Umbautipps Fahrrad zum Elektrofahrrad

Allgemeine Informationen zu Akkus, Ladegeräten und BMS Systemen

Reichweite von Fahrradakkus, Ladezeit

Der Energiebedarf von Elektrofahrrädern ist je nach Konfiguration und sonstigen Rahmenbedingungen recht verschieden und liegt zwischen ca. 3 und 15 Wh pro Kilometer. Ein typischer Wert dürfte bei ca. 7 - 8 Wh / Km liegen (25 km/h, 100 Kg Gewicht von Fahrer und Fahrrad, Ebene, mäßige Unterstützung bzw. Mittreten).

Aus einem Akku können bei schonendem Laden (bis max. ca. 4,1 Volt pro Zelle bei Li Ionen Akkus) und wenn man den Akku nicht ganz leerfährt, ca. 80 % der Nennkapazität entnommen werden. Zellen mit der zur Zeit höchsten Energiedichte (Sanyo NCR18650GA; LG Chem MJ1; Samsung 35E, Sony VC7 mit 3500 mAh) können bei ca. 45g Gewicht nominal ca. 12,5 Wh Energie speichern. Für unsere Zwecke fast besser geeignete Zellen vom Typ Panasonic NCR18650PF, Samsung 29E oder Sony NC1 haben eine Kapazität von 2900 mAh; entsprechend 10,4 WH. Sony US18650V3, VTC4, VTC5 oder VTC6“ von 2100 - 3100 mAh, entsprechend 7,6 -11,2 WH.

Ein typischer 36V Fahrradakku mit 40 Zellen der Anordnung „10S4P“ (4 Zellen parallel, dann 10 x in Serie) hat demnach bei knapp 2 Kg Gewicht eine Nennkapazität von ca. 500 Wh = 0,5 KWh [NCR18650GA] bzw. 320 Wh [US18650V3]. Real können solch einem Akku bei 80 % Ausnutzung ca. 400 Wh bzw. 260 Wh entnommen werden. Bei einem Verbrauch von 7-8 Wh / Km entspricht dies einer Reichweite von ca. 50 Km bzw. ca. 35 Km.

Auf 100 Km gerechnet kommt somit ein Elektrofahrrad nur auf einen Energieverbrauch von ca. 0,7-0,8 KWh! [Bzw. rechnet man den Wirkungsgrad des Akkus von ca. 95 % und des Ladegeräts von ca. 80-90 % mit ein, real also auf knapp 1 KWh / 100 km; entsprechend Stromkosten von ca. 0,25 EUR / 100 Km.] Dies ist im Vergleich mit anderen Verkehrsmitteln ein sehr guter Wert; ein Elektroauto benötigt ca. 15 KWh / 100 km, ein 3 Liter Auto ca. 30 KWh / 100 km, ein halbbesetzter IC Zug pro Person ca. 10 KWh / 100 km.

Wird der Akku nun wie hier beschrieben mit einem 80 Watt Ladegerät geladen, so dauert das Laden von 350 Wh ca. 4 - 5 Stunden [4 h x 80 W = 320 Wh. Aufgrund des sogenannten „CC/CV (const. current / const. voltage) Ladeverfahrens“ mit abnehmender Stromstärke zum Ladeschluss ist die tatsächliche Ladedauer allerdings etwas länger].

Oder anders ausgedrückt, bei 80 Watt Ladeleistung und einem Verbrauch von 8 Wh / Km können sozusagen 10 Kilometer Reichweite pro Stunde nachgeladen werden. Ist man also am Tag z.B. 20 Km gefahren, kann der Akku in gut 2 Stunden wieder voll geladen werden.

Um die Lebensdauer des Akkus zu erhöhen, empfiehlt es sich aber, - neben dem Aufladen bis nur ca. 4,1V / Zelle- den Akku vergleichsweise langsam zu laden. Daher dürften 80 Watt Ladeleistung für den Durchschnittsfahrer ein guter Kompromiss zwischen Ladegeschwindigkeit und möglichst langer Akkulebensdauer sein.

