NEU: Akku-Alternative mit 9,0 Ah / 662 Wh
Verfasst: 14.05.2016 00:46
--> Vorstellung einer Akku-Weiterentwicklung mit insg. 18,0 Ah und mehr als 1,3 kWh unter der Base:
Als Ergebnis mehrjähriger Forschung & Entwicklung wurde ein Akku aufgebaut, welcher eine um +60% höhere Kapazität aufweist, schnellladefähig ist, und zu einer deutlichen Reichweitenerhöhung führt - bei weniger als 50% der regulären Kosten!
Mit dem hier vorgestellten Akku-Projekt wird zudem nachgewiesen, dass jede denkbare Zellen-Kombination und jede Zellenchemie im Akku genutzt werden kann, ohne das der Segway den Betrieb verweigert, oder sich mit einem Fehler abschaltet! Allerdings sind an der Akku-Elektronik (BMS) umfangreiche Modifikationen nötig, damit diese die veränderte Zellen-Anzahl und -Spannungslage akzeptiert und auch das Balancieren der 20 (statt orig. 23) Zellencluster kein Problem darstellt.
Zu den proprietären Veränderungen an der Elektronik werde ich mich ggf. später äußern.
Vorab: Zwei dieser 9Ah-Akkus sind bei mir seit mehreren Jahren erfolgreich im Einsatz. Mit einem Segway-XT erziele ich eine Reichweite von 42 km (statt 25 km mit orig. Akkus), eine Vollladung mit eigenem Off-Board-Charger (OEM-Ladegerät für 75€) benötigt etwa 3 Std (statt ca. 17 Std. am orig. Segway-Lader).
Foto: Prototyp mit integriertem Wattmeter (WattsUp) und Schnelllade-Anschluß:
Foto: Testfahrt mit Segway-XT: Auf 42 km und einer tatsächlich nutzbaren Kapazität von 8,303Ah:
Foto: Schnelllade-Setup mit eigenem Off-Board-Charger und einem Ladestrom von 3,16A:
Foto: Ermittlung Genauigkeit: Präzisions-DVM (Genauigkeit +/- 0,05%) im Vergleich mit Wattmeter:
1.0) Technische Daten:
Zellenchemie: Lithium-Ion-Mangan (LiIonMn)
Zellenkonfiguration: 20s4p
Zellenanzahl: 80 / Akku (160 / Segway)
Kapazität: 9,0 Ah / Akku (18,0 Ah / Segway)
Kapazitätsgewinn: +60% ggü. Serie (5,6 Ah), + 36% ggü. Lion42 (6,6 Ah)
Akku-Strombelastbarkeit: 40A
Akku-Innenwiderstand: 0,150 Ohm (zzgl. Zellenverbinder- & Zuleitungs-Ri)
Akku-Nennspannung: 74,0V (Serie: 73,6V)
Akku-Ladeschlußspannung: 84,0V (Serie: 83,95V)
Akku-Gewicht: 3,5kg
Akku-Ladestrom: 9A (1C)
Akku-Ladezeit: 3 Std. (98%)
Lebensdauer: > 800 Vollzyklen
Betriebstemperatur: -20 ... +60°C (Laden: +10 ... +45°C)
Sicherheitsbestimmungen: erfüllt UL 1642
Änderungen Base: Keine
Änderungen Akku: Gehäuseöffnung, Austausch der Zellen, BMS-Modifikation
Zellen-Kosten: 240,00€ / Akku (zzgl. Punktschweißen & Umbaukosten)
2.0) Weiterführende Beschreibung:
Bei den verwendeten Zellen handelt es sich um eine hochstromfähige, eigensichere Becherzelle mit Sicherheitsventil, welche relativ unempfindlich gegen fehlerhafte Behandlung ist. Ein Schnellladen mit bis zu 1C (= 9A!) ist ohne wesentliche Verkürzung der Lebensdauer bei diesen Zellen technisch möglich - der gesamte Segway wäre innert 60 Min. aufgeladen! Insgesamt bietet die Zelle eine sehr gute Haltbarkeit bei niedriger Selbstentladung von ca. 2% im Monat.
