Und weiter geht’s mit dem Akkubau.
Bisheriger Fortschritt:
Der grobe Plan + Aufbau des Fahrgestells
Meine Motivation: Warum ein Fahrradwohnwagen?
Bau der Auflaufbremse #1: Grundlegende Gedanken
Bau der Auflaufbremse #2: Deichselbefestigung
Bau der Auflaufbremse #3: Bremssattelbefestigung und Bremszüge
Akku und Pedelec #1: Grundlegende Gedanken
Akku und Pedelec #2: Aufbau des Akkupacks
Wie im letzten Teil bereits erwähnt, verwende ich keine fertig konfektionierten Akkupacks, sondern stelle mir diese selbst zusammen. Vorab sei allerdings darauf hingewiesen, dass der Eigenbau eines Akkupacks mit Lithium-Akkus gewisse Risiken bietet. Bei Fehlbehandlung der Zellen können diese beschädigt werden und in ungünstigen Situationen große Hitze und Rauch entwickeln, Flammen ausstoßen oder explodieren. Ich möchte einen Nachbau also ausdrücklich nicht empfehlen, solltet ihr euch der Risiken nicht gänzlich bewusst sein und nicht genau wissen was ihr tut.
Meine Motivation für den Selbstbau liegt insbesondere einfach im Interesse am Thema, durch mein Hobby des Modellflugs hantiere ich ohnehin bereits seit über 15 Jahren mit verschiedensten Akkutypen und versuche stets zu optimieren. Auch lassen sich durch den Eigenbau einige Kosten einsparen und der Akku kann perfekt nach den eigenen Bedürfnissen ausgelegt werden.
Für einen kurzen Exkurs zur Benennung, Abkürzungen und Spannungen siehe unten**
Aauch meine ich mit „Akkus“ im Folgenden stets „Liion-Akkus.
Da ich als Motor einen Bafang BBSHD verwende können 13S bis 14S Akkus verwendet werden. Die maximale Stromaufnahme wird vom Motorcontroller zu 30A limitiert. In der Praxis ist der Motor gedrosselt, sodass von Spitzenströmen bis vielleicht 10-12 A auszugehen ist.
Auf dieser Grundlage habe ich mich dafür entschieden, einen 14S5P Akku aus insgesamt 70 Samsung INR18650 35E Zellen aufzubauen. Die Zellen habe ich Anhand Ihrer Energiedichte ausgewählt, so sind sie zwar nicht so hoch belastbar wie manch andere Zellen, bieten jedoch ein ausgezeichnetes Wh/kg-Verhältnis.
Das fertige Akkupack besitzt somit eine Kapazität von etwa 900 Wh und eine maximale Dauerbelastbarkeit von 40 A (bzw. 55 A, bei Hinnahme einer verkürzten Lebensdauer). Er ist also recht groß dimensioniert und bietet mehr als ausreichende Leistungsreserven. Nach den bisherigen Erfahrungen aus anderen Berichten mit ähnlichen Hängern sollte die Reichweite mit diesem Akku in der Praxis bei etwa 80 - 100 km liegen. Ein kleinerer Akku hätte für meine geplanten Touren also wenig Sinn ergeben.
Für den Aufbau habe ich mich dazu entschieden, den Akku in 2 identische 7S5P Packs aufzuteilen, welche anschließend in Reihe geschaltet werden können. Dies hat den Hintergrund, dass meine vorhandenen Modellbau-Ladegeräte maximal 8S große Akkus unterstützen. Auf diese Weise kann ich bei Bedarf also beide Hälften separat an diesen Geräten aufladen, balancieren, auf Lagerspannung bringen, Zellspannungen kontrollieren usw. Für Unterwegs kommt dann noch ein „einfaches“ 14S Akkuladegerät mit.
Für die Anordnung der Zellen habe ich spezielle Kunststoff-Abstandshalter verwendet. Diese gibt es für verschiedene Zellanordnungen, wobei ich mich hier für eine quadratische Anordnung entschieden habe. Bei dieser berühren sich die Zellen untereinander nicht, was das Kurzschluss- und Beschädigungsrisiko minimiert. Das Akkupack wird auch etwas größer, was mich durch den Hänger jedoch nicht weiter stört. Auch habe ich zusätzliche Ringe aus Isolatorpapier auf die Seite des Pluspols geklebt, um auch hier die Kurzschlussgefahr weiter zu reduzieren.
Das Kontaktieren der Zelle erfolgt mit Hilfe eines Punktschweißgerätes. Vom Verlöten ist abzuraten, da sich die Zellen hierbei unnötig stark erhitzen und beschädigt werden können.
Leider ist mir erst nach dem ersten Akkupack aufgefallen, dass meine „100% pure Nickel“-Verbinder in Wirklichkeit nur nickelbeschichtete Stahlverbinder sind. So viel zu Bestellungen und Qualität aus China… ärgerlich! Aufgrund der geringen Belastung des Akkupacks und durch die 5 parallelen Leiterbahnen erwarte ich hier dennoch keine Probleme. Ich werde den Akku nach 1-2 Jahren aber auf Korrosion an den Verbindern hin überprüfen müssen.
