Re: Ideensammlung für eine E-Aufstiegshilfe: Akku und Ladetechnik
Verfasst: Mo 2. Jan 2017, 13:49
Akku-Ladetechnik: „BMS“ oder „Balancer“?
Nicht klar ist mir, wie man für eine Paramotor-Anwendung am besten/sichersten einen Akkupack mit in Serie geschalteten EInzelzellen lädt.
Genügt es, sogenannte „Balancer“ nur beim Laden zu verwenden, oder verwendet man besser gleich ein vollständiges „BMS“ (Battery management system)?
Erklärung dazu durch einen Ausflug in meine Variante der E-Mobilität (Obacht, viel Text!!):
ich habe seit über 2 Jahren einen E-Roller (E-max 90s), der standartmäßig mit 4 in Reihe geschalteten Blei-Gel Akkus (12V, 40AH) betrieben wird. D.h. Nominalspannung ist somit 48V.
Geladen wurden diese 4 Akkus in Reihe mit einem speziellen Ladegerät, welches bei einer Ladespannung von 48V eine geeignete Ladekennlinie zur Verfügung stellte.
Blei-Gel-Akkus (aber auch die Standart-Blei-Akkus in Autos) sind äusserst zickig, was ihre Behandlung betrifft: bei Überladung bekommen sie schnell „dicke Backen“ und gasen aus (=Entsorgen!), bei Tiefentladung gehen sie auch schnell kaputt.
Wenn man bei einer Reihenschaltung nur die Gesamtspannung (48V) überwacht, hat man keine Info über den Ladezustand der Einzelzellen, und da die im Lauf der auseinanderdriften, kann es leicht passieren, dass beim Laden einzelne Zellen überladen werden und beim Entladen (Fahren) einzelne Zellen schon in Unterspannung geraten, ohne dass man es sofort bemerkt.
Nun hängt die maximal mögliche Anzahl von Ladezyklen stark von der Behandlung ab: bei Blei-Gel-Akkus sollte man nie mehr als 50% der Kapazität entnehmen und am Besten bei der geringsten Entnahme sofort wieder vollständig aufladen, sonst halten sie nicht lange. Bleibatterien in KFZ halten deswegen oft so lange, weil sie nach der Entnahme (Startvorgang) sofort durch die Lichtmaschine wieder vollständig geladen werden. Das ist auch der Grund, wieso die Batterien von Gebrauchtkarren, die länger unbenutzt herumstanden, meist kaputt sind (auch bei ausgeschalteter Zündung fließt ständig ein kleiner Reststrom, der über die Wochen die Batterie tief entlädt. Man kann sie dann zwar kurzfristig wieder reanimieren (Starthilfe), aber nach der ersten kalten Winternacht springt die Karre dann doch nicht mehr an).
Mein Roller, den ich gebraucht kaufte, hatte auch Blei-Gel-Akkus, von denen ich wusste, dass sie schon ziemlich schlapp waren (Reichweite statt 50-60km nur noch 15km).
Deswegen hatte ich beim Kauf schon neue Akkus mit einkalkuliert, dazu gab es 2 Möglichkeiten:
entweder 4 neue Blei-Gel-Akkus, Kosten ca. 500-700€, bei richtiger Behandlung halten die ca. 10000km.
oder gleich die Technologie wechseln:
16 Stück in Reihe geschaltete (16s) LiFeYPO4-Zellen 60AH mit einer Nominalspannung von 3,2V pro Zelle, Unterspannung 2,8V (darf nicht unterschritten werden).
Geladen werden sie in Reihe mit einem 48V-Ladegerät mit LiFeYPO4-Ladekennlinie.
LiFeYPO4-Zellen haben bei gleichem Gewicht eine deutlich höhere Kapazität, haben nicht die Nachteile von Blei-Gel und können auch mal tiefer entladen werden (solange die 2,8V nicht erreicht werden) und müssen auch nicht sofort wieder aufgeladen werden, ohne dass die Zyklenzahl abnimmt. Weitere Eckdaten (Temps, max. Ströme etc. liefern die Datenblätter der Zellen).
Ich hatte mich für Variante 2 (LiFeYPO4) entschieden, Kosten waren ca. 1600€ (Akkus, Ladegerät, Balancer) und bereue es bis heute nicht.
