Bau von Fahrradakkus aus 18650er Lithium Ionen Industriezellen

 

 

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Im Prinzip kann man Fahrradakkus auch selber bauen. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn man Akkus mit bestimmten Eigenschaften wie geringes Gewicht, bestimmte Spannung, ungewöhnliche Bauform, gute Überwachbarkeit, Langlebigkeit, bestimmten Sicherheitseigenschaften o.dgl. haben möchte. Allerdings kann man nicht alles zugleich haben. Zum Beispiel werden Akkus für besonders hohe Ströme meist weniger Kapazität haben als Akkus gleichen Gewichts mit einer nur normalen Strombelastbarkeit.

 

Als Zellen kann man für Fahrradakkus eigentlich so ziemlich alle Lithium Ionen Akku Zellen verwenden, die einen gewissen Mindest-Entladestrom verkraften und außerdem über eine gewisse Robustheit verfügen.

 

Gut geeignet sind hier insbesondere Becherzellen in der sogenannten 18650er Bauform (18 mm im Durchmesser und 65 mm Länge), wie sie millionenfach Laptops, Akkuwerkzeugen, Taschenlampen und sogar Elektroautos (Tesla) verwendet werden. Hier gibt es eine Vielzahl an Herstellern; empfehlenswert sind insbesondere Zellen der großen Markenherstellen wie Panasonic/Sanyo, Sony,  Samsung oder LG Chem. Von Sony gibt es die sogenannten „Konion“ Zellen (US18650V3, VC7, VTC4, VTC5, VTC6 mit 2100 mAh - 3500 mAh), die z.T. Entladeströme bis zu 30 Ampere vertragen können und den Vorteil haben, nicht zwingend balanciert werden zu müssen.  Von Panasonic gibt es z.B. die NCR18650PF, -B, -BL oder -GA Zellen mit 2900 - 3500 mAh, von Samsung z.B. die 25R, 29E, 30Q, 32E, 35E Zellen mit 2500 - 3500 mAh.

 

Wenn Gewicht keine so große Rolle spielt, kommen auch viele Typen von LiFePO4 (Lithium-Eisen-Phosphat) Zellen in Frage; z.B. die 18650er und 26650er Zellen von A123 Systems oder größere Zellen von „Headway“ oder ECC Batteries. Allerdings ist die Energiedichte hier nur etwa halb so hoch wie bei den anderen Lithium Ionen Akkus, d. h. ein Akku mit ca. 500 Wh Energiespeichervermögen wiegt statt sonst nur 2,5 - 3 KG dann ca. 5 KG.

 

Nicht empfehlenswert sind die meisten scheinbar günstigen 18650er Zellen made in China („GTL“, „Trustfire“, „Ultrafire“; sowie Zellen mit PCB (bzw. Protected / mit Schutzschaltung)), da diese in der Regel keine hohen Entladeströme verkraften und zudem die aufgedruckten Kapazitätswerte nur selten stimmen.

 

Bei ausgesprochenen „Laptopzellen“ (wie Panasonic CGR18659CG, NCR18650, -A, -B und Sanyo 18650F) ist jedoch zu beachten, dass diese nur mit Strömen bis maximal 2C [also der zweifachen Nennkapazität] belastet werden dürfen. Besser ist bei diesen Zellen eine noch geringere Entladerate bis nur ca. 1C, da sonst die Spannung des Akkus zu stark einbrechen würde.

 

Alle Lithium Ionen Akkus haben eine bestimmte Nennspannung und dürfen nur in einem festgelegten Spannungsbereich betrieben werden. Dieser beträgt bei den üblichen Lithium Ionen Akkus 2,5 - 4,2 Volt / Zelle (3,6 Volt Nennspannung). Für Lithium-Eisen-Phosphat Akkus beträgt dieser meist 2,0 - 3,6 Volt (3,2 Volt Nennspannung).

 

Möchte ich nun einen typischen 36 Volt Akku bauen, muss ich also 10 einzelne Lithium Ionen Akkus (oder parallele Zellgruppen daraus) à 3,6 Volt in Serie schalten. Für einen 24 Volt oder 48 Volt benötige ich dementsprechend weniger oder mehr Zellen oder Zellgruppen in Serie. [Einen vergleichbaren Aufbau haben z.B. auch 12 Volt Autobatterien, wo 6 Bleiakkus à 2 Volt in Serie geschaltet sind.]

 

Nun gibt es bei Lithium Ionen Akkus im Vergleich etwa zu Bleiakkus und NiMH Akkus aber einige Besonderheiten zu beachten.

 

Aufgrund der festgelegten Minimal- und Maximalspannungen der einzelnen Lithium Ionen Zellen (meist 2,5 - 4,2 Volt) muss immer darauf geachtet werden, das bspw. bei einem 36 Volt Akku (aus 10 Zellen in Serie) nicht nur beim Entladeende die Spannung des Gesamtakkus nicht unter 25 Volt und insbesondere beim Ladeende nicht über 42 Volt liegt, sondern das auch die Spannungen sämtlicher Einzelzellen zu keiner Zeit unter oder über 2,50 bzw. 4,20 Volt liegen. Klingt einfach, ist es aber nicht ganz so. Haben die einzelnen Zellen eines großen Akkupacks aus welchem Grund auch immer nämlich eine etwas unterschiedliche Ausgangsspannung, so erreichen beim Aufladen unter Umständen einige Zellen früher die maximal zulässigen 4,20 Volt. Und würden diese bei einer weiteren Fortsetzung des Ladevorgangs überschreiten, wenn nur die Gesamtspannung des Akkupacks gemessen wird. 10 x 4,2V = 42V, aber auch 9 x 4,18V plus 1 x 4,38V. Folglich kann es so zu einer gefährlichen Überladung einer Zelle oder Zellgruppe kommen. Gleiches gilt beim Vorgang des Entladens. Sind die Zellen nicht völlig identisch, wird eine Zelle zuerst die geforderte Mindestspannung von 2,50 Volt unterschreiten, während andere Zellen noch bei deutlich über 2,5 Volt liegen (und auch die Spannung des Gesamtakkus dann noch bei über 25 Volt liegt). [Beim Bleiakku übernimmt diese Funktion beim Laden die Zersetzung des Elektrolyten, das sogenannte „Gasen“; am Ladeende fangen ggf. die Zellen mit der höchsten Spannung etwas an zu gasen und warten sozusagen, bis die anderen Zellen ebenfalls die Ladeendspannung erreicht haben. (Hierbei wird letzendlich nur etwas Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und kann dann nachgefüllt werden.)]

