Hallo zusammen!
Ich habe letztens beim Auseinanderpflücken eines E-Bike-Akkus einen Kurzschluss gehabt, glücklicherweise konnte ich den nach wenigen Sekunden schon bemerken und die Nickelbrücke auftrennen.
Der Schreck sitzt natürlich erst einmal, und macht einem mal wieder bewusst, mit was man da eigentlich so hantiert.
Daher bin ich mal wieder ins Grübeln geraten, an welcher Stelle man für ein wenig mehr Sicherheit sorgen könnte. Und so bin ich auf den Gedanken gekommen, die Akkupacks vielleicht mal anzugehen, um einen Weg zu finden, auf das Löten oder Punktschweißen der Packs komplett verzichten zu können, um dadurch eine potenzielle Fehlerquelle direkt ausschalten zu können.
Ich versuche mal, in einfachen Worten und mit ein paar Screenshots zu vermitteln, um was es dabei geht.
Ausgangspunkt für mich war zunächst einmal die Überlegung, wie man es schaffen könnte, eine Powerwall zu bekommen, die man sukzessive bestücken kann. Also bei der man schon einmal weiß, wieviele Zellen man am Ende pro Pack maximal einsetzen möchte. Ich hatte z. B. angedacht, so um 300 Zellen pro Pack im Endausbau anzustreben, aber bereits mit - sagen wir mal - 50 Zellen die Anlage behutsam starten zu können. Das setzt dann voraus, dass die Zellen einzeln entnehmbar sein müssten.
Für das Gehäuse eines Packs hatte ich mit eine Eurobox vorgestellt. Diese sind in dickem grauen Polypropylen erhältlich, sind äußerst robust und halt in der Größe ziemlich genormt.
Für knapp 280 Zellen im Abstand von 25 x 25 mm würde man die Außenmaße 600 x 400 x 120 mm Höhe benötigen.
In diese Box kämen dass - zwischen zwei Kupferplatten eingebaut - die Zellen. Zwischen den beiden Platten sind Kunststoff-Abstandshalter, die zugleich die Ausrichtung der Zellen übernehmen.
Die Minus-Seite der Platte erhält einen Federkontakt pro Zelle, aufgelötet auf der Platte. Der Pluspol der Zelle ist in einer Kappe eingesetzt, die ein Bajonettverschluss ist, Dadurch kann man also von der oberen Seite aus jede einzelne Zelle einsetzen und so das Pack erweitern, oder falls erforderlich, defekte oder schwache oder sonstige auffällig gewordenen Zellen einfach austauschen.
Dadurch, dass die Zellen nach dem Sortieren nicht mehr gelötet werden müssen, (oder auch punktgeschweißt), wird auch keine Hitze mehr induziert. Außerdem gibt es keine Kurzschlussgefahr mehr. Weiterer Gedanke: so richtig flach sind ja unsere recycelten Zellen durch die Schweißpunkte, die man nicht vollständig glatt mehr bekommt, nicht wirklich. Und ob die neue Punktschweißverbindung über die Huckel wirklich immer zuverlässig ist, weiß man auch nicht wirklich.
Also hier nun die Fotos vom Prototypenaufbau eines einzelnen Schachtes, den ich schon mal angefertigt habe, mit Nylonteilen, die noch aus dem 3D-Drucker stammen.
Was man noch nicht sieht, ist die Verbindung vom Pluspol (Schraube) zur Kupferplatte.
Ich würde euch also bitten, einmal mit mir zusammen zu überlegen, ob ihr irgendwo noch einen groben Denkfehler seht, oder ob man bei den Sachen ganz allgemein noch etwas verbessern könnte.
