LiFePo4-Balancing / Neue Feststellungen

[STW]

Danke für den Link, über den bin ich auch eben über Google/Elweb usw. gestolpert. Das Ladegerät hat er gerade nicht in der Bucht, aber ich befürchte, die 400€-Grenze rückt in Nähe zzgl. Programmieradapter (den würde ich schon gerne permanent vor Ort haben).

Naja, abwarten, erstmal den 15A Chinakracher de Luxe ausprobieren und dann entscheiden, wie es weitergeht. Und ein Auge auf den Gebrauchtmarkt werfen. Solange ich keine Reichweitentests unternehme, wird nix schlimmes passieren, insofern ist das nicht so brennend eilig.

Habe gerade auch mal bei Inno auf der Webseite wegen Ladegeräten nachgesehen - die bieten jetzt ganz interessante Lithiumlösungen an. Die GBS-Batterien sind schön handlich, da würde ich sogar 90AH locker ohne weitere Umbauten im Roller unterkriegen, naja, 1- 2 Zellen müssen ins Helmfach. Verlockend ..., ich brauche einen Sponsor, ich würde auch Werbebanner auf die Rollerflanken kleben

[STW]

Weil mir das Thema keine Ruhe gelassen hat, war heute nochmals Durchmesstag

Kurz die Fakten:
Am Montag ca. 30km gefahren, anschließend Batteriespannungen gemessen, alle gleichauf bei ca. 3.2V im Stand.
Am Dienstag festgestellt, dass 2 Zellen beträchtlich hinterherhinken (ca. 15%) und eine weniger (ca. 5%). Manuell nachgeladen. Zusätzlich zu den Balancerboards auch noch 3 Battery Optimizer verbaut, die je 4 Zellen spannungsmäßig gegeneinander ausgleichen.
Am Mittwoch 32km digital gefahren, alle Zellen am Ende der Fahrt gleichauf bei 3.2V im Stand (plus minus 0.02V oder weniger). Die Balancer haben nur wenige Minuten nachgearbeitet -> Ladungsausgleich mit vielleicht 0.25Ah, m.E. akzeptabel.
Heute nochmals gemessen / manuell nachgeladen. Ziel war, mittels Labornetzteil alle Zellen auf 3.65V oder mehr zu bekommen. Das alles in einer kurzen Zeit mit 2A. Ziel erreicht, bei 2 Zellen übererfüllt. Die rannten auf die 4V zu, also: 2 Balanciereinheiten defekt oder zu später Einsatz, wobei es postiv ist, dass die beide auf dem gleichen 4er-Board sitzen. Das macht dann nur 1/4 Schaden. Bei den Zellen, die ursprünglich hinterher hinkten, den Stromverbrauch der Balancer gemessen: mal gerade 6uA bei unter 3.6V, also ok.
Trotzdem gelang es mir, alle Zellen auf 3.65V und mehr zu bringen, anschließend stellten die Balancer Zellspannungen zwischen 3.59-3.64V her, die beiden Ausreißer wurden mit einer Glühlampe auf den richtigen Wert gebracht. Anschließend keine 10 Sekunden Gas am Roller gegeben, und alle Zellspannungen lagen bei konstant 3.5V plusminus 0.02V.
Fazit bis hierher: der Akkupack ist jetzt balanciert.

Nun würden ja zwei defekte Balancer durchaus einen "Shift" im Ladezustand der Zellen erklären, wenn 2 Zellen zusammen 0.8V mehr erreichen als der Rest der Truppe, kann es durchaus passieren, dass ein Teil der restlichen Zellen nicht in den Spannungsbereich vorstößt, in dem die Balancer greifen. Das sollte aber nach meinen bisherigen Feststellungen ein recht kleiner konstanter Shift sein, und nicht derart hoch. Der Ladeunterschied zwischen 3.5V und 4V ist derart gering, das da nicht viel passieren sollte, also schlimmstenfalls 1-2Ah Unterschied, aber keine 7Ah.

Also erstmal weiter beobachten und gelegentlich nachmessen. Es kann natürlich sein, dass die beiden Zellen von Anfang an nicht vollgeladen waren Festzustellen ist jedoch, dass die Balancer ohne spezielles Ladegerät nicht unbedingt geeignet sind, derart große Kapazitätsunterschiede auszugleichen. Sie schützen, wenn sie ok sind, vor zu hoher Spannung, die Funktion greift, aber alles andere ...

