Vorstellung: "Akku-Schon-Ladegerät": Laden nur bis 80%

[MatthiasRad]

Hallo miteinander,

ich möchte euch kurz mein "Nebenbei-Bastelprojekt" vorstellen: Pedelec Ladegerät mit wählbarem "80%" Modus zum Akkuschonen.

Problematik: Lithiumakkus halten deutlich länger (in Bezug auf die insgesamt über die Lebensdauer entnehmbare Kapazität), wenn sie nicht vollgeladen werden; idealerweise werden sie auch nie ganz leer. Trotzdem ist es für manche Touren und alle 30-50 Zyklen zum "richtigen Balancen" der Zellen sinnvoll, das Akkupack ganz voll, oder zumindest fast ganz voll zu laden.

Einfache Problemlösung: Ein Ladegerät mit nem Schalter umbauen, um die Ausgangsspannung umzuschalten.

Disclaimer: Diese Basteleien sollten nur mit etwas Sachverstand ausgeführt werden. Jedes Ladegerät könnte anders aufgebaut sein, zudem ist aus elektronischer Sicht der beschriebene Umbau eigentlich doof für den Regler, das vernünftige Regelverhalten sollte z.B. mit nem Oszilloskop überprüft werden. Im Netzteil gibt es 230V, welche auch nach Ziehen des Netzsteckers noch einige Momente vorhanden sein können! Bitte nur unter größter Sorgfalt und mit der angemessenen Vorsicht daran arbeiten!

Mein Ausgangsmodell ist ein Ladegerät, welches vor über 15 Jahren mit einem Pedelec-Umbausatz mit LiFePo4 Zellen kam. Da der Akku (fast...) durch war und ich mir ein Softpack ohne Ladegerät gekauft habe, der perfekte Moment um zu schauen, ob ich die Ladespannung von den 43,8V auf etwas weniger umstellen kann.
Das Ladegerät lässt sich leicht öffnen: Unter den Gummifüßen sind Schrauben.
Nach Öffnen des Ladegeräts zeigt sich ein verklebtes Drehpotentiometer. Nach Entfernen des Klebers und vorsichtigem Drehen mit einem Schraubendreher wird klar, dass dies die Ausgangsspannung des Netzteils einstellt.
Im Falle meines Netzteils hatte das Poti einen Einstellbereich von 0-1000 Ohm und konnte die Spannung zwischen 43,2 und 44V einstellen.

Eine kurze Analyse der benachbarten Bauelemente ergibt, dass das Poti in Reihe zu einem SMD Widerstand mit etwa 33 kOhm geschaltet ist. Elektronisch gesehen bildet das Poti mit dem 33 kOhm Widerstand den positiven Teil des Spannungsteilers für den Feedback-Eingang des Schaltreglers:
Die Ausgangsspannung wird von diesem Spannungsteiler mit 33+(0-1) kOhm und 1,8 kOhm nach Masse so heruntergeteilt, dass die Regelspannung des Schaltreglers erreicht wird.

Kurzum wird der 33 kOhm Widerstand auf 27 kOhm verkleinert, damit der Regelbereich nun bis etwa 38V heruntergeht. Das Poti wird ausgelötet, und durch Ausprobieren ein Widerstand ermittelt, welcher stattdessen eingesetzt werden kann, um unsere "100%" Ladespannung von 41-42V zu erreichen. 2,7 kOhm waren es bei mir für 41,3V - etwa 95% und hoch genug, dass die meisten passiven Balancer arbeiten sollten.

Nun kommt der Trick: Zusätzlich kommen an die ehemaligen Poti-Anschlüsse zwei kurze Drähte, einer davon mit nem 27 kOhm Widerstand in Reihe, welche über einen Kippschalter verbunden werden können. Elektronisch wird der 27 kOhm Widerstand dann zu den 2,7 kOhm parallel geschaltet und verringert somit die Ausgangsspannung auf etwa 40,3V - das sind in etwa 80% Ladestand bei meinen Samsung 21700 50E Zellen.
Dieser ist der kritische Teil: Normalerweise sollte die Feedback-Schaltung eines Schaltreglers kurz gehalten werden. Drähte quer durchs Gehäuse haben hier eigentlich nichts verloren. Die Chancen stehen jedoch gut - insbesondere auch, da es sich nur um einen zusätzlich parallel geschaltenen Widerstand handelt - dass alles gut funktioniert. So wie bei mir.

