Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

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Adrian2
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Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von Adrian2 »

Hallo zusammen,

ich baue gerade ein Li-Ionen basiertes Akkusystem für meinen Sprinter-Ausbau und wollte darüber berichten.
Vielleicht findet hier ja jemand das ganze interessant.

Stand der Dinge war, das ich 2x 140W Solarpanels auf dem Dach habe, mit 2x 100Ah billig "Solar" Bleiakkus. MPPPT Laderegler, 2000W Wechselrichter, Kompressorkühlbox, Diesel-Luft-Standheizung, viele LED Lampen, Trennrelais zur Fahrzeugbatterie. Alles Standard-Komponenten, von allem immer eher die "günstige" Variante.
Das System lief für 3.5 Jahre ganz gut und ich war zufrieden. Jetzt haben die Bleiakkus aber ganz schön nachgelassen. Und weil der Bus eh schon heftig an den 3.5 Tonnen kratzt (Es ist der 4L2H NCV3 als 316er) habe ich mit Lithium geliebäugelt. Die Standard-Kompenenten hierfür sind leider garstig teuer, die nackten Lithium-Eisen-Phosphat Zellen ebenso.

Und so kam ich auf die Idee: Warum keine normalen 18650-er Li-Ion Zellen verwenden, die Tesla vor 10 JAhren schon genommen hat?
Die Samsung INR18650-29E Zelle bekommt man neu für 2€ pro Zelle (wenn mann >100 Zellen kauft) bei 10 Wh und 40g pro Zelle. Damit kann ich einen 100Ah Bleiakku (~1 kWh, ~30 kg, ~200€) leicht mit 100 Zellen ersetzen (~1 kWh, ~4 kg, ~200€). Temperatur ist auch kein großes Problem, Entladen geht von -20°C bis 60°C, Laden immerhin zwischen 0°C und 60°C. Das ganze Zell-Management usw. bekomme ich als E-Ingenieur doch easy in den Griff, oder?

Das Problem: Die Spannungslage der Li-Ionen Zellen von typ. 3.6 V (min. 3V (schonend), max. 4.2V) passt nicht auf 12V Systeme. Bei 3 Zellen in Reihe hängt man bei 9V - 12.6V zu niedrig, bei 4 Zellen mit 12V - 16,8V zu hoch. LiFePo Akkus sind da mit typ. 3V pro Zelle kompatibel, aber vieeel teurer.
Aber was wäre mit einem 24V System? 7 Zellen bedeuten 21V - 29,4V, das ist ungefähr der Spannungbereich von 24V Blei Akkus. 220V Wechselrichter für 24V sind kein Problem (da fließt richtig Strom das kann nicht vorab auf 12V gewandelt werden). Die Kühlbox (Dauerverbraucher) ist 24V kompatibel, für den Rest mit "kleiner" Leistung bräuchte man Step-Down Regler auf 12V (~90% Effizienz).