Die Überlegung ist bei mir jetzt, in ein Capacity-BMS zu investieren. Einstandspreis ca. 150€. Das ist allemal preiswerter als ein programmierbares Ladegerät zzgl. Ersatzbalancer.

[STW]

So, habe jetzt im Pedelec-Forum die Erfahrungen zum "Capacity-BMS" überflogen, wie man es bei bmsbattery oder im activeshop bekommt. Feststellungen:
- Einmal verpolt, dann endgültig gegrillt
- MosFets außerhalb der Herstellerspezifikationen betrieben
- Verarbeitungsqualität chinesischer Standard
- Herstellersupport quasi nicht vorhanden
- Schaltung vergossen, Reparatur unmöglich
- und nun meine größte Sorge: verschaltet man es nach Anleitung (ohne Out-), dann würde im Fall eines funktionierenden Überspannungsschutzes bzw. Unterspannungsschutzes der Batteriekreislauf getrennt. Auf gut Deutsch: das BMS schaltet die Batterie nach Belieben an / ab, und damit auch am Controllereingang ein/aus, und was der dann in diesem Moment vom Ladegerät geliefert bekommt, will ich lieber nicht wissen.
Hersteller wie Kelly empfehlen sogar einen Precharge Resistor, also das Ding, was unsereins über die Sicherung legen sollte, um eben die hohen Einschaltströme zu vermeiden, die sonst ob kurz oder lang die Eingangselkos im Controller himmeln.

Also: in der vorgeschlagenen Konfiguration nicht brauchbar für den Roller. Das einzige, was ich mir vorstellen könnte, ist den Controller permanent auf Batterieplus und Minus verschaltet zu lassen (also auf dem Board an B- statt an P- anzuschließen), damit verliere ich zwar die Unterspannungsabschaltung, falls eine Zelle zu tief runter geht, aber damit könnte ich glatt leben. (Abgesehen davon: mir würde es reichen, wenn der Gasgriff stillgelegt würde, dann habe ich im Dunklen immer noch Licht, wenn ich schiebe. Aber eine Akkutrennung ganz ohne Vorwarnung ist u.U. lebensgefährlich, gerade im Dunklen).
Die Trennung vom Ladegerät bei Überspannung würde dann immer noch funktionieren, so dass zumindest die Balancingfunktion mit Überspannungsschutz sauber greifen müßte.

Aber überzeugen tut mich das alles noch nicht so richtig. Kennt jemand noch andere BMS-Lösungen, die einen Ladungsausgleich durchführen?

[gervais]

Nö. Alles ähnlich.

Aber eine Akkutrennung ganz ohne Vorwarnung ist u.U. lebensgefährlich, gerade im Dunklen

Und darüber habe ich noch überhaupt nicht nachgedacht. Wichtiger Punkt.Respekt. Vollstop im laufendem Verkehr, beim Beschleunigen am Linkabbieger vor der nächsten Ampelphase. Albtraum.Auch die technischen Bedenken sind allesamt berechtigt. V.A. die fehlende Doku.

[tom]

Kann nicht die Akkuladungsanzeige ähnlich wie eine Tankanzeige eine Vorwarnung sein? Gerade weil man zwecks Akku-Lebensdauer eh nicht ganz entladen sollte.
Beim Pkw riskiert man normalerweise auch nicht mit dem letzten Tropfen Sprit ein Überholmanöver auf der Autobahn.

[STW]

Die "Tankuhr" des Rollers ist ein einfaches Voltmeter, dass nur die augenblickliche Spannung des gesamten Batteriepacks anzeigt. Für Lithiumzellen ist das beinahe unbrauchbar, weil anhand der Spannung kaum etwas über die Restkapazität gesagt werden kann. Dann heißt es entweder nach Kilometerzähler orientieren oder Zusatzgeräte wie den Tenergy im Blickfeld montieren.