So, nun zu der Ausgangsfrage (BMS vs. Balancer)
Ein „BMS“ überwacht sowohl beim Laden als auch beim Entladen (Fahren bzw. Fliegen) ständig alle Einzelzellen, und zwar nicht nur die Spannungen, sondern auch die Temperaturen und schreitet ein, wenn was nicht stimmt. Das ist natürlich der Idealzustand, allerdings sind manche Systeme auch fehleranfällig (die Controller stürzen schon mal ab) und man muss sie natürlich auch bei einem Flugakku ständig mit herumschleppen (Gewicht). Da an jeder Einzelzelle ein zusätzliches elektronisches Bauteil mit dranhängt, kann bei grober Behandlung auch schon mal was kaputtgehen und im worst-case auch u.U. eine Zelle kurzschliessen.
Sogenannte „Balancer“ hingegen sind Lastmodule, die auch an jeder Zelle zwischen + und - klemmen und nur beim Ladevorgang tätig werden: Eilt eine Zelle bei Laden voraus (weil sie weniger entladen war als der Rest), leitet der Balancer Überspannung/Strom ab und schützt somit die Zelle von Überladung. Im Idealfall sollten dann nach mehreren Ladevorgängen alle 16 Zellen „in Balance“ sein, d.h. gleiche Ladezustände haben.
Perfekt funktioniert das allerdings nicht, aber man kann auch nach mehreren Ladezyklen die Einzelzellen mit einem Voltmeter überprüfen und eventuelle Ausreisser, die weniger Spannung haben, mit einem Laborladegerät einzeln nachladen. Mach´ ich auch gelegentlich…
Aber auch da gibt es den Nachteil, dass die Balancer zusätzliche elektronische Bauteile sind, die z.B. beim Roller ständig Feuchtigkeit, Schmutz und Rüttelei ausgesetzt sind und somit auch schon mal kaputtgehen können (und u.U. dann auch „ihre“ Zelle mit in den Abgrund reissen). Ausserdem ziehen die Lastmodule auch im Ruhezustand das eine oder andere mA, so dass bei längerer Nichtbenutzung auch die Zellen langsam entladen werden. Das gilt natürlich auch für die Lastmodule eines BMS!
Deswegen habe ich das bei meinem Roller so gelöst: die Balancer verbleiben nicht im Roller, sondern werden nur beim Laden mit einem Multistecker mit dem Akkupack verbunden. Ist der Akku geladen, werden sie nicht mehr benötigt und wieder abgesteckt.
Beim Fahren achte ich dann auf die gefahrenen Kilometer und auf die Gesamtspannung. Fällt die unter einen Wert von deutlich kleiner 48V, lade ich das Moped bei nächster Gelegenheit auf. Und alle paar Wochen/Monate überprüfe ich alle Zellen einzeln, ob da irgendeine schon schlapp macht. Bis jetzt (Umbau war 9/2014, seitdem wenigstens mehr als 5000km) ist alles ok.
So, nun zum „Flugakku“:
wir gehen davon aus, dass ein Flugakku aus ca. 14-15s Einzelzellen besteht, (z.B.: Headway 15AH LiFePo4- Einzelzellen, die hatte Thomas aber schon per PN als nicht so geeignet bezeichnet), um auf eine Spannung von 45-50V zu kommen. Mehr Kapazität erreicht man dann durch Parallelschaltung der Zellen.
Reichte es für einen Flugakku, alle Zellen wie beim Roller in Serie mit einem geeigneten Ladegerät zu laden und den Ladevorgang mit aufsteckbaren Balancern zu kontrollieren, die dann am Boden bleiben oder sollte man ein vollständiges BMS verbauen, dass man dann aber immer mit herumschleppen muss.
??
Der Motorcontroller kann ja (soweit ich verstanden habe) die Ströme kontrollieren/überwachen und hat eine Schnittstelle zu einem vorhandenen BMS. Ist dieses aber nicht vorhanden, könnte man wenigstens die Akkutemperatur mittels geeigneter Sensoren messen und dem Controller zuführen. Die Gesamtspannung sollte dann aber immer „manuell“ mittels Display ständig überwacht werden.
Die Variante mit steckbaren Balancern ist für mich etwas smarter, da nach dem Prinzip „Kiss“: was in der Luft nicht mit dabei ist, kann auch nicht kaputtgehen und andere Probleme verursachen.
