Adly FC20 - Umrüstung auf Lithium

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Weil ja ein Bastelprojekt gleichzeitig zu wenig ist (siehe Sprinter 60 - Thread), geht es hier jetzt mal mit einem anderen Roller weiter.

So steht bei mir immer noch mein allererster Elektroroller, ein Adly FC20, je nach Datenblatt zwischen 300-600W bei 24V, bei vorgeblich 20km/h Höchstgeschwindigkeit (gemessen: 23 km/h). Und dann gibt es noch Nachwuchs, der jetzt in das Mofaalter kommt und mit der Mofaprüfbescheinigung anfängt. Und da er aus Überzeugungsgründen keine Jugendweihe spendiert bekommt, muß Vatern andere Kompensation erbringen.
Ein Elektroroller hat ein paar Vorteile: der Nachwuchs muß nicht Benzin sparen, weil der Strom aus Papas Steckdose kommt, und für die Eltern ergibt sich als Vorteil, dass der Aktionsradius des Nachwuchses berechenbar ist.

Orginal hat der Adly Bleiakkus 26Ah verbaut, denen man in der Realität ca. 15-16Ah entnehmen kann. Damit war er für eine Reichweite von über 25km gut. Zuletzt hatte ich 2007 die Akkus gewechselt, verbaut wurden 4 MP22-12C, was also 44Ah ausmacht. Nach 4 Jahren sind die Akkus allerdings am Ende.

Bestandsaufnahme:
Platz genug gibt es für Akkus unter dem Trittbrett. Das Ladegerät geht mit 29.2V bei 5A zu Werke, macht eine Ladespannung von 3.65V pro Lithiumzelle bzw. 14.6V bei Bleier. Das Gerät ist also Lithiumtauglich.
Bei den angegebenen Leistungsaufnahmen werden max. 20A Dauerstrom fließen, eher weniger, mit Peaks auf 25A. 20Ah-Zellen sollten für die angestrebte Reichweite also reichen, da die C-Last regelmäßig 1C nicht überschreitet.
Unterspannungssschutz des Controllers: ich fürchte, der ist nicht ausreichend, weder für die Bleier noch für die Lithiums. Allerdings gibt es 3 LEDs, die den Ladezustand signalisieren sollen. Das muß reichen, ansonsten werden deren Signale hergenommen für eine Zwangsabschaltung.

Beschaffungsplanung:
Leider ist es eilig, ich bin spät dran. Der Roller sollte in den nächsten 2 Wochen fahren, da er für die Fahrstunden benötigt wird. Zur Auswahl stehen:
- Headway-Rundzellen. Vorteil: recht belastbar. Nachteil ich müßte entweder je zwei 10er Zellen oder besser noch zwei 16Ah-Zellen parallel schalten. Damit wird es schnell teuer, und ein BMS muß ja auch noch herbei.
- Highpower 20Ah: 8 Stück würden gut in Seitenlage in den Roller passen. Vorteil: Platz genug ist da, auch für ein BMS, der Preis würde passen. Nachteil: Lieferzeit, ich bin zu spät dran.Selbst schuld
- Blöcke 12V/20Ah: Vorteil: sofort lieferbar. Vom Platz her könnte man auch 4 Stück verbauen und den Roller auf 40Ah hochrüsten, aber das muß dann doch nicht sein. Nachteil: etwas teurer als die einzlnen Highpower, im Preis wie die Headway. Großer Nachteil: da gibt es dann kein Einzelzellen-BMS, es sei denn, man öffnet bei Gelegenheit (nach der Gewährleistung) die Gehäuse.

Also, die 12V-Blöcke werden es. Der Händler hat den ersten Härtetest schon bestanden, am Samstag habe ich die Verfügbarkeit angefragt, innerhalb von 24 Stunden eine Antwort bekommen, die Bestellung geht raus.

Fortsetzung folgt ...

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Es geht doch recht fix. Die Bestellung ging am Sonntag heraus, heute wurde per Nachnahme geliefert. Großes Lob an "Faktor". Die Verpackung war sehr gut, und dabei lag ein Zettel, dass die Batterien vollständig aufgeladen seien. Sehr ordentlich alles, dafür ein großes Lob.

