Seriell initialsieren von Akkus - howto

In dieser Post möchte ich mein Verfahren, wie man LiFePO seriell initialisiert, detailliert beschreiben.
Um es klar zu machen, das Ergebnis ist ein perfekt initialisierter und Top-Balancierter Akku.

Einer der Gründe, das zu tun ist, weil das Thema funktionierendes Top Balancing etwas zu sein scheint, das von manchen eher als virtuelles NoGo anstatt als bittere Notwendigkeit angesehen wird.... Die Beschreibungen von wild wegrennenden Zellen sind genauso häufig wie die Behauptung, man könnte daran nichts machen.

Und den meisten dürfte unbekannt sein, dass die wild nach oben wegrennenden Zellen, wenn der Akku denn vorher Mal gut initialisiert war, die guten Zellen sind.

Als weiteres habe ich mittlerweile die Beschreibung ausgedehnt auf Methoden für verschiedene Tests von Akku und BMS, neuerdings auch für Kapazität und Selbstentladung.

Da das ein längerer Beitrag wird, (und ständig weiter ausgebaut) werde ich das nicht in einem Rutsch schreiben können.

Des weiteren weise ich von Beginn an darauf hin, dass die Frage von parallel oder seriell Initialisieren kein Thema von gut oder schlecht ist. Es gibt Unterschiede, und ob die jemand als Vorteil oder Nachteil bewertet, ist schon seine Sache. Aber definitiv ist serielles Initialisieren genauso gut wie parallel - nur viel schneller.

Allgemeines
Die meisten Akkuzellen kommen heute mit etwa 3 V, oder nur knapp darüber, also praktisch komplett leer. Das ist ein sicherer Zustand zum Transport.

Paralleles Initialisieren ist vom Ablauf her simpel. Es benötigt nur geringe Kenntnisse, die sich im Ablauf auch nicht wirklich verbessern. Das Initialisieren dauert bei 4s lange, bei 8s sehr lange, und bei 16s endlos. Über 2p16s sage ich jetzt nichts..
Es funktioniert, fast ohne das man etwas falsch machen kann, aber wirklich lernen tut man weder über die Zellen, ihren Zustand noch übers Initialisieren etwas.

Um das serielle Initialisieren zu beschreiben, unterscheide ich zwischen zwei Stufen, Laden und Balancieren, weil während des größten Teils beim Laden eigentlich nichts passiert und nichts zu tun ist. Das ist auch der Teil, bei dem man den grossen Teil der Zeit spart. Erst wenn Zellen voll werden, muss man eingreifen, dann beginnt die zweite Stufe, das Balancieren.
Wer will, kann auch für die Stufe 2 auf paralleles Initialisieren (Was letztendlich auch ein Balancieren ist) wechseln. Das werde ich aber hier nicht behandeln.

Serielles Initialisieren geht schnell, weil der Ladevorgang seriell verläuft. Das eigentliche Balancieren gegen Ende wird vom Benutzer unterstützt, bzw. gemacht, dabei lernt man auch etwas über das Thema. Wirklich falsch machen kann man dabei auch nicht viel, solange man dabei bleibt und nicht weggeht. Diese Phase dauerte bei mir bei meinem letzten 8s 100 Ah Akku einen Abend.

Warnhinweis
LiFePo Akkus dieser Größe sind kein Kinderspielzeug. Eine einzige 280 Ah Zelle speichert in etwa elektrisch eine Kilowattstunde. Damit kann man 8 Liter Wasser zum Kochen bringen oder den Lichtbogen eines Schweissgerätes bei 100 A fast 20 Minuten brennen lassen, oder einen 1000 W Heizstrahler eine Stunde lang. Man kann auch sagen, gleicher Energieinhalt wie 100 ml Benzin.
Wenn ihr damit einen Kurzschluss baut, dann zeigt euch der Akku, in welcher kurzen Zeit er das rausballern kann. Entweder zerlegt es euch das Kabel, Bananenstecker, Schalter oder, im günstigsten Falle, eine Sicherung. Bis dahin, Glück gehabt.
Richtig spannend wird es, wenn der Kurzschluss durch auf die Pole fallendes Werkzeug verursacht wird....
Beispiel:
https://forum.drbacke.de/viewtopic.php?t=8056

Ist mir selbst passiert, fallendes Werkzeug, aber es fiel daneben.

