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Forum: Haus & Smart Home DIY Elektronik für Solarbatterie


Autor: Benjamin F. (Firma: Privat) (batterist)
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Hallo Freunde,

ich bin der Neue...

Im wirklichen Leben heiße ich Benjamin.

Tagsüber bin ich Maschinenbauingenieur, Nachmittags Familienvater mit 
zwei Kindern und nachts bastele ich verschiedenste Kleinigkeiten - 
manchmal, aber selten, schlafe ich nachts auch.

Ich habe nun eine neue Kleinigkeit begonnen und ziemlich schnell 
festgestellt dass die Schwierigkeiten mit abnehmender Baugröße zunehmen.

Sprich SMD.

Genug gefaselt, ich erkläre mal, was ich vorhabe:

Die Idee ist nicht neu und nicht von mir, aus alten Laptop Akkus die 
18650er Li-Ion Zellen auszubauen und die noch brauchbaren Zellen 
herauszufiltern.

Das ist der leichte Teil des Vorhabens und aus über 600 getesteten 
Zellen gingen bisher knapp 300 Kandidaten hervor, die im Projekt 
Solarbatterie mitmachen dürfen.

Die Zellen werden 13s22p verschaltet und bilden bei einer mittleren 
Kapazität von 3,5Wh pro Zelle einen Block mit 1kWh. Real werden die 
Zellen etwas besser sein und die Realkapazität liegt knapp über der 
Nennkapazität.

Zehn solcher Blöcke werden als Einschübe in einen Schaltschrank gesteckt 
und ergeben einen Speicher von 10kWh, der im Prinzip beliebig 
erweiterbar ist.

Der hohe Lade- und Entladewirkungsgrad der Li-Ion Zellen hat zur 
Entscheidung gegen Bleiakkus geführt. Negativ ist allerdings der hohe 
Beschaffungsaufwand, falls man nicht neue Zellen kaufen will.


Daher hier ein Aufruf: Wer alte Laptop Akkus abzugeben hat oder eine 
Quelle kennt, der möge sich bitte melden.


Die Solarbatteie wird von Ladereglern aus einer Photovoltaikanlage 
geladen und versorgt drei Wechselrichter die dann mein Haus dreiphasig 
speisen. Es wird nicht ins Netz eingespeist, der Bzug aus dem Netz wird 
aber minimiert. In den Wintermonaten wird es nicht ganz ohne Netzbezug 
ausgehen.

Problematisch stellt sich für mich das Batteriemanagement der einzelnen 
Blöcke dar.

Ich will folgendes realisieren:

-Mikroprozessor als Basis, z.B. Arduino
-Messung der einzelnen Zellenspannungen zwecks Anzeige, gegebenenfalls 
Spannungsausgleich über Bypass
-Strommessung über Shunt zur Aufsummierung für Kapazitätsanzeige und zur 
Überwachung
-HotPlug-fähigkeit - dazu muss beim ziehen des Blockes zunächst der 
fließende Strom unterbrochen werden ->HighSide N-FET antiseriell
-beim Wiedereinstecken wird die Blockspannung mit der Systemspannung 
verglichen und erst wenn wenn durch Ladung oder Entladung des Systems 
eine ausreichend ähnliche Spannung anliegt, wied der Block dem System 
zugeschaltet
-Temperaturüberwachung
-Eventuell Datalogging (Zeit, Strom, Spannungen, Temperatur sind nur ein 
paar bit)auf EPROM ( ich hab etliche kleine SMD EPROMs rumliegen)
-möglichst geringer Eigenstromverbrauch vor allem wenn der Block gezogen 
wurde



Im wesentlichen kann man das alles mit einem Arduino oder ähnlichen 
Prozessor und ein paar weiteren ICs realisieren.

Für die Spannungsmessung gibts z.B. fertige ICs, die aber leider nur 12 
Zellen messen können. Von daher wäre eine diskrete Lösung vielleicht 
nicht verkehrt.

Um den ganzen Block abzuschalten habe ich recherchiert, dass man zwei 
antiserielle MOSFETs nehmen kann. Bevorzugt N-Channel, weil die einen 
geringeren RDS on haben. Ich weiß bloß nicht über welche Treiber ich die 
dann wie schalte.

Soll der Block gezogen werden, so wird zunächst beim Lösen der 
Arretierungsschraube ein Mikroschalter betätigt, über den die MOSFETs 
abgeschaltet werden. Der Block ist dann stromlos und kann ohne 
Lichtbogen gezogen werden.