Haltbarkeit und Lagerung von Akkus

Für die Lebensdauer eines Akkus ist es vorteilhaft, diesem - wie oben schon angedeutet - möglichst immer nur einen Teil der Gesamt- (oder Nominal- oder Nenn-)kapazität zu entnehmen; also ihn weder ganz voll zu laden noch ganz leer zu fahren.

Lade ich bspw. einen Akku nur zu etwa 80-90 % auf und (etwas weniger wichtig) belasse immer noch etwa 10-20 % Restkapazität im Akku, so kann ich dies vielleicht 1 000 mal machen und komme damit auf einen auf die Lebensdauer des Akkus bezogenen Energiedurchsatz von z.B. 1 000 Zyklen x 0,7 x 0,5 KWh = 350 KWh. Lade ich aber den Akku stets ganz voll und fahre ihn ganz leer, so kann ich dies unter Umständen nur 300 mal machen und komme somit auf einen Energiedurchsatz von 300 Zyklen x 1,0 x 0,5 KWh = nur 150 KWh. Wird die Kapazität des Akkus also immer nur zum Teil ausgeschöpft, so kann sich der auf die gesamte Nutzungsdauer des Akkus bezogenen Gesamtenergiedurchsatz um den Faktor 2 - 3 vergrößern.

Dokumenten eines der großen Zellenhersteller (Samsung) zufolge kann man in Abhängigkeit des Ladeverhaltens theoretisch folgende Zyklenzahlen erreichen:

100% - 0% (100% genutzt): 500 Zyklen

100% - 10% (90% genutzt): über 500 Zyklen
90% - 0% (90% genutzt): 1500 Zyklen

100% - 20% (80% genutzt): 1000 Zyklen
90% - 10% (80% genutzt): über 1500 Zyklen
80% - 0% (80% genutzt): 3000 Zyklen

90% - 20% (70% genutzt): 2000 Zyklen
80% - 10% (70% genutzt): über 3000 Zyklen
70% - 0% (70% genutzt): 4000 Zyklen

80% - 20% (60% genutzt): 3500 Zyklen
70% - 10% (60% genutzt): 4500 Zyklen

70% - 20% (50% genutzt): 5000 Zyklen;

jeweils bis zum Rückgang auf 70% der Neukapazität.

Kalendarische Alterung: Lagerung bei 25°C mit einem Ladestand von
100%: 5 Jahre,
90%: 10 Jahre,
80%: 15 Jahre;

jeweils bis zum Rückgang auf 70% der Neukapazität.

Abhängigkeit des Ladezustands von der Ladespannung:

Ladespannung	Ladezustand
[4,30 Volt]	[~109 %]
4,20 Volt	100 %
4,10 Volt	91 %
4,00 Volt	82 %
3,90 Volt	73 %
3,80 Volt	63 %
3,70 Volt	52 %
3,60 Volt	40 %
3,50 Volt	25 %
3,40 Volt	17 %
3,30 Volt	10 %
3,20 volt	4 %
3,00 Volt	2 %
2,80 Volt	1 %
2,50 Volt	0 %

Des weiteren ist es für die Haltbarkeit von Akkus vorteilhaft, diese bei längerem Nichtgebrauch nur max. ca. halbvoll bzw. bei ca. 3,6 Volt / Zelle (Li Ionen) zu lagern. Leider steht dies im Gegensatz zu dem Wunsch, möglichst jederzeit einen vollgeladenen Akku zur Verfügung zu haben. Hat man aber z.B. einen kleinen Akku für tägliche Fahrten und zusätzlich einen großen Akku für die selteneren längeren Fahrten, so kann man etwa den kleinen Akku ständig vollgeladen (4,1V) bereit halten (und eine geringere Lebensdauer des Akkus in Kauf zu nehmen) und den größeren Akku jeweils nur vor den längeren Fahrten aufladen. Ebenso ist es sinnvoll, wenn man z.B. im Winter sowieso nicht fährt, den Akku nur im halbvollen Ladezustand einzulagern. [Dies gilt nur mit Einschränkungen für Akkus mit BMS, da diese oft einen kleinen Standby Stromverbrauch haben und so gerade bei längerer Nichtnutzung die Gefahr des Tiefentladens besteht.]

