Monitoring von 32 HEADWAY-Rundzellen Typ 38120

[I.C.H.]

Wie ich bereits in einem anderen Thread schrieb habe ich 32 HEADWAY-Rundzellen (a' 3,2V 10Ah) zu einem transportablen Akkublock samt BMS & Wattmeter verschraubt (16s2p). Das 1kWh-Kraftpaket wird gegenwärtig erfolgreich in einem E-Max 1500 eingesetzt, die in div. Fahrtests erzielte tatsächliche Reichweite übertrifft meine Erwartung um ca. +30%.
Zuvor hatte ich die Rundzellen mehrfach ge- und entladen und dazu ganze Messreihen aufgenommen, um mir einen ersten Eindruck von den HEADWAYs zu verschaffen.

Bei diesen Messreihen gab es irritierende Spannungswerte bezüglich der Streuung der Zellen untereinander! Hierzu mein Protokoll (alle Messungen mit VM FLUKE True-RMS):

- Bei Anlieferung sind alle Zellen im Bereich 3,329 - 3,342V (U_delta = 13mV)
- Voll-Ladung: kurz von Ladeschluß (58,4V) U_delta = 340mV
- Entladung mit 8,8A nach >= 95% Entladetiefe U_delta >= 510mV, Uges = 45,3V
- Entladung mit 22A nach >= 95% Entladetiefe U_delta >= 820mV, Uges = 42,3V

Zur Erklärung: Als U_delta bezeichne ich die Spannungsdifferenz zw. der Zelle mit der jeweils kleinsten bzw. größten Klemmenspannung. Dabei wurden stets alle 16 Zellenblöcke (je 2 Rundzellen parallel) sequenziell durchgemessen. Die Messreihen wurden unter Belastung mehrfach wiederholt, um Messfehler auf < 5% zu minimieren.

Eine Entladung mit mehr als 22A ist gegenwärtig nicht möglich, in Ermangelung einer geeigneten Stromsenke. Daher würde ich davon ausgehen, dass U_delta bei eRoller-typischen Strömen - insbesondere beim Anfahren/Beschleunigen - noch über die bei 22A ermittelten 820mV hinausgehen dürfte. Eine Entladung über die 2,5V-Schlußspannung hinaus macht keinen Sinn, da die kritischen 2,0V zeitnah erreicht werden - es droht ein dauerhafter Zellenschaden!

-> Das Problem:

Ich setze ein BMS ein, welches zu den teuersten in der 16s-Klasse zählt. Dennoch hatte das BMS in mehreren Versuchen bei Erreichen von 2,05V die Stromentnahme nicht unterbrochen. Das BMS ist korrekt verdrahtet, ich habe dies direkt am BMS mehrfach geprüft. Zwar lauten die Specs. von dem BMS 2,0V +/-50mV, jedoch wollte ich nicht das Risiko eingehen die 2V zu unterschreiten.

In der Gesamtschau bleibt die Unsicherheit bei Entladevorgängen (selbst bei einer Gesamt-Klemmenspannung von > 45V) einzelne Zellen unterhalb von 2,0V zu entladen, OHNE dass das BMS rechtzeitig abregelt. Umgekehrt können beim Aufladen einzelne Zellen eine Spannung von 3,7V überschreiten, OHNE das die Ladeschlußspannung von 58,4V erreicht wurde (und das Ladegerät den Vorgang beendet). Der BMS-Überladschutz würde erst bei > 3,9V greifen (+/- 25mV), ein Restrisiko, zumal zu diesem Zeitpunkt das BMS bereits kochend heiß ist und U_delta immer weiter wegdriftet.

Natürlich möchte ich eine möglichst lange Lebensdauer meiner HEADWAYs erreichen, ohne diese versehendlich (bzw. unwissentlich und unnötig) zu stressen.

