Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LiIon-Traktionsbatterie bauen


von P. B. (loetpaste)


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Hallo Forum,

[Einleitung]
ich spiele mit dem Gedanken ein Elektrofahrzeug zu bauen - dass das 
nicht einfach und nicht billig ist, ist mir selbst klar. Ich bin 
Mechatronik-Ingenieur und habe schon kleinere µC-Platinen entworfen - 
eine ungefähre Vorstellung auf was ich mich einlasse habe ich also.
Im Moment bin ich bei der Aufwands/Machbarkeitsrecherche.

[Frage]
Was muss ich alles tun um eine LiIon-Traktionsbatterie zu bauen?

Meine Vorstellung:
- Aus Kostengründen würde ich diese aus 18650-Einzelzellen aufbauen.
- Blöcke aus (je nach Kapazität...) 20..40 parallelen Zellen.
- 10..17 Blöcke in Reihe -> Ladeschlussspannung ~42-71,4V, evtl. das 
nochmal in Reihe (würde aber gerne unter 75V bleiben -> 
Niederspannungsrichtlinie).
- Spitzenleistung im 2-Stelligen kW-Bereich
- Kapazität im Bereich 2..5 kWh
- 1-2 Temperatursensoren pro Block, Über/Unterspannungsüberwachung 
sowieso

Probleme/Fragen:
- LiIon-Zellen kann man parallel schalten, klar. Sind da bei massiver 
Parallelschaltung von 40 Zellen irgendwelche besonderen Effekte zu 
erwarten?
- Wenn eine Zelle im Block stirbt, dann tut die das üblicherweise mit 
Kurzschluss und die anderen Zellen erzeugen mit ihrer Ladung ein schönes 
Feuerwerk... Muss ich jede einzelne Zelle aus dem Verbund abtrennen 
können? Wie macht das z.B. Tesla bei ~5000 Einzelzellen?
- Brauche ich einen Balancer zwischen den Blöcken? Wie muss ich den 
dimensionieren? Den Spitzenstrom von z.B. 200A kann ich wohl kaum über 
17 Buck/Boost-Wandler übertragen... Reichen da 5% des Spitzenstroms?
- Wie funktioniert das Laden? Einfach die Ladeschlussspannung anlegen 
und den Rest dem Balancer überlassen?
- Könnte ich auch z.B. mehrere 10 parallel * 17 in Reihe-Blöcke bauen 
und diese zur Kapazitätserhöhung zusammenschalten?
- Hat jemand hier Erfahrung im Bau größerer Batterien und kann mir ein 
paar Tipps/Hinweise geben?

Grüße,
loetpaste

: Verschoben durch Admin
von Simon S. (-schumi-)


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P. B. schrieb:
> - Wie funktioniert das Laden? Einfach die Ladeschlussspannung anlegen
> und den Rest dem Balancer überlassen?
Zumindest das kann ich dir beantworten: Mit einem festen Ladestrom so 
lange, bis die Zellspannung die Ladeschlussspannung erreicht. Dann 
Ladeschlusspannung angelegt lassen bis voll.
(Also im Prinzip Ladeschlusspannung anlegen aber mit Strombegrenzung)

: Bearbeitet durch User
von H.Joachim S. (crazyhorse)


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Such mal nach Lithium-Speicherakkus für Solaranlagen. Falls du nicht 
unbedingt eine spezielle Gesamtbauform für den Akku brauchst, dürfte das 
die insgesamt bessere und stressfreiere Lösung werden.

von Ernst O. (ernstj)


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Nicht verzagen, Boeing fragen... oder nach Patenten suchen

von 0815 (Gast)


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Wenn es schon was kosten darf, kann man nur LiFePo4-Akkus empfehlen. 
Sind haltbarer als LiIon, und haben bessere Daten. Angeblich auch 
sicherer, aber beim beschriebenen Defekt eines Einzelakkus darf man das 
auch bei denen bezweifeln.