Ferner ist zu beachten, das insbesondere eine schnelle Ladung die Lebensdauer der Akkus stark zu reduzieren scheint [1]. Hier gibt es allerdings von Akkutyp zu Akkutyp deutliche Unterschiede. Soweit möglich (und nicht anders spezifiziert), sollten Akkus daher sicherheitshalber nur mit einem Ladestrom von max. der Hälfte der Nennkapazität geladen werden.

Zyklenfestigkeit der Sony US18650NC1 Zelle bei verschiedenen Laderaten

Außerdem empfiehlt es sich, Akkus eher kühl zu lagern.

Qualität der Zellen

Selbst die Zellen der Markenhersteller Panasonic/Sanyo, Sony, Samsung und LG Chem können deutliche Qualitätsunterschiede aufweisen. Bzw. können die Zellen für unseren Einsatzzweck verschieden gut geeignet sein. Insbesondere Zellen mit einem von vornherein vergleichsweise hohem Innenwiderstand haben die Tendenz, das dieser bei zu hoher Entladerate mit steigender Zyklenzahl weiter stark zunimmt. D.h., das in der Praxis die Spannung unter Last oder bei Kälte immer stärker einbricht. Dies gilt insbeondere für „2C Zellen“ („Laptop“-Zellen mit einer maximalen Entladerate vom zweifachem Wert der Nennkapazität), aber auch für einige „10A Zellen“. Und leider gibt es auch bei den Markenherstellern Zellen, die bereits nach wenigen Hundert Zyklen am Ende sind. Nachfolgend die Darstellung eines Vergleiches zweier Zellen in Bezug auf ihre Zyklenfestigkeit; sowie einige Darstellungen verschiedener Zellen hinsichtlich ihrer Entladekurve in Abhängigkeit von der Zyklenzahl. Deutlich ist zu erkennen, wie bei vielen Zellen die Höhe der Entladespannung mit zunehmender Zyklenzahl stark abnimmt, d.h. der Innenwiderstand der Zelle stark zunimmt.

Vergleich zweier Markenzellen hinsichtlich ihrer Zyklenfestigkeit. Beides sind Zellen, die für mind. 10 Ampere Entladestrom spezifiziert sind.

Ladegeräte

Die Lithium Ionen Akku Ladegeräte kann man (etwas willkürlich) in zwei Gruppen unterteilen; in die „black box“ - Ladegeräte und die Modellbau - Ladegeräte. Beiden Typen von Ladegeräten ist gemein, das sie nach dem sogenannten CC / CV Ladeverfahren (constant current / constant voltage) arbeiten, d.h. bis zu einem bestimmten Wert (von z.B. 4,10 V Ladeendspannung / Zelle für Li Ionen Akkus bzw. 3,60 V für LiFePO4 Akkus) wird der Akku mit konstantem Strom geladen. Die Spannung des Akkus steigt in dieser Ladephase ständig an. Wird die Ladeendspannung von z.B. 4,10 V erreicht, so reduziert das Ladegerät den Strom zunehmend, so daß die 4,10 V nicht überschritten werden. Der Strom fällt also bei konstanter Spannung ständig weiter ab, um schließlich den Wert Null zu erreichen. Gute Ladegeräte schalten hierbei Unterschreiten eines Schwellenwerts von z.B. 0,1 Ampere ganz ab, andere hingegen nicht.

In der Handhabung am einfachsten sind die „black box“ - Ladegeräte. An das Ladegerät wird einfach der Akku angeschlossen, nach einiger Zeit springt dann z.B. eine LED Anzeige von rot auf grün um und der Akku ist geladen. Nachteilig bei diesen Ladegeräten ist, das sich sowohl die Ladeendspannung als auch die Höhe des Ladestroms nicht oder nur durch mehr oder weniger komplizierte Manipulationen im Inneren des Ladegeräts ändern lassen. Von Nachteil ist auch, das manche Ladegeräte dieses Typs keine eigentliche Beendigung des Ladevorgangs kennen, sondern diese nur dadurch erfolgt, das der Akku irgendwann seine Spannung an die des Ladegerätes angeglichen hat und dann kein Strom mehr fließt.