Bei Lithium Ionen Akkus kann das Einhalten der Spannungsgrenzen entweder dadurch geschehen, das man sehr (spannungs)gleichlaufende bzw. „selbstbalancierende“ oder „driftfreie“ Zellen verwendet; oder man versieht das Akkupack mit einem Batterie-Management-System (BMS), welches die Spannung jeder einzelnen Zellgruppe überwacht und ggf. mit kleinen Ausgleichströmen eine Angleichung bewirkt. (Sowie im Zweifelsfall bei einer Über- oder Unterschreitung eines Parameters die Ladung oder Entladung unterbricht.)

 

Sowohl die Verwendung eines BMS als auch sein Weglassen bei Verwendung von sehr gleichlaufenden Zellen haben Vor- und Nachteile. Bzw. sind die Nachteile des einen die Vorteile des anderen.

Für ein Akku ohne BMS spricht unter anderem: Einfacherer Aufbau, keine elektrischen Verluste durch ein BMS, geringeres Gewicht, keine Limitierung von Lade- und Entladestrom durch das BMS, kein Standby-Verbrauch durch das BMS, dadurch geringere Gefahr der Tiefentladung bei langer Lagerung, keine Ausfall des Akkus bei Defekten am BMS.

Für Akkus mit BMS spricht u.a.: besserer Schutz vor Über- und Tiefentladung im Normalbetrieb, größere Sicherheit, einfacheres Handling

 

Für Leute, die sich etwas mit der Materie auskennen, ist es daher durchaus empfehlenswert, Akkus ohne BMS aus sehr gleichlaufenden Zellen zu bauen und die Spannungen der einzelnen Zellgruppen von Zeit zu Zeit über einen Balanceranschluss zu kontrollieren. (Und wenn diese nicht mehr gleich sind, ein BMS nachzurüsten oder andere geeignete Maßnahmen zu ergreifen.) Für Leute, die keinen Spaß am Hantieren mit Messgeräten usw. haben, dürfte es allerdings besser sein, einen Akku mit BMS zu bauen oder zu kaufen.

 

Da alle Lithium Ionen Akkus wie beschrieben nur in einem festgelegten Spannungsbereich betrieben werden dürfen, benötigt man zum Laden des Akkus noch ein spezielles Ladegerät, welches nach dem sogenannten CC / CV Verfahren arbeitet (CC / CV = constant current / constant voltage). In einer ersten Ladephase wird der Akku mit einem konstanten Strom solange geladen (CC Phase), bis die maximal zulässige Lade(end)spannung erreicht ist. Diese wird in der zweiten Ladephase dann gehalten (CV Phase), wobei der Stromfluss immer geringer wird, bis das Gerät bei einem Schwellenstrom entweder abschaltet oder durch eine völlige Spannungsangleichung der Strom auf Null abfällt.

 

Bei Akkus ohne BMS muss ferner über eine richtig gewählte Unterspannungsabschaltung des Controllers sicher gestellt werden, das im Normalbetrieb keine Zellgruppe unter die festgelegte Mindestspannung von 2,50 Volt / Zelle fällt. Die meisten 36V Controller haben eine Unterspannungsabschaltung von ca. 30 Volt, so das alle Zellen eines 36V Akku bei Entladeende ca. 3,0 Volt + 0,2 Volt aufweisen sollten. Dies sollte aber bei den ersten Zyklen überprüft werden.

 

Um die Lebensdauer des Akkus zu erhöhen, ist es ferner vorteilhaft, den maximal möglichen Spannungsbereich des Akkus nicht ganz auszuschöpfen, sondern auf einen Bereich von ca. 3,0 Volt bis 4,1 Volt / Zelle einzuschränken.

 

 

 

Bilder vom prinzipiellen Aufbau eines 10S Akkus

 Skizze eines 10S 36 Volt Akkus mit Balanceranschluss und Sicherung

 

Bild vom Innenaufbau eines 10S6P Akkus mit Litzen für Strom und Balanceranschluss. Steht kein Punktschweissgerät zur Verfügung, können die Zellen mit 1,0 oder 1,5 mm² Litze auch verlötet werden. Zellen unterschiedlicher Zellgruppen sollten nicht direkt aneinander gelegt werden, sondern z.b. mit Kunstofffolie o.dgl. gegeneinander isoliert werden. [Hinweis: Bei dem Akku ist gegenüber der obenstehenden Skizze oben und unten vertauscht, links oben ist 0 Volt und rechts oben ist + 36 Volt.]

 

 Bild des gleichen Akkus von unten, noch ohne Stromlitzen

 

 

 Bild vom Innenaufbau eines 10S3P Akkus mit Litzen für Strom und Balanceranschluss. Hinweis: Hier ist der Pluspol des Akkus links im Bild.

 

 Bild des gleichen Akkus von unten, noch ohne Stromlitzen

 

 Fertiger Akku mit XT60 Hochstromsteckern, Balanceranschluss und Sicherung

 

 

 

Akkubau für Bastler mit Modellbauerfahrung bzw. Fachkenntnissen im Umgnag mit elektrischen Anlagen

 

Desweiteren besteht die (allerdings etwas aufwändigere) Möglichkeit, Akkus auch so zu bauen, das diese nur beim Aufladen durch einen externen Balancer balanciert werden. (Die Unterspannungsabschaltung muss auch in diesem Fall durch den Controller erfolgen.) So können bei Verzicht eines BMS nahezu sämtliche Lithium Ionen Zellen verwendet werden.