Ebensowenig bekommt man von der Tankuhr mitgeteilt, ob eine der 16 (bei einigen Rollern mehr) Zellen ein Ausreißer ist und vor allen anderen in der Spannung einbricht. Und wenn die dann unter 2.5V kommt, und das auf der dunklen Kreuzung im dunklen Wald -> Prost. Da will ich nicht, dass mir eine Elektronik den Saft abdreht. Die kann laut piepen, warnen, später dann den Gasgriff lahmlegen, aber nicht mein Fahrzeug stilllegen.

Noch gar nicht erwähnt habe ich so Kleinigkeiten wie Temperaturkompensation. Im Winter sind die 2.5V unter Last trotz ausreichend Restkapazität schnell erreicht.

[tom]

Könnte man den Ladezustand vielleicht auf andere Art genauer messen, z.B. über Säuredichte, chem. Zusammensetzung, ...?
Wenn man beim entladen mit "Voltmeter-Meßtechnik" nicht vor Überraschungen nicht gefeit ist, könnte ich mir ein analoges Problem auch beim Laden, bei der Akkulebensdauer überhaupt, vorstellen.

Zumindest die U-Boot-Fahrer werden doch irgendetwas haben, denn plötzlich ganz ohne Strom auf Tauchgang wäre irgendwie bescheiden.

[STW]

Könnte man den Ladezustand vielleicht auf andere Art genauer messen, z.B. über Säuredichte, chem. Zusammensetzung, ...?

Nein.

Wenn man beim entladen mit "Voltmeter-Meßtechnik" nicht vor Überraschungen nicht gefeit ist, könnte ich mir ein analoges Problem auch beim Laden, bei der Akkulebensdauer überhaupt, vorstellen.

Ladeendspannung, die anzeigt, dass der Akku voll ist. Allerdings läßt sich daraus nicht auf die vorhandene Kapazität der Zellen schließen

Zumindest die U-Boot-Fahrer werden doch irgendetwas haben, denn plötzlich ganz ohne Strom auf Tauchgang wäre irgendwie bescheiden.

Ladeendspannung, regelmäßig gewartete / gewechselte Bleibatterien, Spannungsüberwachung.

[STW]

Und weil es mir keine Ruhe ließ, warum die Zellen so weit auseinander waren, und ich noch eine Erfahrungen nach dem Wiedereinbau meins Batteriepacks gemacht habe, hier ein paar mögliche Ursachen für Zelldrift und wie man sie vermeidet:

1. Niemals davon ausgehen, dass alle Zellen ab Werk China / ab Händler schon balanciert sind. In jedem Fall manuell alle Zellen auf eine einheitliche Spannung oberhalb von 3.60V - ... (m.E. reichen 3.7V völlig aus und nicht die 3.9V/4.2V, die Thundersky empfiehlt) vor dem Einbau aufladen.
2. Alle Kontakte sauber halten. Ich hatte jetzt schon zweimal das Erlebnis, dass Korrosion an einer Anschlußstelle für einen Widerstand von geschätzt ca. 0,02 Ohm führten. Beim Fahren geht da gerne 1V verloren. Beim Laden mit 10A fallen darüber dann schon 0,2V ab. Sofern ein Balancerboard vorhanden ist, mißt das diese 0,2V zzgl. die Zellspannung, d.h. es geht 0,2V zu früh in den Bypassmodus, das sind je nach Board dann bereits 3.4-3.5V, und da ist die Zelle noch nicht voll. Diese Zelle fällt gegenüber allen anderen Zellen bei jedem Ladevorgang etwas zurück.
3. An unsauberen Kontakten entstehen bei unseren Stromverbräuchen Wärmenester. Bei 0.02 Ohm Übergangswiderstand und 50A Fahrstrom hat man schon eine Heizleistung von 50W. Die Wärme geht irgendwohin, zumeist in die Zelle, die dadurch einen anderen Innenwiderstand als die anderen Zellen aufweist. Und schwupps - schon driftet sie beim Entladen als auch beim Laden.
4. Haben wir gar 4-5 oder noch mehr schlechte Kontakstellen, dann sind Übergangswiderstände in einer Summe von 0.1 Ohm schnell erreicht. Beim Laden mit 10A fehlt uns schon 1V an Strangspannung, also ca. 0.06V pro Zelle. Das Ladegerät schaltet zu schnell ab bzw. auf Konstantspannungsladung um, und die Zellen haben ggf. keine Chance, bis in einen Spannungsbereich geladen zu werden, bei dem die Balancerboards arbeiten - bzw. die Balancer arbeiten schon vorher und die Zellen werden erst recht nich voll geladen.
5. Unterschiedliche Innenwiderstände der Zellen aufgrund von Herstellungstoleranzen: die Folgen sind wie bei Übergangswiderständen.
6. Toleranzen der Balancerboards: es ist nicht ganz egal, ob ein Balancer schon bei 3.61V und der nächste erst bei 3.65V zuschlägt. Zwar sind die Zellen bei 3.61V schon recht voll geladen, aber je nachdem, wie lange der Ladevorgang noch dauert, können kleine Ladeunterschiede auftreten. Die sich über einen Zeitraum hinweg auch addieren könnten.

