42V/32AH NiCd-Batterie im Mini El City

Die hier beschriebene Bastelarbeit ist beendet! Seit Februar '05 läuft das El mit 36 Zellen des Typs "Saft VHP 430 KH-3".
(Die allgemeinen Angaben über das Ladeverhalten und die angewendeten Methoden gelten natürlich prinzipiell auch für die größeren Zellen.)

Im Herbst ´01 kam mein Kapazitzätsmesser plötzlich nicht mehr auf "12 Punkte". Kurz danach brach auch noch die Motorwelle und beim dadurch nötigen  Ausbau der Batterien (3 St. "Varta FPG 12100 12V/100AH/K5 VHB POWERBLOC 400 FPG") stellte ich fest, daß der Batterieraum völlig mit "übergekochter" Säure verschmiert war. Nach längerem Experimentieren kam ich dann zu dem Schluß, daß in zwei der drei Batterien je eine Zelle kurzgeschlossen war.

Die "Todesursache" blieb unklar. Eine Möglichkeit ist, daß der Temperaturfühler defekt ist und das Ladegerät beim Einbau der Varta-Akkus nicht an deren Ladekennlinie angepaßt wurde. Meine persönliche Erfahrung mit Staplerbatterien ist aber, daß Bleibatterien keine Erschütterungen vertragen.
Die Bleiakkus wurden entsorgt. Für mich steht seither fest, daß ich keine offenen, säurehaltigen Batterien mehr haben will !

Ich bekam nach einigen Fehlversuchen preisgünstig gebrauchte NiCd-Einzelzellen "Varta VS 309 X2" angeboten.
Die Zellen haben 16AH (bei unbekannter Entladedauer) und wiegen ca. 1,21 kg/St. Die Maße: 84,5mm lang, 45,5mm breit und 199,5mm hoch. Als Anschlüsse haben sie Gewindebolzen M10. Genauere Daten habe ich leider nicht.
Diese offfenen Zellen (das ist bei NiCd entscheidend!) stammen aus einem "Flurförderzeug" (=Transportwägelchen) und sind hochstrom- und schnelladefähig. Sie haben deshalb einen großen Elektrolytüberschuß und sind daher leider ziemlich schwer.  Man kann davon 72 Zellen im El unterbringen.

Bei zwei Strängen á 35 St. ergibt sich eine Batterie mit 42 Volt Nennspannung, 32 AH Kapazität und knapp 85 kg Gewicht. (Die drei originalen 90Ah-Yuasa Batterien wogen zusammen 93kg.)

32 AH sind sicherlich im Vergleich zu den 100AH der dahingeschiedenen Bleibatterie ein Rückschritt !
Mit den 100AH  kam das El im Sommer gut 30km weit. Da NiCd-Batterien aber im Gegensatz zu Bleiakkus problemlos eine vollständige Entladung vertragen, und der Unterschied bei Kälte sich sogar ins Gegenteil ändern kann, beschloß ich, trotzdem einen Versuch zu machen. Dabei ging ich für 36 Volt von einer geschätzten Reichweite von etwa 2/3 der Bleibatterien aus. Ich hoffte, daß die 10 zusätzliche Zellen bei einem Umbau auf 42Volt die Reichweite auf knapp 25 km erhöhen würden, was für meinen täglichen Bedarf gerade ausreicht.
Für mich war entscheidend, daß offene NC-Batterien eine extrem hohe Lebensdauer haben. Sie sind unter Normalbedingungen von geradezu legendärer "Unkaputtbarkeit". Man kann deshalb gebrauchte Zellen kaufen, die von Großbetrieben "sicherheitshalber" ausgesondert werden, aber bei korrekter Behandlung trotzdem noch viele Jahre ihren Dienst tun.
 
 

Die Anordnung: Zunächst habe ich  eine Methode ausgeknobelt, die Zellen überhaupt unterzubringen: Der Batteriekorb faßt leider nur 44 Stück, deshalb mußte der komplette Gepäckraum neben dem Trafokasten herhalten. Die nebenstehende Skizze zeigt die Anordnung. Unter die Zellen im Batteriekorb habe ich Reste von Kunststoffplatten gelegt, die ich zufällig hatte. Die vorderen Zellen links und rechts mußten zur Mitte versetzt werden, weil sie sonst an den Befestigungsschrauben des Batteriekorbs anschlagen. Dadurch reicht der Platz in der Länge nicht aus, so daß die letzten Zellen hinten über den Batteriekorb ragen und beim Einfedern an der Achse schleifen würden. Die beiden getrennten Batteriestränge sind hellgrün und gelb gekennzeichnet. Die grünen Linien stellen die Polverbinder dar.