 

Hierfür kommen insbesondere die inzwischen sehr günstigen Modellbau- oder Universalladegeräte etwa vom Typ „Imax B6 oder B8“ in Frage, die einen sogenannten Balancer bereits fest eingebaut haben. Der Balancer sorgt dafür, das bei größeren Akkupacks alle in Serie geschalteten Zellen oder Zellgruppen die gleiche Spannung haben. Dieser verhindert auch, das einzelne Zellen über die kritische Spannung von 4,2 Volt geladen werden können. [Was bei nicht balancierten Packs   - wie oben bereits geschrieben -  nicht zwangsläufig der Fall wäre; z.B. 5 x in Serie = 5 x 4,2 Volt = 21,0 Volt = 4,2+4,2+4,2+4,2+4,2 (Normalfall) oder eben auch (Störfall) = z.B. 3,7+4,35+4,35+4,35+4,35 oder 0,0+5,25+5,25+5,25+5,25 Volt.]

 

Das Laden und Balancieren geschieht somit über das Ladegerät, die Unterspannungsabschaltung erfolgt über den Controller des Elektrofahrrades.

 

Im Gegensatz zu den sonst mit Elektrofahrrädern vertriebenen „black box Ladegeräten“ haben Modellbauladegeräte auch den Vorteil, das alle Funktionen auf einem Display angezeigt werden und so der Ladezustand und etwaige Fehlfunktionen des Akkus sofort erkennbar sind. Außerdem kann so jedesmal die nachgeladene Strommenge abgelesen werden. Auch ermöglicht dieser Typus von Ladegeräten ein schonenderes Laden des Akkus bis zu einer Zellspannung von nur 4,1 Volt bzw. einstellbaren Werten (z.B. icharger 106B+) sowie mit frei wählbaren Ladestromstärken.

Darüber hinaus bieten Modellbau-Ladegeräte auch ein sehr hohes Maß an Sicherheit, da 1. die Maximalspannung auf 4,1 V pro Zelle begrenzt werden kann, 2. ein Kapazitätslimit, 3. ein Zeitlimit und ggf. 4. ein Temperaturlimit eingegeben werden kann. Wird nur einer dieser Werte überschritten, wird der Ladevorgang jeweils abgebrochen. Außerdem schalten Modellbauladegeräte nach Ladeende auch tatsächlich ab, d.h. es fließt kein Strom mehr, während bei den „black box“ Geräten oft nur eine LED von rot auf grün umschaltet, aber trotzdem noch weiter ein geringer Reststrom fließt.

Desweiteren kann es ein Vorteil sein, dass die Ladegeräte mit 11V - 18V Gleichstrom gespeist werden [s.u.], wodurch etwa ein Laden unterwegs z.B. im Wohnmobil oder an anderen 12V Quellen möglich ist.

 

Generell ist bei Akkus ohne Batterie Management System allerdings folgendes zu beachten: Wird ein Akku ohne BMS entladen, so wird der Entladevorgang erst dann unterbrochen, wenn die durch den Controller festgelegte Unterspannung vom ganzen Akkupack unterschritten wird. Und nicht, wenn nur eine Zelle ihre Minimalspannung unterschreitet. Am Beispiel eines 10S Akkus mit einer Unterspannungs­abschaltung von z.B. 31 Volt heisst dies: Wenn die verbauten Zellen alle genau gleich sind, haben am Ende des Entladevorgangs alle Zellen 3,1 Volt. Sind die Zellen aber von ihrer Kapazität etwas ungleich, kann es z.B. auch zu dem Fall kommen, das z.B. 8 Zellen am Ende 3,3 Volt haben, eine 2,9 Volt und eine 1,7 Volt. Ein BMS würde dies verhindern, es schaltet den Akku ab, sobald die Spannung einer Zelle unter 3,1 Volt (oder den vorgegebenen) Wert sinkt.

Daher ist es bei Entladen ohne BMS sinnvoll, zum einen die Unterspannungsabschaltung etwas höher anzusetzen, zum anderen die Spannungen der einzelnen Zellgruppen bei Unterspannungsabschaltung über den Ladeanschluss von Zeit zu Zeit zu kontrollieren. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von gebrauchten Zellen; bei neuen Zellen dürften hier keine Probleme zu erwarten sein. Um die Unterspannungsabschaltung möglichst genau an den Akku anzupassen, empfiehlt sich der Einsatz eines programmierbaren Controllers, bei dem dieser Wert ganz nach Belieben festgelegt werden kann.

 

Zur Stromversorgung der meisten Modellbau-Ladegeräte benötigt man als Zubehör ein Gleichstrom Netzteil mit 11 – 18 Volt Ausgangsspannung. Falls vorhanden, kann dafür z.B. ein ausgedientes 16 Volt Laptopnetzteil verwendet werden. Auch kann das Ladegerät über beliebige andere 11 – 18 Volt Gleichstromquellen mit Strom versorgt werden, z.B. den Zigarettenanzünderanschluss des Autos, 12 Volt PC-Strom, Solaranlagen etc.

 

Zum Bau des Akkupacks braucht man des weiteren noch XT60 Hochstromstecker, 15 - oder 26 - polige Sub D Stecker und Buchsen, einen speziellen Balanceranschlusskabel für das Ladegerät, 1- oder 2polige EIN/AUS-Schalter, 10, 15 oder 20 A KFZ Flachsicherungen, passende Akkuboxen sowie das übliche Elektro- und Bastelmaterial.

 

Mit einem Standardladegerät wie dem imax B6 Lader kann man  - wie der Name bereits sagt -  normalerweise nur Packs mit bis zu 6 Zellen in Serie laden.

 

Will man größere Packs laden, muss man deswegen einen kleinen Umweg gehen und das Pack durch einen 1 oder 2poligen Zwischenschalter sozusagen in mehrere Unterpacks teilen. Zum Beispiel bei einen 8S Akku mit einem 1poligen Zwischenschalter in zwei Unterpacks à 4S. Oder bei einem 15S Akku mit einem 2poligen Zwischenschalter in drei Unterpacks à 5S.