(Bevor ich in die Produktion einsteige)
Vielleicht noch ein Wort vorab zu den Kosten, die ich bis jetzt so auf dem Schirm habe:
Die Box so um die 7,00 Euro, Kupferplatten 0,7 mm bei einem Quadratmeterpreis von 80 Euro, für die Innenfläche 52x36 cm mit Boden und Deckel ca. 30 Euro, 280 Federkontakte ca. 14 Euro (Aliexpress), Schrauben ca. 20 Euro, und dann die entscheidenden beiden Kunststoffteile, der Abstandshalter (Spacer), der im unteren Bereich auch die Führung und den Sitz der Batterie sicherstellt, sowie die Bajonett-Kappe im oberen Bereich. Bei der Menge, um die es hier geht, müsste man schon eine Fertigung per Spritzguss ins Auge fassen, im Moment wiegt ein Spacer 2,7 g, und die Kappe 3,1 g, die reinen Materialkosten für Nylon im 3D-Druck würden für die Box um die 80 Euro liegen (rund 1,6 Kg Nylon). Dazu käme noch „Kleinkram“ wie Lötzinn für die Befestigung des Federkontaktes, Kupferdraht oder Folie für die Zellensicherung, ich rechne noch einmal mit 10 Euros.
Die nackte Box hätte dann einen Nettopreis von 160 Euro, der sich mit der Möglichkeit Spritzugussteile zu bekommen ev. noch um ein paar Euros reduzieren ließe.
Ich habe gerade damit angefangen, Kontakte nach China aufzubauen, um die Kosten für ein Spritzgusswerkzeug bzw. eine Produktion auszuloten.
Bei einer 14S-Anlage käme ich im Moment auf Kosten von 161 x 14 = 2250 Euros. Je nach Betrachtungsweise ist das heftig bis unbezahlbar.
Die Euroboxen gibt es auch in halber und noch etwas kleinerer Größe, wenn man von vornherein weiß, dass man nicht über 140 Zellen pro Pack hinausgehen will, würden sich die Kosten pro Box natürlich dementsprechend nahezu halbieren.
Ich sehe hauptsächlich folgende Vorteile:
- man könnte seine Anlage quasi „Zelle für Zelle“ on the fly erweitern
- Die Box würde einen größeren Schutz vor Kurzschluss bieten als der bisherige offene Aufbau
- Die Konfektionieren des Packs ist gegenüber Kurzschlüssen relativ sicher
- die große Kupferfläche würde die Spannungsverluste innerhalb des Packs besser ausgleichen
- man könnte die Zellen relativ unkompliziert auswechseln, wenn man „Heater“ identifiziert hat.
- die Abstände der Zellen untereinander sind größer als beim herkömmlichen Aufbau, die Luftzirkulation wäre wesentlich besser möglich
Nachteile:
- Kosten
- Herstellungsaufwand
- ?
So liebe Forumskollegen, jetzt bitte ich um euer Gehirnschmalz, was haltet ihr davon, welche Verbesserungsvorschläge habt ihr, wo sind eure Bedenken?
Gruß Martin
Hallo Martin,
sehr gute Idee.
Das Löten / Punktschweißen ist auch irgendwie so "endgültig"
Dein Lösungsvorschlag mit dem bajonett ist auch einfach und quasi idiotensicher. Entweder der Kontakt rastet ein und alles ist gut - oder eben nicht, da gibt es kein Zwischending.
Aber:
Das Ganze wird verhältnismäßig teuer sein und auch etwas mehr Platz brauchen, die Lösung wird also bei vielen Zellen (1.000 aufwärts) problematisch werden.
Anderer Aspekt, der mir fehlt ist eine Sicherung.
Beim Löten kannst Du mit Drahtsicherungen arbeiten, beim Punktschweißen gibt es mittlerweile Nickelstreifen mit integrierter Sicherung pro Zelle, das hast Du hier nicht.
Ich bin zwar kein Fan von Tesla (Preis + das Image, das Elan Musk verkörpert und nach außen trägt) aber deren Lösung finde ich ganz gut.
Bildquelle: Tesla3.de
Ich denke, die Drahtsicherungen sind nicht aufgeschweißt sondern liegen mittels federkraft auf den Zellen aufgepresst auf.
Dadurch hätte man eine Kombination aus: Löt- / Schweißfreier Montage und Sicherungsdraht.