Also, seid vorsichtig, spielt nicht herum, nie in Hektik "Mal eben....", geht in kleinen Schritten vor, immer wieder überprüfen....

Es ist keine Feigheit, sein benutztes Werkzeug mit Isolierband einzuwickeln, dass nur die Arbeitsflächen freibleiben.

Equipment
Gutes Multimeter
Stromzange DC
Labornetzteil, Kabel, Krokodilklemmen.
Autobirne oder eine andere Last zum Einzelzellenentladen beim Balancieren.

Zum maximalen Strom des Labornetzteiles, ich habe eins mit 2 mal 1 A 30V, oder ich benutze einen Alipress Boost Konverter ( den typischen "1800 W Konverter") mit ca 130 Watt, an einem 12 V 20 A Netzteil. Das ist für meine jetzige Leistungsklasse bei weitem ausreichend. Ich würde sagen, dass ich bei 2 Mal 280 Ah, also 500 Ah, noch mit 10 A drangehen würde. Das laden dauert dann 2 Tage, Ausbalancieren vielleicht nochmals 2. Finde ich nicht zuviel, soviel Zeit muss für sorgfältiges Vorgehen eh sein.

Kenntnisse
Grundkenntnisse Elektrotechnik, Gleichstrom, ohmsche Gesetz, Messen von Strom und Spannung, Kenntnisse über den Spannungsverlauf eines LiFePo. Ich werde später ein Bild dazu einstellen. ( Weniger sollte man auch nicht wissen, wenn man parallel initialsiert, oder überhaupt einen Akku selber baut )

Vorbereitung
Der Akku wird seriell zusammengestellt, wer will auch in seiner endgültigen Konfiguration. Heisst, auch ein 2p16 s wird genauso verbunden.
Beim Parallelschalten von 2p Stufen natürlich auf gleiche Spannung achten, sonst zeigen einem die Zellen, welchen Strom sie liefern können.
Sind die Zellen unterschiedlich in der Spannung, muss man sie entweder mühsam einzeln auf gleiche Spannung bringen, oder man macht zwei getrenntd 16 Zellen-Stränge und lädt diese nacheinander seriell.

Das BMS wird angeschlossen und muss betriebsbereit sein. Die BMS Spannungsanzeige wird ein wichtiger Helfer werden.

BMS anschließen ist der erste Härtetest. Man hat einen Draht mehr als die Stufenzahl, und jeder muss an seinen richtigen Platz. Einer an Masse, einer an Plus, einer an jeden Verbinder dazwischen. Es ist egal, an welche Seite eines Verbinders der Draht kommt, aber macht es einheitlich, weil es unter Strom zu einem winzigen Unterschied in der Spannungsmessung kommt.
Plus ist einfach, der ist fast immer rot. Masse ist meist ein schwarzer. Und alle dazwischen sind bunt. Oder nicht. Da muss man am BMS abzählen, der erste neben rot kommt an den obersten Verbinder, der nächste an den Zweitobersten....
Oder je nachdem, was ihr für ein BMS habt.
Und normalerweise gibt es einen Anschluss, der wo später der Strom zum Verbraucher drübergeht. Oft heisst der B-, wie Battery, Der muss unbedingt mit angeschlossen werden. Der Anschluss für den Verbraucher, oft C- genannt, darf freibleiben, aber wird als Masse für den Anschluss des Ladegerätes dienen.

Also, lieber 3 Mal fragen und 5 Mal prüfen... Hab ich beim ersten Mal auch gemacht.
Update: ich habe, beim umprogrammieren eines BMS eine Methode gefunden, wie man eine sichere Erstinbetriebnahme des BMS hinbekommt.
Die Beschreibung dazu kommt..... bald!
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Initialisieren Stufe 1 - Volladen
Dazu wird eine Ladequelle angeschlossen, vorzugsweise ein Labornetzteil, welches man auf eine beliebige Ausgangsspannung einstellen kann. Die Spannung stellt man ein auf Stufenzahl mal 3,4 V, bei einem 2p16s also 16 mal 3,4 V.
Strom auf ein vernünftiges Maximum des Netzteils, ein chinesisches 10 A Netzteil stellt man auf 7 A.... Es geht auch so schnell genug.
Dann schaut man regelmässig zu, wie die Spannung steigt.