Am Ende eine Probe: 900 Wh Akkupack bis 40,3 V laden. Nachdem die Lampe grün wurde und der Ladestrom unter 20 mA fällt, auf 41,3V umschalten. Nun werden noch etwa 150 Wh nachgeladen. Passt also ganz gut
Nebenbei hat das hier gezeigte Ladegerät einen Wirkungsgrad von etwa 90% und liefert 1,95-2,00A. Dabei wird es doch sehr heiß - wie scheinbar die meisten Pedelec-Lader. Günstige Elektronik eben...


;TLDR:
1. Ladegerät öffnen
2. Feedback-Spannungsteiler finden; mit Glück gibts da ein Poti.
3. Feedback-Spannungsteiler modifizieren: Widerstand über Schalter parallel zu dem "positiven Teil" des Spannungsteilers schalten, sodass die Ausgangsspannung etwa 40,0-40,5V beträgt. VORSICHT: Die Ausgangsspannung des Netzteils darf auch beim Basteln zu keiner Zeit den "gefahrlosen Bereich" von 30-45V verlassen. Niemals ohne eingelötete Feedback-Widerstände betreiben! Niemals die Widerstände über Krokoklemmen oder so anschließen, die eventuell Wackelkontakte haben können - dazu am besten immer Festwiderstände aufgelötet haben & mit Parallelschaltungen arbeiten, sodass bei Wackelkontakt/abklemmen die Spannungen immer im sicheren Bereich bleiben.
4. Nach Modifikation ordnungsgemäße Arbeit des Ladegeräts feststellen: Leerlaufspannung und Stromfluss bei leerem und fast vollem Akku prüfen, gerne auch die Spannung mal mit nem Oszi anschauen und ggf. Veränderungen zum unmodifizierten Zustand die auf unsauberen Lauf des Schaltreglers hindeuten erkennen.

Wie immer: Keine Garantie, auf eigene Gefahr... Tut euch und euren Akkus bitte nicht weh

und noch eine Anekdote zum Ende:
Ich hab jetzt das alte Pedelec von meinem Vater, da war eben ein "36V/10 Ah" LiFePo4 Pack drin, etwa 17 Jahre alt. Der Pack war um knapp 1 Ah imbalanced, trotz BMS mit Balancing Funktion.
Nun: Der Balancer dadrin scheint sogar aktiv mikrocontrollergesteuert zu sein - und trotzdem hat der Hersteller es verkackt. Balancing beginnt, sobald eine Zelle 3,4V überschreitet. Allerdings auch nur, solange der "Laden" Modus erkannt wird, also der Ladestrom mindestens etwa 100 mA beträgt. Das hat dazu geführt, dass im Ladefall mit dem 43,8V/2A Ladegerät der Balancing Zeitraum extrem kurz war: Die LiFe Zellen sind innerhalb von wenigen Minuten von 3,4V auf 3,9V, wo das BMS abschaltet. Der Pack hatte damit im Vollzustand nur 40,3V, weil das BMS abgeschaltet hat. Die Balancer sind dann deaktiviert.
Pack vorsichtig ausgepackt, am Labornetzgerät mit etwa 100 mA geladen und die vollen Zellen mit zusätzlichen Lastwiderständen stundenweise etwas Entladen. Nach 2 Tagen und 5 Stunden Handarbeit schafft der Pack nun wieder 22km mit Hänger am Rad Da er so schön in die Original Gepäckträgerhalterung passt, wird er wohl für City-Touren bleiben dürfen. Für alles andere gibts das 900 Wh Softpack... Mit dem modifizierten Ladegerät auf 41,3V geladen ist die Balancing Zeit deutlich erhöht, weil der Ladestrom viel früher nachlässt und somit das Niveau "Ladestrom > 100 mA" aber "Ladestrom << 2 A" viel länger ist. Somit hol ich trotz niedrigerer Spannung als gedacht mehr Kapazität aus dem Akku. Bei 3,45V (41,3/12) sind LiFePo4 Zellen eigentlich auch schon voll, die letzten 2 V bringen keine 5% mehr.

