Ladezeiten-Paradoxon

[wiewennzefliechs]

Ich habe mittlerweile für meinen Novantic einen zweiten Akku bestellt und bin am Überlegen, wie ich beide Akkus mit einem Ladegerät laden kann. Im Roller wäre das gleichzeitige Laden beider Akkus möglich, aber es ist hier nicht so einfach, den Roller in die Nähe einer Steckdose zu bringen. Außerdem wurde der Ladegeräte-Anschluss am Roller so unter der Sitzbank montiert, dass man die Sitzbank nicht mehr schließen kann, wenn das Ladegerät angeschlossen ist -> Diebstahlgefahr für Akkus und Ladegerät. Also werde ich die Akkus wohl oder übel in der Wohnung laden müssen, wobei ich sie dann nacheinander ans Ladegerät hänge.

Bei dieser Gelegenheit habe ich ein wenig bezüglich der Ladezeiten herumgerechnet und dabei ist mir folgendes Paradoxon aufgefallen:

Ich bin davon ausgegangen, dass der Akku bis auf 80% seiner Kapazität im CC-Verfahren geladen wird. Dann schaltet das Ladegerät auf CV um und lädt damit die restlichen 20%. Wegen der stetig abnehmenden Ladeleistung während der CV-Phase dauert diese aber genauso lang wie die CC-Phase. Insgesamt dauert das Laden eines komplett leeren Akkus bei meinem Roller 2 Stunden, was wiederum bedeutet, dass eine Stunde auf die CC-Phase entfällt und die zweite Stunde auf die CV-Phase.

Mit einem Akku hat mein Roller eine Reichweite von 50 km. Nehmen wir nun mal an, ich fahre 20 km, also 40% der Reichweite, und lade den Akku anschließend wieder auf. Bei Beginn des Ladevorgangs befinden sich noch 60% der Akku-Kapazität im Akku. Das ist weniger als die 80%, bei denen das Ladegerät von CC auf CV umschaltet, weswegen zunächst im CC-Verfahren geladen wird. Von 60% bis 80% fehlen 20%, das entspricht einem Viertel der Energiemenge, die man bräuchte, um einen komplett leeren Akku auf 80% zu bringen. Die CC-Phase dauert demnach auch nur ein Viertel der Zeit, die sie bei einem komplett leeren Akku dauern würde. In Fall meines Rollers also ein Viertel von einer Stunde = 15 Minuten. Sobald der Akku auf 80% ist, schaltet das Ladegerät auf CV um und lädt damit die restlichen 20%. Das dauert eine Stunde. Der gesamte Ladevorgang ist also nach 1 h 15 min abgeschlossen. Nach meiner Erfahrung kommt das auch in der Praxis ziemlich genau hin.

Fährt man die gleiche Strecke (20 km) dagegen mit 2 Akkus, dauert das Laden erheblich länger, obwohl exakt dieselbe Energiemenge verbraucht wird. Das erklärt sich so: mit 2 Akkus hat der Roller eine Reichweite von 100 km, d. h. die 20 km entsprechen nicht mehr 40%, sondern nur noch 20% der Reichweite. Das bedeutet, dass bei einer Fahrt von 20 km aus jedem Akku nur 20% der in ihm enthaltenen Energie entnommen werden, danach befinden sich noch 80% Restladung im Akku. Hänge ich nun zunächst den ersten Akku ans Ladegerät, beginnt dieses sofort mit der CV-Ladung, denn der Akku ist ja noch zu 80% geladen und damit die Grenze, bei der von CC auf CV umgeschaltet wird, bereits erreicht. Die CV-Phase dauert eine Stunde. Danach ist der erste Akku voll und der zweite Akku kommt ans Ladegerät. In dem sind ebenfalls noch 80% Restladung enthalten, folglich beginnt der Ladevorgang auch hier gleich mit der CV-Phase und dauert ebenfalls eine Stunde. Unterm Strich dauert das Laden also 2 Stunden. Das sind 45 Minuten mehr als wenn man die 20 km mit nur einem Akku gefahren wäre!