Dabei kann man auch regelmässig in die Anzeigen des BMS Schauen, und kann sich ein Bildmachen wie schnelle oder Langsam die spannungen steigen.
Irgendwann kommt man in den Bereich 3,35 V/Zelle, bei dem es endlos lange nicht mehr höher zu gehen scheint, und wenn, dann ist die Ladung zum grösseren Teil erledigt. Sobald der Strom anfängt zu fallen, erhöht man die Spannung in Stufen von 0,1 V, bei 16 s 0,2 V bis die erste(n) Zelle(n) 3,5 V überschreiten.
Strom abschalten, 5 min stehen lassen.

Initialisieren Stufe 2 - Ausbalancieren
Jetzt beginnt das Ausbalancieren.

Ich rede an dieser Stelle von Top Balancing. Das bedeutet, das man die Ladezustände aller Zellen so miteinander abgleicht, das alle genau zur gleichen Zeit Voll werden. Das Ergebnis ist, wie schon gesagt, ein Top balancierter Akku.

Man schaut sich die Spannungen an. Zellen mit über 3,4 V sind praktisch voll, Zellen mit niedrigererer Spannung, unter 3,35 V noch nicht.
Man wird feststellen, das das BMS wahrscheinlich schon mit Balancieren begonnen hat, aber wir werden ihm helfen.

Dazu macht man entweder:
- Entladen voller Zellen mit einer Autobirne, die natürlich NUR über ein oder maximal 2 Zellen angeschlossen wird.
- Laden von Zellen mit der kleinsten Spannung mit dem Labornetzteil, das natürlich auf 3,55 V und sinnvollem Maximalstrom eingestellt wird. Natürlich kann man auch 2 oder 3 oder mehr gleichzeitig Laden, wenn sie hintereinander in Reihe sind.

Und man darf natürlich beides gleichzeitig tun, das kommt sich ja nicht in die Quere.

- Selbstverständlich darf man auch eine einzelne volle Zelle entladen, während das Netzteil die volle Spannung an der gesamten Kette lädt. Besonders schlau ist es, dabei mit dem gleichen Strom zu laden, wie die Auto-Birne aus der einzelnen Zelle herausholt..... oder aus zweien...

Ich muss nicht erwähnen, dass man bei angeschlossenen Birnen dabei bleiben sollte ? Erstens kann man vergessen, rechtzeitig zurückzukommen, zweitens werden dir Birnchen richtig heiss....

Für den Anschluss von Lampe oder Netzteil kann man die Zellverbinder dranlassen. Aber ich nehme bewusst erst die beiden Kabel des Netzteils von ihren vorherigen Anschlüssen ab, verbinde das Netzteil mit dem Voltmeter, stelle die Spannung neu ein, verbinde die Masse von Netzteil und Voltmeter mit dem Minuspol der zu ladenden Zelle, messe nun die Spannung des neuen Pluspols, die muss mit der Spannung des Netzteils grob übereinstimmen, und prüfen noch 3mal (dreimal) den neuen Anschluss beider Leitungen an die neue Stelle des Akkus.

Wenn man den Zellen mit hoher Spannung etwas Ladung abgezapft hat, und alle z.b. unter 3,4, lädt man mit kleineren Strom wieder nach.
Und wenn einzelne wieder hochlaufen, beginnt das nachhelfen, gemeint sind Birne oder Einzelzellenladen, wieder von vorne.

Mit diesen "Werkzeugen" müsst ihr nun den Akku, genauer gesagt jede einzelne Zelle, vollmachen, bis alle Zellen über 3,45 V sind.

Hier kommt der Lerneffekt zum tragen, was mache ich in welcher Kombination? Immer daran denken, das das Hauptziel vollmachen ist, denn da wollen wir hin.