Was meint Ihr dazu?
LG Klaus
Nicht klar ist mir, wie man für eine Paramotor-Anwendung am besten/sichersten einen Akkupack mit in Serie geschalteten EInzelzellen lädt.
Genügt es, sogenannte „Balancer“ nur beim Laden zu verwenden, oder verwendet man besser gleich ein vollständiges „BMS“ (Battery management system)?
Erklärung dazu durch einen Ausflug in meine Variante der E-Mobilität (Obacht, viel Text!!):
ich habe seit über 2 Jahren einen E-Roller (E-max 90s), der standartmäßig mit 4 in Reihe geschalteten Blei-Gel Akkus (12V, 40AH) betrieben wird. D.h. Nominalspannung ist somit 48V.
Geladen wurden diese 4 Akkus in Reihe mit einem speziellen Ladegerät, welches bei einer Ladespannung von 48V eine geeignete Ladekennlinie zur Verfügung stellte.
Blei-Gel-Akkus (aber auch die Standart-Blei-Akkus in Autos) sind äusserst zickig, was ihre Behandlung betrifft: bei Überladung bekommen sie schnell „dicke Backen“ und gasen aus (=Entsorgen!), bei Tiefentladung gehen sie auch schnell kaputt.
Wenn man bei einer Reihenschaltung nur die Gesamtspannung (48V) überwacht, hat man keine Info über den Ladezustand der Einzelzellen, und da die im Lauf der auseinanderdriften, kann es leicht passieren, dass beim Laden einzelne Zellen überladen werden und beim Entladen (Fahren) einzelne Zellen schon in Unterspannung geraten, ohne dass man es sofort bemerkt.
Nun hängt die maximal mögliche Anzahl von Ladezyklen stark von der Behandlung ab: bei Blei-Gel-Akkus sollte man nie mehr als 50% der Kapazität entnehmen und am Besten bei der geringsten Entnahme sofort wieder vollständig aufladen, sonst halten sie nicht lange. Bleibatterien in KFZ halten deswegen oft so lange, weil sie nach der Entnahme (Startvorgang) sofort durch die Lichtmaschine wieder vollständig geladen werden. Das ist auch der Grund, wieso die Batterien von Gebrauchtkarren, die länger unbenutzt herumstanden, meist kaputt sind (auch bei ausgeschalteter Zündung fließt ständig ein kleiner Reststrom, der über die Wochen die Batterie tief entlädt. Man kann sie dann zwar kurzfristig wieder reanimieren (Starthilfe), aber nach der ersten kalten Winternacht springt die Karre dann doch nicht mehr an).
Mein Roller, den ich gebraucht kaufte, hatte auch Blei-Gel-Akkus, von denen ich wusste, dass sie schon ziemlich schlapp waren (Reichweite statt 50-60km nur noch 15km).
Deswegen hatte ich beim Kauf schon neue Akkus mit einkalkuliert, dazu gab es 2 Möglichkeiten:
entweder 4 neue Blei-Gel-Akkus, Kosten ca. 500-700€, bei richtiger Behandlung halten die ca. 10000km.
oder gleich die Technologie wechseln:
16 Stück in Reihe geschaltete (16s) LiFeYPO4-Zellen 60AH mit einer Nominalspannung von 3,2V pro Zelle, Unterspannung 2,8V (darf nicht unterschritten werden).
Geladen werden sie in Reihe mit einem 48V-Ladegerät mit LiFeYPO4-Ladekennlinie.
LiFeYPO4-Zellen haben bei gleichem Gewicht eine deutlich höhere Kapazität, haben nicht die Nachteile von Blei-Gel und können auch mal tiefer entladen werden (solange die 2,8V nicht erreicht werden) und müssen auch nicht sofort wieder aufgeladen werden, ohne dass die Zyklenzahl abnimmt. Weitere Eckdaten (Temps, max. Ströme etc. liefern die Datenblätter der Zellen).
Ich hatte mich für Variante 2 (LiFeYPO4) entschieden, Kosten waren ca. 1600€ (Akkus, Ladegerät, Balancer) und bereue es bis heute nicht.