Die Unterpacks werden dann durch den Zwischenschalter entweder miteinander verbunden und in Serie geschaltet (beim Fahren) bzw. getrennt und parallel geschaltet (beim Laden).

 

Gleichzeitig dient dieser Schalter auch als Ein- und Ausschalter des Gesamtsystems, der die (Tief-)Entladung des Akkus über den Controller verhindert. (Wenn das Fahrrad nicht benutzt wird und der Akku trotzdem am Controller verbleiben soll. (Die meisten Controller ziehen ständig einen Ruhestrom von ca. 30 - 60 mA.))

 

Beim Bau von Akku und Ladekabel verknüpfe man die beiden Unterpacks jetzt so mit der Sub D Buchse, das in unserem Beispiel mit zwei mal 4S Unterpacks jeweils 5 Kabel mit der Sub D Buchse verbunden werden. Z.B. oben eine Reihe mit Anschlüssen für das erste Unterpack und unten eine Reihe mit Anschlüssen für das zweite Unterpack. Also oben am 1. Pol = 0V Pack1, unten am 1. Pol = 0V´ Pack2, oben am 2. Pol = 3,6V Pack1, unten an 2. Pol = 3,6V´ Pack2, oben am 3. Pol = 7,2V Pack1, unten am 3. Pol = 7,2V´ Pack2, usw.

 

Der Sub D Stecker stellt über die Balanceranschlüsse und die Hauptkabel die Verbindung zum Ladegerät her. Die Belegung erfolgt analog zur Buchse. Die korrespondieren Kabel werden jeweils kurz geschlossen und jeweils mit den offenen Enden des eigentlichen Balancerkabel (was an das Ladegerät kommt) verbunden. Kabel oben 1 und unten 1 kommt also an das erste freie Ende eines Balancerkabels (sowie an den Minuspol), Kabel oben 2 und unten 2 and das zweite Balancerkabel, Kabel oben 3 und unten 3 and das zweite Balancerkabel, usw. [=> Bilder]. An das erste und letzte Kabel kommt zusätzlich noch das die Hauptstromlast tragende Kabel, die weiter zur Minus- und Plus - Buchse des Ladegeräts gehen.

 

Durch Aufstecken des Ladekabels mit dem Sub D Stecker auf die Sub D Buchse am Akku werden also die Unterpacks jeweils Zelle für Zelle parallel geschaltet (kurz geschlossen). Dazu muss der Zwischenschalter an dem Akku natürlich vorher auf Aus [0] gestellt sein, sonst gibt es einen Kurzschluss und löst die Sicherung aus. (Bzw. die kleinen Zusatzsicherungen in dem Ladekabel.)

 

Möglich sind bei parallel Schalten von 2 Unterpacks Akkupacks von ... 8s, 10s und 12s; mit einem B8 Lader auch zusätzlich von 14s und 16s. Reicht also für unsere Zwecke völlig aus.

 

Verwendet man einen 2poligen Zwischenschalter, kann man auch jeweils 3 Unterpacks parallel Schalten, also Akkus der Konfiguration ... 9s, 12s, 15s und 18s [B8: … 21S und 24S] bauen.

 

Das eigentliche Laden ist dann denkbar einfach, Schalter an dem Akku auf Aus [0], dann! das Ladekabel anstecken und den Ladevorgang an dem Gerät starten.

 

Da das Ladekabel in der Regel immer an dem Ladegerät angesteckt bleibt, hat sich noch der Einbau einer sogenannten „Antiblitzschaltung“ als vorteilhaft erwiesen, die den kleinen Einschaltfunken beim Anstecken des Kabels an den Akku vermeidet (Aufladen des Kondensators in dem Ladegerät durch den Akku). [Bauplan; siehe Bildergalerie unten, Bauteile: IRF 4110, 1324 oder ähnliche, 47 µF und 2x 100 kOhm]

 

Die noch verbleibenden Kontakte können für den Einbau eines Temperatursensors [LM35DZ] verwendet werden. Dieser kann bei einer Fehlfunktion der Zellen (Überhitzung) den Ladevorgang unterbrechen. [Die Abschalt-Temperatur lässt sich wie oben bereits angedeutet als „temp cut off“ in dem Ladegerät einprogrammieren. Bei einem Wert von z.B. 30 °C wird der Ladevorgang unterbrochen, sobald der Akku (aus welchem Grund auch immer) eine Temperatur höher als 29 °C erreicht.]

 

Möglich, aber nicht so elegant ist es, statt eines Zwischenschalters eine steckbare Sicherung (die man ja sowieso braucht) zu verbauen. Der Akku wird wiederum so gebaut, das dieser in der Mitte elektrisch getrennt werden kann. Hierfür werden bei einem 10S Akku zwischen dem ersten und zweiten 5S Unterpack zwei Kabel herausgeführt und mit einer mittels XT60 Stecker steckbaren Sicherung versehen.

Beim Laden wird einfach die Sicherung gezogen und der Akku über ein Y-Ladekabel durch doppelten Anschluss an Sicherungsstecker und normalen Stecker geladen. Ein 10S5P Akku wird dann als 5S10P Akku geladen. An B6 Ladegeräten können 10S und 12S Akku, an B8 Ladegeräten 10S, 12S, 14S und 16S Akkus geladen werden.

Von Zeit zu Zeit können so zusätzlich über die beiden Balancerkabel die einzelnen Zellbänke balanciert werden oder kann bei Akkuzellen, wo dies erforderlich ist, auch ständig balancierend geladen werden. Die Balancerkabel werden so belegt, das diese an den üblichen Multiport-Balancer Anschlüssen des Ladegerät parallel angeschlossen werden können. Ein 10S Akku hat dann zwei 5S Balancerkabel, wovon eines in einem 5S und eines in einem 6S Gehäuse ist, so dass beide gleichzeitig an das Ladegerät angeschlossen werden können (und müssen). (Die Balanceranschlüsse bei den üblichen Modellbauladegeräten sind intern meist parallel verschaltet. Dies muss aber überprüft werden, ob zwischen Pin 1 des 5S Anschlusses und Pin 1 des 6S Anschlusses, usw., tatsächlich Null Ohm Widerstand ist.) [Bilder und Aufbau unten]

 

Da es inzwischen aber auch sehr gute Modellbauladegeräte für bis zu 10S Akkus gibt, können solche Akkupacks natürlich auch ohne den Trick mit dem Zwischenschalter oder steckbarer Sicherung gebaut werden. Empfohlen sei hier für bis zu 8S Akkus das Turnigy Accucell-8150 und für bis zu 10S Akkus der i Charger 1010B+. Wer nicht ganz so viel basteln mag (und wem ein normaler 24V (7S bzw. 8S) oder 36V (10S) Akku reicht), dem sei dieser Weg empfohlen.