Würde Einzelakkus einfach mit je einer Sicherung oder irgendwas 
Strombegrenzendem versehen, z.B. ein Stück dünne Leiterbahn o.ä. 
Platinenmaterial kann man easy auch gleich als mechanische Verbindung 
zum Bau der Blöcke verwenden (bei LiFePo4 mit Schraubanschluss), da ist 
also was Durchbrennendes gar kein extra Aufwand...

von EV-Mensch (Gast)


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Wie machst du die Überwachung der Zellen? Man muss ja bei jeder 
einzelnen Zelle die Temperatur, und bei jedem Parallel-Block die 
Spannung überwachen, um bei kritischen Werten das Fahrzeug abzuschalten 
und ein Feuerwerk zu vermeiden. Willst du ein BMS kaufen? Falls 
Eigenentwicklung, wie willst du die Kommunikation zwischen den einzelnen 
Zell-Überwachungs-Modulen machen? Wie schaffst du eine Verbindung 
zwischen den Zellen die den Strom aushält?
Ich würde außerdem zu flachen quaderförmigen Zellen raten, die lassen 
sich platzsparender montieren.
Was für einen Inverter und Motor willst du verwenden? Was für einen 
Fahrzeugbus? Einen seperaten Niederspannungs-Akku, oder DC/DC-Konverter, 
oder beides (+Umschaltung)?

Kleiner Hinweis: Im Formula Student Electric Wettbewerb werden 
Elektro-Fahrzeuge als Wettbewerb gebaut. In jedem einzelnen stecken 
einige Mannjahre an Arbeit, und Material im mittleren 5stelligen - 
6stelligen Bereich. Dein Auto hat zwar geringere Anforderungen, aber das 
nur als Hausnummer.

von Matthias (Gast)


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Also ich würde solche Teile hier nehmen:

http://www.modellbaufuchs.de/HEADWAY-LiFePo4-16Ah-40160.html

bzw. welche mit Schraubflansch. Sonst muss man Löten oder Schweißen
(oder weiß noch jemand eine andere Methode?)

Für den Akku sollte auch ein entsprechendes Battery Management System
aufgebaut werden mit Balancern und Einzelzellenüberwachung.

Warum?

1.
Der Akku ist nur so gut, wie die schwächste Zelle, die im Fehlerfall
das ganze Fahrzeug lahmlegen kann. Man sollte also rechtzeitig merken, 
dass
ggf. eine od. mehrere Zellen erneuert werden müssen, bevor nix mehr 
geht.

2.
Balancer, damit man den Akku mit hohem Strom "schnell" laden kann.
Die I/U-Methode, wie oben beschrieben, geht zwar auch, hat aber bei
Zellen, die aus der "Balance" sind negative Effekte (Akku wird nicht 
mehr voll, weil eine Zelle schon am Lade-Limit ist, oder umgekehrt, 
schon an der Entladeschlussspannung)

Ich würde auch einen "aktiven" Balancer nehmen (z.B. LT8584, LT3300-2) 
und
ein "Management IC" bzw. einen "Stack solcher ICs (z.B. LT6804-x).
(Wobei Du bei denen ein wenig die Datenblätter wälzen solltest, welches 
IC mit welchem anderen kombinierbar ist)

Der aktive Balancer sorgt dafür, dass die Energie nicht sinnlos 
verbraten wird. (Beim passiven, wird parallel zu einer Zelle mit 
Ladeschlussspannung ein "Heizwiderstand" geschaltet, so dass die Zelle 
nicht überladen wird). Beim aktiven wird diese Energie wieder in den 
ganzen Akku-Stack geschaufelt.

Beim 2-Wege Balancer kann wohl auch aus dem Stack in eine Zelle, die 
nahe an der Entladeschlussspannung ist, Energie geschaufelt werden. So 
dass man den Akku besser ausnutzen kann.