Die Akkus in Lieferzustand

Die Akkus haben recht genau die Größe der in manchen Rollern verbauten 17Ah bis 22Ah - Bleiakkus, müßten also vom Platzbedarf bei einigen Geräten wie dem alten E-Max oder manchen Geco-Modellen ein schnell montierbarer Ersatz sein.
Die beiden Mulden am Gehäusedeckel sind nicht als Tragemulden geeignet, der Deckel ist nur etwas fester aufgesteckt. Fällt er ab, verbergen sich darunter 4 der neuen grünen Thundersky/Winston - Akkus. Aber die Mulden eigenen sich recht gut, um mal schnell mit der Prüfspitze reinzugehen und die Einzelspannungen zu prüfen.
Und dann sieht das ganze schon recht differenziert aus. Die Leerlaufspannungen liegen zwischen 3.38V und 3.75V. Ein kurzes Aufladen ergibt, daß die 12V-Blocks wirklich voll geladen erscheinen, aber nun schwankt die Spannung zwischen 4.25V und immer noch 3.38V. Nach meinen Messungen an meinen seit 2008 gefahrenen Akkus entspricht das einem Unterschied des Ladezustandes von mindestens 10%. EDIT 16.07.11: siehe weiter unten in den Beiträgen, die Zellen sind doch dichter beieinander als die Meßwerte vermuten ließen.
Ich habe ja schon mental damit gerechnet - auch wenn die Akkus neu und angeblich im Werk selektiert sind, bis sie beim Kunden sind, sind sie schon auseinander gelaufen. Ohne zellenbasierte Balancerlösung wird man dauerhaft keine Freude daran haben.
Allerdings werde ich die ersten 3-5 Fahrten (die ich dann mit deutlich Reserven absolvieren werde) und Ladevorgänge abwarten, bevor ich die Zellenpakete öffne und Balancer einbaue. Üblicherweise sind ja die Zellen recht stabil, wenn sie die ersten paar Ladevorgänge überlebt haben, und deshalb will ich da nicht in eventuelle Gewährleistungsprobleme geraten.

Mangels passendem Wetter fällt die erste Probefahrt jetzt aus, weil sie sonst ins Wasser fallen würde. Erste Verbrauchsmessungen und damit Hochrechungen der Reichweite dann in den nächsten Tagen. Bis dahin zum Trost noch ein Foto, dass die eingebauten Zellen zeigt. Platz satt für Balancer und eine recht ordentliche Gewichtseinsparung.

[Joehannes]

Klingt gut Dein Vorhaben, Andere fahren einfach mal fort wenn sie Urlaub haben.
Aber ich lese da gerne mit. Der Deckel der Batts geht wirklich ab und man kommt
an die einzelnen Zellen ran? Wenn man die Zellen nur messen will geht das auch mit
Deckel. Find ich gut die Akkus. Gute Wahl. Wenn dann noch der Einklang machbar ist, hat
man bestimmt lang Freude dran. Wenn wir Dich nicht hätten.

MFG
Joehannes

[STW]

Der Deckel geht wirklich ab - ich hatte ihn beim rangieren schon in der Hand, aber vergessen, ein Foto zu machen. Sobald meine Balancerboards da sind, wird der entsprechend ausgestattet. Dann gibt es noch ein paar Fotos.

[STW]

Manchmal geht es schneller als man denkt - heute kamen die Balancer von lipopower an. Sonntag gegen Vorkasse bestellt, da kann man sich nicht über Lieferzeiten beklagen. Also war ein Bastelnachmittag angesagt. Zunächst wurden die Akkus wieder aus dem Roller ausgebaut.

Dann erst einmal den Deckel abziehen, das Ergebnis sieht so aus:

Klarer Fall: vier kleine Winstons miteinander in einem Gehäuse. Wenn man wenig flexibel hinsichtlich des Platzes ist, könnte man die auch entnehmen und anderweitig im Roller sortieren.

Anschließend werden die Kabel vorbereitet (wie im Sprinter 60 - Thread) und 5 Kabel, 1. Minuspol, dann am 1.Pluspol/2.Minuspol, usw., und das letze einzelne wird am Pluspol der letzten Batterie angebracht. Ich nehme gerne etwas farbige Kabel, damit blickt man weiter durch. Die andere Seite Kabel erst einmal mitsamt Isolierung recht lose in einer Lüsterklemme in der richtigen Reihenfolge parken.