-> Meine Idee als Diskussionsbestandteil einer Lösung dieser Problematik:

Ich kann ganz gut mit ATMEL-Controller (µC) umgehen und da kam mir folgende Idee. Man müßte PARALLEL zum BMS alle 16 Zellen permanent auf Über-/Unterspannung überwachen. Die beiden Spannungsschwellen sollten dabei per Spindel-Poti einstellbar sein (z.B. 2,5V/3,7V). Jede der 16 Zellen wird ca. 200x/s vermessen, Genauigkeit +/- 5mV. Die gesamte Schaltung sollte aus dem Akku selbst versorgt werden (B+, max. 65V) und dabei nicht mehr als ca. 5mA verbrauchen. Optional könnte später ein LCD-Display adaptiert werden, um bestimmten Min.-/Max.-Werte (sowie die jeweilge Zelle) zu visualisieren.

Es wäre ein kleines Programm zu schreiben, welches in einer Mindestkonfiguration folgende Funktion zu erfüllen hätte:

1) In einer Endlosschleife werden unter Verwendung von 2 analog-Multiplexern und dem Diffential-ADC des µC fortlaufend die 16 Zellenspannungen ermittelt (0...5V, Genauigkeit +/-5mV) und mit dem per Poti eingestelltem Spannungswert verglichen.

2) Als Ergebnis der UNTERSCHREITUNG der eingestellten Zellen-Mindestspannung wird ein kleines Print-Relais aktiviert, welches dem Bremskontakt parallel geschaltet wird und somit (z.B. für 500ms) den eRoller-Controller wirksam freischaltet.

3) Als Ergebnis der ÜBERSCHREITUNG der eingestellten Zellen-Maximalspannung wird ein kleines Print-Relais aktiviert, welches z.B. in die Leitung CH- eingeschliffen wird und den Ladevorgang beendet.

Alternativ kann in beiden Fällen ein lauter Piezo-Buzzer zugeschaltet werden, um den Anwender auf den kritischen Zellenzustand aufmerksam zu machen.

Der Bauteileaufwand hält sich dabei in Grenzen und sollte < 50,-€ sein.

Frage an die tech. versierte eRollergemeinde: könnte eine derartige Schutzschaltung geeignet sein um die Lebensdauer des Akkus (und damit die Wirtschaftlichkeit) nachhaltig zu erhöhen (und gleichzeitig unbeabsichtigte Anwendungsfehler zu minimieren) ODER besteht eher die Gefahr hier einen technischen Aufwand zu betreiben, welcher in keinem Verhältnis zu dem späteren Nutzen stehen wird...?

-> Projektfotos:

HEADWAY-Rundzellenakku mit 70A-BMS und Wattmeter

E-Max 1500 und transportabler HEADWAY-Akku

HEADWAY-Akku betriebsbereit unter Sitzbank

[MEroller]

Ne, ne, von einem ATMEL-befeuerten BMS träume ich schon seit längerem. Deine beschriebene Vorgehensweise macht aus meiner Sicht absolut Sinn, und wenn Du auch noch Fähig und in der Lage wärst, sowas auch zu REALISIEREN, dann wären Dir mindestens alle Lithium-Fahrer hier im Forum dankbar, wenn das auch einem größeren Kreis zugänglich gemacht werden könnte.

Denn wie Du schon selbst bemerkt hast, auch DEIN bisheriges BMS scheint seiner Arbeit nicht nachzugehen... Das geht leider vielen BM-Systemen so

Du hast jetzt natürlich nur die komplett passive Variante beschrieben, die als reine Sicherheitsabschaltung wirkt. Sie wäre nicht in der lage, für eine Balance zwischen ungleichen Zellen zu sorgen, das wäre dann in Handarbeit zu erledigen. ATMEL bietet aber auch da Controller an für ganz nette Sachen. Im einfacheren Fall zu Volle Zellen beim Laden in einer Ladepause gezielt zu entladen, bis sie sich wieder spannungseitig einfängt, wäre das einfachere Verfahren.
Aber ATMEL bietet auch aktive Ladungsverschiebung zwischen zu vollen und zu leeren Zellen, entweder Kapazitiv, besser aber induktiv. Das ginge aber weit über eine einfache Lösung hinaus