Initialisieren Stufe 3 - Inbetriebnahme und Tests
Sind alle Zellen über , sagen wir 3,45 V, so ist die Hauptarbeit geschafft. Den Rest kann man jetzt vom Balancer des BMS erledigen lassen, damit sollte der fertigwerden.

Immer wieder sehe ich von Neulingen, noch bevor sie zum ersten Mal Strom auf einen Akku geben, dass sie einen "starken Balancer" brauchen. Das sehe ich nicht so. Um einen guten intakten Akku zu betreiben, braucht man ... gar keinen Balancer. LiFePo Zellen haben ähnlich wie Bleiakkus eine gering erhöhte Selbstentladung, die bei vollem Akku etwas Ladung vernichtet.
Mit steigenden Alter und bei hohen Strömen kommen kleine Ungleichheiten der Zellen zusammen, denen man mit dem Balancer begegnen. Einen sehr großen Einfluss haben aber die Betriebsbedingungen. Es ist ein Unterschied, ob ein Akku einen Zyklus pro Tag macht, und dabei in 10 min voll ist, so dass ein Balancer sinnvoll arbeiten kann, oder einem Betrieb mit z.b. 3 Zyklen in 4 Wochen, wobei dann endlos Zeit ist für balancieren.
(Auch für diese Fälle gibt es eine Lösung, die Akkus im Top Balancing zu halten. Ich werde das später mal beschreiben)

Für die Erstinitialisierung ist fast jeder Balancer zu schwach, bei angenommenen 10% SOC Unterschied sind das 28 Ah, die der leersten zur vollsten Zelle fehlen. Macht aus technischen Gründen bis zu 56 h Balancierbetrieb, bis der Akku gleich ist. Für einen normalen Arbeitsbetrieb ist 1 A Balancerstrom schon eine ganze Menge. Wer tatsächlich mehr braucht, sollte das Problem untersuchen und lösen.
Und wer es nicht glaubt, der Nissan Leaf hat nur 8 mA (!) Balancerstrom .

Nachfolgend beschreibe ich verschiedene Einzelaktivitäten, die sowohl dem Test des mechanischen Aufbaus dienen, das BMS testen oder die Eigenschaften von Zellen ermitteln. Das geht mehr oder weniger gleichzeitig bei einer ersten Entladung, die mit einem moderaten Strom, nicht mehr als 1/10 C gemacht werden.

Eine Stromangabe in "C" bezieht sich auf die Kapazität des Akkus, wobei "C" die Kapazität in Ah ist. Ein Strom von "C" ist damit der Strom, der den Akku in einer Stunde leermacht, 1/10 C macht ihn in 10 Stunden leer.

Initialisieren Stufe 3.1 BMS Tests
Das BMS am Akku ist ja schon eine Weile in Betrieb, gleichzeitig wurde von seinen Möglichkeiten nach der obigen Beschreibung so wenig wie möglich ausgenutzt, eigentlich wurde nur die Spannungsmessung benutzt.
Da aber auch ein BMS Fehler haben kann, habe ich es mir zur Gewohnheit gemacht, ein paar Sachen am BMS zu testen.

Test Spannungsmessung BMS
Auch wenn das spät kommt, sollte man mal mit einem guten Multimeter die Zellenspannungen der Stufen messen und mit den Anzeigen des BMS vergleichen. Dabei geht es nicht um das letzte Millivolt, wir werden es hier nicht schaffen, dass die Messwerte au 0,1% gleich sind, das würde für beide Messungen diese Genauigkeiten erfordern. Und selbst wenn, dann wäre der erlaubte Messfehler +- 0,2 %, oder plus minus 6 mV, so dass wir uns damit begnügen müssen, dass wir runde 10 mV Unterschiede tolerieren sollten.
Damit ist man eigentlich schnell fertig, nacheinander mit den Messleitungen an die vorhandenen Stufen gehen, immer nur an eine, und die angezeigte Spannung mit der BMS Anzeige vergleichen. Normalerweise dürfte das sich sehr ähnlich verhalten, wenn eine Zelle wirklich andere Spannung hat, mehr als 15 mV im Vegleich zu den anderen Stufen "anders", sollte man mal genauer hinschauen.