Im Prinzip kann man auch durch eine Kombination eines Standardladegerätes mit einem geeigneten BMS Modul Akkus balancierend und mit Überspannungsschutz laden. Das BMS Modul verbleibt dann immer am Ladegerät und wird nur beim Aufladen über Strom und Balanceranschlüsse mit dem Akku verbunden. [Bilder und Aufbau unten]

 

Bei Verwendung von nicht oder nur gelegentlich zu balancierenden Zellen (Sony Konion) ist ein vergleichsweise einfaches Ladeverfahren auch ohne spezielle Adapterstecker und -kabel möglich, wie am Beispiel eines 10S Akku beschrieben werden soll.

Der Akku wird wiederum durch einen Schalter und eine Sicherung in zwei Unterpacks geteilt. An die Unterpacks wird zusäztlich noch ein weiterer XT60 Stecker sowie ggf. Balancerkabel für Kontrollzwecke angebracht [siehe Skizze im 2. Beispiel].

Beim Fahren wird der Akku „eingeschaltet“ und alles ist wie immer. Beim Laden wird der Akku durch „Ausschalten“ jedoch in die zwei Unterpacks getrennt. Durch Verbinden des normalen und des zusätzlichen XT60 Steckers mit dem Ladegerät (hierbei werden die beidern Unterpacks parallel geschaltet) kann der Akku geladen werden. Das Laden ist somit auch hier denkbar einfach, es muss nur der Akku ausgeschaltet und zwei Stecker mit dem Ladegerät verbunden werden. (Im Prinzip kann dieses Verfahren auch auf Akkus mit 3 Unterpacks und damit Akkus bis 18S angewandt werden.)

Zusätzlich kann  - sollten die Zellen tatsächlich einmal etwas debalanciert sein -  über die jeweiligen Balancerkabel* z.B. bei Ladung Nr. 100 das erste und bei Ladung Nr. 101 das zweite Unterpack mit balanciert werden. (Oder man baut hier ähnlich wie für die XT60 Stecker am Ladegerät ebenfalls einen Doppelanschluss. *Aus Sicherheitsgründen sollte auch hier auf das Anbringen von Balancerkabeln an den Akku nicht verzichtet werden.)

Im „eingeschalteten“ Zustand kann dieser Akku natürlich auch ganz normal über das normale Anschlusskabel mit einem 36V Ladegerät geladen werden.

 

Ein ähnlicher Aufbau ist prinzipiell auch für Akkupacks aus NiMH- oder NiCd Zellen möglich (falls jemand so etwas noch bauen möchte). Mit einem einfachen B6 Ladegerät können so bis zu 30 Zellen in Serie geladen werden. Als Endpunkterkennung sei hier der Weg über einen Temperatursensor empfohlen.

 

 

Skizzen:

 

 

Beispiel 1: Akku 10S (nominal 36V) ohne Zwischenschalter an einem 10S Ladegerät [analog für 7S, 8S oder 9S]

Das Verbinden mit dem Ladegerät ist denkbar einfach: Zusätzlich zu dem 2poligen normalen Akkuanschluss wird einfach immer noch ein Balancerkabel mit entsprechendem Stecker angesteckt [im Bild unten die Leiste mit den 11 Punkten]. Zweckmäßigerweise baut man sich für den 2poligen Akkuanschluss auf Seiten des Ladegerät noch ein Adapter von Ladebuchse z.B. auf den XT60- oder Powerpolstecker des Akkuanschlusses [im Bild symbolisiert die gepunktete Linie die Hauptverbindung von Akku zu Ladegerät].

Wird so ein Akku aus Konion Zellen gebaut, kann auf das Anstecken des Balancers verzichtet werden, da sich die Zellen selbst balancieren. Trotzdem würde ich empfehlen, diesen für Kontrollzwecke mit zu bauen. In den Skizzen ist zur Veranschaulichung immer noch das jeweilige Spannungslevel an den Zellen angegeben.

 

 

 

Beispiel 2: Akku 10S (nominal 36V) aus nicht zu balancierenden Zellen mit Zwischenschalter an einem B6 Ladegerät im Programm-Modus „5S“

 

Das Verbinden mit dem Ladegerät geschieht einfach durch Anschließen des normalen Akkusteckers sowie des zusätzlichen Steckers mit dem zwei gleich geschalteten-XT60-Steckern des Ladegerätes. Von Zeit können die Unterpacks mit balanciert werden, sofern Balancerkabel angebracht wurden. Die beiden Balancerkabel werden dann einfach in die Buchsen des Ladegerätes gesteckt, siehe auch Hinweise weiter unten.

Achtung: Der Einbau der Sicherung ist auch hier unerlässlich. Vergisst man das Ausschalten beim Laden, so gibt es einen Kurzschluss und löst die Sicherung aus!