---

Soweit mal meine Infos, die ich gesammelt hab - ohne Gewähr ;-)
Ich hab hier auch noch ein Projekt in Planung, aber mangels Zeit
ist das leider nicht weit gekommen.
Allerdings auch "nur" 24V mit ca. 15Ah.

von Jörg E. (jackfritt)


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Liion verabschieden sich mit kurzschluss? Wo gibs da info zu?
Tiefentladene zellen verlieren massiv an kapazität und lassen sich nicht 
mehr vernünftig auf ladeschluss bringen aber das sie einen kurzschluss 
haben kann ich noch nicht bestätigen. Infos wären auch für mich 
hilfreich. Ich habe bisher erst 16 von 18650 parallelverschaltet. Und 
die zu löten ist total nervig und schlecht für die zellen. Ich würde 
welche mit schraubanschluss nehmen.
Bei den zellen ist übrigens eine sicherung eingebaut die sich selbst 
zurückstellt. Zumindest bei original panasonic. Ich meine die wirkt so 
ab 10-15A und begrenzt dann den strom auf ca 2A.
Du musst also entsprechend parallelschalten um auf deinen spitzenstrom 
zu kommen.

von Bernd K. (bmk)


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Mein Lösungsvorschlag wäre folgender:

http://www.ev-power.eu/Winston-40Ah-200Ah/WB-LYP60AHA-LiFeYPO4-3-2V-60Ah.html?cur=1

16 Zellen 60 Ah + Protection Modul SBM 16.

- Sehr sichere Technologie bezüglich Brandgefahr
- Nennspannung 3,2V x 16 Zellen x 60Ah = 3 kWh
- Peak Leistung 28 kW (max 5 sec)
- Max Leistung 8 kW (max 15 Min)
- Temp Bereich -45 . . 85°C

von Klaus (Gast)


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0815 schrieb:
> Wenn es schon was kosten darf, kann man nur LiFePo4-Akkus empfehlen.
> Sind haltbarer als LiIon, und haben bessere Daten. Angeblich auch
> sicherer, aber beim beschriebenen Defekt eines Einzelakkus darf man das
> auch bei denen bezweifeln.

Ich hab mehrere kaputte kaputte LiFe Akkus (teils aus eigenem 
Verschulden). Einen Kurzschluß habe ich da nicht beobachtet. Am 
Ladegerät bekam man sie auf rund 1V, was bei einem Kurzschluß nicht 
möglich wäre. In einem Pack werden die parallelen Zellen dabei natürlich 
tiefentladen und sind ebenfalls hinüber, mehr ist eigentlich nicht 
passiert.

MfG Klaus

von Noch einer (Gast)


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Wie sieht das mit der Lebensdauer aus? Wenn mit deiner Kühlung und 
deiner Ladestrategie die Zellen halb so lange halten, könnte selbst 
bauen teurer werden als fertig kaufen.

von P. B. (loetpaste)


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Puuuh, so viele Gegenfragen :D

Also, wie gesagt, ich bin noch dabei das ganze zu konzeptionieren und 
erkundige mich erstmal bevor ich mit der Umsetzung anfange.

Motor und Umrichter: Noch nicht festgelegt. Ein BLDC wirds wohl werden, 
DC-Motoren in der Leistungsklasse findet man kaum und Asynchronmaschine 
findet man fast nur als Industriematerial mit viel zu hohem Gewicht für 
meine Anwendung. Ob der Umrichter gekauft wird oder ich selbst einen 
bauen muss (hoffentlich nicht...), wird sich noch herausstellen.

Solarspeicher: An sich eine gute Idee, was ich so auf die schnelle 
gefunden habe liefert aber nicht annähernd die Leistung die ich 
benötige.