 

[Thomas_B]

Interessanter Ansatz für Leute die sich mit Elektronik auskennen und mit einem Lötkolben umgehen können...
Ich habe das für mein Vandoof mit Software gelöst und kann jetzt einen beliebigen Zielladestand vorgeben, einfach per Telefon o.ä..
Guckst du hier:
Thema 'VanMoof S3 / X3 MQTT-Integration (für Smart Home etc.)' VanMoof - VanMoof S3 / X3 MQTT-Integration (für Smart Home etc.)

 

[IceIce]

@MatthiasRad Finde Dein Projekt ja ganz spannend und interessant. Aber mir erschließt sich der Vorteil der Akkuflüstererei nicht so ganz. Wenn Du eh immer nur bis 80% lädst kann Meiner mit immer voll 20% degenerieren bis er auch nur noch 80% hat. Wofür habe ich einen 625 er Akku wenn ich immer nur 500 lade?

 

[Speci-Lorenz]

Wenn man die Kapa nicht zwingend braucht, ist es doch sinnvoll, den Akku so lange wie möglich auf einem guten Kapazitätsniveau zu halten? Wenn man alles braucht, klar dann sollte man auch alles nutzen. Aber nur zu sagen, der kann X, deswegen lade ich immer voll, damit ich die habe, erschließt sich mir nicht. Es muss schon irgendeinen Vorteil der Vollladung geben.
Ich nutze einfach einen Timer bzw Zeitschaltuhr, da ich weiß, dass mein Lader ca 22% die Stunde reinlädt (in der CC Phase).

 

[Pustefix]

sind die 80% nicht schon standardmäßig im lademanagement eingepreist?

 

[Bruce]

Ich mag solche Basteleien, die mit relativ viel Aufwand das Leben ein bisschen leichter machen.

Ich hab für mein Bike 2 gleiche Akkus, die ich im Alltag auch nicht knüppelvoll lade, aber mehr frei Schnauze. Die jetzigen Akkus haben LEDs, an denen ich mich grob orientieren kann. Wenn die letzte LED anfängt zu blinken, kann man so langsam daran denken, das Laden zu beenden (Stecker raus), so bei 85 %.

Bei Akkus ohne LEDs (BionX) habe ich das Arschmeter zum Abschätzen benutzt. Wenn der meiste Strom fließt, also das Ladegerät am heißesten war (Prüfen durch Anfassen), kommt der Moment, wo es noch satt lädt, aber merklich abkühlt. Das ist die Gelegenheit, den Stecker zu ziehen, schätze bei 85-90 %.

 

[onemintyulep]

Es ist nicht das Gleiche ob man "80% voll" lädt, oder mit 40,3V und hinterher nur 80% hat.
Es geht um die maximale Höhe der Ladespannung.

 

[Rutzki73]

Es ist nicht das Gleiche ob man "80% voll" lädt, oder mit 40,3V und hinterher nur 80% hat.
Es geht um die maximale Höhe der Ladespannung.

Das stimmt und noch zu berücksichtigen ist die Aktivierung des passiver Balancer. Viele BMS´s "verlangen" mindestens 4,1V pro Akkuzelle, damit der passive Balancer überhaupt "aktiviert" wird.
Wer darunter systematisch bleibt riskiert ein schnelleres Auseinanderdriften über die Zeit.

 

[IceIce]

@Rutzki73 da Du gewerblich bist und einen Akku im Avatar hast gehe ich davon aus das Du die verkaufst. Und den Käufern empfiehlst Du dann sie im Jahresmittel immer nur auf 80% zu laden?!
Wenn ich meine 40 Maschinenakkus nehme muss ich also nochmal 10 kaufen damit die 40 länger halten und ich dazu noch auf die Maschinennutzzeit mit vollem Akku komme.