Test Strommessung des BMS
Das ist eigentlich auch schnell gemacht, mit 5 bis 10 A belasten, bitte noch nicht mehr, und man muss eine vergleichbare Anzeige im BMS haben.

Test Temperaturanzeige des BMS
Die Temperaturemessungen sind manchmal ziemlich ungenau, bei meinen BMS war oft mehr als ein Grad Unterschied. Ist jetzt nicht wirklich dramatisch, aber sollte man wenigstens wissen. Einige BMS kann man auch diesbezüglich nachkalibrieren.

Test OVP (und UVP) des BMS
Jetzt geht es an die wichtigen Schutzfunktionen des BMS, Überspannungs - und später auch Unterspannungsabschaltung. Momentan ist der Akku voll, also testen wir die OVP Abschaltung.
Nun wollen wir ja nicht wirklich einzelne ode alle Zellen in die Überspannung treiben, um zu testen ob das BMS korrekt schaltet. Daher biete ich zwei verschiedene Varianten an, um das ohne Akkuquälerei zu machen.
- Variante 1 - Verstellen der OVP Schwelle
Völlig simpel, wir verstellen die OVP schwelle in den erlaubten Spannungsbereich des Akkus hinein, z. B. auf 3,5 V. Jetzt darf man natürlich - mit kleinem Strom - den Akku laden, und wenn die erste Zelle ueber 3,5 V läuft, sollte das BMS den Ladestrom abschalten.

- Variante 2 - ersetzen einer Stufe des Akkus durch eine "andere" Akkuzelle.
Ein Trick, den ich mir vor einer Weile ausgedacht habe. Der ist auch dann anwendbar, wenn die Parameter, OVP, UVP nicht verstellbar sind. Man kann sie so sogar austesten !

- Variant 3
Ich habe durch Zufall etwas viel einfacheres gefunden als das ersetzen von Akkuzellen durch andere. Hängt direkt mit der oben beschriebenen Erstinbetriebnahme zusammen.
Stay tuned!

Solange wir dem Akku keinen Strom Laden oder Entnehmen, ist es völlig egal, was für Akkuzellen in den einzelnen Stufen drin sind. Das BMS "sieht" ja nur die Spannung, nicht die Chemie, nicht die Kapazität...... also könnten wir eine ganze "Stufe" z.B. durch eine einzelne 18650er Lithiumzelle, eine NMC, ersetzen. Das BMS wird beim Einschalten nur die Spannung dieser Zelle "sehen".

Wenn diese einzelne Zelle erstmal auf der gleichen Spannung ist, wie alle anderen Stufen, z.B. 3,3 Volt, so ist das BMS vollkommen zufrieden und zeigt alle Spannungen an. Nun haben wir aber eine Stufe, der es egal ist, wenn wir sie z.B. über 3,75 V Laden..... nämlich die 18650er Stufe, die hält sogar 4,2 V aus....

Also laden wir diese einzelne LiIon Zelle mit einem Einzelzellenlader, schön gemütlich, und schauen was das BMS macht. Es wird brav die Spannung anzeigen, und bei OVP hoffentlich die Notbremse ziehen. Das messen wir am Ausgang einfach mit dem normale Multimeter. Wahrscheinlich schreit das BMS in der Anzeige eh um Hilfe.

So kann man jetzt in einer Stufe, oder mit viel Arbeit nacheinander in JEDER Stufe testen, ob ein BMS bezüglich OVP richtig funktioniert. Und für UVP grösser als 2,5 V genauso.

Für sehr tiefes UVP nimmt man statt der 18650er LiIon zwei in Reihe geschaltete NiMh Zellen, die kleinen AA Zellen ausm Aldi reichen aus. Die kann man pro Zelle von 1 bis 1,5 V, also in Reihe von 2 bis 3 V betreiben.

Update: mir ist eine viel einfachere Methode eingefallen, um BMS zu testen. Kommt in einem eigenen howto.
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Weitere Akkutests mit höherer Leistung
Nun können Tests mit höherer Leistung beginnen. Am einfachsten mit einem Inselwechselrichter, dem man passende, langsam steigende Lasten verpasst.

Nein, man schliesst nicht gleich die Nespresso an. Wenn man einen Ferrari zusammen gebaut hat, fährt man auch nicht beim ersten Test 300 kmh auf der Bahn.

