DIY (do it yourself): Tipps für Selbermacher

Vorwort:

Das Anfertigen von Lithium-Akku-Paketen wird oft in Eigenregie durchgeführt. Einige Anfragen zu diesem Thema veranlassen mich nun, hier in einigen Absätzen die wichtigsten Kriterien zu beschreiben. Das Bauen solcher Akku-Pakete ist ja grundsätzlich nicht schwer. Es handelt sich ja nur, um das Aneinanderreihen von Akku-Zellen. Trotzdem sollte man gewisse Regel dabei beachten um keinen Schaden an sich oder anderen zu verursachen.

Lithiumzellen und das Hantieren kann erhebliche Gefahren mit sich bringen. Ein notwendiges Fachwissen und der richtige Umgang sind hier essentiell. 

Verbinden von Akku-Zellen:

Lithiumzellen dürfen nicht gelötet werden. Die Verbindung der Zellen wird mit Nickel-Streifen hergestellt, welche mit einem Punktschweißgerät angebracht werden. Um eine stabile Verbindung her zu stellen, sollten Zell-Halter verwendet werden. Diese gewährleisten einen ordentlichen Halt und sichern das Paket vor Durchschlag, da mit diesen Zell-Haltern ein Abstand zwischen den Zellen garantiert ist.

Spannung:

Wer nun eine Akku-Pack baut hat eine meist eine Vorgabe, welche Spannung er für den Betrieb von elektrischen Verbrauchen benötigt. Das serielle Verbinden von Zellen ergibt dann die Spannung eines Akku-Pack. Zum Beispiel, verbindet man 10 Zellen erhält man 36V.

Strom:

Wer nun ein Akku-Pack anfertigt muss dieses dem Verbraucher anpassen. Also die Spannung ist schon klar und nun müssen Zellen parallel verbunden werden um die notwendige Kapazität zu erreichen. Zu beachten ist, dass die Zell-Belastung gut dimensioniert ist. Optimal sind Belastungen zwischen 0,5 -1C. Das bedeutet, hat man eine 3Ah Zelle, kann die Dauerbelastung etwa bei 3A pro Zelle sein. Üblicherweise gibt der Hersteller den Dauerlaststrom an. Betreibt man Zellen jedoch immer am Limit, werden diese nicht alt. Bei den Zellen den halben Dauerstrom zu ziehen, verspricht hier eine wesentliche Verbesserung. Auch wird das Akku-Paket eine stabilere Spannung bei Belastung zeigen.

Kapazität:

Die Kapazität errechnet sich nun aus dem Produkt meiner Spannung und der verbauten Zellen in einem Segment. Sind 10Stück 3Ah Zellen in einem Segment parallel verbunden, ergibt das ein Akku-Pack mit 30Ah. Multipliziert man diesen Wert mit der Nominalspannung, erhält man die Kapazität in Watt-Stunden (Wh). Betreibt man einen Motor mit 500W, braucht man hierfür eben 500Wh Kapazität.

BMS (Batteriemanagementsystem):

Wer ein Akku-Pack baut braucht erst gar nicht nachdenken, ob er so ein BMS einbaut. Ohne BMS geht’s gar nicht. Das BMS schützt die Zellen und auch den Nutzer und sein Umfeld. Was macht das BMS ? Hier nun die wichtigsten Funktionen ! Erkennt das BMS Abweichungen vom Sollzustand, schaltet es in wenigen Millisekunden ab !

Überwacht wird:

1. Zellspannung ( Entladeendspannung, Ladendspannung)
2. Laststrom (zulässiger Dauerstrom)
3. Kurzschluss Strom
4. optional : Zelltemperatur, BMS Temperatur (wichtig bei Schnelladegeräten)

Verdrahtung:

Hier wird sehr oft Schindluder betrieben. Man kann manchmal da und dort sparsam sein, aber nicht bei der Verdrahtung. Wir sprechen grundsätzlich von interner Verdrahtung, als auch von externer Verdrahtung. Die externe Verdrahtung, so man diese nicht selbst herstellt, ist ja meist schon im Gerät vorgegeben. Trotzdem sollte man, zum Beispiel beim verstärken der Kapazität, diese prüfen. Hier fließen vielleicht dann Leistungen, die der Hersteller gar nicht angenommen hat. (schon erlebt !) Die interne Verdrahtung eines Akku-Pack sollte immer berechnet werden. Hier sollen die Spannungsverluste auf jedem Fall unter 0,5% liegen. Handelt es sich um Hochstromanwendungen, womöglich unter 0,2%. Nicht nur, dass die Verdrahtung langsam ab schmort, man bestiehlt sich auch der Kapazität. Fliesen zum Beispiel 200A (12V Inverter) entstehen da gleich mal 20-50W Verlustleistung direkt an der Leitung. Also abgesehen der entstehenden Brandgefahr, nutz man die Investition einer hohen Kapazität auch nicht zu 100%. Manchmal werden solche Brände den Zellen zugeschrieben, was dann aber nicht korrekt ist.

