Neues Akku-Projekt: tragbarer Akku mit 1,5kWh / 8kg Gewicht!

[I.C.H.]

Wurde hier im Forum offensichtlich noch nicht thematisiert: ein tragbarer Akku auf Lithium-Mangan-Basis, welchen ich gegenwärtig in der Planung habe.
Konkret dachte ich dabei an folgende Markenzelle (Sony-Konion US18650V3):
http://shop.strato.de/epages/61333079.s ... ion_2250V3

Und hier ein Datenblatt dazu (Tipp: die grüne 2A-Entlade-Kurve im ersten Diagramm entspricht ziemlich genau dem 24A-Dauerstrom beim Fahren mit etwa 45km/h (bei 15s12p). Kann also perfekt für die kleineren eRoller (e-max 1500, Tisong TM-300, Innoscooter 2500, Solar-Scooter SC-25, usw.) als Referenz herangezogen werden):
http://www.greenroad.at/shop/mediafiles ... 8650v3.pdf

Technische Daten:
Typische Zellenspannung: 3,7V
Nennkapazität: 2250mAh
Ladeschlusspannung:4,2V
Entladeschlusspannung:2,5V
Ladeverfahren: CCCV
Strombelastbarkeit: 5C / ca. 11A Zelle
Innenwiderstand: 31,5mR
Abmessungen, Gewicht: 18x65mm, 43g

Ein Kraftpaket aus 180 punktgeschweißten Konion's hätte folgende Daten:

Zellenanordnung: 15s12p
Nenn-Spannung/-Kapazität: 55,5V / 27Ah
Strombelastbarkeit: 120A
Gesamt-Innenwiderstand: < 40mOhm
Energiegehalt: ca. 1,5kWh
Lebensdauer: 800 Zyklen (= 40000km bei 30Wh/km)
Größe: nur 22 x 15 x 13cm
Gewicht: < 8kg...!!!
Preis: ca. 760,- €

Ein großer Vorteil scheint für mich in der Tatsache zu liegen, dass die Zellen eigensicher und nahezu driftfrei sein sollen. Dadurch könnte auf ein BMS verzichtet werden. In diversen Foren wird kolportiert, dass die max. Zellendrift (Spannungsdifferenz der einzelnen Zellen untereinander) bei Hochstrom-Entladung eines Stranges bei < 8mV gelegen haben soll; ein sensationeller Wert.
Ein weiterer Vorteil bei Betrieb ohne BMS wäre der um ca. 50% geringere Innenwiderstand (Ri), was sich positiv auf den Gesamt-Wirkungsgrad auswirken dürfte (Spannung bricht unter Belastung weniger stark ein).

Ein Nachteil könnte sein, dass diese Zelle als "bedingt" hochstromfähig klassifiziert wird. Ich würde dabei vermuten, dass ein Anstieg der Zellentemperatur > 55°C der Lebensdauer abträglich sein könnte, weshalb die Temperatur überwacht werden sollte, ebenso wie Spannungsunter- und Obergrenze. Dies könnte man leicht mit einer kleinen Schaltung realisieren und wäre m.E. ein Sicherheitsfeature gegen "Not und Elend".
Weiters dürfen die Zellen bei der Verarbeitung thermisch keinesfalls gestresst werden (Erhalt der geringen Toleranzen), was bedeutet, dass die Zellen punktgeschweißt werden müssen.

Fazit: die Vorteile überwiegen und rechtfertigen m.E. den Aufwand. Bei einem Gewicht von nur 8 kg hätte ich einen transportablen 1,5kWh-Akku, den ich nach Belieben in einen meiner eRoller oder mein eQuad einsetzen kann - ein absolutes Novum!

Zusatz (edit):

Um das Optimum aus einem LiMn-Akku herauszuholen, sollten m.E. einige Betriebs-Parameter überwacht werden. Dies könnte quasi im Hintergrund geschehen, ohne den (ggf. technisch unverständigen) Anwender unnötig einzuschränken. Möglicherweise läßt sich die Nutzungsdauer dadurch deutlich erhöhen, wenn die Zellen im Bereich 2,9V...4,1V anstatt 2,5V...4,2V betrieben werden.
Für mich persönlich wäre es recht hilfreich eine Schaltung zu verwenden, die verhindert, dass Dritte (die sich den eRoller ausleihen) den Akku unterhalb eine kritischen Grenze entladen oder sonstwie fehlbehandeln.