Will man keine bösen Überraschungen erleben, ergibt sich folgender Handlungsbedarf:
Grundsätzlich: einheitliche Messpunkte verwenden. Übergangswiderstände sind nicht immer an den Schrauben feststellbar, am ehesten an den Kupferzellverbindern oder an vorverlegten Messleitungen.
1. Neue Zellen vollladen - am besten einzeln.
2. Immer mit Reserven fahren. 20% erwartete Restkapazität ist nicht nur für die Lebensdauer gut, sondern auch für den Fall, dass eine oder mehrere Zellen ausgerissen sind.
3. Folgende Messungen regelmäßig durchführen (min 2x jährlich oder bei vermutetem Bedarf):
a)nach längerer Fahrt (bis 80% der erwarteten Maximalreichweite): alle Zellen müssen im Leerlauf die gleiche Spannung haben, Unterschiede max. plus/minus 0.02V, eher weniger. Ist hier eine Zelle ein Ausreißer nach unten, dann ist sie Kandidat für manuelles Nachladen.
b) nach längerer Fahrt (bis 80% der erwarteten Maximalreichweite): alle Zellen müssen unter Last (Motor auf Vollgas im aufgebocktem Zustand) die gleiche Spannung haben, Unterschiede sollten max. plus/minus 0.1V. Ist hier eine Zelle ein Ausreißer nach unten (und war es bei Messung a) auch), dann ist sie Kandidat für manuelles Nachladen. Ist die Zelle bei Messung a) nicht aufgefallen, dann kann es sich um Übergangswiderstände handeln.
4. Zellen laden, es gibt zwei Ladephasen, zuerst mit Konstantstrom, dann mit Konstantspannung, das macht das Ladegerät automatisch.
a) Zu Beginn der Ladung die Spannung jeder Zelle messen. Idealerweise hat jede Zelle die gleiche Spannung. Bereits jetzt schon auftretende Spannungsunterschiede deuten auf Übergangswiderstände hin.
b) gegen Ende der Konstantstromladephase: alle Zellen sollten deutlich über 3.48V haben, eher 3.6V oder etwas mehr. Schwankungen von 0.1V - 0.15V sind zwar unschön, aber anscheinend normal. Zellen, die deutlich die 3.7V überschreiten, obwohl andere Zellen noch bei 3.5V herumkrebsen, weisen auf ein möglicherweise defektes oder zu spät einsetzendes Balancerboard hin (und mal wieder auf Übergangswiderstände).
c) gegen vollständigem Ladeende: alle Zellen sollten ungefähr beieinanderliegen, Abweichungen bis 0.15V sind möglich, keine Zelle sollte mehr Spannung haben, als der Balancer als Einschaltpunkt hat.
d) 200-300m fahren, alle Zellen sollten höchstens 0.02V Unterschied haben.
e) Ist man unsicher, weil bei Messung b) oder c) eine Zelle anscheinend zu wenig Spannung hatte, dann sollte man auf manuelles Nachladen gehen.

