40Ah PowerBank

Es war im Winter '12/13 als ich bereits zwei ähnliche Akkukoffer baute. Damals dachte ich noch, ich bräuchte so etwas für den Modellflug. 

Einer der beiden 40Ah 6S Akkukoffer aus Anfang 2013, heavy duty

 

Chaos in der Bauphase, der Tisch ist eindeutig zu klein

Doch meinen Koffer nutzte ich nie, da ich mit recht kleinen Akkus klar kam und die Modelle sich immer mehr in Richtung Segeln entwickelten. Den zweiten Koffer hatte ich parallel für einen Freund gebaut, der den auch fleißig für seine fetten Helis genutzt hatte, bis ein Brand seinen Koffer zerstörte. Was für ein trauriger Anblick. Da ich meinen Koffer ja nicht brauchte, das Hobby hatte ich zwischenzeitlich zu Gunsten eines anderen beendet, verkaufte ich meinen Koffer an ihn weiter. Sein alter Koffer enthielt aber noch die großen LiFePo Zellen und die blieben beim Brand unbeschädigt. Der Akkukoffer war nicht der Grund für den Brand, es waren andere LiPo-Zellen, die mit ihm geladen wurden. Es lag also nahe aus den alten Zellen einen neuen Koffer zu bauen, wenn auch nicht so aufwendig, wie die beiden vor drei Jahren, denn der hatte einen Arbeitsaufwand von mehr als 300 Stunden und Materialkosten von 800,- €
Da der alte Koffer einwandfrei seinen Dienst leistete, sollte die Grundidee auch in den neuen einfließen, sozusagen als Minimalvoraussetzung.
Damals wie heute war ja vom ersten Moment an klar, ich gebe ein elektrisches Hochenergiesystem in fremde Hände, was ein hohes Maß an Sicherheit verlangt. Mit Gleichstrom dieser Stärke ist einfach nicht zu spaßen, immerhin können die Zellen bis zu 800A liefern ohne Schaden zu nehmen. Die Zellen werden normalerweise in elektrischen Kraftfahrzeugen verwendet und dort kann es schon mal recht kräftig zur Sache gehen. Beim Betrieb als Power Bank, um damit andere LiPos zu laden, wird solch ein Strom nicht benötigt, doch alleine das die Zellen ein vielfaches liefern könnten bedingt einige Maßnahmen an Sicherheit. Zudem sollen die Zellen gegen Tiefentladung und die Kontakte gegen Funken geschützt werden.

Und wieder kommt ein Glückskeks zum Einsatz

Erster Aufbau einen neuen Akkukoffer als Modell zu testen, hier mit einem Pro Mini

Noch bevor irgendwelche Teile gekauft oder Elektronik gebaut wurde, fing ich schon mal an die kleine Firmware zu schreiben. Ein paar Led und ein Arduino Pro Mini reichen da schon, um die Strukturen aufzubauen. Ein Rohentwurf mit all den State Machines war schon nach zwei Stunden fertig. Dann war schon klar wie die Schaltung aussehen soll. Ein Stück Lochraster und ein Entwurf auf EAGLE, damit es nicht so viele Brücken gibt, half dem Entwurf des Einzelstücks.
 

Der Pro Mini findet seinen Arbeitsplatz auf einer Lochrasterplatine mit dem anderen Zeugs an Elekronik

Arbeitsweise
Die Firmware und Elektronik, schaltet zunächst einen Pilotstrom auf die Ausgangsklemmen des Koffers. Der kann maximal 2A im Kurzschlussfall werden. An den Klemmen wird dann von der Firmware gemessen, ob die Spannung eine Mindestgrenze von 2V innerhalb von 0.5s erreicht. Ist das nicht der Fall, liegt ein Kurzschluss vor und der Controller schaltet den Pilotstrom wieder ab und warnt mit hektischem Piepen. Liegt die Spannung höher, wird eine zweite Grenze von mehr als 16V nach maximal 3s erwartet. Hierdurch werden die Eingangskondensatoren von den extern verwendeten Ladegeräten vorgeladen. Dann schaltet das 200A Relais durch und gibt den Weg frei. Damit wird verhindert, dass das große Relais dem Rush-In der Kondensatoren ausgeliefert ist. Das würde zwar auch ohne Pilotstrom funktionieren, doch die Kontakte wären einer enormen Alterung ausgesetzt. Bei Abschalten geht das dann anders herum, erst schaltet das große Relais ab, dann der Pilotstrom, damit es keinen Abrissfunken gibt. Dieses Verfahren hatte sich beim alten Edelkoffer bewährt, und sollte hier auch Anwendung finden. Zusätzlich werden während des Entladens des Koffers die Ausgangsklemmen auf eine Spannungsuntergrenze überwacht und entsprechend gewarnt oder sogar wenn es kritisch wird, auch abgeschaltet.