Ähnlich dem von mir eröffnetem Thema "HEADWAY-Monitoring" sollte im Anwendungsfall LiMn-Akku eine wirksame Zellen-Überwachung mindestens folgende Punkte beinhalten:

- Temperatur-Überwachung, Controller-Abregelung bei einer Zellen-Temp. von > 60°C
- potenzialfreie Überwachung der Zellenspannung aller 15 Einzel-Zellenblöcke
- Controller-Abregelung bei Zellenspannung < 2,9V (einstellbar)
- Ladegerät-Abregelung bei Zellenspannung > 4,1V (einstellbar)

Wichtig erscheint mir der Punkt, die Zellen im Betrieb potentialfrei messen zu können. Dies ist notwendig, um den Strom bei der Entladung (für die Messung) absolut symetrisch zu halten; selbst dann, wenn sämtliche Komponenten hochohmig eingekoppelt werden. Nur so ließe sich garantieren, dass die Zellendrift auch tatsächlich gering bleibt und nicht durch die Beschaltung der Messvorrichtung selbst neg. beeinflußt wird. Somit fallen einfache Spannungsteiler zum Runtersetzen der Spannungen auf ADC-5V-Niveau natürlich aus. Auch die in meinem HEADWAY-Monitoring-Thread favorisierte Umschaltung über CMOS-Analog-Schalter würde nicht funktionieren, da die Eingangsspannung mit 63V höher ist, als die max. zulässige CMOS-Spezifikation.

Sollte es Anwender geben, die über irgendwelche (Langzeit-) Erfahrung mit den Sony-Konion berichten können, so würde ich mich über entspr. Beiträge sehr freuen.
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[Inno6000L]

Ein großer Vorteil scheint für mich in der Tatsache zu liegen, dass die Zellen eigensicher und nahezu driftfrei sein sollen. Dadurch könnte auf ein BMS verzichtet werden. In diversen Foren wird kolportiert, dass die max. Zellendrift (Spannungsdifferenz der einzelnen Zellen untereinander) bei Hochstrom-Entladung eines Stranges bei < 8mV gelegen haben soll; ein sensationeller Wert.
Ein weiterer Vorteil bei Betrieb ohne BMS wäre der um ca. 50% geringere Innenwiderstand (Ri), was sich positiv auf den Gesamt-Wirkungsgrad auswirken dürfte (Spannung bricht unter Belastung weniger stark ein).

Davon halte ich nicht viel. Irgendeine Art von BMS ist meiner Meinung nach bei Lithium immer Pflicht, und sei es angleichen durch Widerstände.
Und wenn der Drift noch so klein ist und das vielleicht 100Zyklen gut geht, irgendwann wird der Drift größer und die Kapazität lässt nach.
Ein BMS erhöht übrigens in der Regel nicht den Innenwiderstand des Akkus, und wenn dann vielleicht durch die Kabellänge bzw. den Shunt, aber das ist wohl vernachlässigbar.

Gruß
Martin

[I.C.H.]

Davon halte ich nicht viel. Irgendeine Art von BMS ist meiner Meinung nach bei Lithium immer Pflicht, und sei es angleichen durch Widerstände.
Und wenn der Drift noch so klein ist und das vielleicht 100Zyklen gut geht, irgendwann wird der Drift größer und die Kapazität lässt nach.

Klingt für mich erstmal nicht so, als ob Du diese Einschätzung auf TATSÄCHLICHEN Erfahrungen mit Sony-Konions bzw. LiMn-Zellen begründen kannst. Sicher läßt die Kapazität von JEDER Zelle irgendwann nach. Dies aber allein auf ein fehlendes BMS abzuleiten halte ich für technisch unfundiert.
Aber es war ja nur eine irgendwie-Meinung, und die sei Dir im Rahmen dieses Forum zugestanden.
Hilfreich fände ich dagegen technisch belastbare Aussagen, die geeignet sind, neue, innovative Ideen zu unterstützen, anstatt mit vagen Behauptungen zu torpedieren!
Mit "vielleicht geht es 100 Zyklen gut" oder "irgendwann wird die Drift größer" ist keinem Entwickler wirklich geholfen. Insofern bin ich immer wieder erstaunt, auf welch "hohen Niveau" hier Beiträge verfasst werden.

[STW]

Zellen driften. Egal welche Chemie es ist. Grundsätzlich pflichte ich Martin bei.

[Alfons Heck]

Ein Kraftpaket aus 180 punktgeschweißten Konion's hätte folgende Daten:

Zellenanordnung: 15s12p
Nenn-Spannung/-Kapazität: 55,5V / 27Ah
Strombelastbarkeit: 120A
Gesamt-Innenwiderstand: < 40mOhm
Energiegehalt: ca. 1,5kWh
Lebensdauer: 800 Zyklen (= 40000km bei 30Wh/km)
Größe: nur 22 x 15 x 13cm
Gewicht: < 8kg...!!!
Preis: ca. 760,- €

Wieso 760Euro?
180St X 5,70Euro = 1026Euro ohne Zusammenbau.
Für meinen Tisong ist es zu wenig Kapazität. 40Ah sollten es schon sein.
Damit bin ich auf etwa 1300Euro und kann bei den LiFePo bleiben mit ca2,2kWh und 29Kg Festeinbau.


