM-Batterien das Nonplusultra als Versorgungsbatterien in Wohnmobilen. 2012 ließ ich deshalb von AMUMOT den o. bez. AGM-Akku installieren. Ich bin nach wie vor zufrieden damit. Zuvor hatte ich Blei-Säure-Batterien verwendet, die recht wartungsaufwändig waren. Heute würde ich bei Neukauf, bzw. Ersatzbeschaffung, auf moderne Lithium-Batterien (LiFePO4) zurückgreifen. Hier einige Beispiele verschiedener Hersteller:

Zur Zeit (Anfang 2017) suche ich nach einer unkomplizierten Umrüstlösung, um dadurch die Effizienz meiner Solaranlage zu steigern. Im Blog berichte ich darüber. Wann macht eine Umrüstung auf LiFePO4 Sinn? Dazu verweise ich auf einen aufschlussreichen Ratgeberartikel bei AMUMOT.

b) Situation ab Juni 2017

Die Umrüstlösung ist gefunden und vollzogen. Unter der Kategorie „Stromversorgung“ berichte ich im Blog ausführlich über den Weg zum modernen 200Ah LiFeYPO4-Batteriesystem von FraRon, das jetzt meinen Batteriebehälter gut zur Hälfte belegt.


3. Ladesysteme

Energiespeicher wollen immer wieder aufgeladen werden, damit sie ihren Zweck erfüllen, bei Bedarf ausreichend Strom zu liefern. Dies geschieht in meinem WoMo auf mehrfache Art und Weise:

  • während der Fahrt: Ladung der Starter- und der Versorgungsbatterie über die Ducato-Lichtmaschine (kein Booster wie bei Euro6-Motoren nötig) und die PV-Solaranlage auf dem WoMo-Dach (bei Tag)
  • im Standbetrieb mit 230V-Landstrom: Ladung über Solaranlage und zusätzlich über
    • 230V/18A-Serien-Ladegerät (CBE) des FlairLIFE und/oder
    • 90-270V/40A Sterling-Ladegerät ProCharge Ultra PCU 1240 mit u. a. folgenden Besonderheiten:
      • Eingang: 90 – 270 V, 40 – 70 Hz (volle Ladeleistung auch bei zu niedrigen, instabilen Netz- oder Generatorspannungen)
      • Ladeausgang: 40 A, bzw. einstellbar auf 30 A, 20 A oder 10 A, damit wird erforderlichenfalls auch die Stromaufnahme entsprechend begrenzt auf 75%, 50% oder 25% (z. B. für leistungsschwache Netze)
      • 11 vorprogrammierte Ladekurven, 1 frei programmierbar, somit passend für LiFeYPO4
      • digitale Strom-Spannungs- und Leistungsanzeige
      • PFC (effiziente Leistungsumwandlung bis fast 90 % zur Stromeinsparung)
      • Standby-Modus zur Batterieschonung und Priorisierung der Solaranlage
      • mehrstufige temperaturgesteuerte Lüfterkontrolle gegen unnötige Geräuschentwicklung
      • Batterietemperaturkompensation durch Sensor
      • Informationspanel mit 32 LEDs
      • zahlreiche prozessorgesteuerte Systemcheck- und Sicherungsfunktionen
      • abgesetztes Fernbedienungsdisplay als Option
      • Weitere detaillierte Informationen in der Bedienungsanleitung: Sterling ProCharge Ultra Manual (Deutsch ab S. 11)

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Bei mir ist das Sterling-Ladegerät allerdings äußerst selten im Einsatz.

  • Standbetrieb ohne 230V-Landstrom: Ladung nur über die Solarmodule (Normalbetrieb)

Meine photovoltaische Solaranlage mit derzeit 390 Wp besteht momentan aus drei Modulen auf dem Dach mit zwei MPPT-Ladereglern wegen der unterschiedlichen Modulspannungen:

1 x 24 V Solarmodul 190 Wp (max. Solarnennleistung) mit Solarladeregler MPP 350 DuoDig (Votronic/Büttner MT), Eing. bis 50 V / Ausgang 12 V, mit abgesetztem Solarcomputer (Anzeigedisplay)

• 2 x 12 V Solarmodul 100 Wp = 300 Wp (max. Solarnennleistung) mit Solarladeregler MPPT 45 A (Morningstar), mit abgesetztem Bedien- und Anzeigedisplay TS-RM-2

