LiFePo4 Serien- und Parallelschaltung: 8s2p oder 2p8s?

  • Hallo Zusammen,


    Für den Aufbau einer (kleinen) Halbinsel muss ich LiFePo4 Akkus zusammenschalten.
    Die Systemspannung beträgt 24V, es kommen dafür also jeweils 8 Zellen in Reihe.
    Soweit kein Problem. :)


    Um auf eine ausreichend große Kapazität zu kommen, werde ich Zellen oder Blöcke parallel schalten müssen.


    Bei der Parallelschaltung beginnen aber meine Probleme. Denn hier habe ich zwei (sinnvolle) Möglichkeiten zur Verschaltung (siehe Bildchen unten), welche zwar die gleiche Spannung und Kapazität liefern, im Betrieb aber unterschiedliches Verhalten zeigen (können):



    1.) 8s2p - mein Favorit - oder: warum nicht?


    Also 8 Zellen in Serie und nochmal 8 Zellen in Serie.
    Diese beiden Blöcke werden (mit Sicherungen) Plus zu Plus und Minus zu Minus parallel geschaltet.


    Vorteil: ich kann ohne Änderung des vorhandenen Aufbaus zur Erweiterung später ein oder zwei weitere 8er-Blöcke parallel dazuhängen.


    Klar ist (und das gilt für jede Konfiguration), dass ich nur Blöcke mit exakt gleicher Spannung parallelschalten darf:
    Schon bei nur wenigen Zehntel Volt Unterschied fließt bei nur 0,3mOhm Innenwiderstand/Zelle ein gigantischer Ausgleichsstrom.
    Nach Initialladung der Einzelzellen würde ich die beiden 24V-Blöcke erstmals über einen dicken Lastwiderstand zusammenschalten, bis sich die Blöcke auf wenige mV angeglichen haben.


    Für den Betrieb bekäme dann jeder 8er-Block eine ausreichend dimensionierte NH Sicherung, erst danach würde ich die + Pole verbinden.


    Sicherheitsvorteil beim Ausfall (Zellschluss) einer Zelle: Der Ausgleichsstrom würde durch Auslösen einer der Sicherungen den Block mit der defekten Zelle vom intakten Block abtrennen und weiteren Schaden (hoffentlich) verhindern.


    Nachteilig bei dieser Verschaltung: Die schwächste Zelle bestimmt die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Damit könnte ich aber leben. Bei einem extremen Ausreisser würde ich die schwächste Zelle gegen eine Neue austauschen.


    Nun lese ich ständig, dass man diese Verschaltung so auf gar keinen Fall machen darf, denn damit killt man die Zellen.
    Ohne Balancing stimmt das: Der stärkere Akkupack würde den schwächeren ständig laden und die schwächste Zelle von allen würde deutlich schneller altern.
    Da ich aber eh für jede Zelle einen Balancer einplane und mit einem Cell-Log 8s je Block die Spannungen aller Zellen überwachen möchte, verstehe ich nicht, warum so zwingend ein Schaden entstehen soll.
    OK, der Balancer der schwächsten Zelle arbeitet häufiger als die anderen und "vernichtet" damit etwas Energie. Wenn ich diesen Effekt beobachten sollte, könnte ich durch Tausch zweiter Zellen zwischen den Blöcken diese besser aufeinander abstimmen.


    Gibt es noch weitere Nachteile, die ich übersehen habe?


    Kommen wir zur zweiten Variante:


    2) 2p8s - ich habe Zweifel!


    Hierfür würde ich jeweils zwei (später: drei, vier...) Zellen zu einem "großen" 3V-Block parallel schalten und dann 8 dieser Blöcke in Serie zu einer 24V Batterie verbinden. Diese Konfiguration wird generell empfohlen, wenn man google befragt.


    Klarer Vorteil: Ich brauche weniger Balancer und Spannungsmonitore, weil zwei (oder mehr) parallel geschaltete Zellen nicht auseinander driften können.


    Als großen Nachteil dieses Aufbaus sehe ich den Sicherheitsaspekt:
    Was passiert, wenn von zwei (drei, vier..) "hart" (also durch dicke Kupferschienen, ohne Sicherung) parallel geschalteten Zellen eine kaputt geht, z.B. durch internen Zellschluss.
    Die "Bruderzelle(n)" entleeren sich über die defekte Zelle binnen Minuten, werden ebenso tiefentladen und gehen kaputt. Bei einem satten Zellschluss wird also in kürzester Zeit die gesamte Energie zweier (dreier, vierer..) zusammengebundener Akkus in Wärme umgewandelt.


    Was beim (erzwungenen) Kurzschluss von nur einer Zelle abgeht, kann man eindrucksvoll in diversen YouTube Videos sehen. Zwar sind die LiFePos (anders als LiPos) praktisch sicher gegen Selbstentzündung, der Sekundärschaden in einem Schaltschrank wäre aber doch sicher erheblich.
    Eine "Lösung" wäre es, diese Zweier/Dreier/Viererpacks jeweils an einem Pol jeder Zelle mit einer knapp bemessenen Sicherung auszustatten. Am Ende hätte ich dann aber 8 Sicherungen in Serie. Den Spannungsabfall bei hohen Strömen brauche ich gar nicht zu berechnen, der ist inakzeptabel.


