Neues Ladeverfahren: Akku in nur 2 Std. laden inkl. balancieren!
Verfasst: 11.11.2016 13:17
Es erfolgen Vorstellung und Test eines auf Lithiumzellen abgestimmtes CCCV-Schnellladeverfahrens womit es problemlos möglich ist, einen Segway-Akku in 2 Std. nahezu vollständig aufzuladen UND dabei die Lithiumzellen zu balancieren.
In der folgenden Fotodoku werde ich Schritt für Schritt aufzeigen, wie einfach der Vorgang für den Anwender zu realisieren ist, warum das ohne Schaden für die Zellen bzw. den Akku möglich ist und woran zu erkennen ist, dass die Zellen auch tatsächlich balanciert wurden.
Soviel vorab: Ich habe den mit meinem Verfahren geladenen Akku zeitnah an einen Segway montiert und das Ladekabel in die Steckdose gesteckt, nach gerade einmal einer Minute (!) blinkte die grüne Lade-LED des Segway: Das bedeutet, dass der Akku ohne Zweifel vollständig und fehlerfrei aufgeladen wurde!
1) Testbedingung
Bei 22 °C Raumtemperatur wurde ein funktionstüchtiger Segway-Akku (Rev. AF, Bj. 2011) zunächst innerhalb einer Testreihe 3x aufgeladen und zur Ermittlung der Netto-Kapazität vollständig entladen (Ergebnisse: 5,50 Ah, 5,58 Ah, 5,52 Ah). Nach einer Wartezeit von 3 Std. wurden die Akku-Parameter vom vollständig entladenen Akku dokumentiert, u.a. die Akku-Klemmenspannung, die Zellendifferenz (Drift) und die Akku-Temperatur.
Der Segway-Akku ist mit dem von mir entwickelten Diagnosegerät verbunden, welches beim Ladevorgang permanent die Zellen-Werte und den Akku-Status überprüft und visualisiert. Das Ladegerät wird über die beiden 4mm-Laborbuchsen am Adapter des Diagnosegerätes mit dem Akku verbunden.
Der Ladevorgang wird durch zeitgleiche Aktivierung von Diagnosegerät und Ladegerät gestartet, wobei das Diagnosegerät die IN den Akku geladene Kapazität ermittelt [-Ah; Minuszeichen beachten]. Eine Funkuhr liefert die Zeitreferenz, alle 60 Min. werden die relevanten Messwerte mittels Foto in Echtzeit dokumentiert und erläutert.
Der Test wird mit Schlussprotokoll beendet, sobald eine Ladedauer von exakt 2 Std. erreicht wird und ist als erfolgreich zu bewerten, insofern der Akku über den Bus keinen Fehler meldet (STATUS = OK).
2) Fotodokumentation
Anhand der Fotos kann der Betrachter jeden der einzelnen Schritte leicht nachvollziehen, insbesondere lässt sich am Diagnosegerät der Spannungsverlauf der Lithiumzellen und der Temperatur gut beobachten. Dazu könnte es hilfreich sein die Bilder zu vergrößern, da durch Reflexionen das TFT-Display vom Diagnosegerät in der zeitlich vorgegebenen Situation nicht immer optimal abgelichtet werden konnte.
2.1) Ausgangssituation (1. Foto)
Die Ausgangssituation mit vollständig entladenen Segway-Akku: Zu beachten ist die (für einen betriebsbereiten Akku viel zu hohe) Zellendrift von 195 mV sowie die Akku-Temperatur von 26 °C, da sich diese Werte durch den Ladevorgang signifikant verändern werden.
