Auswahl der richtigen Batterie für Ihren Elektrofahrzeugbau

Viele Hacker haben sich ihren Roller, ihr Fahrrad oder ihr Skateboard angeschaut und sind zu dem Schluss gekommen, dass es noch besser wäre, wenn sie nur einen Motor hätten. Der Versuch, sein persönliches Transportmittel zu elektrifizieren, kann eine aufregende und produktive Reise sein, die viel über Maschinenbau und Elektronik zu lernen verspricht. Der Schlüssel zu jedem Bau ist grundsätzlich die Batterie, die den größten Einfluss auf die Leistung und Reichweite Ihres Fahrzeugs hat. Um Ihnen zu helfen, haben wir einen nützlichen Leitfaden zur Auswahl des richtigen Akkus für Ihre Bedürfnisse zusammengestellt.

Batterien gibt es in allen Formen und Größen und mit einer Vielzahl unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen, die alle ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen haben. Bei kleinen Elektrofahrzeugen ist eine Batterie mit geringem Gewicht, kompakter Größe, viel Stromabgabe für schnelle Beschleunigung und hoher Kapazität für große Reichweite wünschenswert.

Vor 30 Jahren waren die Optionen auf Blei-Säure-, Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien beschränkt. Diese waren schwer, hatten eine geringe Stromabgabe, eine geringe Kapazität und unglaublich langsame Ladezeiten. Glücklicherweise sind mittlerweile Lithium-Polymer-Akkus auf dem Vormarsch, die in allen Bereichen leistungsfähiger sind. Mit enormen Entladeraten, schnellem Laden, geringem Gewicht und hoher Kapazität sind sie unbestreitbar die ultimative Wahl für ein Hochleistungs-Elektrofahrzeug. Sie erfreuen sich außerdem großer Beliebtheit und sind daher auch günstig!

Es gibt jedoch einige Probleme. Es ist wichtig, alle Zellen in einem Paket auf der gleichen Spannung zu halten, um eine gegenseitige Rückladung der Zellen zu vermeiden. Dies kann zu Schäden am Rucksack oder sogar zu Explosionen oder Bränden führen. Das Aufrechterhalten der Batteriespannungen, um dies zu vermeiden, wird als „Balancing“ bezeichnet. Die Handhabung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, abhängig von der genauen Art der Batterie, die Sie verwenden, wie wir später noch besprechen werden.

Darüber hinaus mögen Lithiumbatterien keine Tiefentladung. Als Faustregel gilt, dass es eine gute Idee ist, die Spannung Ihrer Batterien nicht unter 3,0 V pro Zelle abfallen zu lassen. Wenn dies nicht unter Kontrolle gehalten wird, kann dies zur Zerstörung eines Rucksacks führen und seine maximale Kapazität und Fähigkeit, Strom zu liefern, beeinträchtigen.

Zum Glück gibt es Möglichkeiten, diese Probleme zu umgehen, und welche Sie verwenden, hängt von der Batterie ab, die Sie für Ihre Anwendung auswählen.

Es ist eine Sache zu sagen, dass Sie einen Lithium-Polymer-Akku verwenden sollten, aber es gibt sie in einer Vielzahl von Ausführungen für unterschiedliche Anwendungen. Welchen Typ Sie verwenden, hängt von dem Fahrzeug ab, das Sie bauen möchten, Ihren Leistungs- und Reichweitenzielen sowie Ihren eigenen Fähigkeiten und Ihrem Wunsch, es zu bauen oder zu kaufen.

Lithium-Polymer-Zellen haben eine Nennspannung von 3,6 V und ihre Kapazität wird in Amperestunden oder Milliamperestunden gemessen. Wenn Sie sich einen Akku für Ihr Elektrofahrzeug ansehen, sollten Sie die Gesamtspannung und die Kapazität des Akkus beachten. Höhere Spannungen sind gut für leistungsstärkere Fahrzeuge und einen verbesserten Wirkungsgrad, da mehr Leistung bei geringeren Strömen und weniger Verlusten geliefert werden kann. Allerdings müssen dazu mehr Zellen in Reihe gestapelt werden, was zu höheren Kosten führen kann und außerdem teurere Controller und Ladelösungen erfordert. Höhere Kapazitäten sind gut für eine größere Reichweite und werden oft durch die Parallelschaltung mehrerer Zellen erreicht.

Aufgrund der begrenzten Kapazität der einzelnen Zellen stapeln viele Akkus für E-Bikes und Elektrofahrzeuge mehrere Zellen parallel. 18650-basierte Akkus werden oft mit Bezeichnungen wie 10S4P bezeichnet, was darauf hinweist, dass der Akku über 4 parallele Sätze mit jeweils 10 Zellen verfügt. Eine solche Batterie hätte eine Nennspannung von 36 V und eine Kapazität zwischen 10 und 14 Ah, abhängig von den jeweils verwendeten 18650-Zellen.