Genug vorerst.

Da ich von Elektronik leider nur Grundkenntnisse besitze, werde ich viel 
Hilfe benötigen. Ich freue mich daher über alle Tips und Erklärungen 
denn Fragen habe ich reichlich.

Danke schonmal an alle Helfer!

MfG
Benjamin

P.S.: Einige werden es bemerkt haben: Ich habe mich auch in einem 
Nachbarforum angemeldet. Nachdem ich hier aber einiges gelesen habe, 
glaube ich, hier besser aufgehoben zu sein.

Autor: Jürgen (Gast)
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Benjamin F. schrieb:
> ergeben einen Speicher von 10kWh, der im Prinzip beliebig
> erweiterbar ist.
[...]
> Da ich von Elektronik leider nur Grundkenntnisse besitze,

Sorry, aber bei den Leistungen, Deinen Erfahrungen und dann möglichst 
billig und mit gebrauchen Akkus wird das eher eine große Brandbombe.
Bau doch erstmal eine 500W bis 1kW Version um festzustellen, wo es da 
Probleme gibt.
Das ist eine Aufgabe an der schon erfahrene Elektronikentwickler 
gescheitert sind.

Autor: Benjamin F. (Firma: Privat) (batterist)
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Hallo Jürgen,

danke für deine Antwort, etwas konkreter wäre aber besser gewesen.

Welche Probleme siehst du, die aus dem Akku eine Brandbombe machen 
sollen?


Mit 1kW testen wird schwierig weil das viel zu wenig ist um ein Haus 
damit zu versorgen.

Allerdings habe ich auch schon überlegt, einen 1kW Wechselrichter zu 
besorgen um einen Block als Prototyp zu testen.

Die möglichen Probleme sehe ich dabei weniger bei den Akkus selbst 
sondern beim Batteriemanagement.

Mein größtes Problem wird sicherlich die Programmierung der µCs sein.

Das Programm wird neben der Erfassung und Speicherung der 
Zellenspannungen und des Stromes auch einen I2C Bus beinhalten, mit dem 
alle Blöcke mit einem Master im Schaltschrank kommunizieren.

Der Master weiß dann wieviele Blöcke angeschaltet sind, wieviel Leistung 
und Kapazität zur Verfügung steht und ob Störungen vorliegen, ob gerade 
Balanciert wird, ob ein Blck wegen Überstrom abgeschaltet hat, ...

Dann muss ich eine Möglichkeit finden, dem Wechselrichter die maximale 
Batterieleistung mitzuteilen. Der Rest muss aus dem Netz kommen.

Ich schreibe das alles so aus dem Kopf. Für die Software muss ich noch 
eine Art Lastenheft schreiben.

Ebenso für die Hardware.

Frage dort z.B.:

Neben der Abschaltung über MOSFETs will ich eine Sicherung einbauen. Das 
kann eine Schmelzsicherung sein, könnte aber auch ein LSS mit 
Hilfskontakt sein.

Letzteres wäre rücksetzbar und auswertbar.

Gängige LSS sind für z.B. 80VDC geeignet. Das würde reichen.

Spricht etwas gegen LSS?

Stecker für die Blöcke habe ic hschon gefunden. Harting HAN K4/8.

Vier Kontakte mit 80A, davon zwei Reserve, und acht Kontakte 16A, hier 
für Signal, also VCC, GND, I2C, Notaus, ...

Gibts deutlich billiger auch von ILME aus Italien. Kompatibilität teste 
ich nächste Tage.

Die Stecker- und Buchseneinsätze werden ohne eigenes Gehäuse direkt am 
Block und im Schrank montiert.

Autor: Christian M. (Firma: magnetmotor.ch) (chregu) Benutzerseite
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Hallo,

wie Jürgen schon schrieb, mach ein bisschen Elektronik-Basteln und 
versuch Dich in 1 oder 2 Jahren mit 100W oder so.

Gruss Chregu

Autor: Jürgen (Gast)
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Benjamin F. schrieb:
> Welche Probleme siehst du, die aus dem Akku eine Brandbombe machen
> sollen?

Jedes.
Jeder Fehler in diesen Leistungsbereich kann zu Strömen im 
Kiloamperebereich führen, mit den entsprechenden thermischen 
Auswirkungen. Und daneben lagerst Du reines Lithium im Kilobereich.