1 Ampere 36 Volt Ladegerät (40 Watt). Dieses Ladegerät lädt akkuschonend nur bis 41V und zudem mit einem Strom von nur 1 Ampere und schaltet nach Unterschreiten eines Schwellenwertes von ca. 0,1 A auch vollständig ab.

2 Ampere Ladegerät ohne Lüfter. Bei diesem Gerät kann intern die Ladeendspannung justiert werden. Gibt es auch in einer 4 Ampere Verswion.

Leistungsstarkes 5 Ampere 36V Ladegerät (240 Watt). Durch den Lüfter leider etwas laut. Bei diesem Gerät kann wie bei dem Gerät oben intern die Ladeendspannung justiert werden, es schaltet aber nach Anzeige des Ladeendes nicht vollständig ab. (Bzw. schaltet die Anzeige des Gerätes bei Unterschreiten eines Stromschwellenwertes von ca. 0,3 A auf „voll“; die Ladung läuft aber bis zum völligen Spannungsausgleich weiter.)

Etwas komplizierter in der Handhabung sind die Modellbauladegeräte, die meist auch zusätzlich noch alle möglichen Typen von anderen Akkus laden können [s.u.]. Diese Geräte besitzen immer auch einen Anschluss für einen Balancer, mit dem sozusagen eine Verbindung zu jeder Zelletage des Akkupacks hergestellt wird. Auf einem Display werden dann je nach Modus die Spannung des gesamten Akkupacks, die Spannungen der einzelnen Zelletagen, die Kapazität und Zeit beim Laden usw. angezeigt. Der große Vorteil dieser Geräte liegt darin, das sie über den Balanceranschluss die Zellen balancieren können, also alle Zellen immer auf der gleichen Spannung gehalten werden. (Bei einem 10S Akku mit geladen 41,0 V Gesamtspannung also 4,10 V, 4,10 V, 4,10 V ... .

Ferner schalten diese Geräte nach Unterschreiten eines Stromschwellenwertes auch komplett ab.

Weiterhin können zum Laden von Akkus auch manche Netzteile verwendet werden, empfehlenswert sind insbesondere die von Mean Well. 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 zur Ladeendpunktsbestimmung noch ein Anzeigegerät. 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 Mean Well Netzteil. Der Ladestand wird über ein Wattmeter angezeigt.

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

BMS Systeme (Batterie Management Systeme)

Beim Laden und Entladen von Akkupacks ist es unerlässlich, das nicht nur auf das Gesamtpack bezogen bestimmte Spannungsgrenzen eingehalten werden, sondern auch auf Ebene der einzelnen Zelletagen. Typische Li Ionen Akkus dürfen nur in einem Spannungsintervall zwischen 2,5 V und 4,2 V betrieben werden.

Bei einigen Li Ionen Akkus sind die Zellen so präzise gefertigt (Sony Konion Zellen), das diese von sich aus über ihre Lebensdauer gerechnet beim Laden und Entladen in ihrer Spannung (meist) hinreichend gleich laufen und einer externen Balancierung nicht zwingend bedürfen.

Bei allen anderen Zellen ist aber eine Balancierung erforderlich. Dies kann entweder über die eingebaute Balancerfunktion eines Modellbauladers (s.u.) geschehen, oder durch ein Batterie Management System.

Hier gibt es eine Fülle von Anbietern mit den verschiedensten Lösungen.

Als sehr leistungsfähig haben sich programmierbare „Smart“ BMS Module basierend auf dem OZ890 Chip erwiesen, so das auf dieses etwas näher eingegangen wird.

Hier bleibt kaum ein Wunsch offen und können über entsprechende tools u.a. die folgenden Werte eingestellt werden:

Höhe der Unterspannungsabschaltung beim Entladen

Höhe der Überspannungsabschaltung beim Laden

Abschaltung bei verschiedenen Werten von internen und externen Temperatursensoren

Balancierung beim Laden

Balancierung auch ohne Laden im Ruhezustand

Höhe der Spannung, ab der die Balancierung einsetzen soll

Genauigkeit der Balancierung

Stromsparfunktion im Ruhemodus (nur ca. 0,05 mA Eigenstromverbrauch)

und weitere Werte.