Für den Zusammenbau eines Packs ist Löten aufgrund der Gefahr einer Erwärmung der Zellen eine schlechte Option und die Ergebnisse sind aus mechanischer Sicht typischerweise schwach. Am zuverlässigsten ist es, die Zellen mit einem Punktschweißgerät von Anschluss zu Anschluss mit Metallstreifen zu verbinden. Manche entscheiden sich dafür, ihre eigenen Punktschweißgeräte zu bauen, aber wenn Sie nur versuchen, Ihr Fahrzeug zum Laufen zu bringen, würde dies als unnötiges Scheren gelten. Sie können stattdessen gekauft werden. Sobald die Zellen verbunden sind, können in jedem Fall einzelne Leitungen zu den verschiedenen Zellen hinzugefügt werden, um sie an ein Batteriemanagementsystem oder BMS anzuschließen – eine Platine, die die einzelnen Spannungen der Zellen im Paket überwacht. Diese Platine akzeptiert den Anschluss eines Wandladegeräts, das die maximale Spannung des Akkus aufrechterhält, übernimmt das Laden und Ausbalancieren, um den Akku in gutem Zustand zu halten, und schützt außerdem vor Tiefentladung und Überstrom. Das alles kann dann in das Gehäuse Ihrer Wahl verpackt werden. Dank der Metallhülle der einzelnen Zellen reicht oft auch eine einfache Plastikfolie aus.

Selbstgebaute 18650-Rucksäcke sind nützlich, wenn Sie einen Rucksack nach Ihren eigenen anspruchsvollen Spezifikationen anpassen oder kostengünstig mit recycelten Teilen bauen möchten. Allerdings ist damit eine Menge Arbeit verbunden, und Sie werden möglicherweise feststellen, dass das Geld, das Sie für Werkzeuge ausgeben, um die Arbeit zu erledigen, die Einsparungen auf dem Weg übersteigt.

Vorteile: Kann günstig sein, Spannung, Kapazität und Verpackung können angepasst werden. Nachteile: Erheblicher Arbeitsaufwand, kann schwerer sein als andere Optionen

Für diejenigen, die kein Interesse daran haben, ihre eigenen Pakete zusammenzustellen, gibt es eine andere Option. Mit der Verbreitung von E-Bikes auf der ganzen Welt sind Ersatzteile für diejenigen, die sich auf eigene Faust auf den Weg machen möchten, jetzt leicht erhältlich. Mittlerweile ist eine große Auswahl an Akkupacks für E-Bikes erhältlich, von denen die meisten mit genau den gleichen Werkzeugen und Techniken wie die oben genannten Homebrew-Packs hergestellt werden. Der größte Vorteil besteht jedoch darin, dass jemand anderes die ganze harte Arbeit erledigt hat!

Sie bestehen aus 18650-Zellen, die in verschiedenen Konfigurationen für unterschiedliche Anwendungen zusammengefügt sind. Sie sind in einem Spannungsbereich von 36 V bis 60 V und gelegentlich auch höher erhältlich und verfügen über große Kapazitäten für große Reichweiten. Die überwiegende Mehrheit verfügt über ein integriertes Batteriemanagementsystem und einen bereits angeschlossenen Ladeanschluss, und viele Verkäufer legen auch ein geeignetes Ladegerät bei.

Sie sind eine gute Wahl, wenn Sie einen Rucksack mit hoher Kapazität suchen, der ohne großen Aufwand sofort einsatzbereit ist. Ein Nachteil besteht jedoch darin, dass viele dieser Akkus im Hinblick auf die Stromabgabe ab Werk etwas eingeschränkt sind. Während der durchschnittliche 18650 in der Lage ist, erheblichen Strom zu liefern, ohne ins Schwitzen zu geraten, ist es nicht ungewöhnlich, dass eine 36-V-Batterie durch das integrierte BMS auf eine relativ niedrige Leistung von 15 A begrenzt ist. Das ist in Ordnung, wenn Sie ein 200-Watt-E-Bike bauen, um am Strand entlang zu cruisen, aber wenn Sie versuchen, einen schnellen Roller zu bauen, der mit einem 500-Watt-Motor über Schotterwege rast, werden Sie auf Probleme stoßen wobei das BMS den Strom abschaltet. Dies lässt sich zwar oft umgehen, beeinträchtigt aber den Komfort dieser gebrauchsfertigen Rucksäcke.

Vorteile: Sofort einsatzbereit, Komplettlösung, ziemlich robust. Nachteile: Kann Probleme mit den aktuellen Grenzwerten haben, begrenzte Verpackungsoptionen

Lithium-Polymer-Batterien sind mit ihrer hohen Leistungsdichte und der Fähigkeit, in kürzester Zeit große Strommengen zu liefern, ein Segen für das Modellflug-Hobby. Dabei kommen typischerweise Pouch-Zellen zum Einsatz, bei denen der Elektrolyt in einem Kunststoffbeutel ohne harte Außenhülle enthalten ist. Diese haben eine hohe Packungseffizienz und sind viel leichter als Zellen mit Metallgehäuse, aber auch viel empfindlicher. Die Zellen neigen mit der Zeit dazu, etwas anzuschwellen und können leicht beschädigt werden, wenn sie zusammengedrückt oder angestochen werden. Dies kann zu Bränden oder Explosionen führen. Daher müssen solche Zellen so installiert werden, dass sie vor unbeabsichtigter Beschädigung geschützt sind.