Vielleicht kannst Du mal in diese Richtung weiter denken, wie man das quasi privat umsetzen kann, das würde den DIY-Bereich revolutionieren
Hi Martin,
das sieht echt gut aus. Ich schreibe mal ein paar Anmerkungen, die sollen keine Kritik sein, sondern eher Fragen wie: "hast du dir darüber Gedanken gemacht"
- du siehst nicht den Plus-Pol, also kannst du im laufenden Betrieb nicht "sehen", wenn ein CID ausgelöst hat (verrosteter Plus Pol)
- Die Kontakte sind nicht "fest". Meinst du, die Kontakte sind zuverlässig? Gerade wenn Feuchtigkeit eintritt oder ein CID auslöst, könnte es evtl. schnell unzuverlässig werden.
- Du kannst zwar schell wechseln, wie oft wirst du das tun? Bringt das wirklich Vorteile? Die Spannung und die Kapazität muss ja auch passen.
- Du verliert die Schmelzsicherungen. 0,2mm Draht
- Ist es vielleicht eine Alternative, direkt PCB's (evtl. mit BMS) zu bauen? https://www.pcbway.com/project/shareproject/Jehu_s_DIY_PowerWall_PCB_V2_01.html
PIP 5048MS | 6x 340Wp mono (2KWp) Ostdach | 14S80P Powerwall
3x MP2 5000 | 11 kWp Ost- + Westdach | 14kWh LFP
Mitsubishi Multi MXZ2F42VF+MSZEF25VGKW+MSZEF35VGK
Hi Stefanseiner,
die Sicherung soll schon noch darüber gesetzt werden. Entweder als Draht, oder als Kupferstreifen.
Habe ich mal beides noch auf die schnelle fotografiert, also die Alufolie symbolisiert die Kupferfolie und das rote Kabel den Sicherungsdraht.
@Nick81
Danke auch für deine Anmerkungen! Ich halte mal dagegen:
- Das mit dem nicht sichtbaren Pluspol stimmt, man könnte aber die Kappe an den "Grifflöchern" durchbrechen, sodass man zumindest eine Teilsicht auf den Pol hat.
- Der Federkontakt erzeugt einen Druck von 2 Kg im eingefederten Zustand. Das ist mehr, als mein Ladegerät an Druck ausübt. An dem Punkt würde ich sagen, dass die Kontakte sicher sind.
- Zum Einwand, wie häufig man wirklich wechselt, kann ich schwer was sagen, ich habe ja noch kein einziges Pack am Start :), Ich habe auch mehr den Gedanken, im Notfall die Zellen zu tauschen aber hauptsächlich nach und nach erweitern zu können.
- Die Schmelzsicherung - klar, die soll sein (Bild)
- Eine PCB-Ausführung hatte ich auch schon fest im Blick, wo die Kupferplatten durch die Kupferbahn einer PCB gebildet werden könnten. Der Nachteil ist in meinen Augen, dass die Kupferstärke nicht so dick ist, als wenn man direkt eine Kupferplatte benutzt. Die Ausführung von Jehu mit den Zellenhaltern ist mir schlicht und einfach zu teuer, und ich komme nicht mehr an die Zellen ran, wenn das Pack einmal zugeschraubt ist.
Ich kann deine Anmerkungen nachvollziehen.
Ich hatte vor drei Tagen zufällig eine defekte Zelle in einem Block. Ich nutze ja die normalen Plastik Spacer. Die Zelle bekommt man da auch recht einfach raus, natürlich musste ich die Powerwall außer Betrieb nehmen und den Draht ablöten. Bei der Zelle war der Pluspol angerostet, da konnte die defekte Zelle schnell identifiziert werden. Natürlich würde das bei deiner Lösung deutlich einfacher gehen. Wenn möglich, würde ich aber die Sicht auf den Pluspol nicht verbauen.
Viel Erfolg!
PIP 5048MS | 6x 340Wp mono (2KWp) Ostdach | 14S80P Powerwall
3x MP2 5000 | 11 kWp Ost- + Westdach | 14kWh LFP
Mitsubishi Multi MXZ2F42VF+MSZEF25VGKW+MSZEF35VGK
Hallo Martin,
dein letztes Bild zeigt doch noch eine weitere Lösung.
Folgender Gedanke.
Den Pluspol nach oben.