[elfo27]

Es soll ja Leute geben, die stecken sehr viel Geld in die Umrüstung von Verbrennern zu E-Autos (LiFePo4), um diese dann völlig ohne BMS zu betreiben - über Jahre und ohne Probleme. Warum sollte das bei Rollern nicht gehen?
Ich wollte das nur kurz einwerfen, bevor noch mehr Geld und Aufwand investiert wird - und am Ende die Zellen doch auseinander laufen - DURCH das BMS. Ich weiß, daß ich mit dieser Meinung hier ziemlich alleine stehe, also vergiß das gleich wieder, berichte aber von Deinen Fortschritten.

Gruß

[I.C.H.]

Denn wie Du schon selbst bemerkt hast, auch DEIN bisheriges BMS scheint seiner Arbeit nicht nachzugehen... Das geht leider vielen BM-Systemen so

Nun, mein BMS war nicht so billig und vielleicht arbeitet es ja korrekt, wobei ich garnicht weiß, wie das im Detail aussieht. Die Lieferanten halten sich ja mit tech. Details recht bedeckt. Möglicherweise hatte ich den Test auch zu früh abgebrochen, KURZ VOR Erreichen der Schaltschwelle des BMS. Nur wollte ich nicht dabei zusehen wie mir die Zellen wegsterben, 2,03V waren für mich Grund genug, den Belastungstest SOFORT abzubrechen!

Was bleibt ist die Unsicherheit für die Zukunft, denn während der Fahrt ist was völlig anderes als kontrolliert auf dem Labortisch!
Immerhin sind diese Batterien nicht gerade billig, da möchte man sich keinen Lapsus erlauben...

Du hast jetzt natürlich nur die komplett passive Variante beschrieben, die als reine Sicherheitsabschaltung wirkt. Sie wäre nicht in der Lage, für eine Balance zwischen ungleichen Zellen zu sorgen, das wäre dann in Handarbeit zu erledigen.

Ämmm, ja, natürlich. Davon gehe ich auch aus. Ich würde nicht auf das BMS verzichten sondern diese Schutzschaltung PARALLEL dazu auflöten, einfach parallel zu den 17 dünnen Balancerleitungen des BMS. Dies läßt sich auf der Lötseite des BMS ganz gut realisieren, es ist dann kein weiterer Zellenabgriff nötig.
Natürlich bleibt ein Beigeschmack bei der Sache, schließlich traut man dem BMS nicht so, wie es sein könnte. Es ist technische Redundanz die man sich damit einbaut, ähnlich wie in der Luftfahrt.

ATMEL bietet auch aktive Ladungsverschiebung zwischen zu vollen und zu leeren Zellen, entweder Kapazitiv, besser aber induktiv. Das ginge aber weit über eine einfache Lösung hinaus

Sowas wäre mein Traum. Max. Zellendrift untereinander < 8mV und auf die Tankanzeige wäre wieder Verlaß...

Deine beschriebene Vorgehensweise macht aus meiner Sicht absolut Sinn, und wenn Du auch noch Fähig und in der Lage wärst, sowas auch zu REALISIEREN, dann wären Dir mindestens alle Lithium-Fahrer hier im Forum dankbar, wenn das auch einem größeren Kreis zugänglich gemacht werden könnte.