Diese Zellen wurden für die Anforderungen leistungsstarker RC-Flugzeuge entwickelt und sind in der Lage, Strom mit enormer Geschwindigkeit zu liefern, wobei die 20-fache Gesamtbatteriekapazität oder 20 °C üblich ist. Es sind High-End-Akkus erhältlich, die bis zu 75 °C aushalten, was bei einem 2-Ah-Akku 150 A entspricht. Dies macht diese RC-Akkus nützlich für Hochleistungsanwendungen, bei denen große Motoren unter Last mehrere Kilowatt Leistung verbrauchen. Der Nachteil besteht in der Lagerung, da RC-Packs aufgrund der Größe der Elektroden, die zur Aufrechterhaltung solch hoher Stromentnahmen erforderlich sind, im Allgemeinen für eine bestimmte Kapazität ziemlich groß sind. Diese Packs gibt es meist nur als Packs mit bis zu 6 Zellen in Reihe; Oft müssen zwei oder mehr zusammengeschaltet werden, um eine passendere Spannung für Ihr Elektrofahrzeug zu erreichen, wobei 10 S bis 12 S normalerweise wünschenswerter sind.

Die Hochleistungspakete sind auch mit hohen Kosten verbunden, insbesondere im Vergleich zu 18650-Zellen, die die Vorteile von Skaleneffekten mit sich bringen. Außerdem kommen sie ohne jegliche Schutz- oder Batteriemanagementsysteme aus. Beim Einsatz in einem Elektrofahrzeug können sie entweder nach Gebrauch entfernt und an ein Standard-RC-Ladegerät angeschlossen werden oder für eine kompaktere Lösung zum Laden an ein BMS angeschlossen werden. In jedem Fall ist es wichtig, auf Ausbalancierung und Wartung zu achten, da diese Hochstrompakete anfälliger für Feuer und Explosionen sind als andere.

Vorteile: Riesiger Stromverbrauch, geringes Gewicht. Nachteile: Preis, muss vorsichtig gehandhabt werden, erfordert den Einbau einer Ladelösung

Lithium-Polymer-Zellen haben auch die Elektrowerkzeugindustrie revolutioniert und kabellose Werkzeuge weitaus praktischer als je zuvor gemacht. Die meisten Werkzeuge auf dem Markt verwenden 18-V- oder Fünf-Zellen-Akkus, wobei verschiedene Hersteller je nach Geschmack 18650-Zellen oder Pouch-Zellen verwenden. Sie werden normalerweise in einem Hartplastikgehäuse mit einem proprietären Anschluss zum Anschluss an Werkzeuge einer bestimmten Marke geliefert. Im Inneren befindet sich normalerweise ein einfaches BMS, das für das Zellgleichgewicht sorgt und Dinge abschaltet, wenn etwas schief geht.

Elektrowerkzeugpakete haben den Vorteil, dass sie äußerst robust sind, da sie so konzipiert sind, dass sie der Bauumgebung standhalten. Werkzeuge können ziemlich stromhungrig sein, daher ist die Stromabgabe in der Regel auch recht solide. Ein Nachteil besteht darin, dass diese Pakete recht teuer sein können, da die Hersteller die Verbraucher an ihr eigenes Tool-Ökosystem binden möchten. Auch die Anbindung an sie kann aufgrund der proprietären Anschlüsse mühsam sein. Zu den üblichen Problemumgehungen gehören Nägel und Klebeband, 3D-Druck oder einfach das Ausnehmen alter Werkzeuge. Der Ladevorgang erfolgt einfach durch Anschließen an das Standardladegerät, wobei die Akkus den Vorteil haben, dass sie konstruktionsbedingt problemlos im laufenden Betrieb ausgetauscht werden können. Da sie oft bereits herumliegen, können sie eine gute Möglichkeit sein, den Bau eines Elektrofahrzeugs zu testen, bevor in eine geeignetere Lösung mit permanenter Batterie investiert wird.

Vorteile: Einfach im laufenden Betrieb austauschbar, Sie haben bereits einige, robuste Nachteile: Teure, nicht besonders platzsparende, proprietäre Anschlüsse

Wir haben das Glück, heute über mehr Batterieoptionen als je zuvor zu verfügen, und da Kapazitäten und Leistungsabgaben weiter steigen, sehen wir weiterhin neue und innovativere Elektrofahrzeuge als je zuvor. Durch Abwägen der relevanten Faktoren und sorgfältige Auswahl können Sie die optimale Lösung für das besondere Fahrzeug in Ihrem Leben auswählen. Wir hoffen, dass dieser Leitfaden Ihnen bei Ihren eigenen Builds den richtigen Weg weist. Wenn Sie fertig sind, schreiben Sie uns unbedingt eine Nachricht!