    Ein weiterer praktischer Nachteil dieser Verschaltung: Will ich später die Kapazität erhöhen, muss ich den ganzen Pack erst auseinander nehmen und neu aufbauen.



    Fazit: Ich möchte lieber die erste Variante (8s2p) realisieren, also ganze 24V Blöcke zusammenschalten.


    Bitte helft meinen Gedanken auf die Sprünge. "Darf" ich 8s2p verschalten, oder mache ich damit einen großen Fehler?

  • Hallo Toni,


    ich plane die 100Ah von Winston zu verwenden - fürs Erste 16 Stück davon.
    Das ganze soll den Eigenverbrauch der PV (1,4kWp) erhöhen und mit einem Xtender wie eine 1-phasige USV laufen.
    Wegen der kleinen PV wird es nicht viel bringen die Kapazität später noch deutlich aufzustocken, die Option möchte
    ich mir aber dennoch offen halten.


    Grüße
    gimli

  • Wie ich immer predige,immer die Anzahl der gewünschten Zellen parallel und die parallelen Zellenpakete dann in Reihe um die gewünschte Gesamtspannung zu erhalten,also in deinem Fall 2p8s. Wo man bei Blei ja noch diskutieren kann, schließt sich bei den von dir genannte Zellentype aus. Schon mal ein son Plasteding aufgemacht und reingeschaut? Drinnen sind ,je nach Kapazität, bis zu 5 Tütenzellen parallel geschalten um auf die Gesamtkapazität der Zelle zu kommen. Diese Einzeltüten sind natürlich nicht gegeneinander Abgesichert,gibts einen Kurzschluss brennt es die dünnen Folienverbinder der defekten Einzeltüte weg und das wars. Die restlichen Einzeltüten würden mit geringerer Gesamtkapazität sogar noch weiterhin ihren Dienst tun. Ein absichern der einzelnen 3,2V Zellen untereinander ist also nicht notwendig. Ein Erweitern der Anlage mit neuen Zellen ist genau so leicht möglich wie bei 8s2p , allerdings ist von dir gezeichnete Anschlusslage denkbar ungünstig gewählt. Hier solltest du das nochmal umzeichnen.


    Schaltest du deinen Zellen zu 8s2p ist die Reihe nur so stark wie die schwächste Zelle. Ein symetrieren von Zellen unterschiedlicher nutzbarer Restkapazität ist nur sehr bedingt bis gar nicht möglich.


    viele Grüße
    Leon M.

    Wechselrichter: DIY 4kW Sinustrafowandler + 3kW Victron Umbau
    DIY Sinuswandler mit PC Konfiguration und Log-Funktion: RS1512
    Batterie: 200 NiCd Zellen a 375Ah zu 10p20s
    Solarmodule: 24V/4,5 kWp
    Akkumonitor: D.I.Y.

  • Hallo Leon,


    :danke: für Deine Einschätzung!
    Damit hast Du mir den Zahn für meine "einfache" Lösung erfolgreich gezogen. :cry:


    Zitat von Leon M

    .... Ein Erweitern der Anlage mit neuen Zellen ist genau so leicht möglich wie bei 8s2p , allerdings ist von dir gezeichnete Anschlusslage denkbar ungünstig gewählt. Hier solltest du das nochmal umzeichnen....


    Bei der "leichten" Erweiterung hänge ich fest ....mir fehlt wohl die Kreativität. :idea:
    Jetzt habe ich eine Weile mit CorelDraw gespielt (siehe Anhang) und 2p8s, 3p8s und 4p8s gebastelt.
    Für jede Änderung muss ich neue Cu-Schienen ablängen und bohren und damit auch die Balancer und Messanschlüsse ab- und wieder aufbauen, also eigentlich ein kompletter Neuaufbau. Oder ist es viel einfacher und ich blicks nur nicht...? :|
    Zugegeben, so ein Umbau steht auch nicht jeden Tag an, aber so ein modularer "Plug&Play" Aufbau wär schon elegant.


    Noch eine Frage:
    Oft habe ich gelesen, dass die Einbaulage von LiFePo4 völlig egal ist. Ich kann mich aber auch erinnern gehört zu haben, dass man sie auf keinen Fall flach auf der "dicken" Seite liegend betreiben soll, weil sich sonst das Elektrolyt (ist das bei LiFePo4 denn flüssig oder gelartig?) ungünstig verteilt und die nutzbare Kapazität sinkt. Was stimmt? Falls letzteres wahr ist, ist es dann akzeptabel, sie auf die schmalen Seite zu legen?