Liege ich mit meiner Einschätzung richtig oder mache ich einen Denkfehler? Und sollte ich mir vielleicht ein zweites Ladegerät zulegen? (kann eigentlich nicht schaden, denn dann hätte man eines in Reserve, falls mal eines ausfällt)

Gruß

Michael

[ollige]

In der CC-Phase werden 100% Energie eingelagert. Die CV-Phase dient lediglich dazu die Accus auf einen verträglicheren Spannungslevel zu bringen. Das sollte bei LiFePo´s und deren Derivaten eigentlich nur wenige Minuten dauern

Ganz genau so ist es auch bei meinem Novax mit dem Emco Schnellladegerät. Die CV Phase dauert etwa 5-10 Minuten, in der Zeit steigt die Ladeschlussspannung um ca. 1V auf 57,6V. Außerem findet während dieser (kurzen) Zeit - laut Information von Emco - das Balancieren des Akkus statt.

[wiewennzefliechs]

In der CC-Phase werden 100% Energie eingelagert.

Dem widersprechen meine Messungen. Einen leeren Akku lädt mein Ladegerät nur etwas über 1 Stunde lang mit voller Leistung, das ist zu kurz, um den Akku auf 100% aufzuladen. In dieser ersten Stunde liegt die Leistungsaufnahme des Ladegeräts zwischen ca. 870 und ca. 950 Watt (ein Resultat aus dem konstanten Ladestrom bei gleichzeitig ansteigender Ladespannung). Insgesamt nimmt es in dieser ersten Phase ca. 1 kWh an Energie auf. Bei einem angenommenen Lade-Wirkungsgrad von 80% bedeutet das, dass von dieser einen Kilowattstunde ca. 800 Wh im Akku landen. Angesichts einer Akku-Kapazität von 1344 Wh entspricht das auf keinen Fall 100%, ja noch nicht einmal 80%, sondern nur knapp 60% der Energie, die der Akku speichern kann.

Nach dieser ersten Ladephase fällt die Leistungsaufnahme des Ladegeräts langsam wieder ab, und zwar von besagten 950 auf ca. 20 Watt. Das dauert ungefähr eine weitere Stunde und lässt sich dadurch erklären, dass das Ladegerät auf CV-Ladung umgeschaltet hat (dabei bleibt die Ladespannung konstant und der Strom sinkt langsam ab, was eine stetig sinkende Ladeleistung zur Folge hat). Bei Erreichen von ca. 20 Watt beendet das Ladegerät den Ladevorgang. Die Gesamt-Energieaufnahme des Ladegeräts seit Beginn der Ladung liegt dann bei ziemlich genau 1,68 kWh. D. h. auch während der CV-Phase (die man wie erwähnt an besagtem Leistungsabfall erkennen kann) fließt Energie in den Akku, und zwar nicht zu knapp: von den 1,68 kWh, die das Ladegerät an Ende aufgenommen hat, entfallen 1 kWh auf die CC-Phase (erste Stunde) und immerhin noch 0,68 kWh auf die CV-Phase (zweite Stunde). Im Akku landen entsprechend 800 Wh in der ersten Stunde und 544 Wh in der zweiten Stunde. Zusammen ergibt das - o Wunder - exakt die Akku-Kapazität von 1344 Wh. Die Werte sind übrigens nicht irgendwie theoretisch errechnet, sondern fein säuberlich beobachtet und gemessen. Allerdings kann ich derzeit während des Ladens nur die primärseitige Leistungs- bzw. Energieaufnahme des Ladegeräts messen. Die erlaubt aber Rückschlüsse auf das, was im Akku passiert. Außerdem kann ich natürlich nach Ladeende die Akku-Leerlaufspannung messen. Diese liegt ungefähr bei 58,4 Volt und damit ziemlich genau bei der Ladeschlussspannung des Ladegeräts (lt. Typenschild) bzw. des verwendeten Zellentyps in Verbindung mit der Zellanordnung.