Weiterhin besteht die Möglichkeit der Spannungs- und Stromkalibrierung.

Ein sreenshot der entsprechenden Programmoberfläche mit den vielfältigsten Einstellmöglichkeiten kann hier betrachtet werden.

Weniger empfehlenswert sind „Standard BMS Module“. Diese Balancieren nämlich erst, wenn sozusagen gegen Ende des Ladevorgangs die „Überlaufspannung“ einer Zellbank von 4,20 oder gar 4,25 Volt erreicht wird. Dann wird diese Zellbank durch einen Widerstand etwas entladen und damit an das Niveau der tieferliegenden Zellgruppen angeglichen. Ebenso ungünstig ist bei diesen Modulen auch die meist zu geringe Abschaltspannung von 2,50 Volt. (Besonders, wenn man Zellen nimmt, die vom Hersteller nur für 2,65 oder 2,75 Volt Entladeschlussspannung spezifiziert sind.)

Mit solchen Modulen ist es im Grunde genommen nicht möglich, einen Akku lebensdauerverlängernd nur bis z.B. 4,10 Volt / Zellbank zu laden, da der Akku nicht balanciert wird. Ungünstigerweise kommt hier hinzu, dass der Eigenstrombedarf des Moduls meist nur einseitig der ersten Zellbank entnommen wird, diese dadurch also langsam gegenüber den anderen Zellbänken an Spannung verliert. Damit würde ein schonendes Laden nur bis 4,1 Volt / Zellbank bei Verwendung solch eines Moduls dazu führen, dass eine Zellbank langsam an Spannung verliert, sämtliche anderen Zellbänke aber langsam an Spannung gewinnen. Das BMS wäre somit de facto ein Debalancer mit bloßem Überlade- und Tiefentladeschutz, welches dann nur noch irgendwann die debalancierte erste Zellgruppe bei 2,50 Volt abschaltet, bzw. die anderen Zellbänke bei 4,20 Volt anfängt zu balancieren. (Ein 10S Akku mit Ladeschlussspannung 41,0 Volt hätte dann ungünstigstenfalls irgendwann 9 x 4,20 Volt + 1 x 3,20 Volt bei nur noch 5 % Kapazität.)

Mann muss also bei Verwendung dieser Module immer auf das jeweilige Vielfache der Balancerspannung von 4,20 Volt laden (und die deutlich geringere Zyklenzahl in Kauf nehmen), sonst funktioniert es nicht.

Doch zurück zu den besseren Smart BMS Modulen, die schon ab z.B. 3,6 Volt / Zelle beginnen zu balancieren.

Das abgebildete 10S Smart BMS ist für Entladeströme bis ca. 40 Ampere und Ladeströme bis ca. 10 Ampere ausgelegt. Beim Entladen fließt der Strom über die 3 MOSFETs links im Bild. Ganz rechts sind die Widerstände zu erkennen, über die die Zellen mit einer zu hohen Spannung auf das Level der Zelle mit der niedrigsten Spannung entladen werden. Der Eigenstromverbrauch im Ruhemodus beträgt bei diesem Modul nur ca. 0,05 mA. Der Anschluss an Akku, Controller und Ladegerät erfolgt wie hier sowie unten beschrieben.

Smart BMS mit Anschlüssen und Balanceranschlüssen zu Akku, Controller und Ladegerät. Schemata hier und hier

Belegung der Balancerkabel an einem 10S Akku (im Bild von unten nach oben) Kabel 1 = 0V, Kabel 2 = 3,6V, Kabel 3 = 7,2 V, Kabel 4 = 10,8V, Kabel 5 = 14,4V , Kabel 6 = 18,0 V, Kabel 7 =21,6V, Kabel 8 = 25,2V, Kabel 9 = 28,8V, Kabel 10 = 32,4V Kabel 11 = 36,0V.