Die Kupferplatte soweit absenken, das die Zelle 10 mm rauskragt.
Die Bohrung der Cu-Platte auf Zellendurchmesser (plus eventuell Distanzring zwecks Schutz).
Dann ein "Spannarm"(ähnlich deinem Blech) von einer Schraube der den 0,2mm Draht klemmt und auf den Pluspol klemmt.
Vorteil: man kann den Pluspol sehen und ich brauche kein Bajonett ebenso dürfte es kompakter /einfacher bauen.
Nur mal so als Gedanke.
Gruß Manfred
1 kWp Ost / 3,7 kWp West / 34 kWh LiFePO4 Inselanlage
Hallo Manfred,
ich fürchte ich kann dir noch nicht so ganz folgen.
Kannst du versuchen, mal eine Skizze zu machen?
Gruß Martin
Hallo Martin,
eine Zeichnung sagt mehr als tausend Worte 😉
1 kWp Ost / 3,7 kWp West / 34 kWh LiFePO4 Inselanlage
gerade drüber gestolpert:
https://www.amazon.de/Vruzend-DIY-Batterie-Set-18650-Zellen/dp/B0792TJJJ2
Hi Stefan,
mit dem Vruzend-System habe ich mich auch schon beschäftigt, bin aber für mich zu dem Ergebnis gekommen, dass es zwar lötfrei ein Pack herstellt,
aber die Aspekte Sicherungsdraht, und sukzessives Befüllen nicht oder nur schlecht möglich sind.
Einzelne Zellen austauschen, die vielleicht kritisch geworden sind, ist auch nicht drin.
Ich hatte ja mal 160 Euros in den Raum geworfen für die Materialkosten von meiner Box. (falls man die Kunststoffteile einzeln 3D-mäßig druckt). Dann hätte man Luft für satte 280 Zellen pro Pack/Box.
Die Vruzends rufen ca 41 Dollars auf für 30 Zellen, damit ist man im Vergleich mit 280 Zellen dann endgültig jenseits von Eden ...
@Manfred
Ja prima, mit einer Zeitung sieht man doch viel klarer 
So ganz kommt man bei deiner Ausführung um eine Kappe nicht drum herum, das Kupferblech Pluspol liegt ja dann direkt an der Zelle an und würde bei einem beschädigten Schrumpfschlauch ja direkt einen Kurzen verursachen.
Bei dem Sicherungsdraht, der auf den Pluspol dann drücken soll, fällt mir zum Kontakt nichts so recht ein. Der Draht müsste dann ja einen genau definierten Punkt treffen. Da scheint mir der Schraubenkopf in der Bajonettkappe im Moment noch der einfacher auszuführende Weg zu sein.
Hallo Martin,
ich schrieb... "Die Bohrung der Cu-Platte auf Zellendurchmesser (plus eventuell Distanzring zwecks Schutz)."
Möglicherweise einen Schutz für Kabeldurchführungen aus der E-Technik.
Ich würde für die Positionssicherheit des Sicherheitsdrahtes 2 kl. Bohrungen einbringen. So kann man den 0,2mm Draht von oben durch das erste Loch und dann
rüber zum 2. Loch wieder hoch ... und darunter befindet sich der Pluspol ... quasi wie ein U einfädeln und unter dem U ist der Pluspol. So hast du eine
sichere Position des Drahtes. Oder doch wieder Zeichnung 😉
Gruß Manfred
1 kWp Ost / 3,7 kWp West / 34 kWh LiFePO4 Inselanlage
Hi Manfred,
du hast das so plastisch beschrieben, also ich brauche diesmal keine Zeichnung. 
Vielleicht, die anderen, die mitlesen?
Aber Scherz beiseite, der Anschluss auf dem Pluspol ist jetzt klar. Auf der anderen Anschlussseite haben wir ja zunächst mal die 4 Schrauben der Abstandshalter zur Verfügung,
Jetzt bräuchte man ein Hebelteil, was dem 2 Kg Druck der Feder standhält, und gleichzeitig den Sicherungsdraht schön fest der Kupferplatte zuführt. Oder hattest du an eine Extra-Lötstelle für den Draht gedacht?