Für den Fall sollte die Arbeit aufgeteilt werden. Jemand müßte mir zur Hand gehen, dass Layout erstellen und erste Leiterplatten beschaffen. Eine andere Gruppe die nötigen Bauteile besorgen. Ich erstelle Prototyp, Schaltbild, Teileliste, Programm und übernehme das Testing bis zur ersten Serie. Das wäre vermutlich kostenneutral. Ist immerhin für den Programmierer eine Menge Arbeit, auch wenn es nur so ein "Miniprojekt" ist. Möglicherweise sollte man die Auflage dieser Schutzschaltung auf X begrenzen, oder jemand hat eine Idee wie das kommernziell genutzt werden kann und es am Ende allen zugute kommt (speziell denjenigen, die dabei am stärksten belastet werden). Es wird möglicherweise einen Kern von Personen geben, welche die Hauptlast tragen. Ich jedenfalls habe keine finanziellen Absichten. Würde allerdings sich die Gruppe der späteren Nutzer bereiterklären, mir einen Bleiroller mit min. 3kW Radnabenmotor als Testfahrzeug dauerhaft zur Verfügung zu stellen, so wäre dies m.E. Ansporn genug, dieses Projekt im Interesse der elektromobilen Allgemeinheit aktiv voranzutreiben...

[I.C.H.]

Es soll ja Leute geben, die stecken sehr viel Geld in die Umrüstung von Verbrennern zu E-Autos (LiFePo4), um diese dann völlig ohne BMS zu betreiben - über Jahre und ohne Probleme. Warum sollte das bei Rollern nicht gehen?
Ich wollte das nur kurz einwerfen, bevor noch mehr Geld und Aufwand investiert wird - und am Ende die Zellen doch auseinander laufen - DURCH das BMS. Ich weiß, daß ich mit dieser Meinung hier ziemlich alleine stehe, also vergiß das gleich wieder, berichte aber von Deinen Fortschritten.

Nun, ich kann die von Dir aufgezeigten Fälle nicht bewerten, weiß aber, was ich bei MEINEN Labor-Messungen gesehen habe. Und das hat mir nicht unbedingt gefallen. Von wegen: HEADWAY hat geringe Zellendrift; vergiß es! Dies mag im Bereich 10...90% Entladetiefe der Fall sein. Und dann? Im Anlieferungszustand (und auch im Ruhezustand min. 6 Std. nach Ladung/Entladung) ist die Drift untereinander Bombe, kein Grund zum Meckern. ABER: unter Belastung sieht das alles gaaanz anders aus. Eben noch 2,55V und Sekunden später bin ich nah dem Zellentod; ohne es zu realisieren.

Wie ich bereits schrieb: ich beschäftige mich nun seit dem 21.7.2012 mit diesen HEADWAY-Rundzellen zum Zwecke des Einsatzes in einem E-max 1500. Ich habe KEINE Langzeiterfahrung, kann mich also dazu überhaupt nicht äußern. Möglicherweise werden Zellen DURCH ein BMS beschädigt, möglicherweise liegt hier aber auch nur ein Fehler in der Wahrnehmung/Interaktion des Anwenders vor; wer weiß. Ich streite das ja nicht ab, hoffe aber, dass mich MEIN BMS nicht im Stich läßt...

Deshalb sinniere ich "gegen Not und Elend" eben über diese redundante Schutzschaltung...

[Klappstuhl]

eine von unseren Headway Zellen hatte ei komisches Verhalten mal hatte sie beim Laden einen geringen Innenwiderstand wie alle anderen und manchmal lag die Spannung deutlich höher als alle anderen. Ein bekannter hat auch etliche Zellen aussortieren müssen bevor ein funktionierendes Pack hatte.

[elfo27]

Ich will Dich auch nicht bremsen, so ein Projekt kann ja auch spannend sein. Bin mal auf den Ausgang gespannt.

