der Schutz der Fahrakkus

E-Bike, Pedelec, Elektrofahrrad
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doran

der Schutz der Fahrakkus

Beitrag von doran »

Bei den Schutzschaltungen für Fahrakkus geht es um 3 Dinge:

1. der Überspannugsschutz um ein Überladen zu verhindern.
2. der Tiefentladeschutz um eine für den Akku gefährliche Tiefentladung zu verhindern.
3. der Zellenschutz um ein unzulässig - ungleichmäßiges Entladen der in Reihe geschalteten Zellen zu erkennen u zu verhindern.
zu 1.
Beim "guten alten Bleiakku" hat man einfache Verhältnisse. Sofern es sich um Starterbatterien ( Akkus) für Motorräder oder Autos handelt, wird in der Regel auf Überspannungs-Schutzschaltungen verzichtet. Die Abschaltung durch das Ladegerät, oder den Regler an der Lichtmaschine hat sich in der Praxis als ausreichend erwiesen. Bei Fahrakkus für Pedelecs ist die Sache kritischer. Die Akkus sind im Verhältnis 3 .. 4 x so teuer , ( gleiche Kapazität ) zusätzlich werden die Akkus im "Grenzbereich" betrieben. So wie man beim Schraubenfestziehen sagt: "hinter fest kommt lose" - so gilt hier: "hinter voll kommt zerstört" . Der Überspannungs-Schutz stellt eine Gradwanderung dar. Er liegt parallel zum Ladegerät / Akku - steht er zu tief , muß er den gesamten Ladestrom übernehmen , wenn keine besondere Synchronisierung mit dem Ladegerät vorhanden ist. Dies ist bei einfachen Spannungsbegrenzern wie Zenerdioden u Varistoren der Fall. ( Zenerdioden werden in Sperrichtung betrieben - parallel zum Akku. Wird ihre Durchbruchspannug z.B.24V erreicht, werden sie niederohmig - lassen Strom fließen mit einem geringen differentiellen Innenwiderstand - der Strom fließt nicht mehr in den "vollen" Akku sondern wird über die Zenerdiode abgeleitet. Der Varistor arbeitet ähnlich aber nicht gleich. Bei kleinen Strömen hält sich die "verbratene" Leistung in Grenzen. Bei größeren Ladeleistungen besteht Gefahr des Überhitzens. Liegt der Einschaltpunkt mehr als 0,1 - 0,3 V höher als die zugehörige Ladeschlußspannung kann der Akku möglicherweise überladen werden. Heißt: der Elektrolyt wird unumkehrbar beschädigt - das passiert wenn man den Ladevorgang nicht im Auge behält, u den Akku, nachdem er voll ist, "weiterbruzzeln" läßt. Der Überspannungs-Schutz beim Akku bildet nur bedingt einen wirklichen Schutz - darauf verlassen sollte man sich nicht. Beim "Synchronisieren" mit dem Ladegerät nutzt man das Ansprechen des Überspannungs-Schutzes um ein in Reihe mit dem Ladegerät liegendes Relais zu schalten.( "Öffner" - öffnet Zuleitung 230V ) Dies ist etwas aufwendiger aber sicher.
zu 2.
Beim Tiefentladeschutz muß oft ein größerer Aufwand getrieben werden. Bei Industriefahrzeugen ( Hubstapler ) die jeden Abend ans Ladegerät gehen, genügt eine
einfache Spannungs-Überwachungs-Schaltung mit Abschalt oder Warnfolge. ( Relais / Summer ) Die Fahrer sind eingewiesen u können zweckmäßig reagieren. ( laden )
Für Pedelecs wirds schwierig, hier kann man Sachverstand nicht voraussetzen - muß andere Wege gehen. Läßt man eine Überwachung abschalten ( einfach u billig)
so entstehen Fehlfunktionen, weil die Spannung bei kräftigem Treten u "fast leerem Akku" kurzzeitig absinkt ( unter Abschaltpunkt ) es wird abgeschaltet - mit Einschaltsperre, doch ist noch ca.10% Restkapazität vorhanden, verschenkte Strecke um heimzukommen. Hochwertige Abschaltungen verzögern etwas, ca. ( 30 sec.- 1 min.) damit werden Kurzeinbrüche der Spannung aufgefangen u mehr Restkapazität genutzt. Hier sind die Dinge im Fluß u Änderungen praktisch von Modell zu Modell.