Für die Anschlüsse habe ich AWG12 Kabel gewählt. Diese wurden zunächst auf der Länge einer Akkupackbreite abisoliert und auf einen einzelnen Nickelstreifen jeweils so aufgelötet, dass die Lötstellen zwischen den Zellen liegen. Anschließend kann der Nickelstreifen auf dem Akkupack verschweißt werden. Auf diese Weise gibt es keine thermische Belastung der Akkuzellen und eine optimale elektrische Verbindung ohne „Flaschenhals“.
Die Balanceranschlüsse habe ich dann direkt an die jeweiligen Pole gelötet. Da die Kabel sehr dünn sind kommt es hierbei zu keiner ernsthaften Erwärmung der Zellen wenn man jeweils auf einem Bereich zwischen den Zellen lötet. Zur Isolation habe ich dann anschließend alles mit Kaptontape umwickelt. Die Kabel habe ich dabei so geführt, dass durch das Tape gleichzeitig eine Zugentlastung realisiert wird. Anschließend wurden dann beide Packs noch mit blauem Schrumpfschlauch eingeschrumpft.
Als Steckkontakte habe ich XT60 gewählt, von welchen ich noch reichlich hier liegen habe und welche bis etwa 45A Dauerstrom (60A Spitzenstrom) problemlos ausreichen sollten. Der Anschluss zum Rad erfolgt später über einen XT90 „Anti-Blitz“.
Ich bin mit dem Ergebnis soweit sehr zufrieden. Die Gesamtkosten für beide Packs liegen bei etwa 300€ und sind somit gut 50 % niedriger als die meisten Systemakkus ähnlicher Größe für fertige Pedelecs. Selbst mit Anschaffung des Schweißgerätes (ca. 250€) hat sich der Eigenbau somit bereits ab dem ersten Akku finanziell gelohnt. Der Aufwand rechtfertigt sich aber nur dann, wenn man auch Spaß daran findet.
Die beiden Packs bekommen für den Praxiseinsatz noch ein gemeinsames Gehäuse. Mehr dazu, zum Ladegerät, zum Thema BatteryManagementSystem und Pedelecumbau dann im nächsten Beitrag
Begriffserläuterung und etwas Hintergrundwissen**
„S“ = Seriell – in Reihe geschaltet --> addieren der Spannungen
„P“ = parallel – Parallel geschaltet --> addieren der Amperestunden
Ein 14S5P Akku besitzt folglich 14 in Reihe geschaltete Zellenblöcke. Jeder Zellenblock besteht aus 5 in Reihe geschalteten Zellen. Insgesamt somit 70 Einzelzellen. Die Angabe der parallel geschalteten Zellen wird gerne auch weggelassen, wenn sie nicht relevant ist. Also einfach „14S“.
Die Spannung eines Lithium-Akkus schwankt mit dem Ladezustand des Akkus zwischen etwa 4,2 V (vollgeladen) bis etwa 3,2 V (entladen) je Zelle – insbesondere die angegebene, zulässige Entladeschlussspannung schwankt je nach Hersteller etwas. Aus diesem Grund wird allgemein zur Spannungsangabe eines Akkus die Nennspannung verwendet. Hierfür werden jenachdem 3,6 V bzw. 3,7 V angegeben. Zur weiteren Vereinfachung runden die Anbieter fertiger Akkupacks dann gerne noch auf den nächsten (gut klingenden) Wert, meist nach oben.
Ein 14S Akku hat somit eine Nennspannung von 14 * 3,6 V = 50,4 V bzw. 14 * 3,7 V = 51,8 V. Weil es besser klingt wird er also meist als „52 V Akku“ bezeichnet. In Wirklichkeit liefert dieser Akku aber eine Spannung von 58,8 V bis etwa 44,8 V. Auch Bezeichnungen als „60 V“ sind bei sehr selbstbewussten Herstellern daher schon mal zu finden..
Während sich bei Pedelecs idR. jedoch nachvollziehbare Bezeichnungen durchgesetzt haben, gilt dies nicht für alle Branchen. So werden Akkus von Werkzeugherstellern beispielsweise (ca. seit 2017 in Deutschland) nicht mehr mit Nennspannung, sondern mit maximaler Spannung unter Last angegeben. Ein 3S Akku, welcher üblicherweise mit 10,8 V bzw. 11,1 V angegeben werden sollte und wurde, wird nun munter als „12 V Akku“ verkauft. Es ist also immer empfehlenswert die jeweilige Zellenanzahl und Akkutechnologie zu betrachten anstatt auf die Angabe des Herstellers / Verkäufers zu vertrauen, wenn ihr Akkupacks miteinander vergleichen wollt.
Die Angaben hier gelten soweit nur für Lipo- und Liion-Akkus und das Thema kann sicherlich noch beliebig ausführlicher erklärt werden – ich wollte es halbwegs einfach halten. Andere Akkutechnologien können sich deutlich unterscheiden.