Von Anfang an war klar, dass ausschließlich eine eigensichere Markenzelle zum Einsatz kommen kann, eine Lithiumzelle also, welche eine ähnliche Sicherheit wie die verwendete Originalzelle aufweist. Es muss gewährleistet sein, dass eine Fehlbehandlung der Zelle, etwa durch eine defekte Schutzbeschaltung, allenfalls die Lebensdauer / Kapazität verringert, nicht aber zu einer verheerenden exothermen Reaktion führt. Weiter darf die Zelle bei einem Ausfall keinen gefährlichen Wasserstoff freisetzen, und auch mechanische Beschädigungen der Lithiumzelle (z.B. Quetschung des Zellengehäuses) dürfen zu keiner kritischen Reaktion der Zelle führen.
Die im 9Ah-Akku verbauten Zellen erfüllen diese Voraussetzungen gemäß UL 1642.
Anlage: Sicherheitsdatenblatt (UL 1642): http://newscience.ul.com/wp-content/upl ... eries1.pdf
3.0) Anwendung / Fahrpraxis:
Die Indienststellung der von mir aufgebauten 9Ah-Akkus erfolgte vor mehr als zwei Jahren, ich fahre damit wechselweise mit einem i180 bzw. einem XT. Zum direkten Vergleich besitze ich zwei Orig.-Akkus aus dem Jahr 2011, mit orangen Zellen und in gutem Zustand (5,2Ah).
Ladezeit: 3 Std. mit eigenem Off-Board-Charger (OEM-Ladegerät; 75,00€ inkl. MwSt.)
Reichweitengewinn: bis zu 54 km Reichweite, statt orig. 34 km (i180)
Ein zusätzlicher Nutzen ergibt sich durch die Schnelllademöglichkeit, wobei durch 1 Std. Nachladen eine zusätzliche Reichweite von ca. 19 km erreicht werden kann.
Testweise habe ich meine DIY-Akkus auf eine höhere Ladeschlußspannung geladen, als dies die Orig.-Segway-Ladevorrichtung macht. Ab einer Akku-Gesamtspannung von > 83,0V fährt der Segway mit einer reduzierten Geschw. von ca. 5 km/h und dem Neutralgesicht im Key (i180) - ein Hinweis auf die Sicherheitsbegrenzung bei zu vollen Akkus. Zwar stieg die Reichweite nochmals um ca. 5 km, jedoch mussten diese mit reduzierter Geschw. und dem Neutralgesicht gefahren werden.
Bei regulärem Ladeschluß (wie Orig. auf < 82V) ergeben sich keine Nachteile ggü. einem Orig.-Akku, auch nicht wenn es nach dem Laden sofort bergab geht.
Weiterhin konnte ich bei meinem i180 bzw. XT keine direkten Nachteile an der Ladeanzeige (Key) feststellen. Auf einer vorgegebenen Teststrecke bauten sich die Ladezustands-Balken langsamer ab, als dies im Vergleich mit den Orig.-Akkus der Fall war. Dies erschien mir durchaus plausibel, sodass ich keine Einschränkung feststellen konnte. Allerdings blieb der letzte (blinkende) Balken (Akku < 10%) verdächtig lange, bevor sich der i180 abschaltete: Ich konnte noch ca. 14 km fahren, bevor die Abschaltung erfolgte - was deutlich mehr als 10% sind.