 

[Rutzki73]

Ich empfehle unseren Kunden, die auf die Lebensdauer achten, bis auf 41,3V aufzuladen. Warum? Weil ich weiß, dass unser BMS einen passiver Balancer hat und dieser bei mindestens 4,1V aktiviert wird.
Wenn du die technischen Daten deines BMS nicht kennst, können solche Versuche eher das Gegenteil bewirken.
Wir reden auch nicht von % , sondern konkret von absoluten Zahlen wie 4,1V, 4,13V etc.

 

[MatthiasRad]

@MatthiasRad Finde Dein Projekt ja ganz spannend und interessant. Aber mir erschließt sich der Vorteil der Akkuflüstererei nicht so ganz. Wenn Du eh immer nur bis 80% lädst kann Meiner mit immer voll 20% degenerieren bis er auch nur noch 80% hat. Wofür habe ich einen 625 er Akku wenn ich immer nur 500 lade?

BU-808: How to Prolong Lithium-based Batteries

Natürlich geht es darum, den Akku nur dann nicht voll zu laden, wenn ich die Kapazität nicht brauche. Der Akku ist ein ressourcentechnisch sehr wertvolles/teures Element eines Fahrrads. Es macht in meinen Augen besonders aus ökologischen aber auch ökonomischen Gründen Sinn, die Lebensdauer eines Akkus soweit es im Rahmen eines geringen oder nicht vorhandenen Komfortverlustes möglich ist zu erhöhen.

Ich habe einen 900 Wh Akku und fahre meist nur 40km am Stück: Dafür reichen mir 500Wh (inkl. Reserve) locker - der Akku kann also problemlos von 20-80% betrieben werden.
Ich mache alle 3-4 Wochen mal ne längere Tour: Hier kann ich 2 Stunden vor Beginn der Tour (oder eben vorher wenn es passt) das Ladegerät auf 100% schalten und der Akku ist für die Tour randvoll.

Nach den Erkenntnissen der batteryuniversity kann ich dann mit meinem Akku 45000km statt 27000km fahren (Zahlen nur Größenordnungsmäßig) - der Akkuverschleiß kostet also nur 0,9ct statt 1,5ct/km.

Es ist nicht das Gleiche ob man "80% voll" lädt, oder mit 40,3V und hinterher nur 80% hat.
Es geht um die maximale Höhe der Ladespannung.

In der Tat finde ich für diese Aussage, die hier im Forum schon öfter zu lesen war, keine handfesten Beweise und würde daher sagen: Selbst wenn da was dran ist, wird der Effekt nicht alleine für die Lebensdauerverkürzung ausschlaggebend sein. Das Abschalten in der CV-Phase wird also immer noch (viel) besser sein, als garkein abschalten. Zudem ist die CV Phase bei unseren Ladeströmen von < 0,2C sowieso sehr kurz.

Das stimmt und noch zu berücksichtigen ist die Aktivierung des passiver Balancer. Viele BMS´s "verlangen" mindestens 4,1V pro Akkuzelle, damit der passive Balancer überhaupt "aktiviert" wird.
Wer darunter systematisch bleibt riskiert ein schnelleres Auseinanderdriften über die Zeit.

Hier würde ich mich aus dem Fenster lehnen und ebenfalls teilweise widersprechen: Selbst wenn ich das Pack bis 40,5V lade, werden deutlich driftende Zellen schon gebalanced (8 Zellen auf 4,0375V, 2 Zellen auf 4,1V fangen an zu balancen). Lade ich jeden 10. Zyklus bis knapp über 41,0V, bekomme ich alle Zellen wieder gleich (-> das ideale BMS balanced auch ohne angeschlossenen Ladestrom weiter; zum Ausgleichen aller Zellen sollte die CV Phase dann mindestens 10 Stunden anhalten).
Der Alterungseffekt arbeitet hier sogar für uns: Eine Zelle auf höherem Spannungsniveau altert schneller und wird damit schwächer. Das ist natürlich nicht gut, aber mit Sicherheit wird die Zelle nicht schlechter als wenn ich alle dauerhaft auf dem hohen Spannungsniveau halte.
Im Ursprungspost habe ich vollladen alle 30-50 Zyklen empfohlen. Hier könnte man drüber streiten, das jeder 10.-15. Zyklus bestimmt sinnvoller wäre. Bei MEINEM Fahrverhalten passiert das automatisch - 3x die Woche 40km und alle 3-4 Wochen 100km - jeder 10.-15. Zyklus ist ein großer.