    In der zuerst favorisierten 8s2p Konfiguration hätte ich die Zellen wohl aufrecht stehend betrieben und für jeden der 24V-Packs eine Etage in einem 600mm breiten Schaltschrank verwendet.
    Für die nun anstehende 2p8s Konfiguration würde ich sie eher auf die schmale Seite legen wollen und so wie in der Skizze dargestellt zwei aufeinander stapeln. Die untere Reihe würde ich etwas nach vorn versetzen, damit die Balancer nicht so direkt die oberen Zellen beheizen.


    Und zu guter letzt noch eine ganz ketzerische Frage:
    Wenn ich zu den geplanten Winston mit 100Ah acht Zellen eines anderen Herstellers mit 60Ah gesellen wollte, wie würde ich das am geschicktesten machen? Klar, am besten gar nicht :wink:, aber wenn doch: Einfach eine kleine zu zwei großen parallel? :shock:


    Danke schon mal im Voraus!

  • Dreh doch mal deine Zellenpakete um jeweils 90° und zwar so das der + des einen Paketes zum - des anderen zeigt. Bestehen deine Parallelverbinder aus einer massiven Schiene (ich würde hier aber keine Schiene verwenden sondern ein Blech welches so breit ist,wie es die nebeneinander Stehenden Zellenkontakte erfordern) kann man diese bereits so anfertigen wie später die maximale parallel zu schaltende Zellenanzahl ist. Besteht die Parallelschiene aber aus Einzelteilen (z.b. aus Brücken von zwei Zellen) dann kannst du die im nachherein beliebig erweitern so lange es der Stellplatz hergibt.


    viele Grüße
    Leon M.

    Wechselrichter: DIY 4kW Sinustrafowandler + 3kW Victron Umbau
    DIY Sinuswandler mit PC Konfiguration und Log-Funktion: RS1512
    Batterie: 200 NiCd Zellen a 375Ah zu 10p20s
    Solarmodule: 24V/4,5 kWp
    Akkumonitor: D.I.Y.

  • Prinzipiell ist es völlig egal wie man sie verschaltet. Der einzige Unterschied ist dass man bei 8s2p nur ein BMS benötigt und bei 2p8s für jeden Strang eines.


    Wenn man das richtig macht dann sind beide Varianten gleich sicher.


    Die Zellen darf man keinesfalls direkt mit festen Schienen verbinden, da sonst bei geringsten Bewegung durch Wärme, aber insbesondere dadurch das bei Einlagerung der Lithium Ionen sich die Dicke leicht verändert, können sich die Poldurchführungen beschädigt und die Zellen undicht werden. Die angebotenen Zellverbinder bestehen aus mehreren dünnen Kupferblechen und diese machen auch einen leichten Bogen.


    Aber Achtung, Die Zellverbinder haben nur die richtige Länge wenn man sie an der breiten Seite aneinander reiht. Man sollte die Winston Zellen möglichst senkrecht betreiben, damit der Elektrolyt an allen interen Zelloberflächen den gleiche Stand hat, und auch das Überdruckventil nicht durch Elektrolyt verstopft wird.


    Ich baue derzeit mehrere völlig unabhängige Batteriemodule mit 25,6V/100Ah mit Winston Zellen und jedes hat ein eigenes Single-Board BMS auf.

    Mobile Insel: PV 2kWp (mono), Solarregler 2xMPPsolar PCM5048 (MPPT), LiFePO4 1020Ah/25,6V, Lichtmaschine 4,2kW, Netzladegeräte 2xPhilippi AL30 24V, 2xKosun 6kW Sinus-WR 24V, Mastervolt Batteriemonitor BTM-III

  • Zitat von egn

    Prinzipiell ist es völlig egal wie man sie verschaltet. Der einzige Unterschied ist dass man bei 8s2p nur ein BMS benötigt und bei 2p8s für jeden Strang eines.


    Versteh ich nicht. Kannst Du mir beide Aussagen genauer erklären ? Danke..
    lg,
    Philip

  • Die 8s2p Verschaltung entspricht einer 8s1p Verschaltung von Zellen mit doppelter Kapazität. Mit einem BMS für 8s kann man die Spannung der parallel geschalteten Zellen überwachen. Würde eine Zelle eine etwas geringere Kapazität oder einen anderen Innenwiderstand haben so wirkt sich das unmittelbar auf den 2p Block aus und das BMS würde das erkennen und entsprechend reagieren.


    Baut man 2p8s, dann braucht man für jeden Teilstrang ein BMS da sich die Zellspannungen innerhalb der Stränge völlig unabhängig entwickeln.

    Mobile Insel: PV 2kWp (mono), Solarregler 2xMPPsolar PCM5048 (MPPT), LiFePO4 1020Ah/25,6V, Lichtmaschine 4,2kW, Netzladegeräte 2xPhilippi AL30 24V, 2xKosun 6kW Sinus-WR 24V, Mastervolt Batteriemonitor BTM-III

  • Irgendwie definieren wir xp-xs bzw. xs-xp aneinander vorbei :)
    Wenn Du nicht daneben liegst muss ich es wohl tun :mrgreen:
    Dank Fieber grad kein Problem, mal schaun wie sich das morgen anfühlt.
    gN,
    Philip