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Benutzerhinweise zu den dreifels Lithium Power Batterien im TWIKE


Hinweise zur Bedienung

Das Lade- und Entladeverhalten der Litiumbatterien ist grundsätzlich wesentlich einfacher als dasjenige der NiCd-Batterien. Beim Einsatz der LiFePO4 Akkus mit der normalen TWIKE Software (5.25 oder 5.30) sind folgende Punkte zu beachten:

Fahrbetrieb
Ladebetrieb
Kapazitätsanzeige
Standby-Betrieb
Alterung und Lebensdauer
Schlussbemerkung


A) Fahrbetrieb
Der Spannungsabfall im Betrieb ist mit 4% sehr klein. Durch die Auslegung auf eine Betriebsspannung von 385V, also 15% höher als bei NiCd, kann der Motor im ganzen Drehzahlbereich die volle Leistung erbringen (war bei NiCd mit Rüetschimotoren früher ein Problem).

Der kleine Spannungabfall ist etwa zu 35% durch die Verbinder und Kabel bedingt, zu 65% in der Zelle selbst.
Spannungsabfall bei 25 C ist ca. 15V (von 385 V auf 370V bei 20A)
- Zellen: 120 x 4mOhm x 20A = 9.6V
- Verbinder und Kabel: 240 x 1mOhm x 20A = 4.8V

Temperaturverhalten
Discharge_temp_160
Bei kälteren Temperaturen nimmt der Innenwiderstand der Zelle etwas zu, d.h. die Spannung fällt statt auf 370V auf 360V unter Last. Die Reichweite nimmt allerdings nicht so stark ab. Nach Herstellerangaben (siehe Entladekurven) bringt die Zelle bei - 10 Grad C immer noch 65% der Kapazität. Erfahrungen bei Temperaturen unter 0C im Winter zeigten, dass das Verhalten vergleichbar mit NiCd Akkus ist. Da sich die Batterie bei der Entladung wie auch der Ladung kaum erwärmt (15V x 20A = 300W Abwärme maximal), entspricht die Batterietemperatur praktisch der Aussentemperatur.

Für eine maximale Lebensdauer wird empfohlen die Batterie normalerweise nur 50 - 70% zu entladen. Die Entlade-Schlussspannung haben wir daher auf den konservativen Wert von 320V eingestellt. Der Spannungabfall gegen Ende der Entladung ist jedoch sehr steil, sodass auch eine tiefere Entlade-Schlussspannung nicht viel mehr Reichweite bringt.

Die Regel zum Batteriemanagement ist, so zu laden wie beim Benzintank:
- Wenn die Kapazität unter 50 % ist, (nach ca 30 - 50km) einstecken
- Falls man nicht sicher ist, dass die Kapazität reicht, besser einmal zu viel laden als zu wenig.

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B) Ladebetrieb
Die Ladekurve der Batterie ist sehr einfach und gutmütig. Die maximale Ladespannung wird vom Umrichter auf 417V begrenzt (zulässig wäre bis zu 435V ohne Schädigung der Zelle). Sobald die Spannung erreicht wird, nimmt der Strom ab. Bei einem Strom von < 0.4A bei 417V ist die Batterie voll geladen. Der Umrichter bleibt dann auf U-Ladung und der Strom geht auf 0A zurück.

Empfohlen wird normalerweise mit einem Strom von 5A zu laden, um Netzstecker und Verbinder nicht zu stark zu belasten. Wenn nötig kann aber auch mit 16A geladen werden (die Zellen wären auf 30A Ladestrom oder 20 Min-Ladung spezifiziert).

Bei den ersten Batterien hatten wir die Temperaturfühler noch eingebaut. Dies führte oft zu einer vorzeitigen Abschaltung der Ladung aufgrund einer Erwärmung durch die Umgebung (Sonneneinstrahlung, Motorwärme).
Da aber das Temperaturverhalten keinen Einfluss auf das Lademanagement hat sind die Fühler nicht notwendig. Bei ausgebauten Fühlern bleibt die Anzeige auf ca 24C und die Ladung funktionert dann einwandfrei.

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C) Kapazitätsanzeige
Da die Kapazitätsanzeige auf NiCd Batterien ausgelegt wurde, und die LiFePO4 Batterien einen rund 20% besseren Ladewirkungsgrad haben, stimmt die Ah-Anzeige und damit auch die Reichweitenanzeige beim Laden nicht mehr. Werden z.B. 5 Ah entladen, zählt er beim Laden nur ca. 4 Ah hinauf.