Ein paar Vorsichtsmaßnahmen: immer nur dann Kabel abisolieren, wenn man sie blank benötigt. Im Zweifelsfall Isolierband solange um blanke Enden wickeln, wie man nicht dran muß. Die Schrauben an den Akkus lösen wir nicht mit einem Ring-/Gabelschlüssel, denn es besteht die Gefahr, dass man beim Drehen 2 Pole kurzschließt. Also lieber Knarre mit Verlängerung. Ebenso beim Festziehen der Schrauben nicht zu lose und nicht zu fest, sonst könnte das Innenleben der Zelle beschädigt werden. Der Pol darf sich nicht bewegen. Die fetten Zellenverbinder liegen direkt auf dem Pol auf, dann erst die Kabel mit Ringschuhen, und dann wie üblich Unterlegscheibe und Schraubensicherungsring.
Anschließend werden die Kabel intern fixiert (Kabelbinder). Wo es scheuern könnte, wird ausreichend Isolierband verwendet.

Anschließend Deckel drauf Kabel einzeln auf gewünschte Länge kürzen und einzeln ab in die Lüsterklemme. Hier tunlichst darauf achten, dass man nicht daneben in die falsche Lüsterklemme geht, das gibt einen heftigen Funken. Brille tragen schadet bei der Montage definitiv nicht! Also lieber langsam und sorgfältig arbeiten. Zeit ist notwendig.

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Das Ergbnis vom ersten Arbeitsschritt sieht dann so aus:

Vorsichtshalber messen wir das Ergebnis durch. Zwischen zwei benachbarten Lüsterklemmen muß immer eine Spannungsdifferenz von 3.xV sein, also entsprechend dem zugehörigen Akku.

Weiter geht es mit den Balancerboards. Diese in einem Gehäuse verbauen, das hier war etwas klein, aber reicht mit ein paar Handgriffen aus. Laut Aufdruck bis 650°C feuerfest, das reicht dicke für die Balancer. Im Idealfall sollen die ja auch nur wenige Minuten arbeiten.
Auch hier arbeiten wir wieder mit Farben. Eine für alle Minusanschlüsse, eine andere (der Elektriker nimmt gerne rot) für die Plusanschlüsse, 8 Kabel sind zu verlegen.

Anschließend werden die Kabel mit der Lüsterklemme des Akkus verbunden. Sofern das ganze erst im Roller stattfindet, parkt man die Kabel wieder in der richtigen Reihenfolge in einer Lüsterklemme. Minuskabel Nr. 1 geht an Minuskabel der Lüsterklemme. Pluskabel 1 geht zusammen mit Minuskabel 2 an den danebenliegenden Anschluß auf der Lüsterklemme des Akkus usw., das letzte Pluskabel geht dann alleine an das Pluskabel der Akkulüsterklemme.
Zum Schluß messen wir direkt auf dem Balancerboad. Zwischen Plus und Minus jeder Sektion müssen 3.xV liegen.

Und jetzt regeln wir das Labornetzteil ein, uns reicht eine Spannung zwischen 14.6V und 15V, ganz genau muß es nicht werden, wenn die Balancerboards auf 3.6V konfiguiert sind.

Anschließend wird das Labornetzteil mit den Batterieanschlüssen verbunden.

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Die Spannung haben wir eingeregelt, die Stromstärke legen wir erst einmal auf 2A oder mehr. Die Uhrzeit merken wir uns - dazu später mehr.
Zeit für eine kleine Pause:

Nach einiger Zeit sollten die Balancer arbeiten, dann fangen die ersten Dioden an zu leuchten:

Wir nehmen die Stromstärke Schrittweise zurück, 1.5A, und wenn wieder eine oder mehrere leuchten, runter auf 1A.

Bei mir hinkte eine Zelle hinterher. Bei 1A zeigten 3 Balancer an, dass die Zellen 3.6V überschritten hatten, die 4. Zelle lag bei ca. 3.50V.
Also folgte eine Einzelladung bei 3.65V-3.8V mit Stromstärke 2A, bei Einsetzen des Balancers Reduktion der Stromstärke, bis der Balancer auch bei 1A leicht zu arbeiten anfing.

Danach wieder das Netzgerät auf 14.6V oder mehr und wieder alle 4 Zellen in Reihe laden. Bei kleiner Stromstärke von 1A bis 1.5A solange nachfüttern, bis alle 4 LEDs leuchten.

Nachkontrolle:
Wir regeln die Stromstärke auf 0 und warten 1-2 Minuten. Dann wird diese auf 2A hochgedreht. Alle Balancer sollten fast gleichzeitig anspringen. Wir geben 1 Minute weiter den Strom drauf und regeln dann abrupt die Stromstärke herunter. Alle 4 LEDs leuchten noch für kurze Zeit und sollten dann kurz hintereinander ausgehen. Wenn nicht, balancieren wir weiter mit den Verfahren Einzelzelle nachladen / alle Zellen nachladen.