Bei der Konfiguration der Einstellungen für das BMS ist zu beachten, das die Überspannungsabschaltung bei den meisten Anwendungsfällen lieber etwas höher angesetzt werden sollte, da sonst das BMS vor dem Ladegerät abschaltet (oder es zu einem oszillierenden Verhalten kommt), was die Ladegeräte nicht mögen. (Lädt das Ladegerät bspw. einen 10S Akku bis 41,0 Volt, so kann die Überspannungsabschaltung z.B. auf 4,15 Volt / Zelle gesetzt werden (Balancing Beginn z.B. auf 3,5 Volt / Zelle), die Zellen laufen dann alle genauestens balanciert auf zusammen 41 Volt hoch (= 10 x 4,10 Volt / Zelle), und das Ladegerät schaltet ab. Die Überspanungsabschaltung des BMS wird nicht benötigt und kann so auch nicht stören. (Wird hingegen die Überspannungsabschaltung des BMS z.B. auf 4,10 Volt gesetzt; und das Ladegerät lädt auch bis 4,10 Volt, so wird bei Erreichen von 4,10 Volt (bei noch vollem Strom, CC Phase) das BMS abschalten, ohne die CV Ladephase des Ladegerätes auszunutzen. Ggf. schaltet es auch nach einem leichten Absinken der Akkuspannung auch wieder ein, das Ladegerät lädt wieder, und es kommt zu einem ungünstigen wiederholten Wechsel zwischen Ein- und Ausschalten.)

Desweiteren ist auch möglich, das Smart BMS sozusagen im „off label use“ zu verschalten. Z.B. kann man alle drei Anschlüsse parallel auf den gemeinsamen Plus und den Batterie Minus Anschluss legen; also auch den für Laden und Entladen. Das Modul wird auf idle Balancieren programmiert (Balancierbeginn auf z.B. 3,3 Volt, damit im Fehlerfall nicht alle Zellgruppen tiefentladen werden). Die Überspannungs- bzw. Unterspannungsabschaltung wird dann vom Ladegerät bzw. Controller übernommen. Es sind so seitens des BMS keine Grenzen für die Höhe der Lade- und Entladeströme gesetzt und können auch keine Mosfets überhitzen oder durchbrennen. Allerdings schaltet das BMS, wenn eine Zellbank z.B. 2,75 Volt unterschreiten würde, nicht ab; das Ganze geht also nur bei einem hinreichend gleichlaufenden Akku und einer passend dimensionierten Unterspannungsabschaltung durch den Controller.

Wichtig: Immer zuerst das BMS mit Plus und Minus an den Akku anzuschließen und erst danach die Balancerkabel anstecken, sonst kann der Chip Schaden nehmen. (Beim Trennen umgekehrte Reihenfolge.)

Balancierung eines 10S Akkupacks an einem Smart BMS Modul

Smart BMS Module können auch so programmiert werden, das sie auch ohne Ladevorgang balancieren (Balancieren im idle Modus). Einfach den Akku über den normalen Akkustecker (zuerst) und den Balanceranschluss (als zweites) an das Modul anschließen; nach einigen Stunden sind dann alle Zellgruppen des Akkus auf unter 10 mV genau ausbalanciert. Zu Beachten ist, das eine Anpassung aller Zellen auf das Spannungsniveau der untersten Zelle stattfindet. Haben die Zellgruppen eines 10S Akkus bspw. 3,90, 3,90, 3,93, 3,95, 3,85, 3,87, 3,89, 3,89, 3,90, 3,85 Volt, so haben die Zellen nach der Balancierung alle 3,85 Volt. Ferner ist zu beachten, das das Modul so nicht in den sogenannten sleep modus geht und dadurch einen höheren standby-Stromverbrauch hat (ca. 0,5 mA statt ca. 0,05 mA).

10S Testakku im idle Balancierungsmodus an einem Smart BMS Modul; nach einiger Zeit sind die Zellspannungen angeglichen

10S Testakku im idle Balancierungsmodus an einem Smart BMS Modul; mit zusätzlicher Verkabelung von + und – auf der Rückseite.

Der Akku braucht dann nur noch über den Balancerport angeschlossen werden. (Kann aber auch für alle anderen Funktionen genutzt werden.