Messwerte / Verbrauchswerte auf 1000m-Teststrecke (siehe Video):
- i180: 0,15 Ah/km bzw. 11,1 Wh
- XT: 0,18 Ah/km bzw. 14,1 Wh
4.0) Weitere Modifikation (optional):
Wie den Bildern bzw. dem Video zu entnehmen ist, habe ich an meinen modifizierten Akkus weitere Verbesserungen vorgenommen:
- Einbau einer Schnellladebuchse
- Einbau einer Schraubsicherung
- Einbau einer Verbrauchsanzeige für Ah / Wh (WattsUp)
- Einbau eines Schalters (für die Verbrauchsanzeige)
Die Verbrauchsanzeige ist für Spannungen bis zu 150V und Ströme bis zu 130A ausgelegt. Damit kann ich relativ genau die geladene bzw. entnommene Kapazität (Ah) messen, die Unterspannung (U_min), den Überstrom (I_max), die Energiemenge (Wh), die max. Leistung (W) sowie die Dauer der Stromentnahme.
In meinem Video werde ich diesen Zusammenhang demonstrieren, indem ich eine 1000m-Teststrecke mehrfach befahre, und die relevanten Parameter aufnehmen werde.
Die relevanten Videos zu dem Akkuprojekt finden sich in meinem internationalen YT-Kanal:
https://www.youtube.com/channel/UC6b2zi ... -1gV0fqP4g
5.0) Messergebnisse E-Labor:
Bevor ich die neuen Zellen in die Akku-Gehäuse eingebaut hatte, wurden diese an einer 2,5A-Last von mir mehrfach vermessen. Zuvor wurde diese Messung an den Orig.-Akkus durchgeführt, um den Verlauf der Entladekurve in Bezug auf die Segway-typischen Vorgaben aufzunehmen und abschätzen zu können.
Unter dieser Berücksichtigung (Segway-Ladeschluß / Entladegrenze) wurden folgende Werte ermittelt (Mittelwert aus jeweils 3 Messungen):
- Orig.-Akku: 5,22 Ah (= 100%), entspricht 384 Wh
- 9Ah-Akku: 8,42 Ah (= 162%), entspricht 623 Wh
Beim zeitlichen Vergleich der Entladespannung fällt auf, dass die Entladekurve meines modifizierten 9Ah-Akkus wesentlich flacher verläuft. Somit ist von einem geringerem Innenwiderstand ggü. dem Orig.-Akku auszugehen, was ich als einen weiteren Vorteil ansehe. Bei den ermittelten 623 Wh handelt es sich zudem um einen neuen Rekordwert, da m.E. erstmals mehr als eine kWh in den Akkus unter dem Segway steckt...!
6.0) Zusammenfassung:
+ 60% mehr Kapazität ggü. Orig.-Akkus (+ 36% ggü. Lion42)
+ mutmaßlich weltweit erstmals mehr als 1,3 kWh in den Akkus vorhanden
+ Reichweitenerhöhung von 34 km auf 54 km (i180)
+ Schnellladefähigkeit gegeben und mehrjährig getestet (3 Std. = 98%)
+ Jährliches Vermessen aller Zellen im E-Labor ohne Auffälligkeiten
+ Eigensichere Markenzellen (UL 1642 approbiert)
+ Selbstentladung der Zellen ca. 2% / Monat
+ Sicherheit und Systemredundanz bleiben erhalten
+ Bodenfreiheit nicht verringert / nicht eingeschränkt
+ Gesamtkosten < 50% ggü. Orig.-Akku (Zellen kosten 240,00€ / Akku)
Zu den genannten Kosten der Zellen kommen noch die Zellenverbinder und das Punktschweißen dazu, was ich von einem zertifizierten Fachbetrieb durchführen ließ. Inkl. MwSt. & Versand lag der ausgehandelte Endpreis für einen Akku (80s4p) bei 499,00€.
Wer das nötige Equipment hat (Punktschweißmaschine, Hiluminband 10x0.15mm), kann sich kostengünstig die Akkupack selbst konfektionieren. Hier könnte es sinnvoll sein, mit motivierten Foristen das Projekt weiter voranzutreiben.
Absolut sinnvoll ist der Umbau m.E. für Anwender mit defekten / tiefentladenen Zellen sowie jenen, welche eine 60% höhere Reichweite mit Schnelllademöglichkeit nutzen möchten. Nicht verschwiegen werden darf jedoch, dass der Umbau sowie der spätere Betrieb etwas Fachkenntnisse in der Thematik erfordert - weshalb ich den Akku auch als „Expertenakku“ bezeichnet habe (XperT-Battery).