Entgehen meiner ersten Einschätzungen waren die Zellen nicht "mindestens 10%" auseinander. Sie lagen doch näher beieinander als gedacht. Ich habe alle Ladezeiten mitgerechnet und kam bei einer Zelle auf ca. 45Minuten Einzelladung mit 1A, ein paar Minuten mit 2A vorher, so dass ca. 1Ah fehlte. Im anderen Block fehlten einer Zelle unter 0.5Ah. Also sind die Zellen schon vorselektiert und recht gleichmäßig vorgeladen. Wird die Reichweite nur zu 70% ausgereitzt, also mit Reserven, sollte das zunächst nicht zu Problemen führen. Aber länger als 2 Monate sollte man nicht auf Balancer verzichten.
Der anfängliche Kapazitätsunterschied macht bei den kleinen Zellen aber auch schon 5% aus und dürfte ungefähr die Serientoleranz wiederspiegeln.

Krönender Abschluß:
Einbau der Akkus im Roller, ein bis zwei Minuten Gas im Leerlauf geben und das vorgesehene Ladegerät zum Roller verwenden. Es sollte kurz laden, dann sollten fast alle LEDs anspringen (aber nur recht kurz) und das Ladegerät auf die nächste Ladephase gehen, d.h. entweder erlöschen die LEDs sofort (falls das Ladegerät gleich in Standby geht) oder bei einer längeren Konstantspannungsphase sollten fast alle Balancer ans Arbeiten kommen.

Zeitaufwand für die 2 Akkus: rund 4 Stunden, bis alles aufgebaut und balanciert war inkl. Funktionstest im Roller.
Geht das Ladegerät gar nicht mehr aus, bzw. nimmt die letztes Phase bei Konstantspannung gar kein Ende, dann arbeiten Ladegerät und Balancer nicht optimal zusammen. Das kann im Einzelfall durchaus dann vorkommen, wenn das Ladegerät nicht zwischen Konstantstrom- und Konstantspannungsphase eine kleine Spannungsabsenkung macht (das Orginalgerät vom Zokes Zer ist z.B. so ein Pflegefall) und alle 8 Balancer arbeiten. Dann sollte man nicht ewig warten, sondern das Ladegerät manuell trennen. Ansonsten heizen die Balancer kräftig.
Der Ladegerät des Adly trennt auch nicht selbstständig und bei einer Primäraufnahme von ca. 16W dürften letzendlich 0.5A auf der Akkuseite weiterfließen. Die Balancer heizen dann jeder mit rund 1.5W, also ca. 12W Heizleistung unter dem Trittbrett.

Und jetzt geht es in den nächsten Tagen an die Ermittlung der Reichweite und weitere Kontrollmessungen.

[STW]

Zwei Fahrten sind absolviert, einmal 6km mit Verbrauch 0.16KWh und einmal 15km mit 0.33KWh (0.32KWh vor Balancing).

Ein wenig Verlust beim Laden ist immer, deswegen ist der Verbrauch nicht linear. Grobe Hochrechung:
Der Akkupack hat ca. 0.5KWh (ca. 25V mal 20Ah), ausgehend von einer Nominalspannung von 3.2V pro Zelle.
Dreisatz aus dem Verbrauch über 15km ergibt eine Reichweite von ca. 23km, etwas Luft sollte schon sein, um die Batterien nicht zu strapazieren, also empfohlene Reichweite bis 20km.

Kontrollmessungen:
Nach 15km hatte jede (!) Zelle 3.27V Leerlaufspannung - das ist gut.
Während der Ladephase liegen die Zellen bis 3.4V recht dicht beieinander (max. Drift 0.02V), das ist gut. Ab 3.5V rennen die Zellen unterschiedlich schnell, das ist normal.
Der Ladevorgang in der CC-Phase (Konstantstromphase) brachte gegen Ende einen Balancer zum leuchten. Das Ladegerät schaltet auf CV (Konstantspannung) um.
Ca. eine weitere Stunde später, in der mit maximal 0.5A weitergeladen worden ist, erneute Kontrollmessung, da waren alle Akkus bei 3.57-3.59V, also recht genau an der Einsetzspannung der Balancer. Da ich nicht die ganze Zeit messend danaben gesessen habe, gehe ich mal davon aus, dass der schlechtesten Zelle deutlich weniger als 0.5Ah fehlte. Zelldrift auf 15km also maximal 2.5%, das ist ok.
Kontrolle: Ladegerät heraus, 1 Minute warten, Ladegerät wieder rein: sofort leuchten alle Balancer.