Inzwischen (2005) hat die Erfahrung gezeigt, daß es besser ist, keine Batterien im Kofferraum unterzubringen. Die Nachteile sind unter anderem:

• Gepäckraum wird kleiner
• Problematische Kabelführung
• Gefahr von Kurzschlüssen bei nicht perfekter Isolierung
• Zellen werden deutlich wärmer als im Batterieraum
• Lenkung instabil durch ungünstige lastverteilung auf die Räder

Im ersten Schritt wurde (wegen des Ladegeräts) zunächst ein Test mit nur 60 Zellen (36 Volt) gemacht. Bei voller Batterie und flotter Fahrt (Tacho auf Vollanschlag) kam ich dabei 21km weit.
Danach wurden beim normalen Ladevorgang die Batterien nicht voll!
Die -zufällig entdeckte- Abhilfe bestand darin, die Batterien abzuklemmen und zu warten bis die Bordnetzspannung auf 0V abgesunken war (Kondensatoren entladen). Danach wurde die Batterie (bei 10°C) auf über 46V (1,53V/Zelle) aufgeladen.

Im einem weiteren Versuch brachten dann 70 Zellen bei 42 Volt in etwa die erhoffte Reichweite von 24km.

(Übrigens: Solange die Batteriespannung direkt nach dem Laden noch über 49,3Volt beträgt fährt das El nicht. Abhilfe: Heizung einschalten, losfahren und Heizung sofort wieder ausmachen.)

Die Batterie hatte sich also soweit prinzipiell bewährt, und ich habe daraufhin die Zellen gekauft.

Die Anschlüsse:
Für die drei Verbindungen (siehe Skizze) zwischen Motor- und Kofferraum habe ich Massebänder aus dem Kfz-Bereich verwendet. Diese haben 14mm² Querschnitt. Ich habe jeweils zwei übereinandergelegt (=28mm²) und Schrumpfschlauch als Isolierung darübergezogen. Für den Minus-Anschluß an der Motorsteuerung habe ich einen Adapter von M6 auf M10 Gewinde aus Messing gedreht.
Durch die flachen Kabel konnte ich die Motorraumabdeckung wieder draufschrauben.

Leider waren dies Massebänder nicht vernickelt. Die Kalilauge kroch in die Litzen und Isolierschläuche, so daß das Kupfer sich langsam in blaues Salz verwandelte!

Die Befestigung:
Die Batterie muß noch isoliert und so im Fahrzeug befestigt werden, daß sie sich auch bei einem Unfall nicht lösen und durch Kurzschluß schwere Verbrennungen an Mensch & Maschine verursachen kann. Vor allem bei den 26 Zellen im Kofferraum ist das wichtig. Ich will ja vielleicht auch mal einen Metallgegenstand transportieren....

Trotz großer Vorsicht hat es übrigens bei den "Bauarbeiten" zweimal heftig geknallt. Dabei kann man direkt spüren was "hochstromfähig" bedeutet. Später hatte ich mir dann eine "Kofferraumabdeckung" aus grauen PVC-Schaumplatten ("guttagliss hobbycolor" aus dem Baumarkt) gebastelt. Die war allerdings sehr unpraktisch beim An- und abklemmen. Eine Kühlung der zellen erwies sich als unnötig weil keine kritischen Temperaturen erreicht wurden.

Der "Strom-Füllstand":
Durch den Umbau (verminderte Kapazität und erhöhte Spannung) zeigt der Kapazitätsmesser nur noch Unfug. So ist die Batterie schon leer, obwohl noch "halb voll" angezeigt wird!
Als "Kapamesser-Ersatz" habe ich deshalb ein selbstgebasteltes, umschaltbares "Panelmeter" für Batteriespannung, Fahr- und Ladestrom an der Diagnosebuchse angeschlossen. Damit kann ich z.B. während der Fahrt den Ladezustand der Batterie beurteilen.
Grob gesagt weiß ich, daß die Batteriekapazität unterhalb einer Leerlaufspannung von 41,5Volt (1,19V/Zelle) weitgehend erschöpft ist.

Zur Kontrolle: Vom Gas gehen und schauen wie hoch die Spannung unmittelbar ansteigt. (Man kriegt das in der Praxis schneller raus als ich hier eine exakte Beschreibung abgeben kann.)
Vollgeladen muß eine Leerlaufspannung von > 46,5Volt (1,38V/Zelle) angezeigt werden. Daß die Batterie wirklich voll ist, weiß man allerdings nur, wenn man beobachtet hat, daß beim Laden die benötigte Endspannung nach der unten gezeigten Kurve erreicht wurde!
(Das Standardladegerät schaltet irgendwann ab, und danach sinkt die Spannung auf den Leerlaufwert!)