Als Ergebnis mehrjähriger Forschung & Entwicklung wurde ein Akku aufgebaut, welcher eine um +60% höhere Kapazität aufweist, schnellladefähig ist, und zu einer deutlichen Reichweitenerhöhung führt - bei weniger als 50% der regulären Kosten!
Mit dem hier vorgestellten Akku-Projekt wird zudem nachgewiesen, dass jede denkbare Zellen-Kombination und jede Zellenchemie im Akku genutzt werden kann, ohne das der Segway den Betrieb verweigert, oder sich mit einem Fehler abschaltet! Allerdings sind an der Akku-Elektronik (BMS) umfangreiche Modifikationen nötig, damit diese die veränderte Zellen-Anzahl und -Spannungslage akzeptiert und auch das Balancieren der 20 (statt orig. 23) Zellencluster kein Problem darstellt.
Zu den proprietären Veränderungen an der Elektronik werde ich mich ggf. später äußern.
Vorab: Zwei dieser 9Ah-Akkus sind bei mir seit mehreren Jahren erfolgreich im Einsatz. Mit einem Segway-XT erziele ich eine Reichweite von 42 km (statt 25 km mit orig. Akkus), eine Vollladung mit eigenem Off-Board-Charger (OEM-Ladegerät für 75€) benötigt etwa 3 Std (statt ca. 17 Std. am orig. Segway-Lader).
Foto: Prototyp mit integriertem Wattmeter (WattsUp) und Schnelllade-Anschluß:
Foto: Testfahrt mit Segway-XT: Auf 42 km und einer tatsächlich nutzbaren Kapazität von 8,303Ah:
Foto: Schnelllade-Setup mit eigenem Off-Board-Charger und einem Ladestrom von 3,16A:
Foto: Ermittlung Genauigkeit: Präzisions-DVM (Genauigkeit +/- 0,05%) im Vergleich mit Wattmeter:
1.0) Technische Daten:
Zellenchemie: Lithium-Ion-Mangan (LiIonMn)
Zellenkonfiguration: 20s4p
Zellenanzahl: 80 / Akku (160 / Segway)
Kapazität: 9,0 Ah / Akku (18,0 Ah / Segway)
Kapazitätsgewinn: +60% ggü. Serie (5,6 Ah), + 36% ggü. Lion42 (6,6 Ah)
Akku-Strombelastbarkeit: 40A
Akku-Innenwiderstand: 0,150 Ohm (zzgl. Zellenverbinder- & Zuleitungs-Ri)
Akku-Nennspannung: 74,0V (Serie: 73,6V)
Akku-Ladeschlußspannung: 84,0V (Serie: 83,95V)
Akku-Gewicht: 3,5kg
Akku-Ladestrom: 9A (1C)
Akku-Ladezeit: 3 Std. (98%)
Lebensdauer: > 800 Vollzyklen
Betriebstemperatur: -20 ... +60°C (Laden: +10 ... +45°C)
Sicherheitsbestimmungen: erfüllt UL 1642
Änderungen Base: Keine
Änderungen Akku: Gehäuseöffnung, Austausch der Zellen, BMS-Modifikation
Zellen-Kosten: 240,00€ / Akku (zzgl. Punktschweißen & Umbaukosten)
2.0) Weiterführende Beschreibung:
Bei den verwendeten Zellen handelt es sich um eine hochstromfähige, eigensichere Becherzelle mit Sicherheitsventil, welche relativ unempfindlich gegen fehlerhafte Behandlung ist. Ein Schnellladen mit bis zu 1C (= 9A!) ist ohne wesentliche Verkürzung der Lebensdauer bei diesen Zellen technisch möglich - der gesamte Segway wäre innert 60 Min. aufgeladen! Insgesamt bietet die Zelle eine sehr gute Haltbarkeit bei niedriger Selbstentladung von ca. 2% im Monat.