Fang klein an, ein Kilowatt mit Bleibatterien reich die nächste Jahre 
zum Lernen und Du brauchst nicht gleich ein neues Haus und eine neue 
Familie weil jemand einen Eimer Wasser auf die qualmende Anlage 
geschüttet hat.

Deine theoretischen Ansätze sind zu theoretisch, Du planst schon wie 
Schrauben Schalter auslösen oder wie Du  die Steckkontakte belegst bevor 
Du einen kleinen Testaufbau hast, der sicher läuft und das kannst Du 
nicht durch jahrelange Erfahrung wett machen.

Ich stand einmal neben eine 25kVA USV die hochgegangen ist, zum Glück 
nur mit Bleibatterien, wir musten nur den einen Raum sanieren und nach 
sieben Wochen konnte ich auch wieder arbeiten.
Ich glaube nicht, daß Du ein ähnliches Gerät mal eben betriebssicher 
selbst baust.

Autor: Oliver S. (oliverso)
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Ach je, German Angst. Und dazu der übliche Bullshit. Lithium-Ione Akkus 
enthalten kein freies Lithium...

Wie sowas geht, sieht man z.B. hier:

Youtube-Video "$300 DIY Tesla Powerwall - Solar storage 18650 lithium ion home Battery"

Oliver

Autor: Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite
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too long, didn't read, Benjamin

Autor: Benjamin F. (Firma: Privat) (batterist)
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Oliver S. schrieb:
> Ach je, German Angst. Und dazu der übliche Bullshit. Lithium-Ione Akkus
> enthalten kein freies Lithium...

Naja, ich kann die Bedenkenträger voll verstehen. Bin manchmal selbst 
einer von denen.

Wenn man eine Vorstellung davon hat, wieviel 10kWh sind, dann kann einem 
das schon zu denken geben...

Nichts desto trotz ziehe ich dieses Projekt durch.

Ich schrieb ja, dass ich von Elektronik nur Grundkenntnisse besitze. 
Diese Grundkenntnisse sind aber wahrscheinlich hundertmal mehr als die 
meisten "Bastler" mitbringen.

Ohne hier die Bastler irgendwie angreifen zu wollen.


> Wie sowas geht, sieht man z.B. hier:
>
> Youtube-Video "$300 DIY Tesla Powerwall - Solar storage 18650 lithium ion home Battery"

Da muss ich energisch widersprechen. So sollte man das nicht machen wenn 
man größeres vorhat.

Einen 10kWh Speicher werde ich sicher nicht in eine Holzkiste einbauen.

Man kann online Blechzuschnitte kanten lassen. Also kriegt jeder 1kWH 
Block ein schönes Blechgehäuse. Als Isolator dient PE Schaum und 1mm PE 
Folie.

Ein BMS vermisse ich im Video auch.

Keine Spannungsüberwachung, kein Balancing, keine Temperaturerfassung, 
keine Sicherung, kein Hauptschalter, kein ...

Das ist nur eine Holzkiste mit ein paar Akkus drin. Nicht mehr und nicht 
weniger.

Autor: Mani W. (e-doc)
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Benjamin F. schrieb:
> Gängige LSS sind für z.B. 80VDC geeignet. Das würde reichen.
>
> Spricht etwas gegen LSS?



Dazu kann ich sagen aus eigener Erfahrung:


Wir hatten eine 1 KWp Anlage mit 48 Volt Akkus, Leerlaufspannung
so um 64 Volt und Mosfet-Längsregler (PWM) - selbstentwickelt und
mit Temperaturanpassung...


Damals hatte ich auch LSS eingebaut, damit jederzeit abgeschaltet
werden kann - beim Abschalten hat der LSS intern einen Lichtbogen
gezogen, dass er fast abgeschmolzen wäre...


Also würde ich mit den 80 Volt DC vorsichtig umgehen...

Autor: Benjamin F. (Firma: Privat) (batterist)
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Aha, berechtigter Einwand.

Also doch Schmelzsicherungen.

Das schöne am LSS wäre gewesen, dass die rückstellbar sind.

Leider habe ich kaum Sicherungen gefundne, die einen wirklich kleinen 
Gesamtwiderstand samt Fassung haben.

Am ehesten noch solche Sicherungen mit Schraubterminals. Findet man u.A. 
in Staplern.