Mir schwebt jetzt so eine Art Spinne vor, die quasi 4 Zellen gleichzeitig versorgt, aber den Gegendruck dann immer gleichmäßig verteilt. ... ich glaube ich muss mal an den 3D-Drucker....
Gruß Martin
Hallo Marin,
nur so als Gedanke.
Wenn man unter der Kupferplatte eine Sperrholzplatte bringt und die Bohrung für die Zellen im Holz mit leichtem "spiel" einbringt aber die Bohrungen
in der CU-Platte deutlich größer macht sollte das als Sicherheit gegen einen Kurzschluß reichen. Wie gesagt ... nur so ein Gedanke.
Gruß Manfred
1 kWp Ost / 3,7 kWp West / 34 kWh LiFePO4 Inselanlage
Hallo, ich möchte gerne dieses interessante Thema noch einmal "wachküssen"! Küssen deshalb, weil mir die Grundidee (Möglichkeit, einzelne Zellen zu wechseln) u. modularer Aufbau sehr gut gefällt u. zu meiner geplanten Minianlage (2,5 - 3qm alte Solarzellen, ca. 200 noch halbwegs brauchbare Zellen, 80% <2000mA, aber Vergrößerung geplant) passen würde.
Bestechend gut finde ich die Möglichkeit, die "armen alten" Zellen nicht noch einmal einem Hitzestress durch Löten o. Schweißen auszusetzen.
Meine Ideen, die die gute Grundidee evtl. noch verbessern könnten:
-Ober- u. Unterplatte nur aus Kupferblech zu machen finde ich etwas "verschwenderisch", was Preis, Gewicht u. optimale A-Leitfähigkeit bzw. Widerstandswert betreffen. Gut fände ich eine Kombi aus Sperrholz- o. Plastikplatten + Kupferblech-Streifen (5-10mm breit) o. dicker Cu-Draht, außen Kontakt herstellbar (Bohrung bzw. Drahtschlaufe) mit 6mm-Schraube zu anderen Pads.
-So eine verchromte Feder sieht nicht besonders "kontaktfreundlich" aus bzgl. Material, Auflagefläche u. Lötbarkeit mit Cu-Platte. Besser wären vielleicht federnde, evtl. vergoldete Kontaktbleche? (Suchbegriff? Quelle? Preis?)
-die Abstandshalter zwischen +/- Blechen drucken bzw. aus Spritzguss erscheint mir zu aufwendig, ich würde Plastikrohr auf passende Länge schneiden, dann mit passenden Blindnieten Ober/Unterseiten verbinden.
-sooo viiiiehle Löcher bohren (10/Zelle)! Ist in Sperrholz weniger aufwendig als in Kupferplatte
-Bajonett-Verschluss finde ich ja grundsätzlich gut, aber: was für ein Aufwand bei Herstellung der "+"-Platte! Die 2 (optimal wären 3) Aussparungen am Rand des großen Lochs: jedes einzelne rausfeilen? Oder vor dem Bohren des großen Lochs die 2-3 kleineren Löcher bohren? (wären dann schon 12 o. 13 Löcher/Zelle).
-Alternative für Pluspol: Je 2 Zellen mit leicht federndem, leitendem Material verbunden, davon dann den Sicherungsdraht per Löten mit der +Platte verbinden, mittig nach unten auf mechanischer Spannung gezogen zB. mit Kabelbinder?
-bitte nicht falsch verstehen: absolut nix gegen 3D-Druck (bin großer Fan u. Nutzer), zumindest nützlich beim oberen (+) T-Stück.
…….
-Alternative für Pluspol: Je 2 Zellen mit leicht federndem, leitendem Material verbunden ……
Bei den Strömen mit denen wir am Akku umgehen kann der Übergangswiderstand zu echten Problemen führen. Wenn die Kontaktkräfte zu gering sind oder die Materialpaarung Akku/Kontaktblech ungünstig ist braucht es nur ganz wenig Korrosion und der Übergangswiderstand steigt an.
Wo Widerstand ist entsteht Wärme.
Mal ganz abgesehen davon dass der SOC der betroffene Batterie davon driftet.
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