Sind bislang nicht alle Messungen erfolgreich verlaufen, folgende Punkte durchführen:
1. Zellverbinder reinigen, insbesondere die Auflagepunkte. Materialverfärbungen deuten auf Korrosion, ggf. Hitzequellen hin.
2. Manuell nachladen. Jede Zelle einzelnd bei Stromstärken von ca. 1.5A - 2A auf 3.65V-3.7V aufladen. Alternativ bei Einsatz von Balancerboards: mehrere Zellen gleichzeitig als Strang mit n*3.65V aufladen bei geringer Stromstärke von max. 2A. (Geringe Stromstärke: Übergangswiderstände spielen nicht so die große Rolle, Ausreißer bei den Balancerboards sind rechtzeitig erkennbar). Die Balancerboards sollten ab 3.65V pro Zelle arbeiten (LED, oder warme Widerstände). Ist eine Strangladung nicht erfolgreich, weil einzelne Zellen hinterher hinken, die Stromstärke zu früh absinkt, obwohl nicht alle Zellen min. 3.6V erreicht haben dann sind diese Zellen einzelnd zu laden. Aus der eingestellten Stromstärke und der Zeitdauer, bis eine einzelne Zelle die 3.65V erreicht hat, ergibt sich die bis dahin fehlende Kapazität bzw. Ladung. Bsp.: es mußte 2 Stunden mit 1.5A geladen werden, also fehlten der Zelle 2h*1.5A=3Ah.
3. Ggf. Überprüfung der Balancerboards: Sichtprüfung der Kabel, der Platine usw.. Notfalls die Boards durchmessen: die Boards von den Zellen lösen, ein Labornetzteil auf ca. 1A Obergrenze einstellen, und mit leicht steigender Spannung bis auf max. 3.8V hochregeln. Oberhalb von 3.6V sollte ein beginnender Stromfluß feststellbar sein.

Nach all diesen Maßnahmen sollten die Zellen balanciert sein, mögliche Fehlerquellen sollten behoben sein.
Überprüfung:
1. Roller nochmals mit dem regulären Ladegerät aufladen. Meßergebnisse: siehe oben.
2. Ein paar Hundert Meter fahren, alle Zellenspannungen sollten höchstens 0.02V Unterschied aufweisen
3. Längere Fahrt bis ca. 80% der erwarteten Reichweite: die Zellen sollten höchstens 0.02V Unterschied aufweisen
4. Aufbocken, Vollgas, Zellen messen: die Zellen sollten max. plus/minus 0.1V haben (also 0.2V von der besten bis zu schwächsten Zelle).
5. Mit dem regulären Ladegerät aufladen, Spannungen nachmessen.
6. Es kann durchaus erforderlich sein, eine zuvor manuell nachgeladene Zelle nochmals manuell nachzuladen.

Benötigtes Material:
- Digitales Multimeter
- Regelbares Netzteil, ca. 0 - 3A, und Voltbereich nach Belieben (m.E. reicht bis 20V), am besten mit eingebauter Spannungs- und Stromanzeige. Wichtig wäre: kurzschlußfest, Strom bzw. Spannung können begrenzt werden.
- ggf. Material, um Kontakte etc. zu reinigen

Generelle Hinweise zu Ladegeräten usw.:
- Das Ladegerät sollte in der Konstantstromphase bis n*3.65V laden können
- Optimal wäre dann eine Ladephase mit ca. 1 - 1.5A über einige Minuten, das geht allerdings nur mit programmierbaren Ladegeräten. In dieser Phase werden die schon vollen Zellen über die Balancerboards entlastet, und leicht nachhinkende Zellen können aufholen
- Konstantspannungsladung soll bei n*3.60V - n*3.65V erfolgen
- ein starkes Ladegerät mit 10A oder mehr ist zwar schön, allerdings können hohe Stromstärken dazu führen, dass die Balancerboards bei Übergangswiderständen falsch reagieren (s.o.). Es spricht viel dafür, wenn man Zeit hat, auch mal mit einem 2-4A - Ladegerät zu arbeiten.

Generelle Hinweise zu Balancerboards:
Es hat sich ja schon herumgesprochen,dass diese bei Verpolung die angeschlossene Zelle mit 1A entladen bis zum Tod.
Die Balancer gleichen je nach Bauform mit maximal 2.5A, tw. 1-1.5A aus. Das ist wenig gegenüber einem 10A-Ladegerät, d.h. die Balancer können nur dann zuverlässig arbeiten, wenn sie nicht allzu viel zu arbeiten haben. Also müssen die Zellen einigermaßen balanciert sein. Wenn nur eine Zelle nach oben hin ausreißt, bringt dies die Ladelektronik durcheinander, die Konstantspannungsladephase wird zu früh abgebrochen.