Gruß
Alfons.

[Klappstuhl]

schöne Zellen für den Wenigstrombereich. ich hatt auch über 18650er Zellen nachgdacht nur ich wäre mit der Strombelastbarkeit nicht hingekommen ist vllt aber sehr interssant für Leute die in ner Wohnblocksiedlung wohnen

[I.C.H.]

Zellen driften. Egal welche Chemie es ist. Grundsätzlich pflichte ich Martin bei.

Driften können und sollen die Zellen auch, solange sich diese Drift bei ALLEN Zellen und im Vergleich untereinander im Bereich < 1% bewegt hat doch niemand ein Problem damit.
Und derart sensationell geringe Werte werden in Modellbauforen kolportiert...

Für eine möglichst lange Nutzung- und Lebensdauer eines LiMn-Akkus (auf Basis der Sony-US18650V3) habe ich nun folgenden Kompromiss ausgearbeitet: ich verbinde Zellen-Monitoring mit (Quasi-)BMS. Grundlage ist weiterhin die Annahme, dass die Sony-Zellen untereinander sehr gering driften. Diese Annahme scheint zunächst berechtigt, da selbst professionelle Akkuschrauberhersteller wie Fa. Bosch diese Zellen völlig ohne BMS einsetzen.
Auf Basis eines Atmel-Controller ATmega8 werde ich nun eine potentialfreie Messvorrichtung aufbauen, um jeden der 15 Zellencluster im mV-Bereich bewerten zu können. Wichtig ist m.E. dabei, dass die für die Messung entnommene Energiemenge möglichst 100% gleich hoch ist, um keine ZUSÄTZLICHE Drift durch die Messvorrichtung einzuprägen. Dazu ist von großer Wichtigkeit, dass der Strom für diese Messung einzig und allein über den zu messenden Cluster fließt und keinen potentialbehafteten Summenstrom über den Massezweig ausbildet. Soweit mit?
Dann jetzt der Clou: der sehr kurzzeitig fließende Mess-Strom beträgt nach gegenwärtiger Planung 50mA (für 2ms pro Messvorgang). Somit wäre denkbar, dass ich BEIM LADEVORGANG einen Teil des Ladestroms (eben jene 50mA) in die Messschaltung umlenke - fertig ist das intelligente DIY-BMS!

Dies dürfte auch für die Kritiker ein sinnvoller Kompromiss sein...

[offroadfan]

Hallo.
hört sich sehr interessant an dein Projekt. Vor allem an der potentialfreie Messvorrichtung mittels Mikrocontroller für 15S wäre ich sehr interessiert.
Kann ich da Schaltungsinfos bekommen?

[I.C.H.]

Hallo.
hört sich sehr interessant an dein Projekt. Vor allem an der potentialfreie Messvorrichtung mittels Mikrocontroller für 15S wäre ich sehr interessiert.
Kann ich da Schaltungsinfos bekommen?

Im Moment habe ich keine verifizierten Schaltungsdetails, dazu muß erst ein Prototyp aufgebaut und vermessen werden. Zudem liegen weitere Optionen auf dem Tisch.
Möglicherweise werde ich zu gegebener Zeit die Themen "LiMn-Akku" und "Monitoring" getrennt betrachten, da ich bereits einen MONITORING-Thread zu diesem Thema eröffnet habe.

[denso]

@I.C.H, hoffentlich klappt das was du dir vorgenommen hast und du berichtest hier darüber. Ich bin gespannt.

Ich suche ja auch nach neuen Zellen für ein individuelles Akkupack für meine Zero MX. Einige neuere 18650er haben super Wh/kg Werte (z.T. über 200Wh) bei brauchbarer C-Rate, ist halt ein rießen Act die Dinger zu verbinden. Machst du das Punktschweißen selbst?

Ich könnte mir ein ähnliches Pack mit Konion V4 (15C dauerbelastbar) für mein Bike vorstellen, aber der Aufwand (bei mir auch das fehlende können), so einen Pack herzustellen, schreckt mich ab. Bei so vielen Verbindungen hat es so viele Fehlerquellen falls sich beim Fahren irgentwann mal was los vibriert. Auch beim Herstellen kann ich mir vorstellen, dass es schwierig ist, die Widerstände durch die Verbindungen auf konstant gleichem Niveau zu halten.

KTM nimmt für die Freeride E auch 18650er. Vielleicht suchst du mal nach Infos zum KTM Akku.