Nebenbei: Für die Qualität des Diagnosegerätes spricht die identische Spannungsangabe für U_ADC / U_I/O. Dies ist deshalb bemerkenswert, da es sich hierbei um 2 völlig getrennte Messkreise handelt: U_ADC wird vom internen ADC des Diagnosegerätes ermittelt, U_I/O dagegen vom Akku-BMS:
2.2) 21:00 Uhr - Start Ladevorgang (2. & 3. Foto)
Der Anfangs-Ladestrom beträgt 3A, der mittlere Ladestrom über die gesamte Zeit von 2 Std. beträgt zellenverträgliche 2,8A. Die Zellen selbst haben (vom 3 Std. zurückliegenden Entladevorgang) eine Restwärme von 26 °C. Dieser Wert ist für den späteren Vergleich wichtig, um einen Rückschluß auf die Erwärmung der Zellen durch den Ladevorgang zu erhalten, und um zu verifizieren, ob die Zellen während der gesamten Ladeprozedur sich innerhalb der Herstellervorgabe befunden haben:
2.3) 22:00 Uhr - Ladevorgang nach einer Stunde (4. Foto)
Nach nur einer Stunde Ladedauer wurden mit -3,01 Ah bereits 52 % effektiv nutzbare Kapazität in den Segway-Akku geladen. Für den Anwender ergibt sich somit eine zusätzlich nutzbare Reichweite von 20 km (i2) - und damit ein echter Nutzen mit mehreren Touren am Tag. Auch die Zellen befinden sich spannungsmäßig im optimalen Gleichlauf, erkennbar an der geringen Zellendrift von nur 16 mV:
2.4) 23:00 Uhr - Ende Ladevorgang nach 2 Stunden (5. bis 7. Foto)
Nach nur 2 Std. ist mit -5,58 Ah der Segway-Akku zu 96 % geladen - für den Anwender eine nutzbare Reichweite von 37 km (i2). Dabei beträgt der Spannungsunterschied der (balancierten) Zellen untereinander - die sog. Zellendrift - marginale 8 mV, wobei das Balancieren der Zellen bereits an der spontanen (und für die trägen Zellen viel zu sprunghaften) Temperaturerhöhung ablesbar ist, da die Erwärmung der 4 Akku-internen Temperatursensoren nicht durch die Lithiumzellen, sondern durch die aktiven Balancerwiderstände erfolgt:
3) Zusammenfassung
Ein Segway-Akku kann in 2 Std. zu 96 % fehlerfrei geladen werden, was hiermit dargelegt wurde.
Mit 2 Ladegeräten wäre ein Segway i2 nach nur 2 Std. wieder für 37 km einsatzbereit, wobei die hier verwendeten Ladegeräte als Off-Board-Charger fungieren.
Grundlage der Berechnung sind 5,20 Ah nutzbare Nettokapazität eines AF-Akkus, dessen Zellen über 5,60 Ah Nennkapazität verfügen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch Verluste (u.a. durch das Balancieren) etwa 10 % mehr Kapazität geladen wird, als später beim Fahren wieder entnommen werden kann: Die in 2 Std. geladenen -5,58 Ah entsprechen also 5,02 Ah nutzbare Kapazität - somit 96 % von 5,20 Ah.
Beim Ladevorgang erwärmen sich die Zellen durch den erhöhten Ladestrom um +7 °C von 26 auf 33 °C, was weit unterhalb der lt. Datenblatt max. zulässigen Ladetemperatur liegt und ein weiterer Hinweis darauf ist, dass die Zellen mit einem mittleren Ladestrom von 2,8A - welcher innerhalb der Spezifikation der Lithiumzellen liegt - keinem thermischen Stress ausgesetzt sind.
Die anfängliche Zellendrift von 195 mV hat sich auf minimale 8 mV reduziert, was bedeutet, dass die Zellen untereinander optimal balanciert wurden. Das Ladegerät ist auf eine absolute Ladeschlußspannung von 80,2 V justiert, wodurch sichergestellt wird, dass die Zellen nicht überladen werden können (Gefahr einer Überladung der Zellen erst ab einer Spannung von 23 x 3,65 V = 83,95 V möglich).