BMS & Batterie: Wird vermutlich beides auf einen selbstbau hinauslaufen, 
fertige Batterien findet man kaum und ein passendes fertiges BMS ist mir 
auch noch nicht über den Weg gelaufen...
Das BMS würde ich mit einem Balancer von Linear Technology oder ähnlich 
aufbauen, kombiniert mit einem AT90CAN.
Am liebsten wären mir auch große Prismatische Zellen anstelle von 
hunderten Rundzellen (die ich dann schon per Punktschweißen verbinden 
würde), aber was ich da gefunden habe liegt (allein für die Zellen) bei 
600-700€/kWh, Rundzellen eher bei 300-400€/kWh, das ist schon eine 
Hausnummer...

Die 12V-Versorgung plane ich im Moment über DC/DC-Wandler, wenn ich eine 
Batterie nehme müsste die ja auch irgendwie geladen werden...

Systembus: CAN, allerdings wird da soo viel nicht dranhängen: Umrichter, 
BMS, zentrale Steuereinheit, evtl. Ladegerät. Das ganze soll ein 
Motorrad werden, da werde ich natürlich ein Serienmodell umrüsten.

Zu den Fehlermodi von LiIon-Zellen:
http://www.elektroniknet.de/power/energiespeicher/artikel/92479/0/
http://www.pfalz.ihk24.de/linkableblob/luihk24/standortpolitik/Verkehr_und_Logistik/downloads/2317360/.7./data/Welche_Gefahren_gehen_von_Lithiumbatterien_aus-data.pdf
Sicherungen an den Einzelzellen ist eine gute Idee, und bei 
SMD-Schmelzsicherungen auch noch halbwegs bezahlbar.

Muss man wirklich jede einzelne Zelle Temperaturüberwachen? Reichen da 
nicht ein paar (je nach mech. Größe...) Sensoren pro parallel-Zellblock?

Edit: Die Winston 60Ah-Zellen sind sehr interessant. Preis/Kapazität ist 
gut, Schraubanschluss, große Blöcke. Allerdings mit 12Kg/kWh sehr sehr 
schwer. Kommt aber in die engere Auswahl!

: Bearbeitet durch User
von 0815 (Gast)


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Klaus schrieb:
> Ich hab mehrere kaputte kaputte LiFe Akkus (teils aus eigenem
> Verschulden). Einen Kurzschluß habe ich da nicht beobachtet. Am
> Ladegerät bekam man sie auf rund 1V, was bei einem Kurzschluß nicht
> möglich wäre.

Eine solche Zelle hätte im Verbund mit z.B. 20 intakten Zellen schon mit 
dem Brennen angefangen. Wenn der Separator beschädigt ist, wird der 
Stromfluss höher. Daraufhin steigt die Erwärmung, was zu weiterer 
Schädigung führt, usw.. Irgendwann schmilzt der Separator, und dann 
erreicht die Zelle ganz sicher 0,00Ohm. Gleiches gilt bei LiIon, habe 
das selbst mal erlebt.
Also eine simple Absicherung jeder Einzelzelle ist dringend anzuraten. 
Ist eigentlich noch wichtiger als Balancing, denn hier geht es um das 
ganze Auto (und die Garage). Unwahrscheinlich, aber ggf. fatal.

Die "Sicherheit" von LiFePo4-Akkus gilt nur für die Energiemenge einer 
einzelnen Zelle. Und dabei kommt der Akku schon schnell mal auf 
geschätzte 200-300°...

von Matthias (Gast)


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Also Punktschweißen würde ich die Teile nicht. Sollte mal eine Zelle 
defekt sein, dann würde ein Austausch deutlich erschweren. Die 
geschraubten (wartungsfreundlicher Aufbau vorausgesetzt) sollten da 
etwas handlicher sein.
Ob Rundzellen, oder Flachzellen sollte nur für den mechanischen Aufbau 
entscheidend sein.

Wie ober erwähnt wurde, sollte man sich auch mit dem Wärmemanagement 
auseinandersetzen, da beim Laden-/Entladen und im Fehlerfall einiges an 
Wärme frei wird und man ja keinen "Schmelzofen" haben möchte.