Also langsam anfangen, mit 10 % Nennstrom, dabei die Werte im BMS ansehen, brechen die Spannungen der Zellen gleich ein, Prüfdauer max 5 min, auf Erwärmung prüfen.
Langsam Steigern, 50 % Max, 75 % max, zum Schluss 100 %, immer Prüfen wie zu beginn, immer etwa 5 min. Zum Abschluss die max Dauerlast ansehen, wieder etwa für 10 Min.

Wenn man einen Strom von z.B. 20 A hat, oder mehr, kann man auch mit dem Multimeter alle Verschraubungen auf Innenwiderstand prüfen.

Hier
https://forum.drbacke.de/viewtopic.php?p=26879#p26879
Habe ich beschrieben, wie man das macht

Einfach den Spannungsabfall messen, Bereich 200 mV. Mit dem Strom zusammen kann man dann den Widerstand bestimmen.
Dabei kann man Verschraubungen Prüfen, oder auch Verbinder, Kabel, und sogar den Spannungsabfall an den Mosfets.
Bei mir hatte sich ein Alukabel dazwischengemogelt. Ist bei dieser Widerstandsprüfung sofort aufgefallen, noch bevor ich übermässige Erwärmung festgestellt habe.

Die weitere Vorgehensweise: Benutzen.
Nach etwa 3 bis 5 Zyklen nochmal alle Übergangswiderstände überprüfen.

Weitere Tests

Kapazitätstest
Ich habe das Thema Kapazitätstest bisher komplett ausgenommen. Alle machen das mit speziellen Einzelzellen Testern, und alle jammern über die Ergebnisse, die sie berechtigterweise als Hinweis auf den Verschleiss- bzw. Gebrauchszustand des Akkus interpretieren.

Der Grund ist, dass das zwar spannend ist, aber eigentlich nicht viel nützt. Es dauert, bei Einzelzellenmessung, ewig. Und damit kommt man dann leicht zu spät, um mit den Ergebnissen beim Lieferanten noch was anzufangen.

Viel einfacher ist es aber, den gerade prima top balancierten Akku zu nehmen, und mithilfe eines Wandlersbund Last zu entladen. Die schlechteste Zelle ist zuerst leer, dann kann man in Gottes Namen die andern mit einem Kapazitätstester auf gleichen Level entladen, schon kennt man die Differenzen.
Den gemeinsamen Teil der Kapazität schätzt man über die gemeinsame Entladung, oder man lädt und entlädt die beste Zelle noch einmal mit dem Kapazitätstester. So kann man das in 3 oder 4 Tagen komplett über die Bühne bringen, und hat aussagekräftige Zahlen.

Selbstentladung
Ein auf diesem Board vollkommen unterschätztes Problem. Es dürfte die wahre Ursache sein für Akkus, die man nur schwer im balancierten Zustand halten kann, besonders wenn es viel Zyklen ohne Volladung (zum balancieren) gibt.

Die bekannten Probleme "wegrennende Zellen" beim ersten Volladen im Frühjahr gehören dazu.
Und mit nochso starken, richtig oder falsch eingesetzten Balancern kann man dem nicht beikommen.

Es gibt auch dazu Lösungen, solche Akkus zum mitspielen zu bringen (man muss sie nicht unbedingt wegwerfen), allerdings muss dazu der Hintergrund erst komplett verstanden werden.

Updates folgen !

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Ich denke, dass diese Beschreibung des top initialisieren damit momentan erstmal abgeschlossen ist.

Ich weise abschliessend noch daraufhin, dass es noch schnellere Methoden gibt, einen Akku zum erstenmal zu laden und gleichzeitig dabei zu initialisieren, also Top Balancing zumachen. Ich nenne sie die Hayabusa und besonders die Kamikaze Methode. Besonders letztere wird aber wüste Aufschreie der "Fachleute" hervorrufen, deswegen würde ich sie auch nur erfahreneren Fachleuten empfehlen, die schon einen Akku gemacht haben.

Als nächstes und noch offenes Thema wird über den mechanischen Aufbau auch mehr gesprochen werden, nicht nur über die Gehäuseform....