Ich setze das Schnellladeverfahren seit mehreren Jahren bei 2 Segways erfolgreich ein. Eine durch den höheren Ladestrom bedingte Verkürzung der Akku-Lebensdauer ist weder festzustellen, noch zu erwarten.
In der folgenden Fotodoku werde ich Schritt für Schritt aufzeigen, wie einfach der Vorgang für den Anwender zu realisieren ist, warum das ohne Schaden für die Zellen bzw. den Akku möglich ist und woran zu erkennen ist, dass die Zellen auch tatsächlich balanciert wurden.
Soviel vorab: Ich habe den mit meinem Verfahren geladenen Akku zeitnah an einen Segway montiert und das Ladekabel in die Steckdose gesteckt, nach gerade einmal einer Minute (!) blinkte die grüne Lade-LED des Segway: Das bedeutet, dass der Akku ohne Zweifel vollständig und fehlerfrei aufgeladen wurde!
1) Testbedingung
Bei 22 °C Raumtemperatur wurde ein funktionstüchtiger Segway-Akku (Rev. AF, Bj. 2011) zunächst innerhalb einer Testreihe 3x aufgeladen und zur Ermittlung der Netto-Kapazität vollständig entladen (Ergebnisse: 5,50 Ah, 5,58 Ah, 5,52 Ah). Nach einer Wartezeit von 3 Std. wurden die Akku-Parameter vom vollständig entladenen Akku dokumentiert, u.a. die Akku-Klemmenspannung, die Zellendifferenz (Drift) und die Akku-Temperatur.
Der Segway-Akku ist mit dem von mir entwickelten Diagnosegerät verbunden, welches beim Ladevorgang permanent die Zellen-Werte und den Akku-Status überprüft und visualisiert. Das Ladegerät wird über die beiden 4mm-Laborbuchsen am Adapter des Diagnosegerätes mit dem Akku verbunden.
Der Ladevorgang wird durch zeitgleiche Aktivierung von Diagnosegerät und Ladegerät gestartet, wobei das Diagnosegerät die IN den Akku geladene Kapazität ermittelt [-Ah; Minuszeichen beachten]. Eine Funkuhr liefert die Zeitreferenz, alle 60 Min. werden die relevanten Messwerte mittels Foto in Echtzeit dokumentiert und erläutert.
Der Test wird mit Schlussprotokoll beendet, sobald eine Ladedauer von exakt 2 Std. erreicht wird und ist als erfolgreich zu bewerten, insofern der Akku über den Bus keinen Fehler meldet (STATUS = OK).
2) Fotodokumentation
Anhand der Fotos kann der Betrachter jeden der einzelnen Schritte leicht nachvollziehen, insbesondere lässt sich am Diagnosegerät der Spannungsverlauf der Lithiumzellen und der Temperatur gut beobachten. Dazu könnte es hilfreich sein die Bilder zu vergrößern, da durch Reflexionen das TFT-Display vom Diagnosegerät in der zeitlich vorgegebenen Situation nicht immer optimal abgelichtet werden konnte.
2.1) Ausgangssituation (1. Foto)
Die Ausgangssituation mit vollständig entladenen Segway-Akku: Zu beachten ist die (für einen betriebsbereiten Akku viel zu hohe) Zellendrift von 195 mV sowie die Akku-Temperatur von 26 °C, da sich diese Werte durch den Ladevorgang signifikant verändern werden.