Laden der NiCd-Batterie:

Als nächstes mußte ein Weg gefunden werden, die Zellen im Alltagsbetrieb auf volle Kapazität aufzuladen ohne sie dabei zu beschädigen oder unnötig Wasser zu zersetzen. Alle benötigten Informationen über NC-Zellen habe ich einem alten Buch:
"Nickel-Cadmium Akkumulatoren - Anwendungstechnisches Handbuch" der Fa. General Electric entnommen.

Das Buch stammt zwar von 1975, aber es enthält leicht verständliche, umfassende technische Informationen. Die Physik ist hoffentlich in den letzten 27 Jahren gleich geblieben.

In diesem Buch fanden sich u.a. die beiden folgenden Diagramme:

Da der Spannungsanstieg im Bereich der Volladung ("100%") bei offenen Zellen wie man sieht sehr ausgeprägt ist, kann man den Punkt der Volladung sehr einfach feststellen. (Es bietet sich eigentlich als einfachste Methode das Laden mit Konstantspannung an.) Überladung ist obendrein unschädlich, solange die Batterietemperatur unter ca. 50° C bleibt. Der entstehende Wasserverlust kann -wenn auch bei 70 Zellen recht mühsam- wegen der offenen Bauweise problemlos ersetzt werden.

Aus dem folgenden Diagramm kann man entnehmen, welche Ladeendspannungen in Abhängigkeit von der Batterietemperatur erreicht werden müssen, damit die Batterie "vollgeladen" wird. (Die Werte stammen ebenfalls aus dem General Electric-Buch. Das Diagramm wurde nur für 35 Zellen in Reihe angepaßt.)

Vergebliche Versuche mit dem Originallader:

Hier sind -historisch begründet und nur der Vollständigkeit halber- meine frustrierenden Experimente mit der undokumentierten dänischen Analogelektronik beschrieben.

Die "halbautomatische Ladeunterbrechung":

Laden mit einem Schweißtrafo:

Modifizierter Zivan NG3:

Im Juli ´02 nach einem halben Jahr Alltagsbetrieb, der allerdings wieder mal durch einen Defekt (DC/DC-Wandler abgeraucht) unterbrochen war, sank die erzielbare Reichweite dramatisch ab. Zum Schluß kam ich noch ca. 10km weit. Sobald die Batteriespannung beim Loslassen des Fahrpedals nicht mehr unmittelbar über 43V stieg, waren nur noch einige 100m drin.
Ich tippte auf Memory-Effekt, da meine Laderei wegen der ständigen Experimente nicht gerade optimal gewesen war. In meinem schlauen Buch von General Electric fand ich, daß man die Batterie regelmäßig "auffrischen" muß.

Der Vorgang ist folgender:

• Batterie entleeren. (beim El heißt das fahren bis "die Lichter ausgehen", d.h. daß der DC/DC-Wandler abschaltet weil die Spannung unter 22V gefallen ist, und danach mit einer 24V-Glühbirne weitermachen.) Dabei die Zellspannungen messen und jede Zelle die unter 0,5V sinkt einzeln kurzschließen.

Achtung: Wenn man aus Versehen eine geladene Zelle kurzschließt kracht es fürchterlich!

Zu diesem Zweck habe ich mir 70 Kurzschlußbügel aus dickem Kupferdraht über eine Holzform gebogen. Das hat einige Stunden gedauert und hinterher haben mir die Finger wehgetan. Mich würde auch interessieren, wie das Kurzschließen bei kompletten Batterien, bei denen man nicht an die Einzelpole herankommt, funktionieren soll. Wenn man nämlich nicht einzeln kurzschließt, polen die "schwachen" Zellen um, weil sie von den stärkeren "rückwärts" aufgeladen werden!
 

• Die Batterie mindestens 24 Stunden kurzgeschlossen stehen lassen (So sollen übrigens NC-Batterien laut General Electric eingelagert werden.)

• Anschlüsse und Polverbinder mit Plastikbürste  reinigen und "polieren".  Neue oder überprüfte Polverbinder anbringen und mit dem vorgeschriebenen Drehmoment anziehen.