Also habe ich viel nachgedacht und bin bei folgender Idee zu einem Bastelprojekt für ein modulares Akkusystem gelandet:
  1. Das erste Modul ist der Akku mitsamt einem Mikrocontroller der folgende Aufgaben erledigt:
    • Über/Unter-Spannungsüberwachung, Überstromüberwachung, Über/Untertemperaturüberwachung
    • Falls bei der Überwachung ein Parameter außerhalb der erlaubten Limits liegt, wird der 24-V Ausgang über Leistungs-FETs abgeschaltet
    • Beim Laden überwacht der Mikrocontroller das Balancing
    • Kommunikation über ein Bus system. (Wahrscheinlich I2C, vielleicht auch CAN)
    • Es können mehrere Akkumodule parallel in das System gesteckt werden
    • Schnittstellen: 24V Ausgang, Bus-Stecker mit 5V Low-Power Ausgang.
  2. Das zweite Modul besteht aus einem Mikrocontroller kontrolierten DC-DC Wandler, der je nach Konfiguration als Solar-Laderegler (MPPT) oder als Lade-Booster von der Fahrzeugbatterie verwendet werden kann:
    • Der Wandler kann in beide Richtungen Strom pumpen, also sowohl von der 12V Fahrzeugbatterie in die LiIon Batterie als auch rückwärts, falls z.B. das Fahrzeug länger steht, und man die Fahrzeugbatterie über die Solarzellen puffern möchte.
    • Der Wandler kann Step-Up und Step-Down in beide Richtungen (Also von einem 24 V Solarsystem Step Down, oder von einem 12V System step Up)
    • Eingangs und Ausgangs Strom und Spannung, sowie Wandler Temperatur werden überwacht.
    • Ausgelegt auf eine Leisung von ~300W
    • Kommunikation über ein Bus system. (Wahrscheinlich I2C, vielleicht auch CAN)
    • Es können mehrere Wandlermodule parallel betrieben werden (Ladebooster, Solar-Lader, Landstrom-Lader, 12V Erzeugung)
    • Schnittstellen: 24V zum Akku, Ein/Ausgang zu 12-V Akku/Solar/usw (je nach Konfiguration), Bus-Stecker mit 5V Input.
  3. Das dritte Modul ist ein Display-Modul, das nur den aktuellen Status aller angeschlossener Batterien und Wandler anzeigt und managt:
    • Kommunikation über ein Bus system. (Wahrscheinlich I2C, vielleicht auch CAN)
    • Anzeige von allen Parametern.
    • Konfiguration von Parametern (z.B. Wie weit sollen die Akkus geladen/entladen werden (Akkuschonung <--> max. Kapazität))
    • Herunterregeln von Lade-Wandlern wenn der Akku voll ist (die Abschaltung im Akkumodul ist nur für Notfälle)
    • Automatische Rückwärts-Ladung der Fahrzeugbatterie falls eine kritische Spannung erreicht ist.
    • Eventuell Akkuheizung aktivieren (über den Balancer) wenn bei Kälte geladen werden soll.
    • usw.
    • Schnittstellen: Bus-Stecker mit 5V Input.
Ein Key-Feature dabei ist, dass man Hot-plugging einen Teil der Akkumodule entnehmen/hinzufügen kann, um den 24V-Akku im Schlauchboot mit dem 24V Außenborder einzusetzen. Das System soll dann den Ladezustand erkennen, und falls gerade Netto geladen wird, den schwächsten Akku zuschalten, falls gerade entladen wird den stärksten. Und falls mehrere Akkus gleichen Ladezustand haben werden sie gemeinsam geschaltet.
Geplant sind 3 Akkumodule mit insgesamt 3kwh Kapazität
Wandlermodule für Solar, Ladebooster, Landstromladen, 12V erzeugen (LEDs).
2 Displaymodule, einer fest verbaut, einer fürs Schlauchboot.

Der gegenwärtige Status des Projekts:
Die Akkupakete sind zusammen ge-punkt-schweißt. Die Schaltpläne und Layouts sind gemacht, Bauelemente bestellt.
Als nächstes muss alles zusammengelötet werden und vor allem alles programmiert werden.

Kosten bisher:
  • 330 Zellen a 10 Wh --> 660€
  • Ein billig Akku Punktschweißgerät 100€
  • Alle Platinen ätzen lassen, knapp 100€
  • Alle elektronischen Bauteile zusammen ~ 400€
  • Alugehäuse für alle Module ~200€
  • Ein neuer 24-V Wechselrichter - mal gucken.
Und vieeele Arbeitsstunden.

Mal gucken wie es weiter geht...
Ich halte Euch auf jeden Fall über den weiteren Fortschritt auf dem Laufenden. Wird aber in nächster Zeit langsamer voran gehen. Weihnachtsurlaub vorbei. Kindergarten für die 2 Jungs zu. Da muss man echt gucken wo man mal eine freie Stunde hat.
Ein Akkupaket
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Die Platinen für Akku und Wandler
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asap
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von asap »

du hast bisher 1460 € ausgegeben um ein paar Batterien im Wert von ca. 400 € einzusparen?
Lohn sich das ganze denn ?
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von Hallodri »

asap hat geschrieben: 15 Jan 2021 03:05 du hast bisher 1460 € ausgegeben um ein paar Batterien im Wert von ca. 400 € einzusparen?
Lohn sich das ganze denn ?
Ein Hobby lohnt sich nie. Ich glaube eher, der Weg ist hier das Ziel.
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von WolfgangK »

Ich persönlich würde mir wegen der Brand-/Explosionsgefahr sicher keine 330 Li-Ionen Zellen in mein Fahrzeug verbauen. LiFePo4 Akkus müssen zwar auch mit Vorsicht behandelt werden, sind aber doch wesentlich sicherer.