Nebenbei: Für die Qualität des Diagnosegerätes spricht die identische Spannungsangabe für U_ADC / U_I/O. Dies ist deshalb bemerkenswert, da es sich hierbei um 2 völlig getrennte Messkreise handelt: U_ADC wird vom internen ADC des Diagnosegerätes ermittelt, U_I/O dagegen vom Akku-BMS:
2.2) 21:00 Uhr - Start Ladevorgang (2. & 3. Foto)
Der Anfangs-Ladestrom beträgt 3A, der mittlere Ladestrom über die gesamte Zeit von 2 Std. beträgt zellenverträgliche 2,8A. Die Zellen selbst haben (vom 3 Std. zurückliegenden Entladevorgang) eine Restwärme von 26 °C. Dieser Wert ist für den späteren Vergleich wichtig, um einen Rückschluß auf die Erwärmung der Zellen durch den Ladevorgang zu erhalten, und um zu verifizieren, ob die Zellen während der gesamten Ladeprozedur sich innerhalb der Herstellervorgabe befunden haben:
2.3) 22:00 Uhr - Ladevorgang nach einer Stunde (4. Foto)
Nach nur einer Stunde Ladedauer wurden mit -3,01 Ah bereits 52 % effektiv nutzbare Kapazität in den Segway-Akku geladen. Für den Anwender ergibt sich somit eine zusätzlich nutzbare Reichweite von 20 km (i2) - und damit ein echter Nutzen mit mehreren Touren am Tag. Auch die Zellen befinden sich spannungsmäßig im optimalen Gleichlauf, erkennbar an der geringen Zellendrift von nur 16 mV:
2.4) 23:00 Uhr - Ende Ladevorgang nach 2 Stunden (5. bis 7. Foto)
Nach nur 2 Std. ist mit -5,58 Ah der Segway-Akku zu 96 % geladen - für den Anwender eine nutzbare Reichweite von 37 km (i2). Dabei beträgt der Spannungsunterschied der (balancierten) Zellen untereinander - die sog. Zellendrift - marginale 8 mV, wobei das Balancieren der Zellen bereits an der spontanen (und für die trägen Zellen viel zu sprunghaften) Temperaturerhöhung ablesbar ist, da die Erwärmung der 4 Akku-internen Temperatursensoren nicht durch die Lithiumzellen, sondern durch die aktiven Balancerwiderstände erfolgt:
3) Zusammenfassung
Ein Segway-Akku kann in 2 Std. zu 96 % fehlerfrei geladen werden, was hiermit dargelegt wurde.
Mit 2 Ladegeräten wäre ein Segway i2 nach nur 2 Std. wieder für 37 km einsatzbereit, wobei die hier verwendeten Ladegeräte als Off-Board-Charger fungieren.
Grundlage der Berechnung sind 5,20 Ah nutzbare Nettokapazität eines AF-Akkus, dessen Zellen über 5,60 Ah Nennkapazität verfügen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch Verluste (u.a. durch das Balancieren) etwa 10 % mehr Kapazität geladen wird, als später beim Fahren wieder entnommen werden kann: Die in 2 Std. geladenen -5,58 Ah entsprechen also 5,02 Ah nutzbare Kapazität - somit 96 % von 5,20 Ah.
Beim Ladevorgang erwärmen sich die Zellen durch den erhöhten Ladestrom um +7 °C von 26 auf 33 °C, was weit unterhalb der lt. Datenblatt max. zulässigen Ladetemperatur liegt und ein weiterer Hinweis darauf ist, dass die Zellen mit einem mittleren Ladestrom von 2,8A - welcher innerhalb der Spezifikation der Lithiumzellen liegt - keinem thermischen Stress ausgesetzt sind.
Die anfängliche Zellendrift von 195 mV hat sich auf minimale 8 mV reduziert, was bedeutet, dass die Zellen untereinander optimal balanciert wurden. Das Ladegerät ist auf eine absolute Ladeschlußspannung von 80,2 V justiert, wodurch sichergestellt wird, dass die Zellen nicht überladen werden können (Gefahr einer Überladung der Zellen erst ab einer Spannung von 23 x 3,65 V = 83,95 V möglich).
Ich setze das Schnellladeverfahren seit mehreren Jahren bei 2 Segways erfolgreich ein. Eine durch den höheren Ladestrom bedingte Verkürzung der Akku-Lebensdauer ist weder festzustellen, noch zu erwarten.