Fazit:
Die Akkus sind ok, die geplante Reichweite wird voraussichtlich erreicht.
Das Ladegerät schaltet nicht selbständig komplett ab - damit muß ich dann wohl leben.
Die Akkus werden in Balance gehalten, wenn man maximal eine Stunde nach Ende der CC-Ladephase mit CV weiterlädt.

[Joehannes]

@STW
Warum schreiben die im elweb "bedingt Zyklenfest und für Tracktionszwecke nicht geeignet."
Eine Initialisierung bei Erstladung ist erforderlich.
Wurde das von "fakktor" bereits erledigt und war deshalb der Beipackzettel "Akkus bereits geladen" dabei.

Jetzt hat mich auch der LifePO4-Virus erreicht und ich plane bei der Sammelbestellung mit einzusteigen.

MFG
Joehannes

[STW]

Ich gehe mal von Initialisierng durch Faktor aus, und wenn die as nicht ordentlich gemacht haben, dann hat das mein erstes Balancing gemacht.

Initialisieren:
Die Zellen kommen ja nur teilgeladen aus China an - den genauen Ladezustand der Zellen kann man nur erraten. Damit man nun sicher ist, dass alle Zellen gleich voll geladen sind, soll man sie auf 4V hochjubeln. Das ist genauso gut wie 3.75V, aber 4V sind schlichtweg "eingängiger", d.h. die Zahl kann man sich merken, aber es reicht irgendein Wert zwischen 3.65 bis 4.25V. Das gilt ebenso für die Stromstärke, die sollte bei allen Zellen während des ersten Ladens gleich sein, sonst schaukelt sich die Spannung am Innenwiderstand hoch.
Hält man sich daran, dann sollten die Zellen erst einmal im Gleichlauf sein.
Ein anderer Grund für die 4V: wenn ich die auf einen Zellenverbund knalle, also 4V*Zellenanzahl, sollten irgendwann auch die schwächsten Zellen vollen Ladezustand erreichen. Das kauft man sich dann zwar mit einmaligem (kräftigen) Überladen der übrigen Zellen ein, aber bekanntermaßen ist ja einmal = keinmal.

Aber: im Gleichlauf sind sie nicht lange - wie man ja auch an meinen sieht. Im Elweb wurden ja die großen Blöcke mit 90Ah verbaut. Das Zerlegen eines Blockes brachte auch dort die "grausige" Wahrheit ans Licht:
- es sind normale 90Ah - Zellen in einen 12V-Block gepackt worden
- die Zellen sollten besonders selektiert sein, liefern aber auch sofort in der Spannung auseinander => für häufige Benutzung wie im Elektroroller / E-Auto also nicht (!) zu empfehlen, da das Auseinanderlaufen der Zellen irgendwann zu deren Defekt führt. Daher nicht zyklenfest, aber als Standby-Batterie in einer USV o.ä. Zwecke durchaus einsetzbar. Meine wird z.B. als Starterbatterie für hochwertige Autos beworben. In einem Sommerporsche, der 30 mal im Jahr ausgefahren wird, halten die dann auch ihre 5 Jahre. Allerdings steht "20A" auf den Zellverbindern, die Startvorgänge sollten also nicht allzu lange dauern.
- nur mit Öffnen des Gehäuses sind Balancer anbringbar - aber dann ist die Gewährleistung futsch

Also 4 von den Blöcken im Roller ohne weitere Schutzmaßnahmen führt dann zu dem Ergebnis, dass ich mit dem Sprinter 60 gerade hier stehen habe. Der Besitzer hat so ca. 250 Ladevorgänge sauber dokumentiert, Ergebnis: Zelldefekte, damit einhergehende Reichweitenverluste. Wenn ich dann die 2008-Zellen in meinem Roller sehe, die bislang klaglos ohne Reichweitenverlust ihren Job machen ..., und das mit ein paar billigen Balancern und Verzicht auf Reichweitentests.

Also: die Ware ist identisch. Der Kauf der 12V-Blöcke lohnt sich dann, wenn es keine Einzelzellen gibt, die preiswerter sind und Gewährleistung sowieso ein utopisch Ding ist wie bei Chinaselbstimporten. Und dann direkt die äußere Schutzhülle ab, Balancer dran und fertig. Achso: die Abspannvorrichtung muß man sich dann selbst irgendwie bauen.