Ich habe eine alte Zahnbürste genommen. Vor allem an den negativen Polen waren weiße Ausblühungen vorhanden und die Gewinde mußten teilweise sogar durch Nachschneiden saubergekratzt werden. Die Polverbindungen bestehen aus vernickeltem Kupfer. Wenn die Nickelschicht verletzt wird, gibt es dicke grüne Salzkrusten.
Den Spezial- Drehmomentschlüssel habe ich durch Fingerspitzengefühl ersetzt. Wichtig ist, daß keine Kraft (Moment) über den Gewindebolzen auf die Innereien gelangt!
 

• Mit "0,1C"  laden, man braucht dazu ein Netzteil mit einstellbarer Strombegrenzung.


Das sind in meinem Fall für einen Batteriestrang 1,6A. Ich habe zwei alte 30V-Labornetzteile von Conrad (noch aus DDR-Produktion) hintereinandergeschaltet um die Spannung zusammenzukriegen.

Nach 5 Minuten die Zellenspannungen kontrollieren. Bei Zellen die dabei mehr als 1,5V aufweisen Wasser bis zur Minimalmarke aufüllen. Nach 10 Minuten muß die Zellspannung zwischen 1,2V und 1,55V liegen. (Ansonsten ist die jeweilige Zelle hin.)

Mit dem Auffüllen muß man vorsichtig sein! Ein großer Teil des gegen Ladeende entstehenden Gases bleibt als Blasen zwischen den Platten hängen, wodurch der Flüssigkeitsstand stark ansteigt. Der Elektrolytstand scheint beim Laden auch so zu steigen. (warum???).
Man muß also nach Ladeende vor dem Auffüllen etwas abwarten und an den Zellen wackeln, damit der Kram sich setzt.
 

• Nach 20 Stunden Ladezeit  alle Zellenspannungen messen und aufschreiben. Nach 24 Stunden die Messung wiederholen. Zellen deren Spannung dabei mehr als 0,04V unter dem 20-Stunden-Wert liegt, kann man ebenfalls wegschmeißen. Nach Beendung der Ladung die Elektolyttemperatur messen: hohe Temperatur zeigt eine defekte Zelle (Gasscheider) an.

So verrückt das vielleicht klingen mag, aber mit der Zeit kriegt man "ein Gefühl" für die Batterie.
Ich kann durch Beobachtung meines Voltmeters (das wichtigste Instrument im El, aber leider nicht serienmäßig) ganz gut abschätzen, wie weit ich noch komme und auch, wann ich den "Stromeimer" wieder mal restlos leermachen muß. Da ich zwei komplette 16AH Batterien habe, kann ich sie auch einzeln anklemmen. Wenn ich dann mit der einen Batterie irgendwo hingefahren bin, komme ich mit der anderen zuverlässig wieder zurück. Ich kann z.B. auch mit der einen Batterie fahren, wärend die andere gerade tiefentladen wird, um den Memory-Effekt abzubauen.

Nach meinen bisherigen Erfahrungen glaube ich nicht, daß NC-Batterien für den "allgemeinen Gebrauch" geeignet sind, da selbst bei niedrigeren Kaufpreisen der Serviceaufwand immer noch zu hoch und deshalb unbezahlbar ist. (Ich habe für den ersten Service mit dem Zurechtbiegen der Kurzschlußbügel das ganze Wochenende gebraucht.)
NCs sind eher für Leute geeignet, die gerne experimentieren und Freude daran haben, die ungewöhnliche Technik kennenzulernen und sie eigenverantwortlich in den Griff zu kriegen.
Man muß sich (ähnlich wie beim Fahren) so etwas wie eine "vorausschauende Betriebsstrategie" zurechtbasteln. Einerseits macht es einer NC-Zelle nichts aus, leer herumzustehen, andererseits verliert sie die Ladung relativ schnell (angeblich ca. 1%/Tag) und quittiert Dauerladung mit dem berüchtigten Memory-Effekt. (Deshalb ist die Dauerladerei der Bleifahrer total verfehlt!)
Ich habe mir also eine Wochen-Zeitschaltuhr vor den Trafo geschaltet. Geladen wird nur noch, wenn auch Betrieb zu erwarten ist.
Im Alltag (2 mal ca. 10km pro Tag) fahre ich jetzt die beiden Batterien wechselweise total leer und klemme dann um. So hoffe ich, die zeitraubenden Auffrischungen auf ein Minimum zu beschränken.

Übertemperaturen, die als einziger Faktor einen vorzeitigen Batterietod bewirken könnten, treten bisher nicht auf.

© Ulrich Reeg Stand: 7.3.06 Kontakt (zur Spamvermeidung) über den geschlossenen Nutzerbereich von Ralf Wagners "Elweb".