Autor: Jörg E. (jackfritt)
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Oder ANL Sicherungen und Halter. Gibs im Hifi Car Bereich bis ca. 200A.

Autor: Schreiber (Gast)
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Benjamin F. schrieb:
> Da ich von Elektronik leider nur Grundkenntnisse besitze, werde ich viel
> Hilfe benötigen. Ich freue mich daher über alle Tips und Erklärungen
> denn Fragen habe ich reichlich.

Tipp für den Anfang: Das ganze in ein Gartenhäuschen bauen und genug 
Abstand zu allem Brennbaren halten!!!

Autor: Ryven (Gast)
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Ich habe ähnliches gebaut.
Aber ich habe 25 Ah Blöcke mit 13s verwendet. Diese wurden über 
Neodizard Sicherung auf 16A auf ne Kupfersammelschiene geklemmt.
Die Blöcke sind im Blechgehäuse verpackt, ähnlich einem 1 He 
Rackgehäuse.

So passen 44 bis 54 in einen Serverschrank. Der Serverschrank ist mit 2 
x 70mm² und über ne NH3 Sicherung 400A auf die Sammelschiene für die 
Wechselrichter geklemmt.
Von den Schränken gibt es zwei Stück.

Das ist auch notwendig, da die Wechselrichter bis 600A haben wollen.
Die Wechselrichter selbst sind mit 200A abgesichert.

Ich habe mich für die Schmelzsicherungen entschlossen, weil diese 
Zulassungen für bis 400 V Gleichstrom haben und die Stromwerte auch 
direkt für Gleichstrom gelten.

Die LSS gibt es auch für Gleichstrom, kosten dann aber etwa 10 bis 15 € 
das Stück. War mir zuviel.

Zudem ich die auch wieder schlecht auf die Kupferschiene klemmen kann.

BMS habe ich fertige genommen. Für etwa 14€ das Stück, da fang ich nicht 
das selbstbauen an.

Wichtig ist aus meiner Sicht, nicht die Spannunggrenzen ausreizen. 
Lieber nur von 3.1 bis 4 V gehen. Dann hast du länger was von den Akkus.

Wie willst du deinen 18650er verbinden?

Gruß
Ryven

Autor: Benjamin F. (Firma: Privat) (batterist)
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Hallo Ryven,

danke für deinen sehr hilfreichen Beitrag.

Im Moment habe ich auch noch nichts besseres als NEOZED gefunden. Besser 
in Bezug auf Funktion und Preis/Leistung.

Eine Hauptsicherung mit NH Einsätzen scheint mir auch sinnvoll.

Ich werde ebenfalls einzelne Blöcke in Blechgehäusen bauen.

Jeder Block bekommt ein BMS und eine Sicherung.

Alle BMS werden über I2C mit einem Master kommunizieren.

Der Master widerum mit den Wechselrichtern. So wird stets die verfügbare 
Leistung und Kapazität mitgeteilt.

Ausserdem wird es einen Datenlogger geben.

Die einzelnen 18650 werden 13S22P verschaltet. Vielleicht auch nur 20P, 
mal sehen wie gut die Zellen sind.

Jeder Block wird 1kW liefern. Bei mindestens 13*3V werden also höchstens 
26A benötigt. Bei höchstens 13*4V sind es nur 20A. Die Wechselrichter 
werden entsprechend abgeregelt.

LAde- Entladezyklus wird von 3V bis 4...4,1V gehen. Eine 
Notstromfunktion wird das Entladen bis 2,5V zulassen. Die tritt aber nur 
bei Netzausfall in Kraft.

Die Sicherungen werden mit 32A bestückt.

Die Minuspole werden mit 0,5mm² Cu auf Cu-Schienen mit etwa 0,5*5mm² 
gelötet.

Die Pluspole werden mit 0,14mm² CU auf ebensolche Schienen gelötet.

Der 0,14mm² Draht dient als Sicherung. Er brennt bei 3...4A durch.

Autor: Benjamin F. (Firma: Privat) (batterist)
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Jörg E. schrieb:
> Oder ANL Sicherungen und Halter. Gibs im Hifi Car Bereich bis ca. 200A.

ANL geht leider nicht weil die in aller Regel nur bis 36V zugelassen 
sind.

Ob höhere Spannungen zuverlässig abgeschaltet werden  möchte ich lieber 
nicht testen...

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