Übrigens, bei "Hausinstallationen" wird für Ströme im Bereich von 63A
ein Leitungsquerschnitt vom mind. 10mm² verwendet (was in 
Schaltschränken als Kupferschienen ausgeführt wird). Bei den ca. 200A 
Spitzenstrom (schätze dann mal 100..150A Dauerlast?) ein ordentlicher 
Querschnitt sein muss.

Was für ein "Feuerwerk" ein Kurzschluss bei 63A darstellt (1,5mm² Draht 
versehentlich in den Zuleitungszweig im Verteilerkasten gebogen) weiß 
ich aus Erfahrung. Der Draht ist auf einer Länge Länge von ca. 1..2 cm 
verdampft.

Ich denke den Akku so zu bauen, dass er funktioniert, ist das kleinste 
Problem. Im Fehlerfall eine Katastrophe verhindern dürfte die größere 
Herausforderung sein. Im Prinzip kann man nur die einzelnen Zellen 
Überwachen und bei einem "komischen" Verhalten, zu großer 
Wärmeentwicklung, etc. dann mit einer "Notabschaltung" reagieren
(für die man dann hoffentlich noch Zeit hat).

Als Lasttrenner für solch einen hohen Strom würde mir jetzt nur ein 
Schütz einfallen (DC tauglich!), den man z.B. per 24V ansteuert.
Die Steuerleitung als UND-Schaltung über mehrere Temperatursicherungen 
führt, so dass die Last auch bei einem Ausfall der Elektronik noch 
getrennt wird. Einen "gewöhnliche" Schmelzsicherung für den 
Kurzschlussschutz.

Den Akku in mehrere "Sektionen" aufteilen, die "brandsicher" 
gegeneinander gekapselt sind, so dass ein "Feuerchen" maximal eine 
Sektion betrifft und
somit lokal begrenzt wird. Die BMS-ICs können auch nur eine begrenzte 
Anzahl Einzelzellen überwachen, so dass man sowieso einen Stack aus 
mehreren Akku-Sektionen/Blöcken hat. Daher bietet sich die Aufteilung 
auch deshalb schon an.

von Amateur (Gast)


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Fertige Motorräder gibt's wie Sand am Meer.

Alle kranken an der Leistungs-/Reichweiterelation.

Soweit mir bekannt, arbeiten die meisten mit Standard 12V Akkus, von 
denen 4 bis 6 in Reihe geschaltet wurden.

Oberhalb von 6 Stück geht der Ärger mit der Spannung los.

Die Standardakkus sind momentan das Beste, was zu haben ist. Zumindest, 
wenn man realistische Preis-/Leistungsverhältnisse zugrunde legt.

Natürlich kann man noch etwas am "Füllfaktor" arbeiten, indem man das 
verfügbare Volumen, mit Kleinakkus füllt. Ob Du mit diesem Konzept, auf 
Grund der vielen, dann nötigen Verbindungen, einen Blumentopf gewinnen 
kannst, ist eher fraglich.
Übrigens: Da ein Minimum an Sicherheit nötig wird, könnte allein die 
Summe an Haltern zu einem Problem werden. Die Batterie kann sowohl 
elektrisch (Kurzschlüsse durch Verformung), als auch mechanisch (Masse 
mal Geschwindigkeit), zu einem sehr gefährlichen Teil werden.

von Hendi (dg3hda) (Gast)


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Ich stopfte mal ein paar LiPoly Pouches in Nomex-Feuerwehrsocken um die 
Brandgefahr ein wenig zu verringern...  :)

von Amateur (Gast)


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Wenn die Socken die Wärme zu gut isolieren, kann es zu anderen Problemen 
kommen.
Hoch- und Höchstlastakkus können sowohl bei Be- als auch beim Entladen 
relativ warm werden:-) Ein weiterer Faktor, der beim Packen 
berücksichtigt werden sollte.

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