Generelle Hinweise zu Capacity-BMS:
Auch wenn ein praktischer Test in (m)einem Roller noch aussteht, sollte man folgende Aspekte im Hinterkopf haben:
Ob eine LiFePo4-Zelle 3.65V oder 3.62V hat, macht keinen großartigen Kapazitätsunterschied. Eine Balancierung in diesen Spannungsbereichen ist beinahe sinnlos. Es ist zwar gut, wenn eine zu "voll" geladene Zelle ihre Überspannung abgebaut bekommt, aber auch ein C-BMS mit einem Ausgleichsstrom bis max. 2500mA (belastbare Werte gibt es noch nicht) verhindert nicht, dass eine Zelle bei einer 10A-Ladung die 4.2V-Grenze überschreiten könnte, wenn der Ladevorgang nicht vorher für eine Balancierungsphase unterbrochen würde.
Unter Last gehen die Zellen spannungsmäßig auseinander, sei es aufgrund unterschiedlicher Innenwiderstände, oder Übergangswiderstände, die auf das BMS oder unser Voltmeter wirken. Wenn unter Last balanciert wird, ist dieses m.E. kontraproduktiv. 30 Minuten Fahrt und ein BMS, dass angeblich 2.5A schaufeln kann, sorgen dafür, dass angeblich 1.25Ah verlagert werden. Diese 1.25Ah fallen aber im Leerlauf und bis kurz vor Ende eines Ladevorgangs spannungsmäßig nicht auf. Der Zeitraum beim Ladevorgang, der zwischen einer Zellspannung von 3.5xV bis 3.65V liegt, ist verdammt kurz - zu kurz, um wieder 1.25Ah umschaufeln zu können. Eine Zelle hat Vorlauf. Der kann zwar in einer Ruhephase durchaus ausgeglichen werden, aber nur dann, wenn die Zellen nicht zuweit auseinanderliegen. ist dabei eine oder mehrere Zellen bei unter ca. 3.4V im Leerlauf, dann kann zwar das BMS dorthin Kapazität verlagern, aber wenn dann alle Zellen bei unter 3.4V liegen, kann kein BMS der Welt ermitteln, ob die Zellen gleichmäßig geladen sind. Der Ausgleichsvorgang mit immer wieder neu anlaufenden kann daher recht lange dauern.
Konstruktionsvorschlag: Es muß schaltungstechnisch dafür gesorgt werden, dass ab einer gewissen Last (Vorschlag: C/4) keine Balancierung erfolgt. Alternativ: Balancierung erst ab min. 3.4V aufwärts.
Da ein C-BMS ebenso von Übergangswiderständen etc. betroffen ist, gelten prinzipiell alle o.a. notwendigen regelmäßigen Prüfungen.

[titanusmann]

Ich habe jetzt seit 3 Jahren praktische Erfahrungen mit den Thunder-sky ( 40 A). Seit 2 Jahren unter Einsatz von den bekannten Balancerbrücken. Die habe ich allerdings separat auf eine Acylplatte montiert. Mir ist aufgefallen das ein "leer Fahren" der Thunderskys immer eine Drift der Zellen zur Folge hat ,die die Balancer bei einmaligem Laden nicht
voll ausgleichen können. Also wenn ich einmal 40 Km am Stück fahre führe ich folgende Prozedur durch! Laden bis das Ladegerät das erste mal abschaltet. (einige wenige Balancer kommen ins Schwitzen!) Nach 10 bis 15 Minuten Ladegerät
wieder anschalten! Die Zahl der reagierenden Balancer steigt ( Der Fingertest AAAUUh das war Heiß) so nach und nach
( 4 Durchgänge meist) strahlen alle Balancer wohlige Wärme ab! Geschaft!
Also merke : Thunderskys Akkus driften wie Sau! IMMER SCHÖN ZWISCHENLADE BEI JEDER GELEGENHEIT DIE SICH BIETET!!
Dann ist alles palettie
Das sind praktische Erfahrungen , nichts berechnetes mit Formeln oder so!
Gruß vom titanusmann und seinem Zwergel(Roller)