Eine sichere Methode ist es, Strom u Spannung vom Instrument abzulesen u von Hand abzuschalten - bevorzuge ich persönlich - setzt aber Datailkenntnisse voraus. Für die Zukunft kann man voraussagen daß " Mikrochips" auf den Markt kommen, die Spannung u Strom messen u dem Fahrer auf Display die Reststrecke bei eingestellter Unterstützungsstufe anzeigen - mit Warnton u verzögerter Endabschaltung, elektronisch kein Problem - wenn die Stückzahlen hochschnellen wird die Halbleiterindustrie entsprechende IC's ( integrierte Schaltkreise ) kostengünstig herstellen. Vermutlich werden 1 oder 2 "normierte Module" ( für Ladeanzeige - Restenergieanzeige -momentaner Stromverbrauch - Reststrecke bei gerade gewählter Unterstützungsstufe) großer Hersteller in alle gängigen Pedelecs verbaut werden. Bei entsprechenden
Stückzahlen wird das zu einem akzeptabelen Stückpreis möglich sein, Anzeige zuerst in schw./weiß später in bunt. Erste Anzeichen dieser Entwicklung sind bereits
auf dem Markt..
zu 3.
Der Zellenschutz ( Balancer) wird mit zunehmender Entwicklung in Richtung Hochleistungsakku notwendig. Eigentlich dürfte man nur Zellen gleicher Kennlinie hintereinander schalten. In der Praxis schwierig - durch Selektieren mit engen Toleranzen kommt man dem ein gut Stück näher . Bei billigen Akkus wird natürlich auf Zellenselektion verzichtet. Sind die Zellen ungleich ( mehr oder weniger immer) bekommt die gute Zelle mehr Energie weil sie eine höhere Ladeschlußspannung erreicht - beim Entladen kann sie länger Strom liefern - erreicht später ihre Tiefentladespannung. Heißt: die schwache Zelle wird permanent überlastet u gibt vorzeitig " den Geist auf ". Überwacht man jede Zelle mit Steuerleitungen, so kann man beim Entladen stoppen wenn die schwächste Zelle ihren kritischen Ladezustand erreicht hat .
Ausgeklügelte Schaltungen fügen der "schachen Zelle" selektiv Strom zu, so daß sie länger im Verband mit den stärkeren Zellen arbeiten kann. Diese "Balancer" werden fortlaufend verbessert - gewinnen zunehmend an Bedeutung. Beim Laden kann man die Zellen einzeln auf "Maximum" laden. Der gesamte Akkublock wird bis zum "Letzten" ausgereizt. Das Ganze macht natürlich keinen Sinn bei einem preiswerten Pedelec vom "Discounter". Bei Pedelec's wo es auf Reichweite mehr ankommt als auf den Preis, oder "Nachrüster" die auf einen technischen Vorsprung ( "Tuner") mehr Wert legen, kommt so etwas in Betracht. Doch die Entwicklung bleibt nicht stehen u diese Dinge finden dann mehr u mehr auch in der Mittelklasse Anwendung. Werden die Akkus in Zukunft so leistungsfähig daß man sie nicht ganz ausreizen muß um genügend Reichweite zu haben, kann es sein daß diese kostentreibenden "Hilfsschaltungen" wieder verschwinden. Sie verteuern nicht nur beim Neukauf , sondern machen die Sache auch störanfälliger u im Reparaturfall schwieriger. ( teurer) Werden, wie ich hoffe bald - Brennstoffzellen zum "Nachladen während der Fahrt" verwendet, bekommen wir ganz neue Verhältnisse, dazu lohnt sich ein gesonderter Beitrag. Gruß Doran
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