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Drei Solarmodule: 1x 190Wp, 2x 100Wp (dazwischen vier Dachfenster: 2x HEKI, 2x FanTasticVent)

 


 4. Anzeige- und Kontrollsysteme (Bedienung/Überwachung)

  • serienmäßiges CBE-Anzeige-Panel u. a. für Spannung und Strom bei beiden Batterien sowie Uhrzeit und Landstrom-Anzeige (umschaltbar):

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  • Sterling-Fernbedienungsdisplay PCUR für Netzladegerät PCU 1240:

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Kurzinfo zum IBScontrol (andere Batterie-Computer besitzen ähnliche Funktionen):

Um bewusst mit der Energie der Bordbatterie umgehen zu können, ist es notwendig, Ladungszustand, Alterung sowie Veränderungen der Batterie zu kennen. Das IBScontrol informiert über den derzeitigen Zustand des Energiehaushaltes und ermöglicht es dadurch, den Energievorrat zu planen. Es zeigt den Ladungszustand, die Batteriealterung, zu- undabfließende Ströme an und kann aktiv in den Energiehaushalt eingreifen und warnen, falls die Restkapazität einen kritischen Wert erreicht.

Der IBS (Intelligenter Batterie Sensor) sitzt direkt auf dem negativen Pol der Batterie und registriert durch den integrierten Shunt und den Sensor
  • die Ruhespannung der Batterie,
  • alle zu- und abfließenden Ströme,
  • die Umgebungstemperatur der Batterie.
Um zuverlässige Informationen liefern zu können, lässt sich das IBScontrol batteriespezifisch durch die Auswahl der jeweiligen Batteriekennlinien (GEL, AGM, Standard-Starter) anpassen. Die Informationen werden dabei einfach auf einen
Blick übersichtlich und ansprechend per grafischem Farbdisplay dargestellt.

Von Händlern wurde mir erklärt, das HELLA-Gerät eigne sich nicht für Lithium-Batterien. Ich verwendete es dennoch nach dem Batteriewechsel weiter und bin bis jetzt zufrieden. Meinem Gefühl nach zeigt es korrekt an. Warum sollte ich es entsorgen?!


5. Stromsparmaßnahmen

Es ist grundsätzlich sinnvoll, keine Energie zu verschwenden, doch im Winterhalbjahr bei geringerem Solarertrag kann bewusstes Verhalten die Unabhängigkeit von der Steckdose sichern. Deshalb hier ein paar Hinweise dazu, wie man sparen kann, ohne nennenswert Komfort einzubüßen, wenn man keinen Landstrom nutzt.
  • Nur LED-Beleuchtung einsetzen!
  • Möglichst wenig Wechselrichterbetrieb!
  • Möglichst nur 12V-Geräte verwenden!
  • Verbrauchsangaben beachten (schon beim Kauf)!
  • Nichts unnötig eingeschaltet lassen!
  • Entbehrliche Elektrogeräte bei Stromknappheit abschalten!
  • Größeren Verbrauch tagsüber (ggf. bei Solarüberschuss) decken, z. B. Aufladen von eBike-Akkus!
  • Andere Energieformen nutzen, z. B. Gas!

Nicht sparen sollte man dagegen am Reinigungsaufwand bei den Solarmodulen, denn abgefallene Blätter und Schmutz können den Stromertrag dramatisch reduzieren..


6. LiFeYPO4-Batterie und Solarstrom  –  wie verträgt sich das?

Anlass für folgende Überlegungen war die Tatsache, dass ich lange recherchieren musste, um halbwegs verlässlich herauszufinden, wie der Ladeprozess bei der LiFeYPO4-Chemie genau ablaufen sollte und wie dementsprechend programmierbare Ladegeräte richtig einzustellen sind,

Aussagen wie „Da können Sie alles lassen wie es ist …“ oder „Der Kunde braucht das nicht so genau zu wissen …“ genügten mir nicht. Hatte ich doch mitunter die Erfahrung machen müssen, dass bei manchen Händlern im Vordergrund das Geschäft steht und nicht unbedingt die faktengetreue Auskunft und Beratung. Sogar eine gewisse Unkenntnis schimmert bei gewissen „Fachleuten“ durch. So erhält man zum gleichen Produkt durchaus recht unterschiedliche, wenn nicht gar widersprüchliche Informationen. Wenn man dann auch noch in einschlägigen Internet-Foren Rat sucht, ist die Verunsicherung perfekt.