Wie schreibt Wiki: '... Aufgrund des festen Elektrolyt und der Zellchemie gelten LiFePO4-Zellen als eigensicher, d. h. ein thermisches Durchgehen und eine Membranschmelzung wie bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren gelten als ausgeschlossen...'

Mir wäre das 'zu heiss'.

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Wolfgang
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Adrian2
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von Adrian2 »

Ja, die Kosten eines Hobbies...
Wenn man es preislich mit einem einfach Austausch der Bleiakkus vergleicht, lohnt es sich natürlich nicht.
Dafür spare ich mit der neuen Lösung fast 50 kg Gewicht, und habe mehr Kapazität.

Außerdem ist in dem Preis schon viel Peripherie mit drin: MPPT-Solarladerregler, Ladebooster, Ladegerät für Landstrom. Gut, die Komponenten habe ich jetzt schon alle für die gegenwärtige Blei-Lösung, aber beim nächsten Selbstausbau dann :lol:

Und ja, Li-Ionen Akkus sind empfindlicher und "explosiver" als LiFePO4 Akkus, aber sie wiegen halt bei gleicher Kapazität nur ein Drittel und haben ein Drittel des Volumens.
Es gibt einen guten Grund warum es keine Elektroautos mit LiFePO Akkus gibt, da wäre der Akku dann wirklich zu schwer. (Oder warum Boeing im 787 Dreamliner auf Li-Ion gesetzt hat - mit den bekannten Konsequenzen)

Ich habe schon viel mit Li-Ionen Akkus gearbeitet, wodurch sie für mich ein bisschen ihren Schrecken verloren haben. Eigentlich gehen die nur hoch, wenn sie echt mißhandelt werden (Herstellungsfehler augenommen). Und in den meisten Fällen blasen sie dann auch nur durch das Überdruckventil ab...

Aber klar, das muss jeder selbst wissen.
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von Adrian2 »

Der Auslöser des Projekts war auch eher, dass ich für den E-Außenborder neue Akkus wollte. Und da macht es einen wirklich Riesen Unterschied ob man beim Aufrödeln mit 1kWh Blei (30 kg), 1 kWh LiFePO4 (15 kg) oder 1 kWh LiIon (5 kg) hantieren muss.

Ursprünglich mit der Idee "Dummes Akkupack + kommerzielles LiIon Ladegerät"
Und dann war der Gedanke: Den Akku benutzt Du dann vielleicht 8 Mal im Jahr und den Rest des Jahres gammelt der dann rum. Und er fährt auf Reise eh im Bus mit. Da kann ich ihn gleich anschließen.

Und dann ist das Projekt ein wenig eskaliert. Man kennt das ja... :lol:
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von junggeblieben »

Adrian2 hat geschrieben: 15 Jan 2021 09:53
Und dann ist das Projekt ein wenig eskaliert. Man kennt das ja... :lol:
Dafür sind Hobbies doch da. Frauen sammeln Taschen und Schuhe, gehen Shoppen etc., da dürfen wir auch mal ein wenig Geld ausgeben. Danke übrigens für den spannenden Einblick. Vielleicht werde ich es dir gleichtun.
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von Werbin »

Ich hatte die gleiche Idee wie Adrian2, schlussendlich habe ich drei Böcke von einer Tesla S-Havarie genommen und umgebaut.
Gewichtsersparnis enorm, hatte ich doch vorher mit vier EnerSys-Hawker Oddysey PC2250 160 Kg, jetzt 75Kg.
Die Ladung erfolgt mit Victron Wechselrichter 24V/5000VA.