(Ob so Probleme hinischtlich der Anschlussreihenfolge auftreten können ist allerdings nicht restlos geklärt.)

Ferner kann das Modul nach Meinung versierter Nutzer des pedelec-forums auch mit einem Ein-/Ausschalter versehen werden, der zwischen dem gemeinsamen Plus von Akku, Controller und Ladeport und P+ der BMS-Platine liegt, siehe hier. Eigene Tests mit ca. 200x Ein-/Ausschalten haben dies bestätigt. Die Methode ist aber offiziell so nicht spezifiziert.

Balancierung eines 10S Akkupacks mit einem 1S - 6S Standard Modellbau - Ladegerät

Durch getrenntes Laden sozusagen beider Hälften eines 10S Akkus nacheinander besteht auch mit einem normalen 6S Modellbauladegerät die Möglichkeit, von Zeit zu Zeit eine Balancierung des Akkus vorzunehmen. Hierzu muss man sich nur einen Adapterstecker für den 10S Balancerport bauen, mit dem durch Umstecken und zweimaligem Laden der Akku im Balancermodus (bei kleiner Stromstärke!) ebenfalls balanciert werden kann. Die 22AWG (0,33 mm³) Balancerkabel sind für Ströme bis ca. 1 Ampere ausreichend dimensioniert.

Balancierung der 1. Hälfte eines 10S Test-Akkus, Hauptanzeigemodus mit Anzeige von: Programm Li Ionen, 5S, Balanceladen, aktuellem Strom (A) und aktueller Spannung (V), Zeit und geflossenem Strommenge in mA. (An dem 5S Balancerverlängerungskabel müssen zum Aufstecken auf den 10S Balanceanschluss mit einer Nagelschere o.dgl. die Seitenwände entfernt werden, siehe hier.)

Balancierung der 1. Hälfte des Akkus, Anzeigemodus Spannungen der einzelnen Zellen bzw. Zellgruppen

Balancierung der 2. Hälfte des Akkus, Hauptanzeigemodus

Messungen und Auswechseln der Sicherung am fertigen Akkupack

Fertiger Akku mit XT60 Hochstromstecker: Sicherung und Balanceranschluss unter wiederverwendbarem Gewebeband

Messung der Spannungen der einzelnen Zellgruppen über den Balanceranschluss mit einem Multimeter. Die Spannungen werden der Reihe nach an jeweils zwei Kontakten gemessen; erst zwischen 1. und 2.,

dann zwischen 2. und 3., dann 3. und 4. Kontakt, usw. Die Spannung der jeweiligen Zellgruppe darf sich dabei nur zwischen (absolut) 2,5V und 4,2V bzw. besser zwischen 3,0V und 4,1V bewegen. Die Abweichungen der Spannungen der einzelnen Zellgruppen sollte höchstens ca. 0,04 Volt betragen. Wie wird gemessen? Spannung zwischen 1. und 2. Kerbe, dann zwischen 2. und 3. Kerbe, dann zwischen 3. und 4. Kerbe, usw.; alle Spannungen müssen gleich sein und zwischen 2,5 und 4,2 Volt liegen.

Messungen wie oben mit einem 2Pin Messkabel

Laden von Einzelzellen an Modellbau - Ladegeräten vom Typ „Imax B6“

Sollen nur lose einzelne Zellen geladen werden (z.B. beim Selektieren von Zellen, bei Verwendung in Taschenlampen etc.), so sollten diese vorzugsweise wie auf dem Bild unten zu sehen parallel geladen werden. Im Prinzip können so beliebig viele Zellen gleichzeitig geladen werden. Die Zellen können bei Ladebeginn zur Not auch einen etwas ungleichen Ladezustand aufweisen, da sich die Spannungen beim parallelem Einlegen der Zellen schnell angleichen. (Und selbst wenn z.B. eine Zelle 3,2 Volt und eine andere 3,6 Volt aufweist, ergibt sich bei einem Innenwiderstand der Zellen von ca. 50 - 80 mOhm nur ein kurzzeitiger Ausgleichsstrom von ca. 4 Ampere (I = U / R = 0,4 V / 2 x 0,05 Ω = 4 A), was zwar nicht unbedingt gut ist, aber die Zelle im Vergleich zu anderen Faktoren nicht übermäßig schädigen dürfte.)