So, nun zu der Ausgangsfrage (BMS vs. Balancer)
Ein „BMS“ überwacht sowohl beim Laden als auch beim Entladen (Fahren bzw. Fliegen) ständig alle Einzelzellen, und zwar nicht nur die Spannungen, sondern auch die Temperaturen und schreitet ein, wenn was nicht stimmt. Das ist natürlich der Idealzustand, allerdings sind manche Systeme auch fehleranfällig (die Controller stürzen schon mal ab) und man muss sie natürlich auch bei einem Flugakku ständig mit herumschleppen (Gewicht). Da an jeder Einzelzelle ein zusätzliches elektronisches Bauteil mit dranhängt, kann bei grober Behandlung auch schon mal was kaputtgehen und im worst-case auch u.U. eine Zelle kurzschliessen.
Sogenannte „Balancer“ hingegen sind Lastmodule, die auch an jeder Zelle zwischen + und - klemmen und nur beim Ladevorgang tätig werden: Eilt eine Zelle bei Laden voraus (weil sie weniger entladen war als der Rest), leitet der Balancer Überspannung/Strom ab und schützt somit die Zelle von Überladung. Im Idealfall sollten dann nach mehreren Ladevorgängen alle 16 Zellen „in Balance“ sein, d.h. gleiche Ladezustände haben.
Perfekt funktioniert das allerdings nicht, aber man kann auch nach mehreren Ladezyklen die Einzelzellen mit einem Voltmeter überprüfen und eventuelle Ausreisser, die weniger Spannung haben, mit einem Laborladegerät einzeln nachladen. Mach´ ich auch gelegentlich…
Aber auch da gibt es den Nachteil, dass die Balancer zusätzliche elektronische Bauteile sind, die z.B. beim Roller ständig Feuchtigkeit, Schmutz und Rüttelei ausgesetzt sind und somit auch schon mal kaputtgehen können (und u.U. dann auch „ihre“ Zelle mit in den Abgrund reissen). Ausserdem ziehen die Lastmodule auch im Ruhezustand das eine oder andere mA, so dass bei längerer Nichtbenutzung auch die Zellen langsam entladen werden. Das gilt natürlich auch für die Lastmodule eines BMS!
Deswegen habe ich das bei meinem Roller so gelöst: die Balancer verbleiben nicht im Roller, sondern werden nur beim Laden mit einem Multistecker mit dem Akkupack verbunden. Ist der Akku geladen, werden sie nicht mehr benötigt und wieder abgesteckt.
Beim Fahren achte ich dann auf die gefahrenen Kilometer und auf die Gesamtspannung. Fällt die unter einen Wert von deutlich kleiner 48V, lade ich das Moped bei nächster Gelegenheit auf. Und alle paar Wochen/Monate überprüfe ich alle Zellen einzeln, ob da irgendeine schon schlapp macht. Bis jetzt (Umbau war 9/2014, seitdem wenigstens mehr als 5000km) ist alles ok.
So, nun zum „Flugakku“:
wir gehen davon aus, dass ein Flugakku aus ca. 14-15s Einzelzellen besteht, (z.B.: Headway 15AH LiFePo4- Einzelzellen, die hatte Thomas aber schon per PN als nicht so geeignet bezeichnet), um auf eine Spannung von 45-50V zu kommen. Mehr Kapazität erreicht man dann durch Parallelschaltung der Zellen.
Reichte es für einen Flugakku, alle Zellen wie beim Roller in Serie mit einem geeigneten Ladegerät zu laden und den Ladevorgang mit aufsteckbaren Balancern zu kontrollieren, die dann am Boden bleiben oder sollte man ein vollständiges BMS verbauen, dass man dann aber immer mit herumschleppen muss.
??
Der Motorcontroller kann ja (soweit ich verstanden habe) die Ströme kontrollieren/überwachen und hat eine Schnittstelle zu einem vorhandenen BMS. Ist dieses aber nicht vorhanden, könnte man wenigstens die Akkutemperatur mittels geeigneter Sensoren messen und dem Controller zuführen. Die Gesamtspannung sollte dann aber immer „manuell“ mittels Display ständig überwacht werden.
Die Variante mit steckbaren Balancern ist für mich etwas smarter, da nach dem Prinzip „Kiss“: was in der Luft nicht mit dabei ist, kann auch nicht kaputtgehen und andere Probleme verursachen.
Was meint Ihr dazu?
LG Klaus