Prinzipiell ist dieser Aufbau auch für einen Akku mit 3 Unterpacks möglich, es müssen dann jedoch zusätzlich zum normalen Laststecker noch zwei weitere (oder ein weiterer Doppelstecker) angeschlossen werden; Bauplan siehe hier

 

 

 

Beispiel 3: Ständig zu balancierender Akku 8S (nominal 28,8V) mit 2 Unterpacks à 4S und 1poligem Zwischenschalter (15pol. Sub D Stecker als Lade- und Balanceranschluss)

 

Aufbau Akku

 

 Aufbau Ladekabel (mit Zusatzsicherungen 4A flink)

Zur Illustrationen sind die jeweils anliegenden Spannungen bei Reihenschaltung (Fahren, Schalter am Akku auf 1) bzw. Parallelschaltung durch Anschluss an den Ladestecker angegeben (Laden, Schalter auf 0). Der Akku (linke Skizze) wird also beim Fahren an – und + des Controllers angeschlossen und der Schalter geschlossen. Das Ladekabel (rechte Skizze) bleibt generell über – und + und den Balancerstrecker mit dem Ladegerät verbunden. Beim Laden (Schalter am Akku geöffnet!) werden Sub D Stecker und Buchse miteinander verbunden und dadurch die Zellen oben und unten im Akku jeweils parallel geschaltet.

 

 

Beispiel 4: Ständig zu balancierender Akku 12S mit 2 Unterpacks à 6S und 1poligem Zwischenschalter (26pol. Sub D Stecker als Lade- und Balanceranschluss)

 Bei Verzicht auf einen Temperatursensor reicht für einen 12S Akku auch ein15pol. Sub D Stecker aus

 

 

 

Beispiel 5: Ständig zu balancierender Akku 15S mit 3 Unterpacks à 5S und 2poligem Zwischenschalter; unten Ladekabel mit Umschalter für 5S bzw. 6S Akkus (26pol. Sub D Stecker als Lade- und Balanceranschluss)

 

 

 

Lade- und Balanceranschlusskabel wahlweise für 10S, 12S, 15S oder 18S Akkus; mit “Antiblitzschaltung”

 

Bauteile für Antiblitzschaltung: IRF 1405, 4110, 3077 oder ähnliche, 47µF, 2 x 100k

 

 

Bei der Dimensionierung des Akkupacks ist zu beachten, das der maximale Entladestrom sich innerhalb der Spezifikation der verwendeten Zellen bewegt. Baue ich etwa ein Akku der Konfiguration 4P10S (jeweils 4 Zellen parallel und dann 10 mal bzw. 2 x 5 mal in Serie) aus Panasonic CGR18650CG Zellen, so beträgt die Kapazität 9 Ah. Bei einer maximalen Entladerate von 2C sollte der Akku demnach nur bis maximal ca. 18 (besser max. ca. 12) Ampere belastet werden. (Spannungsabfall bei 15A = ca. 2,6 Volt.)

Aus den unten angegebenen Werten lässt sich der Innenwiderstand und damit der Spannungsabfall eines Akkus auch recht gut abschätzen, wie folgende Beispielrechnung zeigt.

Beispielakku = 4P8S aus NCR18650A Zellen. Die Zellen haben einen Gleichstrominnenwiderstand von ca. 68 mΩ. Vier parallel geschaltete Zellen also von 17 mΩ. Der ganze Akku demnach von 8 x 17 mΩ (+ etwas durch die Widerstände der Kabel etc.) = ca. 0,15 Ohm. Wenn der Controller 12 Ampere maximal zieht, hat man in diesem Fall einen Spannungsabfall U = R x I von 1,8 Volt, was recht gut mit der Praxis übereinstimmt.

 

 

 

Eine Galerie zum Bau von Akkupacks durch Löten von 18650er Zellen findet sich hier.

 

Eine Galerie zum Bau von Akkupacks durch Punktverscheissen von 18650er Zellen findet sich hier.

 

Eine Bauanleitung für ein Punktschweißgerät findet sich hier.

 

Weitere Informationen und Beispiele zur Dimensionierung finden sich hier .

 

Eine Berechnung der Kabelverluste von Akkupacks bei Verlöten bzw. Verschweissen findet sich hier.

 

 

Kenndaten gebräuchlicher Akkuzellen

 

Zelle

Nominalkapazität

 reale Kapazität nach ca. 100 Zyklen*

Laden bis 4,1V, Entladen bis 2,5V

 eigene Messungen

(Laderate, Entladerate)

Kapazität nach 500 Zyklen laut Datenblättern,

Laden bis 4,2V, Entladen bis 2,5V

 (% || Laderate, Entladerate)

maximaler Entladestrom pro Zelle || Rinnen

 

 

 

 

 

(A123 26650M1A

2 300 mAh

 

~2 230 mAh (97 % || 2,3A, 2,3A)

70 A  ||  17 mΩ)

(A123 26650M1B

2 500 mAh

 

~2 450 mAh (98 % || 3A, 5A)

70 A  ||  11 mΩ)

LG ICR18650HE2 / HE4

2 500 mAh

 

~1 650 mAh (66 % || 4,0A, 15A)

20 Ampere  || 

LG ICR18650HG2

3 000 mAh

2 350 mAh (2A; 5A)

 

20 Ampere

LG INR18650MH1

3 200 mAh

 

>2 250 mAh (70 % || 1,5A, 1,5)

10 Ampere  ||  -

LG INR18650MJ1

3 500 mAh

2 500 mAh (1,5A; 4A)

 

10 Ampere  ||  -

LG INR20650M42

4 200 mAh

 

 

15 Ampere  ||  -

Panasonic CGR18650CG

2 250 mAh

 

~1 770 mAh (79 % || 1,5A, 2,2A)

4,5 Ampere  ||  70 mΩ

Panasonic CGR18650CH

2 250 mAh

 

~1 750 mAh (78 % || 1,5A, 2,2A)

10 A  ||  53 mΩ

Panasonic NCR18650PF

2 900 mAh

2 400 mAh (1A; 3A)

~2 250 mAh (78 % || 1,4A, 4A)

10 A  ||  60 mΩ

Panasonic NCR18650A

3 100 mAh

 

~2 000 mAh (65 % || 0,9A, 3A,.)