Pro Zelle empfiehlt es sich, mit einem Strom von ca. 0,3 - max. 1,0 Ampere zu laden. Je geringer die gewählte Stromstärke ist, desto schonender für den Akku. Am Ladegerät wird dazu das Programm Li Ion aufgerufen; dann 1S für 1 Zelle in Serie und die passende Ladestromstärke eingestellt. Einstellbar sind Ladeendspannungen für 1S von 4,1 Volt (empfohlen), 4,2 Volt und 3,6 Volt für LiFePO₄ Akkus. Des weiteren können zur Erhöhung der Sicherheit auch Zeit- , Temperatur- und Kapazitätslimite eingegeben werden, nach dessen Erreichen der Ladevorgang automatisch gestoppt wird.

Ein Laden von zwei (oder mehr) einzelnen Zellen in Serie bringt keine Vorteile; u.a. müssten dafür Balancerkabel mit Zwischenspannungsabgriff angeschlossen werden, die überwachen, dass den maximal 8,2 Volt Endspannung auch genau 2 x 4,1 Volt je Zelle entsprechen und nicht z.B. 3,9 und 4,3 Volt.

Billig-Ladegeräte von Ultrafire, Trustfire, no name 18650er Li Ion charger usw. sind in der Regel nicht zu empfehlen, da sie die Akkus oft auf eine zu hohe Spannung (ggf. auf bis zu kritische 4,30 Volt) aufladen. Manchmal schalten sie nach dem angezeigten Ladeende auch nicht richtig ab, sondern laden die Akkus mit Strömen von einigen mA noch weiter. Daher sollte bei jedem neuen Ladegerät die Einhaltung der Spannungsgrenzen mit einem Messgerät anfänglich überprüft werden.

Ebensowenig macht nach Ansicht des Verfassers die Verwendung von 18650er Zellen mit Schutzelektronik („protected“) Sinn, da ein gutes Ladegerät die Einhaltung der Ladeparameter wesentlich besser überwachen kann als die Kombination aus Billiglader + auf die Zelle aufgepfropfte Billig-Elektronik. Und da z.B. die meisten Taschenlampen bei Unterschreiten von 3 Volt Zellspannung den Strom sowieso abregeln, besteht gewöhnlich auch nicht die Gefahr der Tiefentladung des Akkus. (Ggf. nachmessen!)

Laden von 5 parallelen Einzelzellen am Imax B6 Ladegerät

Laden von kleineren Akkupacks an Ladegeräten vom Typ „Imax B6“

Auch das Laden von kleineren Akkupacks etwa der Konfiguration 4P3S ist an diesem Ladegerät denkbar einfach. Plus bzw. Minus des Akkupacks mit Plus bzw. Minus des Ladegerätes verbinden, Balancerkabel anstecken und im Programm für 3S Li Ionen Akkus den Akku laden.

Baut man solch ein Akkupack aus Konion Akkus, kann der Balanceranschluss auch weggelassen werden oder nur zu gelegentlichen Kontrollzwecken verwendet werden. Statt die in den folgenden Bildern gezeigten Krokodilklemmen und freien Litzen sollten bei einem regelmäßigem Gebrauch zum Anschluss des Akkus an das Ladegerät bspw. XT60 Stecker verwendet werden. Der Aufbau des Akkupacks und Anschluss an das Ladegerät ist von Schema her im Prinzip genauso wie bei den größeren Akkupack hier. [Das Ganze ist ein erweiterter Laptop-Akku, wo zur Kapazitätssteigerung die Zellen sozusagen aus dem Gehäuse ausgelagert sind. (Statt vorher 2P3S jetzt 4P3S.)]

An dem Ladegerät kann der aktuelle Stromfluss, die aktuelle Spannung, Zeit sowie Kapazität abgelesen werden.

Links wird vorerst nicht mehr aktualisiert

[1] http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries

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