LiIon-Tesla - 18650
Daten: 6 in Serie und 74 parallel geschaltete 18650er Zellen, gesamt pro Block 444 Zellen
ein Paket 90er hat 19,2 - 25,2 V und 253Ah, eingebaut sind drei Blöcke,
= 759Ah, das sind 16,86 Kw/h bei einem Gewicht von 75 kg
Abmessungen / Block: 67 x 30 x 8cm
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juh
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von juh »

Hallo,
wenn schon Selbstbau, dann würde ich ausschließlich auf Winston LiFeYPO4 Zellen setzen. Die Zellen sind eigensicher, am wenigsten Temperaturproblematisch (Laden auch unter 0°C), und im Wohnmobilforum gibts da knappe 10 Jahre beste Erfahrungen. Ich selbst habe gerade meine dritte Batterie dieser Art im Einsatz. Auch bekommt man tatsächlich die gesamte Kapazität entnommen, wenns mal nötig ist, habe ich selbst schon getestet.
Gruß Jürgen
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von QA516 »

Ich ziehe meinen Hut vor diesem Eigenbau und sehe durchaus die Vorteile beim Gewicht.
Allerdings hätte ich nicht die Zeit für solch einen Selbstbau und würde mich beim nächsten Mal auch wieder für LiFeYPo4 entscheiden.
Ich habe 4 Zellen mit 400Ah, die wiegen 52kg was im Vergleich zu Blei sehr wenig ist.
Beim Kochen fliessen über 300A, selbst bei 50% SOC ist dabei die Spannung nach 10 Minuten noch bei knapp 13V.
Das sind imposante Daten, mit Blei unmöglich, mit 18560 aber sicher ähnlich wenn nicht noch besser.
Habe gerade mal nach gebrauchten Tesla Modulen gegoogelt, sehr interessant!
W906 518CDI 4x4 Bj.2009 ehem.RTW, jetzt Womo
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von ^tom^ »

Genau dies mit dem Gewichtsvorteil sehe ich nicht so vergoldet.
So habe ich diese Tage 420Ah (3x140Ah) mit total 90 Kilo angeschafft.
Das sind 40 Kilo Gewichtsvorteil.....für den 10fachen Preis (Euro 420 zu Euro 4200).

Der Preiszerfall von leichten Akkus dürfte in den nächsten 3 Jahren (solange werden die AGM wohl halten) deutlich grösser sein als der Preis der heutigen AGM.
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von juh »

Gewicht ist eine Sache. Wenns wie bei mir eng wird, sind 40kg schon relevant. Das andere ist die stabile Stromversorgung quasi bis zum Ende, wenn man große Verbraucher hat. Meine 2x 75Ah AGMs, die ich anfangs im letzten WoMo hatte, waren bis 35-40% Ladezustand nutzbar, dann ist bei Entnahme hoher Ströme (Kaffeemaschine) die Spannung weggebrochen. Ohne Wechselrichter mit den üblichen Verbrauchern wie Licht, Wasser, Handy aufladen sind bleibasierte Akkus sicher auch gut nutzbar. Also muß man halt anhand seiner Nutzung abwägen, ob man das Geld mehr ausgibt. Wobei sich das durch die längere Haltbarkeit auch wieder relativiert.
Gruß Jürgen
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von asap »

von den Kosten her sind solche Tesla Batterien interessant ...

https://www.ebay-kleinanzeigen.de/s-anz ... 0-223-8791
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von felro »

Welche Spannungslage hat so ein Tesla Akku denn?
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Re: Li-Ionen Akkusystem für Reisemobile im Selbstbau

Beitrag von QA516 »

Die Spannungslage von Bleibatterien ist grottig, da dürften die Tesla Module deutlich besser sein. Abzüglich eines Malus weil sie gebraucht sind.
Im Netz findet man leicht eine Firma, die sie anbietet. Der Link darauf stand weiter oben, ist aber anscheinend jetzt verschwunden.
Dort heisst es: Maximalstrom 45A für das 5kWh Modul. Ob sich das auf das Modul oder auf das BMS bezieht ist nicht angegeben. Es könnte also auch bedeuten, dass sie für hohe Ströme nicht mehr geeignet sind.
Bei den Winston Zellen wundere ich mich, dass der Preis seit Jahren um keinen Cent gefallen ist. Vermutlich verkaufen sie sich auch so gut genug. Ich verfolge seit langer Zeit den Preis für die 1000Ah Zelle. Die waren vor vielen Jahren mal kurz bei 800€. Seitdem schwanken sie immer um die 1000€ herum. Ich hätte davon gerne 8 Stück...
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