Von Anfang an war klar, dass ausschließlich eine eigensichere Markenzelle zum Einsatz kommen kann, eine Lithiumzelle also, welche eine ähnliche Sicherheit wie die verwendete Originalzelle aufweist. Es muss gewährleistet sein, dass eine Fehlbehandlung der Zelle, etwa durch eine defekte Schutzbeschaltung, allenfalls die Lebensdauer / Kapazität verringert, nicht aber zu einer verheerenden exothermen Reaktion führt. Weiter darf die Zelle bei einem Ausfall keinen gefährlichen Wasserstoff freisetzen, und auch mechanische Beschädigungen der Lithiumzelle (z.B. Quetschung des Zellengehäuses) dürfen zu keiner kritischen Reaktion der Zelle führen.
Die im 9Ah-Akku verbauten Zellen erfüllen diese Voraussetzungen gemäß UL 1642.
Anlage: Sicherheitsdatenblatt (UL 1642): http://newscience.ul.com/wp-content/upl ... eries1.pdf
3.0) Anwendung / Fahrpraxis:
Die Indienststellung der von mir aufgebauten 9Ah-Akkus erfolgte vor mehr als zwei Jahren, ich fahre damit wechselweise mit einem i180 bzw. einem XT. Zum direkten Vergleich besitze ich zwei Orig.-Akkus aus dem Jahr 2011, mit orangen Zellen und in gutem Zustand (5,2Ah).
Ladezeit: 3 Std. mit eigenem Off-Board-Charger (OEM-Ladegerät; 75,00€ inkl. MwSt.)
Reichweitengewinn: bis zu 54 km Reichweite, statt orig. 34 km (i180)
Ein zusätzlicher Nutzen ergibt sich durch die Schnelllademöglichkeit, wobei durch 1 Std. Nachladen eine zusätzliche Reichweite von ca. 19 km erreicht werden kann.
Testweise habe ich meine DIY-Akkus auf eine höhere Ladeschlußspannung geladen, als dies die Orig.-Segway-Ladevorrichtung macht. Ab einer Akku-Gesamtspannung von > 83,0V fährt der Segway mit einer reduzierten Geschw. von ca. 5 km/h und dem Neutralgesicht im Key (i180) - ein Hinweis auf die Sicherheitsbegrenzung bei zu vollen Akkus. Zwar stieg die Reichweite nochmals um ca. 5 km, jedoch mussten diese mit reduzierter Geschw. und dem Neutralgesicht gefahren werden.
Bei regulärem Ladeschluß (wie Orig. auf < 82V) ergeben sich keine Nachteile ggü. einem Orig.-Akku, auch nicht wenn es nach dem Laden sofort bergab geht.
Weiterhin konnte ich bei meinem i180 bzw. XT keine direkten Nachteile an der Ladeanzeige (Key) feststellen. Auf einer vorgegebenen Teststrecke bauten sich die Ladezustands-Balken langsamer ab, als dies im Vergleich mit den Orig.-Akkus der Fall war. Dies erschien mir durchaus plausibel, sodass ich keine Einschränkung feststellen konnte. Allerdings blieb der letzte (blinkende) Balken (Akku < 10%) verdächtig lange, bevor sich der i180 abschaltete: Ich konnte noch ca. 14 km fahren, bevor die Abschaltung erfolgte - was deutlich mehr als 10% sind.
Messwerte / Verbrauchswerte auf 1000m-Teststrecke (siehe Video):
- i180: 0,15 Ah/km bzw. 11,1 Wh
- XT: 0,18 Ah/km bzw. 14,1 Wh
4.0) Weitere Modifikation (optional):
Wie den Bildern bzw. dem Video zu entnehmen ist, habe ich an meinen modifizierten Akkus weitere Verbesserungen vorgenommen:
- Einbau einer Schnellladebuchse
- Einbau einer Schraubsicherung
- Einbau einer Verbrauchsanzeige für Ah / Wh (WattsUp)
- Einbau eines Schalters (für die Verbrauchsanzeige)
Die Verbrauchsanzeige ist für Spannungen bis zu 150V und Ströme bis zu 130A ausgelegt. Damit kann ich relativ genau die geladene bzw. entnommene Kapazität (Ah) messen, die Unterspannung (U_min), den Überstrom (I_max), die Energiemenge (Wh), die max. Leistung (W) sowie die Dauer der Stromentnahme.