Gehäuse:

Wer ein Akku-Pack baut, sollte sich auch um ein ordentliches Gehäuse kümmern. Vorzugsweise sollten schwer entflammbare Materialien verwendet werden. Auch die Stabilität sollte nicht zu kurz kommen. Womöglich, richtig dimensionierte Batterie.- als auch Ladestecker verbauen. Ein guter Schutz gegen Spritzwasser wäre wünschenswert, oder man positioniert den Batterieeinbauplatz so, das es zu keiner Kontamination mit Flüssigkeit (Wasser) kommt. Das mögen die Zellen gar nicht. Auch werden Kontakte viel schneller Korrodieren !

Stromflüsse im Akku-Pack:

Wer ein Akku-Pack baut muss gewisse Regeln einhalten. Also abgesehen der Zellbelastung und natürlich einer ordentlichen Isolation, muss auch wissen wo fließt welcher Strom. Ich spreche hier immer von Längs.- und Querströmen. Ob die Namensgebung von mir korrekt ist, naja, aber alle wissen nach wenigen Worten, was gemeint ist. Es liegt eben in der Betrachtung des Verwenders.

•  Längsstrom , benenne ich den Stromfluß, der die Batterie von Minus auf Plus wirkt
• Querstrom , benenne ich den Stromfluß, der in den Segmenten die Zellen ausgleicht

Der Längsstrom ist der Wirkstrom, der direkt zum Verbraucher fließt, also der Laststrom. Dieser ist sehr wichtig, denn der Längsstrom gibt eigentlich vor, wie ich das Segment dimensionieren muss. Da die Zellen zumeist mit einem 0,15mm Nickelstreifen verbunden werden, kann es hier schnell zur Überlastung und folgenden Schäden kommen.

Ein Beispiel: Ist der Laststrom 50A und wir teilen diesen auf 10Zellen auf, fliest 5 Ampere, wenn ich alle Zellen in einer Reihe habe. Also der Stromfluß von einem Segment zum nächsten, da es sich ja auf 10 Nickelstreifen verteilt. Baue ich des Segment 5×2 auf fliesen 10 Ampere über einen Nickelstreifen. Das kann schon problematisch werden !

Der Querstrom fließt nur in den Segmenten von einer Zelle zu ihrem Nachbar. Der ist grundsätzlich ein Ausgleichsstrom. In der Regel ein Bruchteil vom Laststrom. Also müssen wird den Querstrom nicht so kritisch beachten. Selbst bei Hochstromanwendungen fließen da oft nur wenige Ampere.

Hochstromanwendungen:

Hier sollte man wirklich den Fachmann heran ziehen. Abgesehen von Folgeschäden, kann wirklich viel Geld verbrannt werden. Diese Anwendungen beinhalten mehrere hundert oder sogar tausend Zellen. Bei Lithium-Ionen-Zellen können hier fürchterliche Brände entstehen. Also lieber Hände weg !!! Mein Rat wäre hier auf jeden Fall LiFePo-Zellen verwenden. Abgesehen der höheren Zykluszahl sind diese  weniger gefährlich. Absolut gefahrenlos sind sie natürlich nicht aber diese Zellen müssen schon richtig grauslich behandelt werden, bevor sie zuschlagen.

Equalizer:

Gerade bei Hochstromanwendungen oder großen Kapazitäten, sollte man sich diese kleinen unscheinbaren Geräte nicht schenken. Sie kümmern sich pausenlos darum, das die Segmente in Balance bleiben. Das machen sie aber nicht erst kurz vor Ladeendspannung, wie die Balancer, nein sie machen dass kontinuierlich über den ganzen Spannungsbereich. Sie schaffen bis zu 6A Ausgleichstrom und arbeiten schon ab 0,01 Volt Differenzspannung. Die integrierten Balancer in den BMS schaffen gerade mal 60-90mA, wer da nicht selbst erkennt, dass das ein sinnloses Unterfangen ist um große Kapazitäten in Balance zu halten, sollte gleich den DIY-Akku-Bau bleiben lassen.

Ich hoffe euch mit diesem Beitrag, einige interessante Aspekte für eure Projekte angeführt zu haben. Wer das eine oder andere nicht versteht, oder sich nicht zutraut ein Projekt zu starten, kann mich gerne kontaktieren. Wer bei mir Ware kauft, hat uneingeschränkt Anspruch auf Projekt-Unterstützung. Kosten entstehen erst ab vollständiger Berechnung oder Planung.