Nun mit sieben statt sechs Zellen in einem Systemkoffer aus Kunststoff

Wie zu sehen ist, liegen die Zellen ungleichmäßig im Koffer, weil die Boden mit Steifigkeitskanten übersäht ist. Damit die nun sieben Zellen sich sauber in den Innenraum einfügen, hatte ich sie mit Klebeband zu einem Paket verschnürrt. So lassen sich die Zellen auch besser während des Aufbaus besser entnehmen oder einsetzen.

Ducktape hiflt eigentlich immer

Zusätzlich zur Unterstützung des Boden, liegt nun eine dünne Sperrholzplatte unter dem Akkupack.

Ausgleichsplatte für die Akkus und Montageplatte für die Elektronik

Für die Elektronik sollte eine Multiplexplatte dienen. Die ist fest genug das Akkupaket an seinem Platz zu halten. Eine Querstrebe von vorn nach hinten hält das Paket seitlich.

Die Akkus eingepasst in den Koffer

Nun werden die Plätze für die Schaltelemente bestimmt

so langsam kommt alles zusammen. Sicherung, Relais, Hochlastwiderstand für den Vorladestrom

Damit das Holz nicht feucht wird, wurde es mit Lackspray eingedieselt. Danach dann die Elektronik wieder montiert.

die Platte rechts dient später der Aufnahme des Shuntwiderstands für die Hochstrommessung

Für den riesigen Shunt des Energiemessmoduls brauchte ich noch etwas Platz und schaffte mir den über das seitleiche Schild an der Querstrebe.

Das Energiemessmodul selbst, sollte versenkt im Deckel montiert werden.

Für die spätere Anzeige von Strom, Spannung, Leistung und Energie in Wh soll ein Fertigmodul Platz finden

Mit Hilfe einer Aluplatte konnte das Model von unten durch den Deckel gesteckt und verklebt werden.

Versenkt im Deckel

Den Shunt habe ich dann mit M6 Schrauben am Shild befestigt. Die Schrauben dienen gleichzeitig als Anschlussbolzen für die Ringschuhe der Kabel.

Der Hochstrommesswiderstand

Nach und nach kommen mehr Teile in den Koffer. Kabel werden auf die richtige Länge zugeschnitten und Arbeitsreihenfolgen werden festgelegt. Es darf bei dem Strömen nicht zu einem Disaster kommen. Die dünnen Kabel würden einfach verglühen und flüssiges Kupfer umherspritzen. Das sind zwar nur rund 25V aber der maximal zulässige Zellenstrom von 800A erzeugt damit mal eben 20.000W für rund 3 Minuten. Der Kurzschlussstrom wäre noch höher als 800A.

Immer mehr Kabel kommen hinzu

Mikroampere steuern bis zu 30A, begrenzt durch die Klemmen und Sicherung

Nach ca. 30 Stunden Arbeit ist dann alles fertig. Solch ein Moment dann alles einzuschalten hat schon etwas berauschendes, besonders wenn alles so läuft wie geplant. Das geht natürlich nicht ohne sichere Zwischentests.

Alles verkabelt, montiert, eingeschaltet, läuft

schön ist hier der Eigenbedarf der inneren Schaltung zu sehen, bei 40Ah ist das locker zu verschmerzen

Eckdaten

• 40Ah Kapazität
• 30A Ausgangsstrom
• 7 Zellen LiFePo
• 25.55V Maximale Ausgangsspannung
• 20.0V Warnspannung
• 18.6V kritische Abschaltspannung
• Energieanzeige
• 15.5kg 
• glücklicher Endnutzer