Die Aussage "in der CC-Phase werden 100% Energie eingelagert und die während der CV-Phase aufgenommene Energie landet nicht im Akku, sondern wird größtenteils verheizt" ist also zumindest was meinen Roller betrifft schlicht falsch. Würde die während der CV-Phase eingespeiste Energie nicht im Akku landen, müssten immerhin durchschnittliche 680 Watt einfach so verheizt werden. Irgend etwas im Akku oder im Ladegerät würde dann brüllheiß (680 Watt kommen schon an die Leistung einer kleinen Herdplatte heran). Es bleibt aber alles kühl. Das ist ein weiteres Indiz dafür, dass auch in der CV-Phase kaum Energie verheizt, sondern stattdessen der Akku geladen wird.
Vielleicht werden die Akkus bei einigen anderen Rollern ja nie voll geladen. Das würde erklären, warum die CV-Phase kürzer ist und weniger Energie verbraucht als bei meinem Roller.

Übrigens habe ich keine LiFePO4-Akkus im Roller, sondern Li(NiCoMn)O2-Akkus. Das sollte man vielleicht auch noch berücksichtigen, wenn man den Spannungs-, Strom- und Leistungsverlauf beim Laden analysiert.

Gruß

Michael

[STW]

Ich habe jetzt nicht alles nachgerechnet noch stelle ich die Messungen in Frage, daher nur noch mal das Repetieren des Ladevorganges - wobei es sicherlich nicht verkehrt wäre, mal Datenblätter von Zellen mit LiNiCoMnO2-Akkus zu nehmen und dort nachschauen, ob grundsätzlich das Ladeverfahren zu Blei bzw. LifePO4 identisch ist.

Bei Bleiern habe ich die Erfahrung gemacht, dass unabhängig von der Anzahl der Kilometer die letzte, die CV-Phase, immer eine Stunde benötigte. Pro 10km nochmals eine Stunde drauf.

LiFePO4 ist da erheblich anders - die Spannung der Akkus ist die meiste Zeit konstant, und erst auf den letzten 3-5% des Ladevorgangs werden Spannungen oberhalb von 3.5V bis 3.65V erreicht. Obwohl die 3.6V aufwärts nicht gut für die Lebensdauer sein sollen, so erfreuen wir uns daran, wenn alle Zellen nahezu zeitgleich die 3.6V erreichen - dann wissen wir, sind im Gleichlauf.
Mein Ladegerät treibt die Zellen in der CC-Phase genau an 3.6xV pro Stück heran, gerade soviel, dass (fast) alle Balancer gleichzeitig glimmen. Die CV-Phase findet quasi gar nicht statt (wenige Minuten maximal). Insofern stimmt die Theorie, dass in der CC-Phase die Akkus tatsächlich vollgeladen werden (naja, > 98%).
Die Dauer der CV-Phase ist deshalb interessant für mich, weil natürlich ein hoher Ladestrom einer CC-Phase sich auch an Innen- und Übergangswiderständen ausläßt und daher die Spannungen verfälscht, hier können durchaus ein paar 1/100V pro Zelle zusammenkommen. Diese Spannungserhöhung wird mit dem niedrigem Strom der CV-Phase geringer, und sollte gegen Ende gar nicht mehr ins Gewicht fallen. Die CV-Phase korrigiert also nochmals den Ladezustand der Zellen. Eine lange CV-Phase würde daher anzeigen, dass irgendeine Zelle hochohmig geworden ist oder eine Zellenverbindung Ärger macht.
Wichtig: das gilt jetzt nur für LiFePO4 - bei Deiner Zellchemie müßtest Du anhand von Datenblättern mal ermitteln, ob sie sich analog verhalten.

[wiewennzefliechs]

Wenn ich meinen Akku das nächste Mal lade, werde ich mal im 5-Minuten-Abstand die Ladeleistung protokollieren. Leider habe ich kein Leistungsmessgerät mit Protokollfunktion, aber vielleicht bekomme ich ja meine Digicam dazu, alle 5 Minuten ein Foto vom Display meines Voltcraft Energy Check 3000 zu machen Ich habe schon mehrfach den Ladevorgang beobachtet, allerdings nicht in 5-Minuten-Abständen. Es ist mir aber bereits gelungen, den Moment abzupassen, in dem die vom Ladegerät aufgeneommene Leistung ihren Maximalwert (ca. 950 Watt) erreicht hat und dann langsam wieder absinkt. Diesen Moment betrachte ich als den Umschaltmoment von CC- auf CV-Ladung. Von da bis zum Ende des Ladevorgangs dauert es dann noch ca. 1 Stunde, während der das Ladegerät ungefähr 0,6 kWh aufnimmt. Ich gehe davon aus, dass diese 0,6 kWh nicht irgendwo verheizt werden (weder Ladegerät noch Akku erwärmen sich nennenswert während dieser Phase), sondern dass damit der Akku geladen wird.