Die Ursprungsidee meines Posts hier war auch nur, auf die Möglichkeit hinzuweisen, ein Ladegerät EINFACH zu modifizeren. Ich habe dafür nicht mehr als 2 Stunden gebraucht.

 

[testwa]

Ja, es ist ein Trauerspiel, dass es so wenig Geräte gibt, die einem die Möglichkeit bieten, bei rund 80% das Laden zu beenden. Smartphones würden länger leben, Notebooks und natürlich auch eBikes.
Meine Lösung ist eine Timer-Schaltuhr, also keine Zeitschaltuhr, die man erst programmieren muss, sondern bei der man mit einer einzigen Taste den Countdown in Stunden einstellen kann. Finde ich sehr bequem und schnell. Setzt natürlich voraus, dass man ungefähr weiß, wie lange der Akku lädt. Nicht wahnsinnig genau, aber zumindest vermeidet man permanentes Laden auf 100%.
Übrigens ist gar nicht so sehr das Laden auf 100% schädlich, sondern viel mehr, wenn der Akku lange in diesem Zustand verbleibt. Also auf 100% laden und gleich losfahren ist viel besser, als auf 100% laden und dann das Rad wochenlang nicht benutzen.
Statt zu sagen, man solle nicht auf 100% laden, könnte man die Regel besser so formulieren: die Zeiten, in denen der Akku im Zustand um die 0% oder um die 100% ist, sollte so kurz wie möglich gehalten werden.
Wer für lange Touren die volle Akkukapazität benötigt, sollte nach der Tour den Akku nicht komplett leer lassen, sondern gleich wieder ein bisschen laden. Aber nicht vollladen, wenn die nächste Fahrt nicht unmittelbar bevorsteht. Sondern den Akku möglichst erst kurz vor der nächsten Fahrt vollladen.
Letztendlich das gleiche wie bei E-Autos, Smartphones, Notebooks: für längste Haltbarkeit der Batterien ist am idealsten die Akkus zwischen 20 und 70% zu bewegen. Wer mehr Kapazität benötigt, sollte die anderen Zustände unter 20% und über 70% möglichst kurz halten, sofern ein möglichst langes Akkuleben gewünscht ist.

 

[MisterFlyy]

Meine Lösung ist eine Timer-Schaltuhr, also keine Zeitschaltuhr, die man erst programmieren muss, sondern bei der man mit einer einzigen Taste den Countdown in Stunden einstellen kann.

Ich nehme die Zeitschaltuhr, die so eingestellt ist, das der Akku morgens geladen ist, wenn ich losfahren will.

 

[Üps]

Den Akku nur auf 80% zu laden, macht überhaupt keinen Sinn, wenn man ihn dafür fast komplett leer nudeln muss.
Und wenn ich dann doch mal mehr brauche, bleibe ich dank Super-Sparpolitik auch noch liegen. Toll.

 

[testwa]

Den Akku nur auf 80% zu laden, macht überhaupt keinen Sinn, wenn man ihn dafür fast komplett leer nudeln muss.
Und wenn ich dann doch mal mehr brauche, bleibe ich dank Super-Sparpolitik auch noch liegen. Toll.

Die Idee ist ja auch nicht, weniger zu laden als man braucht. Sondern für denjenigen, der Strecke und Verbrauch kennt, und z.B. regelmäßig rund 60% Akkukapazität benötigt, lädt halt seinen Akku lieber immer wieder von 20 bis 80% als ständig von 40 bis 100%.
Die Akkus altern bei schlechter Behandlung schneller, die gehen also nicht kaputt, sondern verlieren über Zeit an Kapazität, so dass der schlecht behandelte 500 Wh Akku z.B. irgendwann nur noch 400 Wh Kapazität, während der besser behandelte z.B. noch 450Wh hätte.
Und übrigens bleibt man ja nicht liegen, wenn der Akku leer ist, das Fahrrad lässt sich ja dann immer noch mehr oder weniger wie ein normales Rad fahren.