Deshalb habe ich den Versuch gemacht, Informationen aus seriösen Quellen zu sammeln und hier zusammenzufassen. Sie stammen sowohl aus persönlichen Gesprächen, als auch aus dem Fundus, den ich mir im Internet im Laufe der Zeit zusammengelesen habe. Dabei ist mir nur das in Erinnerung geblieben, was ich als Laie auch verstanden hatte und was mir plausibel erschien. Nur das will ich hier wiedergeben. Mehrfache identische Aussagen verschiedener Experten erschienen mir glaubwürdiger als Einzelmeinungen. Letztlich fehlt aber zum Thema Lithium-Batterie im WoMo noch die Langzeiterfahrung.

Deshalb hafte ich auch nicht für evtl. unzutreffende Angaben und falsche Auskünfte, die ich möglicherweise hier unwissentlich weitergebe. Neue Erkenntnisse und Berichtigungen werde ich ggf. umgehend einarbeiten. Wenn ich mich noch zuverlässig an die Informationsquelle erinnern kann, erwähne ich das.

Wer seine LiFePO4-Batterie von Victron Energy bezogen hat und alle Komponenten ebenso, für den mag dieser Beitrag weniger interessant sein, denn die Komponenten ein und desselben Herstellers sollten untereinander ohne größere Einstellarbeiten optimal funktionieren.

Komplettsysteme wie die LPS von LEAB sind zwar hochintelligent, beinhalten aber leider keinen integrierten Solarladeregler, sodass auch hier ggf. einer extern angeschlossen werden muss. Der sollte entweder auf Lithium einstellbar oder komplett programmierbar sein, wie mein Morningstar Tristar MPPT 45. Die zu verwendenden Parameter sollte man mit LEAB abstimmen.

Damit bin ich schon beim „Problem“: Man muss den optimalen Ladeprozess für die verwendeten LiFe(Y)PO4-Batterien verstehen, um korrekte Anpassungen bei vorhandenen Ladesystemen vornehmen zu können. Beispielsweise wollte ich nach der Umrüstung auf LYP u. a. den Morningstar Solarladeregler weiterverwenden. Ein hochwertiges und entsprechend teures Gerät, dessen Parameter-Einstellungen ich in Erfahrung bringen musste!

Also hielt ich Ausschau nach Angaben zum korrekten Laden speziell der LiFeYPO4-Chemie. Vom Hersteller FraRon hatte ich die Angaben der beiden Ladespannungen (14,6 V und 13,5 V), was beim Netzladegerät und beim Votronic Solarladeregler mit Li-Modus ausreichen mag, jedoch offen lässt, wie die zahlreichen Parameter beim TriStar angesichts der für Solarstrom typischen Ertragsinkontinuität einzustellen sind, damit der Batterie kein Schaden droht. Hier einige der aufgetauchten Fragen: Dauer der Absorbtionsladung? Float ja oder nein? Float Timeout? usw., usw.

Leider sehen die Hersteller von Solarladereglern für LiFePO4-Akkus das recht unterschiedlich, sodass man unter Berücksichtigung der Angaben des Batterieherstellers selbst einen goldenen, d. h. plausiblen Mittelweg finden muss.

U. a. bei Sunware, IVT, Victron und Votronic fand ich teils hilfreiche Informationen dazu, die ich nachstehend zur Beschreibung der Ladephasen bei LiFeYPO4-Akkus mit heranziehe. Ich hoffe, aus den voneinander abweichenden oder teilweise fehlenden Angaben der Hersteller keine falschen Schlüsse für das Verständnis der Ladeabläufe und die Konfiguration meines Morningstar TriStar MPPT45 gezogen zu haben.

Die Ladephasen bei LiFe(Y)PO4:

Die erste Ladephase könnte man als Schnellladephase oder Hauptladephase bezeichnen. In der Schnellladephase wird mit dem gesamten zur Verfügung stehenden solaren Ladestrom (empfohlen bis max. ~0,3C), bis zum Erreichen der Ladeschluss- oder Schnellladespannung (bei LiFeYPO4 ~14,6V) geladen. Bei mir sind das erfahrungsgemäß zwischen 15 und 30 A Solarladestrom.

