LiFePO4-Akkus vs. Supercap

Immer wieder kursieren Ideen, mithilfe von sogenannten Supercaps Akkus von Elektrofahrzeugen für kurzzeitige Beschleunigung zu Unterstützen. Hierzu einige Detailbetrachtungen:

Supercap 300F, 2,5V Maximalspannung, 6mOhm Innenwiderstand, Gewicht 90g, Imax 50A, 26,5mm x48mm x 59mm

LiFePO4-Akku 100Ah, 3,2V, 1mOhm, Gewicht 3,2kg, Imax 100A (1000A für 10sec.), Abmessung 142mm x 67mm x 218mm, Energie=100Ahx3,2V=320Wh

Innenwiderstand:

Bei 6mOhm Innenwiderstand und Aufladung auf 2,5V wäre eine theoretische Belastbarkeit bis die Ausgangsspannung bei 0V liegt 416A (praktisch natürlich Blödsinn, da mit 0V Ausgangssapnnung keine Leistung mehr bereitgestellt werden kann und der Kondenstor nur mit 50A Belastbarkeit angegeben ist. Dieses Problem lässt sich durch parallelschalten vieler Kondensatoren lösen.

Energiedichte nach Masse:

W=0,5xCxU²=0,5x300F x 2,5²V²=937,5Ws=0,26Wh , dabei bleibt unberücksichtigt, dass durch die bei Entladung sinkende Spannung nicht die volle Kapazität genutzt werden kann. Bei 90g Gewicht liegt die Energiedichte umgerechnet bei 2,9Wh/kg. Vergleichen mit LiFePO4 Akkus, deren Energiedichte bei 100Wh/kg liegt lässt sich mit Superkondensatoren nur sehr wenig Energie speichern. Der Unterschied liegt bei einem Faktor von etwa 35 zu Ungunsten des Kondensators

Energiedichte nach Volumen:

Superkondensator: 26,5mm x 48mm x 59mm=75048mm³=75cm³

0,0035Wh/cm³

LiFePO4-Akku:  142mm x 67mm x 218mm=1074052mm³=1074cm³

0,298Wh/cm³

Unterschied bei der gespeicherten Energie pro Volumen ist Faktor 85 zu Ungunsten des Kondensators.

Fazit:

In Zeiten, wo die kurzzeitige Überlastbarkeit der Lithium-Akkus (10C für10sec.) immer besser wird ist der Einsatz von Kondensatoren als Energiespeicher für kurzzeitige Bereitstellung von Leistungsspitzen nicht empfehlenswert.

Heute habe ich eine Tankstelle gebaut!

Was ich schon immer machen wollte ist eine Tankstelle zu bauen. Heute war es dann endlich soweit, ich habe einen großen Benzintank im Garten vergraben und einige Zapfsäulen installiert, ach nein, ich fahre ja elektrisch, da brauche ich nur eine Steckdose. Und genau die habe ich an meiner Bruchsteinmauer festgeschraubt und kann jetzt noch einfacher als mit dem Verlängerungskabel aus dem Kellerfennster "tanken". Einfach im Lavendel parken und das Ladekabel einstecken während einige durch das Parkmanöver zerquetschte Lavendelzweige einen betörenden Duft abgeben.

Neue Steuerplatine

Das Layout der neuen Steuerplatine für Elektroumrüstungen ist fertig und fünf Stück Leiterplatten sind bestellt. Die Bauteile liegen hier und freuen sich auf den Lötkolben. Es gibt einige Änderungen zur Vorgängerversion. Die Anschlüsse sind jetzt mit solider Wago Cage Clamp Technik ausgestattet, so dass sich keine Schraube mehr lösen kann. Es gibt einen PWM-Ansteuerausgang für Tankuhren und eine PWM-Ausgang für Ladegeräte aus der TC-Serie. Die Akkuüberwachung kann mehr Zellen in Serie überwachen und das auf zwei Bänke verteilt. Maximal sind 50 Zellen pro Bank in Serienschaltung  möglich.
Warum das ganze? Ich rüste grade eine weiter Ente um und eine Karmann Ghia, und natürlich soll meine Ente auch die neue Elektronik bekommen.

BMS-Fertigung

Für eine weitere Ente baue ich gerade BMS-Zellmodule für die 100Ah LiFePO4 Zellen auf. Hier ein paar Fotos von der Serie. Insgesamt werden es über 100 Module, da für die Umrüstung eines Karmann Ghia auch noch 45 Zellen verbaut werden sollen. Das BMS erfüllt, wie auch schon an früherer Stelle in diesem Blog beschrieben, die Funktionen Unterspannungserkennung, Überspannungserkennung und Aktivieren eines Balancier-Stroms bei Erreichen eines bestimmten Ladespannungswertes für jede einzelne Zelle. Alle Schwellen lassen sich programmieren, so dass die Module für unterschiedliche Zellchemie verwendet werden können.

Hier noch einmal zur Verdeutlichung der Verschaltung eine Prinzipskizze der BMS-Modul/Akku-Anordnung:

Dashboard oder digitales Armaturenbrett

Ich habe in den Weihnachtsferien die Display-Schnittstelle des Curtis-Controller mithilfe eines PC's und Labview (das ist eine hochinteressante grafische Programmiersprache, mit der ich beruflich viel zun tun habe und mit der sich sehr schöne Benutzeroberflächen erstellen lassen) ausgelesen und den Entwurf eines digitalen Armaturenbretts gebaut. Einzig muss dann als Steuerungsplattform eine Hardware auf PC-Basis zum Einsatz kommen, da National Instruments Labview nur auf PC-Hardware läuft, was wieder Nachteile bei der Bootzeit mit sich bringt und auch der Formfaktor nicht sehr schlank ist. Auch die Daten anderer Controller lassen sich auslesen, so kann ich z.B auch mein EVµC-Board anzapfen.

Hier noch ein Screenshot von dem Entwurf:

5000km!!!

Es war schon vor einiger Zeit soweit aber jetzt will ich es auch hier mitteilen: die Elektrente hat ihre ersten 5000km ohne Pannen hinter sich gebracht. Dabei habe ich über 1000kg CO²-Ausstoß vermieden.
Die Wintererfahrungen zeigen bisher, dass durch den stärkeren Spannungseinbruch an den Batterien für die gleiche Leistung mehr Strom benötigt wird, was in einer reduzierten Reichweite spürbar ist. Bei Temperaturen um 0°C sind das 10-20% und wenn ich die Fahrweise etwas anpasse dann auch unter 10%, also alles in allem für meine tägliche Strecke in die Firma kein Problem. Sehr angenehm ist es, die Scheibenheizung morgens vorm Kaffee anzuwerfen und dann mit freien Scheiben  ohne Eiskratzen losfahren zu können. Leider habe ich keine Garage. Zum Thema laden unter 0° gibt es offenbar nicht viele Erfahrungswerte. Ich denke, dass laden direkt nach dem Fahren OK ist, weil die Akkus dann leicht aufgewärmt sind.

Wintererfahrung

Nach dem die Temperaturen nun sinken mache ich mir gerade Gedanken über die Ladefähig der LiFePO4-Zellen bei Temperaturen unter 0 Grad. Laut dem Herstellerdatenblatt sollen sie nicht unter 0 Grad geladen werden, wobei nicht klar ist, ob die Zellen dadurch beschädigt werden oder "nur" die Ladung nicht annehmen. Hat jemand der Leser Erfahrungen oder Erkenntnisse über die Winterfestigkeit der LiFePO4-Chemie? Ich nutze CALB SE100AHA Zellen. Eine Beschädigung ist natürlich unbedingt zu vermeiden.

Zudem zeigt sich, dass die Spannung der Zellen bei tiefen Temperaturen unter Belastung wesentlich stärker einbricht und somit auch das BMS-System schneller einen Alarm meldet. Die BMS-Alarm-Schwelle ist auf 2,5V eingestellt und dieser Wert muss 3 Sekunden unterschritten sein, damit das System auslöst. Die Spannung erholt sich jedoch schnell wieder, eventuell kann eine Temperaturangepasste Abschaltzeit weiterhelfen. Zudem ziehe ich beim Beschleunigen bis zu 300A aus den Zellen, das ist natürlich auch grenzwertig, aber bisher reichen die Finanzen leider nicht für einen zweiten Akkusatz.