 

[Bruce]

Es ist nicht das Gleiche ob man "80% voll" lädt, oder mit 40,3V und hinterher nur 80% hat.
Es geht um die maximale Höhe der Ladespannung.

Ich verstehe den Plan und bewundere den Optimismus, dass es was bringt.

 

[Üps]

Und übrigens bleibt man ja nicht liegen, wenn der Akku leer ist

Wenn ich die Strecken auch ohne Akku schaffen würde, könnte ich mir das Pedelec sparen.

 

[MatthiasRad]

Wir halten fest: Einige Menschen hier sind nicht in der Lage anzuerkennen, dass es gewisse Problemstellungen und Lösungen dafür gibt. Nun gut, mein Umbauvorschlag steht im ersten Post. Die Diskussion war wohl eher nicht so fruchttragend. Auch ein wenig schade. Also Bruce und Üps, ihr dürft gern weiter eure Akkus bei 100% Ladung schneller degenerieren lassen als möglich. Ich sehe ein, dass es hilfreich sein kann, wenn ich plötzlich unerwartet und SOFORT 100 statt 60km radeln muss. Aus meiner Erfahrung weiß ich sowas jedoch immer 2 Stunden vorher und lade wie gesagt auch für meine Alltagstouren mehr als genug Reserve rein
Ich zieh mich dann hier mal raus. Sollten Menschen am Umbau ihrer Ladegeräte interessiert sein und nicht weiterkommen: Bitte gute Fotos von beiden Seiten der Platine hier reinstellen, ich bin gern gewillt, das ein wenig zu supporten.

 

[Rutzki73]

Hier würde ich mich aus dem Fenster lehnen und ebenfalls teilweise widersprechen: Selbst wenn ich das Pack bis 40,5V lade, werden deutlich driftende Zellen schon gebalanced (8 Zellen auf 4,0375V, 2 Zellen auf 4,1V fangen an zu balancen). Lade ich jeden 10. Zyklus bis knapp über 41,0V, bekomme ich alle Zellen wieder gleich (-> das ideale BMS balanced auch ohne angeschlossenen Ladestrom weiter; zum Ausgleichen aller Zellen sollte die CV Phase dann mindestens 10 Stunden anhalten).

Wenn dein Akku neu ist und die Akkuzellen noch nicht angefangen haben, ihre Alterschwäche im form vom steigenenden Innenwiedrstand, da gebe ich dir Recht!
Im Laufe der Zeit tendieren die Akkuzellen auseinanderzudriften, das ist normal und daher ist die Funktion des passiven Balancern für die Langlebigkeit nicht unwesentlich.
Noch ein Aspekt, wovon wir gar nicht geredet haben, ist wie der Einfluß vom vegleichbaren erhöhten relativen Last auf die Lebensdauer des Akkus im Allgemein ist. Das heißt, wenn ich bspw. meinen Akku nur bis 40V auflade und mein Motor (250 Watt) beim Start ca. 500 Watt kurzzeitig zieht, wie wirkt es auf die Lebensdauer im Vergleich zu einem Akku mit 42V?
Unsere Experimente waren stets mit 41,3V (wie die Schwelle des passiven Balancer). Unter 41,3V nur mit Smart BMS und mit ausreichenden Parallelschaltungen.

 

[Bruce]

Also Bruce und Üps, ihr dürft gern weiter eure Akkus bei 100% Ladung schneller degenerieren lassen als möglich.

Keine Panik, das mache ich ja gerade NICHT. Es führt Leser halt auf die falsche Schiene, wenn sie Ladung lesen und Prozent, der Witz der Übung aber das Begrenzen der oberen Ladespannung unterhalb der normalen Laderoutine ist.