In meinem Video werde ich diesen Zusammenhang demonstrieren, indem ich eine 1000m-Teststrecke mehrfach befahre, und die relevanten Parameter aufnehmen werde.
Die relevanten Videos zu dem Akkuprojekt finden sich in meinem internationalen YT-Kanal:
https://www.youtube.com/channel/UC6b2zi ... -1gV0fqP4g
5.0) Messergebnisse E-Labor:
Bevor ich die neuen Zellen in die Akku-Gehäuse eingebaut hatte, wurden diese an einer 2,5A-Last von mir mehrfach vermessen. Zuvor wurde diese Messung an den Orig.-Akkus durchgeführt, um den Verlauf der Entladekurve in Bezug auf die Segway-typischen Vorgaben aufzunehmen und abschätzen zu können.
Unter dieser Berücksichtigung (Segway-Ladeschluß / Entladegrenze) wurden folgende Werte ermittelt (Mittelwert aus jeweils 3 Messungen):
- Orig.-Akku: 5,22 Ah (= 100%), entspricht 384 Wh
- 9Ah-Akku: 8,42 Ah (= 162%), entspricht 623 Wh
Beim zeitlichen Vergleich der Entladespannung fällt auf, dass die Entladekurve meines modifizierten 9Ah-Akkus wesentlich flacher verläuft. Somit ist von einem geringerem Innenwiderstand ggü. dem Orig.-Akku auszugehen, was ich als einen weiteren Vorteil ansehe. Bei den ermittelten 623 Wh handelt es sich zudem um einen neuen Rekordwert, da m.E. erstmals mehr als eine kWh in den Akkus unter dem Segway steckt...!
6.0) Zusammenfassung:
+ 60% mehr Kapazität ggü. Orig.-Akkus (+ 36% ggü. Lion42)
+ mutmaßlich weltweit erstmals mehr als 1,3 kWh in den Akkus vorhanden
+ Reichweitenerhöhung von 34 km auf 54 km (i180)
+ Schnellladefähigkeit gegeben und mehrjährig getestet (3 Std. = 98%)
+ Jährliches Vermessen aller Zellen im E-Labor ohne Auffälligkeiten
+ Eigensichere Markenzellen (UL 1642 approbiert)
+ Selbstentladung der Zellen ca. 2% / Monat
+ Sicherheit und Systemredundanz bleiben erhalten
+ Bodenfreiheit nicht verringert / nicht eingeschränkt
+ Gesamtkosten < 50% ggü. Orig.-Akku (Zellen kosten 240,00€ / Akku)
Zu den genannten Kosten der Zellen kommen noch die Zellenverbinder und das Punktschweißen dazu, was ich von einem zertifizierten Fachbetrieb durchführen ließ. Inkl. MwSt. & Versand lag der ausgehandelte Endpreis für einen Akku (80s4p) bei 499,00€.
Wer das nötige Equipment hat (Punktschweißmaschine, Hiluminband 10x0.15mm), kann sich kostengünstig die Akkupack selbst konfektionieren. Hier könnte es sinnvoll sein, mit motivierten Foristen das Projekt weiter voranzutreiben.
Absolut sinnvoll ist der Umbau m.E. für Anwender mit defekten / tiefentladenen Zellen sowie jenen, welche eine 60% höhere Reichweite mit Schnelllademöglichkeit nutzen möchten. Nicht verschwiegen werden darf jedoch, dass der Umbau sowie der spätere Betrieb etwas Fachkenntnisse in der Thematik erfordert - weshalb ich den Akku auch als „Expertenakku“ bezeichnet habe (XperT-Battery).