Gru ...

ach ja eins noch: Problematisch wird's nur, wenn mehrere Zellen gleichzeitig entladen werden (was ja im E-mobil der Normalfall ist), und die Zellen nicht gleichzeitig "leer" werden. Dann kann die schwächste Zelle von den Nachbarn zerstört werden ("Cell Reversal") - das gilt es also zu vermeiden. Ein BMS mit Balancern vermeidet es nicht, es befördert es.

http://blog.evtv.me/2009/11/get-rid-of- ... g-circuits
http://blog.evtv.me/2009/12/ok-here-it- ... tage-more/
http://blog.evtv.me/2010/04/april-16-friday-show

Jetzt bin ich aber still, denn ich bekomme wahrscheinlich für obiges schon auf die Mütze

Also jetzt:
Gruß

[STW]

Die Zelldrift wäre mir zu hoch, auch schon im vollgeladenen Zustand sind 0.3V recht happig, allerdings bezogen auf die Frage, welche Spannung am Maximum lag. Der Unterschied zwischen 4.0V und 3.7V ist gering, der Unterschied zwischen 3.7 und 3.4V kann riesig sein.
Also Frage: sind die Dinger vor dem Zusammenbau manuell balanciert worden, z.B. durch Einzelladung auf einen definierten Wert von > 3.65V oder durch Parallelschalten und Aufladen > 3.65V bis 4V?

Ein sinnvolles Meßgerät für die Einzelzellenspannungen mit Alarm hat Joehannes im TD690Z-Thread vorgestellt, auf einem kleinen Display sind alle 16 Zellen dargestellt, einstellbare Spannungsgrenzen usw..

[I.C.H.]

Die Zelldrift wäre mir zu hoch, auch schon im vollgeladenen Zustand sind 0.3V recht happig, allerdings bezogen auf die Frage, welche Spannung am Maximum lag. Der Unterschied zwischen 4.0V und 3.7V ist gering, der Unterschied zwischen 3.7 und 3.4V kann riesig sein.

Die Drift ist mir auch zu hoch, daher auch der Wunsch nach einer (weiteren) Schutzschaltung, eben "gegen Not und Elend". Selbst bei Selektion der Zellen wird irgendwann die erste Zelle wegdriften, dass Problem bleibt also. Ich meine jetzt nicht den (Teil-)Ausfall einer Zelle, sondern die dauerhafte Nutzung des Akkupacks mit einer Drift von XY, innerhalb der gewählten Gesamtkapazität.

Daher verfolge ich gegenwärtig folgenden Ansatz: Aufladevorgang abbrechen wenn erste Zelle 3,7V erreicht hat, Entladevorgang abbrechen wenn erste Zelle 2,5V erreicht hat. Damit liegt der nutzbare Bereich irgendwo dazwischen, idealerweise im Bereich 5...95%. Dies habe ich bei mir im Labor mehrfach mit 9A/22A-Entladevorgängen verifiziert.
Hier mal die gemittelten Werte für Energiemenge/Kapazität aus meheren Messreihen:

- Entladung mit 8,8A (bis 1. Zelle <= 2,5V) = 1093Wh / 21,18Ah
- Entladung mit 22A (bis 1. Zelle <= 2,5V) = 1016Wh / 20,08Ah

Hallo? Das sind doch Traumwerte! Bei einer Entladung mit > 1C mehr als die angegebene Kapazität zu erhalten, welche Zelle liefert das schon? Bleizellen sind davon meilenweit entfernt...!
Übrigens habe ich die Toleranzen der eingesetzten Messmittel bei obigen Werten berücksichtigt.

Damit bin ich erstmal zufrieden. Dennoch stehen die HEADWAYs unter verschärfter Beobachtung!

Also Frage: sind die Dinger vor dem Zusammenbau manuell balanciert worden, z.B. durch Einzelladung auf einen definierten Wert von > 3.65V oder durch Parallelschalten und Aufladen > 3.65V bis 4V?

Leider nein. Gab ja keine Anleitung dazu wie die Zellen zu FORMATIEREN sind. Ich habe alles zusammengeschraubt und das BMS angeklemmt. Dazu ist ja - so meine Interpretation - das BMS zuständig. Mir ist jetzt klar das die Zellen Kapazitätsunterschiede haben. Kann ja sein das einige 11Ah haben, andere die bezahlten 10Ah. Ich hätte beim Händler die doppelte Anzahl bestellen sollen, die Zellen selektieren, und den Rest innert 14 Tagen zurücksenden sollen. Nächstemal vielleicht...