Ein Datenblatt von Typ 18650 LiNiCoMnO2-Zellen habe ich bisher noch nicht gefunden, werde aber weiter danach suchen. Einstweilen kann ich aber auf eine Tesla-Seite verweisen, aus der hervorgeht, dass ein Tesla Supercharger den Akku eines Tesla S in 40 Minuten auf 80% seiner Kapazität aufladen kann, während er für 100% fast doppelt so lange braucht, nämlich 75 Minuten. Das passt relativ gut zu meiner Annahme, dass eine 80%-Ladung ungefähr die Hälfte der Gesamt-Ladezeit in Anspruch nimmt und die andere Hälfte dann für die restlichen 20% draufgeht. Auch bei meinem Novantic passen die Ladezeiten genau dann recht gut zur jeweils geflossenen Gesamt-Energiemenge, wenn man zugrunde legt, dass 80% Akku-Kapazität im CC- und 20% Akku-Kapazität im CV-Verfahren geladen werden. Ein Beispiel findet sich im Eingangsposting, wo ich den Ladevorgang nach einer 20 km-Fahrt beschrieben habe. Die 1h 15 min, die das Laden dann rein rechnerisch dauert, dauert es üblicherweise auch in der Praxis.

Edit: Ich sehe gerade, dass bereits ein anderer Emco-Fahrer den Ladevorgang seines Akkus protokolliert hat, und zwar in diesem Beitrag. Im unteren Diagramm sieht man sehr schön, wie die vom Ladegerät aufgenommene Leistung zunächst bis auf fast 950 Watt ansteigt, um anschließend wieder abzusinken. Nach ca. 35 Minuten schaltet das Ladegerät ab. Wenn man den Leistungsabfall während dieser 35 Minuten zur Vereinfachung als linear betrachtet, fließt in dieser Zeit (die 0,58 Stunden entspricht) eine Energie von 0,58 h * 950 W / 2 = 275,5 Wh ins Ladegerät. Bei 80% Lade-Wirkungsgrad entsprechen das ca. 220 Wh, die in den Akku geflossen sind. Diese 220 Wh entsprechen ungefähr 16% der Akku-Kapazität (48 V * 28 Ah = 1344 Wh). Mit meinen 20% scheine ich also nicht so ganz falsch zu liegen

Gruß

Michael

[STW]

Alf hat seinen fiesen Tag

Aber der Ansatz, die Akkus mit den Tesla-Angaben zu vergleichen, ist schon korrekt, da die wohl eine ähnliche Chemie haben. Da sollte dann ein vergleichbares Ladeverfahren greifen.

Aber es ist in der Tat so, nach Lesen des Eröffnungsbeitrages, dass das sequentielle Laden von 2 Akkus länger dauern wird als nur das Laden eines Akkus. Das parallele Laden mit nur einem Ladegerät dürfte aber beschleunigend wirken, da die Stromaufnahme in der CV-Phase nicht so schnell absinkt.

[wiewennzefliechs]

Da kaufe ich extra einen zweiten Akku, um nie wieder bis zur Tiefentladung herumfahren zu müssen, und dann macht Alf so einen Vorschlag

@STW: du hast vollkommen recht: wenn man die Akkus parallel lädt, wird die CV-Phase kürzer als bei einer sequentiellen Ladung. Paralleles Laden hätte auch den Vorteil, dass der Ladestrom für jeden Akku geringer wird. Leider ist paralleles Laden derzeit nur im Roller möglich. Ich werde aber mal versuchen, irgendwie an die Weipu-Stecker zu kommen, um mir daraus einen Y-Adapter zum gleichzeitigen Laden außerhalb des Rollers zu basteln (ich nehme an, die beiden Akkus sind auch im Roller einfach nur parallel geschaltet). Der Adapter hätte gleichzeitig den Vorteil, dass ich einen Abgriff für Messgeräte einbauen könnte, um den Ladevorgang besser überwachen zu können.

Gruß

Michael