LiFePO4 Akkus im Eigenbau

Die mit Abstand beste Sorte Akkus für Funktionsmodelle sind heutzutage LiFePO4 Zellen. Diese Zellen haben 3,3V Nennspannung, können also als 2S-Konfiguration einen 6V Bleiakku ersetzen. Mit einer 4S-Konfiguration natürlich auch einen 12V Bleiakku.

Leider gibt es dabei einige Probleme :

Zum einen den scheinbar hohen Preis. Gegenüber einem Bleiakku ist der Preis in Deutschland ca. 3x höher. Allerdings vertragen die LiFePO4 Akkus eine 3,75 bis 5 fache Zyklenzahl bevor sie in der Leistung einbrechen. Dadurch sind sie (wenn man auf die Lebenszeit der Akkus rechnet) am Ende doch billiger.

Zum anderen sind die Akkus in Europa leider nur selten gut zu bekommen. Bei Zellen mit größerer Kapazität kauft die (Elektro-) Autoindustrie einen Großteil der Produktion auf. So sind die Zellen in den Hobbyshops meist nur zeitweise verfügbar.

Und dann muss man die Akkus noch selber konfektionieren (also zusammenstellen und mit Kabeln versehen).

Gerade für Akkus mit mittlerer Kapazität ist das Angebot in Europa fast NULL. Durch Zufall fand ich das Angebot von Offgrid Systems. Die Zellen können mit 1C (6 Ampere) geladen und mit bis zu 5C (30 Ampere) entladen werden.

 

Diese Zellen haben den Vorteil das man sie sehr leicht zu brauchbaren Akkupacks zusammenschrauben kann. Man braucht nur eine oder mehrere Brücken aus Kupferblech, ein paar Schrauben und die Kabel (Anschlusskabel und Ballancer). An den Zellen selber muss nicht gelötet werden dadurch sind Schäden an den Zellen durch zu viel Hitze ausgeschlossen.

Da mir derzeit (Stand 2020 ...) noch ein paar Bauteile fehlen kann ich erstmal nur ein paar Bilder eines provisorisch aufgebauten 6V 6000mAh Akkus zeigen. Noch mit Schrauben aus der "Grabelkiste" und Brücken aus Restmaterial. Aber bereits für Testläufe betriebsfähig. Bilder der endgültigen Konfiguration werde ich in ein paar Wochen nachreichen. Dieser Akkublock ist 70mm lang, 65mm breit und 32mm hoch. Er wiegt nur knappe 300 Gramm ! Ein in etwa vergleichbarer 6V 7000mAh Bleiakku (Bleiakkus dürfen nicht so tief entladen werden !) bringt ca. 1300 Gramm auf die Waage !

Als erstes habe ich alle Zellen einzeln geladen um sie auf ein einheitliches Spannungs-Nievau zu bringen. Dabei ist schon bemerkenswert das bei den 20 Zellen die hier ihre erste Ladung bekamen keine einzige einen auffälligen Ladestand hatte. Alle Zellen nahmen zwischen 1850 und 2400mAh auf. Das ist eine normale Abweichung bei fabrikneuen Zellen. "Ausreißer" gab es nicht.

Auf der "Kabelseite" habe ich die Zellen aus Stabilitätsgründen mit einer Gfk-Brücke verbunden. Das kann später (wenn die Kunststoff-Verbinder eingetroffen sind) entfallen. Leider werden die noch ca. 4 Wochen brauchen bis sie eintreffen.

Auf der anderen Seite ist eine Kupferbrücke montiert. Sie hat die Maße 50 x 12mm und ist bei dem Prototyp 1mm dick. Das reicht für die erlaubten 30 Ampere. Wer Zweifel hat nimmt halt 2mm Material.

Auf der Kupfer-Brücke ist das Ballancerkabel verlötet.

Dieser provisorische Akkublock lief hier für einige Test-Zyklen im Lade- und Entladebetrieb am Ladegerät und wurde mittlerweile auf 2S2P (6V 12Ah) umgebaut und wird in der Bugsier 33 verwendet. Fahrzeit ? EWIG ! 😅

Und so sieht er jetzt aus, der Akku für die Bugsier 33 mit Kunststoff-Abstandhaltern und ordentlich verschraubt.
Die Maße sind 160 x 70 x 40 mm, das Gewicht liegt bei 679 Gramm.
Früher war da ein 6V 3,5Ah Bleiakku drin, das Gewicht ist nur 80 Gramm höher geworden.
Da beide Pole einer Seite das selbe Potential haben ist ein Kurzschluss ausgeschlossen und die Pole können offen bleiben ansonsten würde ich eine Abdeckung drucken.

Ein weiterer Akkublock in 4S2P Konfiguration (12V 12Ah) läuft ebenfalls bereits im Testbetrieb und wird später an meinen FPV-Monitor (in der Transportkiste der Sten Thomsen) betrieben. 

Der obige 12V 12Ah Akkublock hat in der Form nur bei den Versuchen Bestand gehabt, alle Akkus wurden mittlerweile auf einheitliche 2S2P Akkus (6V 12Ah) umgebaut. Unterschiede gibt es daher nur noch bei der Bestückung der Schiffe.

Meine Smit Rotterdam fahre ich mittlerweile mit 4 Akkupacks in 2S2P Konfiguration. Im Schiff verschaltet haben sie dann 12V 24Ah.

 

Die kleine Bugsier 33 hat nur einen Akkublock drin, sie hat also 6V 12Ah.

Nur für noch kleinere Modelle baue ich 2S (6V 6Ah) "Stangen"-Akkus.

Um den Elektro-Außenborder des Minisail Bergebootes betreiben zu können habe ich Grundplatten und Deckel gedruckt um je 4 Stück meiner 2S2P Akkublöcke zu einem Powerpack verbinden zu können. Dazu habe ich die Akkublöcke nochmal so verändert das die Gewindestangen nicht mehr überstehen. Außerdem wurden (um feste Gruppen bilden zu können) immer 4 Akkublöcke mit einer gemeinsamen Farbe an der Abdeckung versehen.

 

So wird der ganze Block mit Klettbändern fest verbunden. Oben drauf fehlt jetzt noch der Schaltkasten mit einer Volt-Anzeige, dem Verteiler und einem XT90 Anschluss für den Außenborder.

Da die Frühjahrs-Minisail 2021 durch Corona leider ausfallen musste konnte ich die bis dahin vorhandenen 3 PowerPacks (Zusammenstellungen mit je 4 Ackublöcken) leider nicht im Bergeboot testen. Da ich aus gesundheitlichen Gründen nicht weiter mit den schweren Bleibatterien arbeiten kann (und will) habe ich mich trotzdem entschlossen schon komplett umzurüsten. Bis zur Herbst-Minisail 2021 hatte ich 7 komplette PowerPacks (also 24 Akkublöcke 6V 12Ah) fertig gemacht. Ich habe also im Frühjahr 2020 die letzten Regatta-Einsätze mit Bleiakkus gefahren. Umso größer war meine Spannung ob das was ich ausgerechnet habe in der Praxis funktioniert.

Die Herbst-Minisail 2021 und die frühjahrs-Minisail 2022 wurden wie geplant durchgeführt. Dabei verlief der Test mit den 7 nun vorhandenen PowerPacks im Bergeboot SEHR erfolgreich. