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MrWGT
Hop-Up Held
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 Verfasst am: 12.01.2008, 20:15 • Titel: Heiße Technik: ZIP-Chargen von 3SxP A123 an 12V Bleiakku |
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Hi...
nachdem mich Othello in einem anderen Thread auf das ZIP-Chargen der "Amis" hingewiesen hat, habe ich mir mal dazu einige Treads in US-Foren durchgelesen. Ich muss sagen, das gefällt mir... 
Worum geht beim ZIP-Chargen überhaupt?
Es geht darum einen 3S A123 Akkupack in möglichst kurzer Zeit aufzuladen unter Überschreitung des empfohlenen Ladestroms vom Hersteller von 10A. Oft liegt der initiale Strom bei 20-30A und in der Hauptladephase dann irgendwo zwischen 10-15A!
Warum heißt es ZIP-Chargen?
Eine "ZIP cable cord" ist ein zweipoliges Kabel, welches einfach auseinander getrennt werden kann. Beispiele hierfür wären Lautsprecherkabel, schwarz/rotes Anschlusskabel usw.
Hier ein Beispiel aus USA:
http://www.universal-radio.com/catalog/cable/3266.html
Und eben so ein dünnes Kabel mit Gauge 18 (AWG18 = ca. 0.8mm²) wird häufig zum Laden benutzt. (Tabelle mit Werten hier: http://www.rbeelectronics.com/wtable.htm)
Wie funktioniert überhaupt das ZIP-Chargen?
Durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes...  Oder anders gesagt: Die A123-Zellen werden mit einem langen, dünnen Kupferkabel (als hoch belastbaren, niederohmigen Widerstand) mit der 12V Batterie verbunden.
An sich werden LiFe-Zellen wie LiPos zuerst mit konstantem Strom bis zum Erreichen der Ladeendspannung geladen und dann solange mit konstanter Spannung bis der Strom unter einen gewissen Wert gefallen ist. Es spricht aber eben auch nichts dagegen mit einer konstanten Spannung und fallenden Strom zu arbeiten.
Hier kommt das Ohmsche Gesetz zum Tragen:
R = U/I, I = U/R oder U = R*I
Um den gewünschten Start-Ladestrom nicht zu überschreiten muss der Vorwiderstand (= Kabel) so ausgelegt sein:
R = (12V Bleiakku - Spannung tiefentladene A123)/(gewünschten Strom)
Ist eine A123-Zelle wirklich tief entladen, so hat diese etwa 2V und somit der 3S-Pack 6V. Als maximaler Ladestrom soll hier 20A gewählt werden, d.h. der Widerstand des Kabels kann berechnet werden:
R = (12V - 6V)/20A = 6V/20A = 0.3Ohm
Über die Formel
R = roh * l / A (roh = spez. Widerstand Kuper mit 0.0178Ohm*mm/m, l = Länge in m und A = Querschnitt in mm²) kommt man auf:
l = R * A / roh = 0.3Ohm * 0.75mm² / 0.0178 = 12.64m oder 6.32m doppeladriges Kabel mit 0.75mm².
Wie erkennt man das Ladeende?
Am Ladeende hat der volle A123-Pack etwa 11.1V, d.h. über I = U/R kann der Strom zu diesem Zeitpunkt berechnet werden:
I = (12V-11.1V)/0.3Ohm = 3A
In den amerikanischen Foren liest man dagegen immer, dass das Laden bei Erreichen von 1A abgebrochen wird. Dies bedeutet eine Pack-Spannung von
U = 12V - R*I = 12V - 0.3Ohm*1A = 11.7V oder auf die Zelle bezogen von 3.9V. Hier wird ausgenützt, dass die Zellen gegen Überladung wie Tiefentladung deutlich toleranter sind als normale LiPos. Selbst A123 Systems gibt bei Impulsladung 3.8V an (http://a123systems.textdriven.com/product/pdf/1/ANR26650M1_Datasheet_NOV_2007.pdf)
Welche Gefahren lauern beim ZIP-Chargen?
 Sehr viele
1) Lädt man den Akku mit einem Strom der (am Anfang deutlich) über den Empfehlungen des Herstellers liegt.
2) Durch den hohen Strom und dadurch mögliche Erwärmung des Kabels könnte die Isolierung des Kabels schmelzen und einen Kurzschluss verursachen!
3) Vergisst man die A123-Zellen rechtzeitig vom Bleiakku zu nehmen werden diese deutlich überladen. Sie können daher in der Kapazität reduziert oder defekt werde und im Extremfall (Widerstand des Kabels deutlich zu klein) explodieren
4) Die Lebensdauer der Zellen reduziert sich.
usw.
Um das Risiko zu minimieren gibt es hier eine Schaltung zur automatischen Ladeendabschaltung:
http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=795122#post8844692
Warum macht man das dann überhaupt?
Kurz gesagt: Um den Akku möglichst schnell wieder voll zu haben.
Die "Amis" mit ihrer Westernmentalität und Strömen beim Start von 30-40A bekommen so einen 3S-Pack in 5-6min wieder voll. Für viele ist das interessant denn man kann so mit 2 Sätzen über den Tag kommen. Einer fliegt/fährt - der andere lädt. Selbst in solchen Extremeinsätzen haben die A123 sehr hohe Nehmerqualitäten. Laut einem Forum (muß den Link nochmal suchen) hat ein 3S A123-Pack bei ca. 260 Ladevorgängen (ca. 230 davon gezippt in 8min, Rest regulär mit Balancer!) nur ca. 8% an Kapazität verloren. Normale LiPos sind da (260x laden) ja wohl schon fast hin, oder?
Auch wenn ich sicher keine 30-40A reinpumpen will (noch nicht?), so ist es schon verlockend einen Akku in ca. 10min wieder voll zu haben! Ein weiterer Vorteil ist, dass ein warmer A123-Akku eine bessere Spannungslage hat als ein kalter...
In den nachfolgenden Beträgen werde ich meine Versuche und Ergebnisse mitteilen.
Gruß,
Gerd |
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MrWGT
Hop-Up Held
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| Verfasst am: 12.01.2008, 20:44 • Titel: |
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Hi...
als Vorwort meine Überlegungen/Messungen die jeder für seine Bedürfnisse (Spannungen, Querschnitt usw.) anpassen muss.
Spannung der Bleibatterie meines Passats (Batterie neu, Passat BJ 1991): ca. 12.5V
Spannung des (am MGM) leer gefahrenen A123-Packs: 9V
=> Spannungsdifferenz = 12.5V - 9V = 3.5V
10m zweiadriges Kabel mit (angeblichen) 0.75mm² gekauft. Messung ergibt 0.8 Ohm, d.h. berechnen des echten Querschnitts:
R = roh * l / A => A = roh * l / R = 0.0178 * (2 * 10) / 0.8 = 0.445 mm²
Diesen Querschnitt verwende ich weiter.
Gewünschter Startstrom: 15 A
=> R = 3.5V / 15A = 0.233 Ohm
=> l = R * A / roh = 0.233 * 0.445 / 0.0178 = 5.83m => ich wähle 3m doppeladriges Kabel. Gegenrechnung:
R = 0.0178 * (2*3) / 0.445 = 0.24 Ohm
Das 3m lange Kabel habe ich dann auf beiden Seiten mit schwarzen/roten 4mm Steckern versehen und mir Klemmen für die Autobatterie besorgt wo ich 4mm Buchen aufgelötet habe. In die Verbindung zwischen Autobatterie und dem A123-Pack habe ich ein 20A Messgerät dazwischen geschleift.
Ergebnisse:
Ich muss gestehen, dass ich nicht auf die Uhr geschaut habe... 
1) Der Startstrom war laut Amperemeter knapp 12A was sich durch das eingeschleifte Messgerät, das zusätzliche 1m lange Messkabel und dem Spannungsabfall der 12V Batterie bei 12A erklären lässt.
2) Der Strom fällt sehr schnell auf ca. 8A (ca. 20-30s) und geht dann etwas langsamer auf knapp 7A (ca. 1 min).
3) Jetzt dauert es ca. 20 min in welcher der Strom auf ca. 5 A fällt.
4) Plötzlich beginnt der Strom wieder "zu rennen", d.h. er fällt rapide ab. Dies deutet auf das Ende des Ladevorganges hin weil die Zellenspannung rapide steigt.
5) Bei einem Strom von 1.3A habe ich den A123-Akku vom 12V Akku getrennt.
- Eine Messung der A123-Packspannung ergab ca. 1min später 11.2V.
- Ein Laden am SimProp Intelli-BiPower konnte noch 22mAh reinladen.
- Die Zellen waren nicht 100% gleich, d.h. 2x 3.71V und 1x 3.65V. Angeblich sind aber die A123 je deutlich toleranter als andere LiPos.
Beim nächsten Versuch nehme ich nur noch 2.5m Kabel und werde die Ampere sowie die Zeit schriftlich notieren. 
Nochmals die Warnung
Die nötige Kabellänge muss aufgrund der eigenen Gegebenheiten, d.h. Spannungsdifferenz 12V Bleibatterie und leerer A123 sowie echten Kabelquerschnitt errechnet werden
Ich empfehle für das Kabel 10-15m zu kaufen, an einem Ende das Kabel zu verbinden und an den zwei freien Enden mit einem genauem Ohm-Messgerät den Widerstand zu ermitteln. Über die Formel
A = 0.0178 * (2*gekaufte Kabellänge) / (gemessener Widerstand)
kann der echte Kabelquerschnitt ermittelt werden (siehe oben).
Gruß
Gerd |
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aaron
Administrator
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Beiträge: 15344
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| Verfasst am: 12.01.2008, 20:52 • Titel: |
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Das ist wohl die einzige Methode (so unorthodox sie klingt  ) mit der man das Ladepotential der A123s bei überschaubaren Kosten ausreizen kann.
Mir gefällt die "einfache" Lösung, aber auch deine Beschreibung des Ganzen, bzw. deine deutlichen Hinweise zu den Gefahren & die Berechnung des wahren Kabelquerschnitts - tolles Topic! 
Eine Frage hätte ich zur Durchführung - wie warm wird das Kabel denn bei dir so, am Ende der Ladung? Kann man's noch angreifen oder riecht es schon?
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MrWGT
Hop-Up Held
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| Verfasst am: 12.01.2008, 21:00 • Titel: |
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Hi...
ich habe mir meine Gedanken zum Verlauf des oben beschriebenen Ladestromes gemacht. Im Prinzip scheint hier der Entladevorgang fast 1:1 rückwärts zu laufen:
In dem Bild ist die Zellenspannung bei einem bestimmten Strom über die entnommenen mAh aufgetragen. Beim Laden fängt man ja quasi dann rechts unten an und je voller die Zelle wandert man nach links oben. Und wenn man das mal so rückwärts durchspielt, bzw. das Diagram spiegelt dann ist folgendes verständlich:
1) Startstrom vom 12A sinkt schnell auf 8A. => Weil hier die Ladespannung rapide steigt.
2) Sinkt von 8A etwas langsamer auf 7A. => Weil hier der lange, sehr runde Knick in der Ladekurve ist.
3) Von 7A -> 5A werden ca. 20min benötigt. => Weil hier der sehr flache Teil der Ladekurve ist.
4) Plötzlich beginnt der Strom wieder "zu rennen". => Weil hier der kurze runde Knick der Ladekurve ist.
Gruß
Gerd |
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MrWGT
Hop-Up Held
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| Verfasst am: 12.01.2008, 21:17 • Titel: |
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Hi...
| aaron hat Folgendes geschrieben: |
Das ist wohl die einzige Methode (so unorthodox sie klingt ) mit der man das Ladepotential der A123s bei überschaubaren Kosten ausreizen kann.
Mir gefällt die "einfache" Lösung, aber auch deine Beschreibung des Ganzen, bzw. deine deutlichen Hinweise zu den Gefahren & die Berechnung des wahren Kabelquerschnitts - tolles Topic!
Eine Frage hätte ich zur Durchführung - wie warm wird das Kabel denn bei dir so, am Ende der Ladung? Kann man's noch angreifen oder riecht es schon? |
Das Kabel wurde kaum warm, d.h. man merkte dass es wärmer als das Autoblech war aber nicht über 30° (handwarm). Man darf aber nicht vergessen, dass der Ladestrom sehr schnell auf 8A zurück ging. Bei 0.24Ohm sind da dann noch 8A*0.24Ohm=1.92V abgefallen.
=> P = U * I = 1.92V * 8A = nur 15.36W auf 3m Kabel verteilt. Also "nichts".
Wenn aber die Zellen wirklich leer sind (Pack hat 6V) sieht das anders aus:
I = dU/R = (12V-6V)/0.24Ohm = 25A
P = dU * I = (12V-6V)*25A = 6V * 25A = 150W
oder man nimmt
P = dU² * R = (6V)² / 0.24 Ohm = 36/0.24 A = ebenso 150W
Und 150W müssen von dem Draht erst mal verkraftet werden Daher ist es wohl sehr wichtig, dass
a) der Draht nicht zu dünn ist (sonst glüht er durch... ) und
b) nicht zu dick ist da man sonst extrem lange Kabel braucht.
Wie schon geschrieben nehmen die Amis AWG18 was ungefähr 0.75mm² entspricht. So eines wollte ich kaufen aber die Realität sind aber nur 0.445mm² (kann ich mich jetzt beim Händler beschweren?).
Gruß
Gerd |
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MrWGT
Hop-Up Held
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| Verfasst am: 12.01.2008, 21:27 • Titel: |
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Hi...
| aaron hat Folgendes geschrieben: |
| Das ist wohl die einzige Methode (so unorthodox sie klingt ) mit der man das Ladepotential der A123s bei überschaubaren Kosten ausreizen kann. |
Ja und nein... Ein sehr guter 12V Bleiakku mit >= 80Ah kostet auch sein Geld (so 150-200EUR). Und 80Ah/2.3Ah der A123 sind theoretisch ca. 35 Ladevorgänge. Da man den Bleiakku aber auch nicht tiefentladen soll wird man wohl so 20-24 mal den Akku füllen können (1/3 Restkapazität Bleiakku).
Bei meinen 2x 3S A123 Packs bedeutet dies 10-12x fahren mit je 6-10min. Also irgendwo zwischen 1-2h Fahren im Feld ohne Ladegerät.
Gruß
Gerd
PS: Als Ladezeit für meine A123 peile ich 8-10min an, d.h. ein Akkupack ist dann voll wenn der andere leer ist. Was aber eben 20A Ladestrom bedeutet...  Ich werde mich aber da sehr langsam rantasten und die A123-Zellen zum Laden und Testen wohl auf den Steinboden der Terrasse vor der Tür legen... Sicher ist sicher... |
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MrWGT
Hop-Up Held
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| Verfasst am: 12.01.2008, 22:44 • Titel: |
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Hi...
man sollte öfters mal ne Sitzung machen...
Mir ist gerade eingefallen, dass ich ja jetzt einen eLogger v3 habe. Der ist zwar fest im Auto eingebaut aber was spricht gegen ein Aufzeichnen des Ladestromes/-spannung mit dem eLogger? Nichts...
Wie will ich es machen?
1) Der eLogger wird im Live-Mode betrieben, d.h. als Hochstrom- und Spannungs-Messgerät.
2) Der A123-Pack kommt als Verbraucher statt Regler+Motor an den eLogger dran.
3) Das (Widerstands)-Kabel wird zwischen Bleiakku und eLogger geschalten.
=> Somit kann eine genaue Ladestrom-/spannungsaufzeichnung erfolgen und wir können dann anhand der Kurven hier diskutieren bzw. den Ladevorgang optimieren. Auch kann über die Kurve "kumulierte mAh" relativ genau gesagt werden, wann der Akku voll ist bzw. der Strom ermittelt werden, bei welchem abgebrochen werden muss/sollte...
Gruß |
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MrWGT
Hop-Up Held
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| Verfasst am: 13.01.2008, 01:38 • Titel: |
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Hi...
es hat mit keine Ruhe gelassen...
Akku tiefentladen
Als erstes habe ich einen vollgeladenen, nagelneuen Ersatz 3S1P-A123-Pack über eine Halogenlampe mit den Daten 12V/50W entladen bis der Pack fast nur noch 0V anzeigte. Die Daten habe ich dabei mit dem eLogger v3 aufgezeichnet:
Kurz nach dem Entladen hatte der leere Akkupack 6V (daher die Angabe aus USA?) wobei sich die Akkuspannung ständig erhöhte. 5min später hatte der Akkupack schon 6.9V mit steigender Tendenz ohne externe Ladung o.ä. Macht das ein LiPo mit?!?
Akku an Autobatterie laden
So kurz vor Mitternacht stellte ich mich also in den Carport um die Ladekurve mit dem Eagletree eLogger aufzunehmen. Was müssen wohl die Leute gedacht haben als sie am Gehsteig vorbei gingen? Steht da ein Typ mit großem (Passat) und kleinem Auto sowie Laptop mitten in der Nacht rum...
Die Autobatterie (12.44V am Beginn) wurde mit dem 3m "Widerstands"-Kabel (0.445mm²) mit dem eLogger verbunden. Statt dem Regler mit Motor wurde dann der leere A123-Akkupack angeschlossen.
An dieser Strom-/Spannungskurve sieht man sehr schön, dass der Strom am Anfang zwar hoch ist aber eben auch relativ schnell auf ein niedriges Niveau fällt. Die Akkuspannung verhält sich komplimentär dazu, d.h. sie steigt rapide an um dann langsamer zu steigen. Nach 23:10 (inkl. Anstecken) werden 2300mAh erreicht bei Ladestrom 2.44A und 11.41V Akkuspannung. 2350mAh sind nach 24:56 erreicht bei 1.17A und 11.84V. Und nach 25:14 wird mit 2355mAh der Ladestrom vom 1A unterschritten bei einer Spannung von 11.86V.
=> Die Aussage aus den US-Foren "abschalten bei Erreichen von 1A" ist "korrekt" da hiermit der Akku voll geladen ist. Aber aus Sicherheitsgründen kann man natürlich den Akku auch schon bei 1.5A (2336mAh) oder 2A (2315mAh) abziehen.
Wie man auch aus dem oberen Diagram sieht ist der mittlere Strom nur 5.55A. Möchte man 11A im Mittel erreichen, so muss das Kabel sozusagen halbiert werden (1.5m) erkauft sich damit aber einen Spitzenstrom von 30A (Daher die Aussage aus US-Foren von 20-30A - "Freaks" haben auch mal 30-40A).
So... Wegen dem Spitzenstrom am Anfang. Bei der Aufzeichnung hat sich ergeben:
15.10A bei Anstecken
14.02A nach 1s
13.29A nach 2s
12.84A nach 3s
10.94A nach 10s
9.95A nach 18s
Für alle, welche die geladenenen mAh sehen wollen...
Auf mich macht diese Kurve den Eindruck, dass der Akku den Ladestrom sehr schön aufnimmt. Im Mittelteil fast linear (gut, etwas mit krummen Augen geschaut... )
Als nächsten Versuch werde ich mal das Kabel auf ca. 2m verkürzen und morgen eine neue Kurve aufnehmen. Prinzipiell ist es für die Autobatterie gut wenn das Kabel möglichst kurz ist denn dann wird nicht so viel Leistung im Kabel verbraten und geht damit mehr in den A123-Akku. Wobei für den ist es wiederum schlecht...
Gruß
Gerd
PS: Am Ende hatte die Autobatterie 12.14V. Ob das Auto morgen anspringt? Hab immer Kaltstartprobleme... |
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MrWGT
Hop-Up Held
Anmeldedatum: 03.11.2007
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| Verfasst am: 13.01.2008, 02:10 • Titel: |
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Hi...
auch wenn ich Gefahr laufe zum Alleinunterhalter in diesem Thread zu werden habe ich noch eine Auswertung gemacht. Und zwar habe ich mir das Ansteigen der Ladespannung gegen Ende mal näher angeschaut:
Wie man sieht nimmt die Ladespannung gegen Ende immer schneller zu bis zu einem gewissen Punkt und nimmt dann nur noch langsamer zu. Ist das nicht sowas ähnliches wie der Inflex-Punkt beim Laden von NiCd oder NiMh? Wie man auch sehen kann ist der ziemlich genau bei 2300mAh (Nennkapazität der Zellen) bei ca. 11.4V (= 3.8V Zellenspannung). Und 3.8V wird von A123-Systems als Ladeendspannung bei Impulsladen genannt.
Ich denke, ich werde mal die anfangs angesprochene Schaltung nachbauen und eine Ladeendspannung von 11.4-11.5V einstellen. Ich denke, das wäre so dann optimal.
Gruß
Gerd |
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othello
CULT-Urgestein
Anmeldedatum: 22.04.2005
Beiträge: 2688
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| Verfasst am: 13.01.2008, 03:21 • Titel: |
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Nein keine Sorge ... bleibst sicher nicht Alleinunterhalter.
Hut ab. Das hast Du wirklich schnell umgesetzt und noch dazu absolut analytisch (an Dir ist ja fast ein Physiker verloren gegangen  ). Spaetestens jetzt hat sicher der Datenlogger schon ausgezahlt.
Pass nur ja auf Deine Autobatterie auf. ich habe schon mal den OEAMTC (ADAC) rufen muessen weil ich im Winter meine Autobatterie etwas zu weit leergesaugt habe (dann habe ich fast 2 Stunden auf die Jungs bei Minusgraden warten muessen). Den Fehler mach ich nie mehr wieder. War eine gute Lektion.
Ich beneide Dich mal jetzt fuer Deine Packs in praktischer 3s konfig. Wenn Du Dir ne deep cycle Bleibatt kaufst (reichen da eigentlich unsere Modellbau Ladegeraete fuer die hochkapazitaets Bleibatts?) kannst Du Dich ja ueberall hinbewegen und mit dem RC-Wagen unabhaengig von jeder Steckdose X-mal herumduesen. Feine Sache und der Ladespeed wenn Du Deine Kabeln weiterverkuerzt ist sowieso ein Traum. Man muss die A123 Zellen einfach gern haben.
Bitte weiter fleissig updaten ... |
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