In Anbetracht der unstetigen solaren Ladeströme kann die Schnellladespannung unter Umständen jedoch über Tage oder Wochen nicht erreicht werden. Die Ladung über unbegrenzte Zeit ist jedoch nicht zu empfehlen! Daher ist diese Ladephase zusätzlich über eine Zeitsteuerung (Timeout) abzusichern, die nach Ablauf einer einstellbaren maximalen Schnellladezeit die nächste Ladestufe aktiviert. Das kann allerdings der Morningstar TriStar nicht. Man müsste den Ladestrom manuell unterbrechen. Mit Erreichen der Schnellladespannung ist die Batterie zu etwa 80% voll geladen.

In der anschließenden Vollladephase oder Absorbtionsphase wird bei ausreichender solarer Ladeleistung die Vollladespannung (= Ladeschlussspannung 14,6 V) konstant gehalten, bis ein unterer Ladestrom (~0,01C) unterschritten wird. Diese Ladephase führt der Batterie die restlichen 20% der für eine Vollladung benötigten Ladung zu. Wird der Ladestrom, z. B. durch gleichzeitige Belastung der Batterie, nicht innerhalb einer bestimmten einstellbaren Vollladezeit (Absorbtionszeit) unterschritten, wird mit der nächsten Ladephase (Float) fortgefahren.

Abschaltphase (Float): Eine dauerhafte Erhaltungsladung, wie von der Blei-Batterie bekannt, ist nicht zulässig. Daher wird in der letzten Ladephase der Ladestrom vollständig abgeschaltet.

Diese Phase wird sehr unterschiedlich behandelt. Bei manchen Reglern findet dennoch eine unbegrenzte Erhaltungsladung statt, bei anderen gar keine, mal wird mit 13,5 V, mal mit 13,1 V geladen/erhalten. Da nachts kein Solarstrom fließt, kann man die Gefahr der Dauerladung (anders als beim Netzladegerät) wahrscheinlich vernachlässigen, meine ich.

Der von Sunware vertriebene Solarladeregler FOX-260 Li arbeitet die genannten Phasen automatisch ab. Allerdings ist er kein MPPT-Regler und verträgt nur Ströme bis 20 A. Man kann aber bei anderen Reglern wie meinem Morningstar einige der einzelnen Parameter ähnlich denen des FOX manuell einstellen.

Hier die wichtigsten Parameter-Einstellungen wie ich sie am TriStar für meine LiFeYPO4 von FraRon vorgenommen habe:

  • Hauptladephase: Absorption voltage (Ladeschlussspannung, Schnellladespannung) 14,6V
  • Timeout der Hauptladephase: nicht konfigurierbar
  • Vollladephase: Absorption time (Dauer) 30 Min.
  • Float voltage (auch bez. als „Erhaltungsladung“): 13,5V
  • Float timeout: 1 Stunde
  • HVD (High Voltage Disconnect) Batterietrennung bei 15 V
  • Wiederzuschaltung bei 13,6 V

Sonst wurden über MSview keine Einstellungen am TriStar aktiviert, bzw. alle deaktiviert.

Wichtig ist also, dass die Schnellladespannung nicht zu hoch ist (bei meiner Batterie sind 14,4 – 14,6 Volt optimal), dass die Ladeprozesse nicht zu lange andauern und dass die Temperaturen im verträglichen Rahmen bleiben. Für mich war vor allem neu, dass bei Solarbetrieb der Zeitfaktor eine wichtige Rolle spielen kann.

Die Ladespannung 2 (Vollladespannung) scheint weniger bedeutsam zu sein und könnte bei mir wohl zwischen etwa 13,5 und 14,6 V eingestellt werden. Bei Sterling beispielsweise liegt die Ladespannung 2 (wie bei Sunware) im Lithium-Programm auf dem Niveau der Ladespannung 1 oder knapp darunter. Dann geht’s schneller. FraRon wiederum nennt dafür 13,5 V. Das dürfte den thermischen Verhältnissen dienlich sein.

Ich bin gespannt, ob in der Reisepraxis noch Anpassungen erforderlich sein werden. Ggf. werde ich berichten.

 


Updates:

März 2017: Zur Zeit plane ich konkret die Umrüstung auf eine LiFePO4-Batterie-basierte Bordstromversorgung, um die Solaranlage effizienter nutzen zu können.

Juni 2017: Die Umrüstung von AGM- auf LiFeYPO4-Batterie ist vollzogen. Blogbeiträge dazu findest du unter der Kategorie „Stromversorgung“.

Juli 2017: Ladeparameter i. V. mit programmierbaren Solarladereglern ergänzt.


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