Der Vollzustand (417V bei 0.0A Strom) kann manuell durch Einstellen des Parameters "PROG F5" auf den Wert "4" wieder auf den Maximalwert von 5.60Ah gesetzt werden. Damit stimmt dann die Reichweitenberechnung wieder. Der Entlade-Endkapazitätswert ist auf -2.40Ah rsp. -10.0Ah eingestellt. Dies ergibt eine nominale Reichweite von 56km rsp. 112km (7km/Ah). Bei älteren Fahrzeugen ist dies eher zu pessimistisch, bei neueren Fahrzeugen etwa korrekt.

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D) Standby-Betrieb
Wird die Batterie eine gewisse Zeit nicht genutzt, sollte sie vorher voll geladen werden und anschliessend mit dem Not-Aus die Elektronik abgeschaltet werden.

Bei Nichtnutzung von mehr als 3 Wochen sollten nach der Vollladung hinten unter der Abdeckung die beiden roten Stecker ausgesteckt werden. Damit ist der Stromkreis komplett unterbrochen, wie wenn sie ausgebaut würde. Es fliesst kein Standby-Strom mehr. Die Batterie kann dann ohne Schaden mehrere Monate gelagert werden.
Nach dem Einstecken muss zu erst die Batteriesoftware neu geladen werden. Dazu den Netzstecker aus der Parkdose ziehen, damit die Elektronik im "Ladebereit"-Modus ist. Nach ca. 30 Sek. erfolgt automatisch der Download der Software und ist in 1-2 Min. beendet. Um die Reichweitenanzeige korrekt einzustellen die Batterie voll laden und wie oben beschrieben den Ah-Zähler auf voll setzen (Prog F5 auf Wert 4).

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E) Alterung und Lebensdauer
Zum Alterungsverhalten der Batterie liegen noch keine Erfahrungen vor. Es gibt jedoch folgende Herstellerangaben und bestimmende Faktoren:

Allgemeine Kapazitätsabnahme
Zyklenlebensdauer_160
Aufgrund der Zyklentests ist mit einer generellen, linearen Abnahme der Kapazität mit zunehmendem Alter zu rechnen. Bei 70% Entladetiefe werden 2'500 Zyklen angegeben, bei 100% Entladung 1'500 Zyklen. Das wären bei der 10Ah Batterie 7Ah x 7km/Ah x 2'500 = 122'500km (!) oder 10Ah x 7km/Ah x 1'500 = 105'000km . . . damit dürften dies für die meisten TWIKE die letzten Batterien sein!
Bei den NiCd Batterien hatten wir ein durchschnittliches Alter von 4'500Ah bei 3 Blöcken der 3.0Ah Zellen erreicht oder rund 31'500km (bei 7km/Ah). Vielfach hat jedoch das kalendarische Alter von über 5 Jahren zu einer unakzeptablen Selbstentladung geführt.

Ungleichheit von Zellen
Bei der Eingangskontrolle messen wir den Ladezustand jeder Zelle einzeln aus. Die Streuung ist unter 2% und daher nicht relevant. Auch die Kapazität ist innerhalb von 3% gleich. Wir werden die ersten Batterieblöcke periodisch mit der eigens entwickelten Balancer-Station ausmessen um festzustellen, wie die Zellen aufgrund unterschiedlicher Sebstentladung auseinander driften.
Ein Angleichen des Ladezustandes ist nach den bisherigen Erfahrungen im Normalfall nicht notwendig. Wird das TWIKE jedoch für eine längere Ferienfahrt eingesetzt, wo u.U. die Kapazität voll genutzt wird, so sollte die Batterie gebalanct werden.

Zellenausfall
Bisher hatten wir unter den 6'000 verbauten Zellen (Stand Aug 09) erst sehr wenige defekte Zellen. Wird ein Akku jedoch tiefentladen, so machen die Zellen einen niederohmigen Kurzschluss (wie bei den NiCd Zellen), ohne irgendwelche gefährlichen Neben-Reaktionen, wie dies bei anderen Lithiumtechnologien üblich ist. Die Gesamtspannung ist dann 3.2V tiefer und der Akku kann problemlos weiter eingesetzt werden. Die Kapazitätsabnahme von <1% ist nicht spürbar.
In einem Batterieservice kann eine einzelne Zelle einfach ersetzt werden, da die Zellen mit M6 Schraubverbindungen untereinander verbunden sind.

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