Ein sinnvolles Meßgerät für die Einzelzellenspannungen mit Alarm hat Joehannes im TD690Z-Thread vorgestellt, auf einem kleinen Display sind alle 16 Zellen dargestellt, einstellbare Spannungsgrenzen usw..

Wenn es sinnvoll ist sollte es m.E. nicht 16 Zellen darstellen, sondern nur EINE. Ein Informationsoverhead, welcher während der Fahrt womöglich von Fahrzeugführer gescannt und verarbeitet werden muß, ist nicht gerade sinnvoll; aber hier scheiden sich möglicherweise die Entwicklergeister...
Wenn schon Display, dann Darstellung der Zelle mit der geringsten Klemmenspannung (1 aus 16) als dicker Balken von links nach rechts, wobei links 2,5V und rechts 3,7V entsprechen. Sowas ließe sich optisch intuitiv erfassen, ohne das ich mir die 15 anderen Balken/Werte ansehen und deren Informationsgehalt interpretieren muß. Dies hielte ICH für sinnvoll. Zumindest für die Entladung während der Fahrt, welche ohnehin beendet ist, wenn DIESE eine Zelle 2,5V erreicht hat... (den Aufladevorgang könnte der µC erkennen und das Display dann auf eine andere Darstellung umschalten).

Aber bitte keinen Streit deswegen, ist nur meine Ansicht eines sinnvollen Zellenmonitoring.

[STW]

Ich denke nicht, dass einige Zellen 11Ah und die anderen 10Ah haben - ok, vielleicht doch, aber das Hauptproblem wird sein, dass die mit unterschiedlichen Ladezuständen ausgeliefert worden sind. Die typischen BMS-Lösungen mit ihren paar Milliampere Balancerstrom kommen dagegen nicht an. Die reichen gut aus, um wenige % Unterschied zu heilen, aber bei mehr als 5% versagen die kläglich, weil die Spannungskurve der Zellen auf den letzten % einfach zu steil nach oben geht.

Sollten die Wintermonate Langeweile aufkommen lassen, würde ich mit einem Laborlader jedes Zellpärchen auf 3.7V treiben. Wenn ganz viel Zeit ist, Zellpack nochmals zerlegen und alle parallel verschalten und 4V drauf bis Reststromstärke <1A.

Das von Joehannes verbaute BMS hat auch einen Buzzer, das ist schon ok. Während der Fahrt würde ich da auch nicht draufsehen wollen, aber um nach Ende der Fahrt zu sehen, ob es einen Ausreißer gibt, dafür passt das recht gut. Oder eben während bzw. nach einen Ladevorgang ... , in Verbindung mit klassischen Balancern halte ich das für eine tragfähige Lösung für unsereins.

Für selbstentwickeltes BMS:
Hinsichtlich des Ladevorganges würde ich nicht einfach abbrechen, wenn eine Zelle die 3.7V hat. Das sagt leider noch nichts über den Gleichlauf ab. Günstiger wäre es, diese Zelle über einen Widerstand zu entladen, bis sie bei 3.55-3.60V ankommt, Ladevorgang wieder aufnehmen, usw., bis alle Zellen auf über 3.60V kommen.
Für den Entladevorgang wäre eine Temperaturkompensation genial, um die 0°C hätte ich keine persönlichen Probleme, die Dinger bis auf 2V herunterzutreiben (wahrcheinlich regelt der Controller schon vorher ab), und Thundersky hat für seine Zellen kein Problem damit, dass die bei -20° auf 1.5V heruntergedrückt werden, jeweils unter Last. Die Begrenzung der Leerlaufspannung würde ich dann auf 2.8V setzen.