5,9 A  ||  68  mΩ

Panasonic NCR18650B

3 400 mAh

2 700 mAh (1A; 3A)

~2 870 mAh (84 % || 1,6A, 3,3A)

6,5 A  ||  68 mΩ

Panasonic NCR20700B

4 250 mAh

 

 

10 A

Panasonic NCR18650BD

3 200 mAh

 

 

3C Zelle

Panasonic NCR18650BE

3 200 mAh

 

 

1C Zelle

Sanyo UR18650E

2 150 mAh

 

 

10 A  ||  58 mΩ

Sanyo UR18650F

2 600 mAh

 

~1 800 mAh (70 % || 1,8A, 2,5A)

5 A  ||  95 mΩ

Sanyo NCR18650BF

3 350 mAh

 

 

4,9 A  ||  27 mΩ (1 kz AC)

Sanyo NCR18650BL

3 350 mAh

2 500 mAh (1A; 3A)

 

6 A  ||  37 mΩ (1 Kz AC)

Sanyo NCR18650GA

3 500 mAh

2 700 mAh (1,5A; 4A)

 

10 A 

Samsung ICR18650-22P

2 150 mAh

 

>1 400 mAh (65 % || 2,2 A, 2,2A)

10 A

Samsung INR18650-25R

2 500 mAh

2 050 mAh (2A; 5A)

~1 250 mAh (50 % || 4,0 A, 20A)

20 A ||

Samsung INR18650-30Q

3 000 mAh

2 250 mAh (2A; 5A)

 

15 A

Samsung INR18650-29E

2 900 mAh

2 250 mAh (1A; 3A)

>1 925 mAh (66 % || 1,7A, 2,75A)

< 8,3 A

Samsung INR18650-32E

3 200 mAh

 

 

 

Samsung INR18650-35E

3 500 mAh

2 600 mAh (1,5A; 4A)

 

 

Samsung INR21700-47P

4 700 mAh

 

 

 

Sony Konion US18650VTC3

1 600 mAh

 

 

30 A

Sony Konion US18650V2

2 100 mAh

 

~1 730 mAh (82 % || 2A, 10A)

10 A  ||  48 mΩ

Sony Konion US18650V3

2 250 mAh

1 850 mAh (2A; 5A)

~2 000 mAh (89 % || 2A, 5A)

10 A  ||  97 mΩ

Sony Konion US18650VC7

3 500 mAh

 

~2 600 mAh (74 %  || 1,5A, 4A)

8 A   ||  70 mΩ

Sony Konion US18650VTC4

2 100 mAh

 

{~1 850 mAh (88 % || 4A, 10A)}

30 A  ||  50 mΩ

Sony Konion US18650VTC5

2 600 mAh

2 250 mAh (1,5A; 4A)

{~2 400 mAh (94 % || 2A, 5A)}

30 A  ||  47 mΩ

Sony Konion US18650VTC6

3 000 mAh

 

 

30 A   ||  55 mΩ

Sony US18650NC1

2 900 mAh

 

~2 300 mAh (79 % || 1A, 6A)

10 A  || 

 

Die Gleichstrom-Innenwiderstände sind aus den Datenblättern (meist) wie folgt abgeleitet: R = (U0,2C – U1C) / (I1C – I0,2C) bei ca. 1/2 der Nennkapazität. Keine Gewähr für die Richtigkeit der Daten!

Zahlenwerte teilweise extrapoliert. Zahlenwerte aus den offiziellen Datenblättern der Hersteller bzw. aus diesen abgeleitet. Teilweise sind die Werte nicht ganz mit einander vergleichbar, da einige Hersteller z.B. cycle life Kurven über z.B. 500 Zyklen angeben, andere aber nur Mindestwerte nach z.B. 500 Zyklen. Manchmal gibt es auch verschiedene Versionen / Revisionen der Datenblättern, in denen verschiedene Angaben zu finden sind. Keine Gewähr für die Richtigkeit.* Der besseren Vergleichbarkeit wegen nach ca. 50 Zyklen, weil manche Zellen gerade anfangs oft stark an Kapazität verlieren. {abgeschätzte Werte}

 

 

Haftungsausschluss

Die hier dargelegten Tipps und Anleitungen wurden nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass sie unvollständig sind oder Fehler enthalten. Dies kann ungünstigstenfalls zu einem Unfall mit schwerwiegenden Folgen führen. Außerdem ist unabdingbar, das man die dargelegten Sachverhalte auch wirklich verstanden hat.

 

Der Autor der Anleitungen lehnt jegliche Haftung für eventuelle Schäden ab, die mittelbar oder unmittelbar aus dem Befolgen dieser Anleitungen entstehen.

 

 

Wer dies nicht akzeptiert, wird ausdrücklich aufgefordert, die hier dargelegten Bauanleitungen nicht durchzuführen.

 

 

 

Bildergalerie:

 

 

15S4P aus gebrauchten UR18650F (3,0 Kg, 2 L, 54 V, nominal 562 Wh), 2poliger Zwischenschalter, 3 Unterpacks à 5S, oben Beispiel 5:

Die Schichten der Akkuzellen sind im Endzustand noch besser gegeneinander isoliert!

Hinweis. Der Bau von Akkupacks aus gebrauchten Zellen ist sehr aufwändig und im Grunde genommen nicht zu empfehlen. Es müssen zunächst alle Zellen, die weniger als ca. 2,0 Volt Spannung haben, aussortiert werden. Anschließend werden die verbleibenden Zellen auf 4,1 Volt geladen und wird über mind. 7 Tage geprüft, ob sie die Spannung halten. Die verbleibenden Zellen werden nun einzeln auf Kapazität vermessen, in dem diese mit 1A oder besser mit 2,5A auf ca. 2,8 Volt entladen werden. Zellen, die hierbei weniger als ca. 1,3 Ah Kapazität haben, werden ebenfalls aussortiert. Nun werden durch Sortieren parallele Gruppen von annähernd gleicher Kapazität gebildet und verbaut. (Z.B. bei  xS4P: 1 Gruppe: 1,8Ah, 1,8Ah, 1,6Ah, 1,5Ah, 2 Gruppe: 1,9Ah, 1,8Ah, 1,5Ah, 1,5Ah, 3 Gruppe: 1,8 Ah, 1,7 Ah, 1,7 Ah, 1,5 Ah, usw.

