Bau von
Fahrradakkus aus 18650er Lithium Ionen Industriezellen |
|
zurück | home
| Akkubau | Akkus, Ladegeräte, BMS Systeme | Einspeichen
| Beleuchtung Bildergalerie Löten
| Schweißen | Punktschweißgerät
| Dimensionierung | Kabelverluste | Solares Laden |
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)
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 |
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 |
2 250 mAh |
1 850 mAh (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
zurück | nach
oben | home
| Akkubau | Akkus,
Ladegeräte, BMS Systeme
| Einspeichen | Beleuchtung | Links | Impressum