 

Der fertige Akku am Ladegerät. Einstellung Li Ion, „5S“, die 15S4P sind beim Laden als 12P5S geschaltet. (In das Ladekabel ist zusätzlich noch ein Umschalter zum Umschalten zwischen 10S/15S und 12S/18S Akkus eingebaut.)

 

 

 

Akku 15S2P aus US18650V / CGR18650CG (1,5 Kg, 1 L, 54 V, nominal 208 Wh), 2poliger Zwischenschalter, 3 Unterpacks à 5S:

 

Der fertige Akku am Ladegerät, Einstellung wiederum „5S“; im Anzeigemodus für Spannungen Einzelzellen. (Akku mit nur noch 10A Sicherungen.)

 

 

8S2P aus Panasonic NCR18650A Zellen (0,85 Kg, 0,5 L, 29 V, nominal 193 Wh), 1poliger Zwischenschalter, 2 Unterpacks à 4S, oben Beispiel 3:

In das Ladekabel ist eine „Antiblitzschaltung“ eingebaut, die den Abbrand der Steckkontakte durch das Laden des Kondensators in dem Ladegerät durch den Akku verhindert. Ferner ist das Kabel mit kleinen Zusatzsicherungen versehen, die bei Vergessen des Trennens der Unterpacks durch den Zwischenschalter auslösen. Das dreiadrige Kabel unten dient dem Anschluss eines Temperatursensors. Beim Laden ist der Akku als 4S4P geschaltet; 1poliger Zwischenschalter; 2 Unterpacks 4S4P.

 

 

 

Akkus 18S1P (0,95 Kg, 0,45 L, 3,35 Ah, 65 V, 217 Wh) und 18S2P (1,9 Kg, 0,9 L, 6,7 Ah, 65 V, 434 Wh) aus Panasonic NCR18650B Zellen, 2poliger Zwischenschalter, 3 Unterpacks à 6S:

 

 

 

18S2P Akku aus Panasonic NCR18650B Zellen am Ladegerät; die 3 Unterpacks 6S2P beim Laden als 6S6P parallel geschaltet:

 

 

 

Auf dem Ladegerät lassen sich neben den Einzelzellspannungen immer auch die aktuelle Ladestromstärke, die anteilige Gesamtspannung, die Zeit, die übertragene Strommenge sowie die Temperatur ablesen:

 

 

 

 

An den Akkus lassen sich auch sonst jederzeit mit einem Multimeter die Spannungen der einzelnen Zellgruppen überprüfen:

 

 

 

Variante mit steckbarer Sicherung statt Zwischenschalter:

 

10S Akku mit Balanceranschlüssen und steckbarer Zwischensicherung

 

 

Beim Laden ohne Balancerfunktion wird einfach die Sicherung gezogen (liegt im Bild auf dem Akku) und der Akku doppelt mit dem Ladegerät verbunden.

(Nicht mit noch gesteckter Sicherung an das Ladegerät anschliessen, da sonst die doppelte Spannung anliegt, was das Ladegerät u.U. beschädigen kann!)

 

 

Beim Laden mit Balancerfunktion wird ebenfalls die Sicherung gezogen und der Akku jeweils doppelt über die XT60 Stecker und die beiden Balancerstecker mit dem Ladegerät verbunden.

Die Ladegeräte haben gewöhnlich mehrere Buchsen, 2S, 3S,4s, 5S und 6S, die parallel geschaltet sind. Ein 5S Balancerkabel wird in die 5S Buchse gesteckt, das andere bündig an minus in die 6S Buchse (herzu muss ein Steg entfernt werden). Prüfen, ob die Pins intern in dem Ladegäert richtig miteinander verbunden sind!

 

 

 

 

 

Laden eines 12S Akkus als 4 x 3S Akku an einem B8 Ladegerät. Der Akku wurde in 4 Packs unterteilt, damit die einzelnen Packs im Flugzeug mitgenommen werden können. Ein Pack 3S5P aus Sony VTC5 Zellen hat 140 Wh. Beim Laden werden die Akkus über Adapterstecker parallel geschaltet, beim Fahren über einen anderen Adapterstecker (im Bild unten) in Reihe geschaltet.

 

 

 

 

 

 

 

 

Weiterhin sind zum Laden von Akkus auch manche Netzteile geeignet, insbesondere die von MeanWell. Bei diesen kann über Trimmpotentiometer sowohl sozusagen die Ladeendspannung als auch die maximale Ladestromstärke eingestellt werden können. Da diese Netzteile aber keine Ladegeräte im eigentlichen Sinne sind, benötigt man noch ein Anzeigegerät zur Ladeendpunktsbestimmung. Am einfachsten ist die Verwendung eines Wattmeters, welches ausgangs- (ggf. auch eingangs-)seitig mit dem Netzteil verbunden werden kann. Oder man baut an das Netzteil ein einfaches Volt/Ampere-Panel an. (Zur Not könnte man auf all dies auch verzichten und abwarten, bis das Netzteil kalt ist.)

 

 Akku an einem MeanWell Netzteil, je einem Wattmeter eingans- und ausgangseitig (eines genügt natürlich)

 

 

 Test-Akku an einem MeanWell Netzteil, an welches fest ein Volt/Amper-Panel angebaut ist.

 

 

 

 

In Kombination mit einem BMS Modul kann man mit dem Netzteil auch sozusagen ein Balancerladegerät bauen:

 

Mit dieser Kombination kann im Prinzip jeder Akku zwischen 10S und 14S* mit frei einstellbarer Ladeendspannung und frei einstellbarer Ladestromstärke balancierend geladen werden. Überladung des gesamten Akkus oder einer Zellbank nach menschlichem Ermessen ausgeschlossen. (Das hier gezeigte MeanWell Netzteil CLG-150-48A lässt Spannungen von ca. 38 – 58V und Ströme von ca. 1,2 – 3,2 Ampere zu.) *Bzw. abhängig vom BMS eine fixe Zellenbankzahl.

 

 

 

Copyright der erstellten Texte, Fotos und Skizzen: Markus Gröbe

 

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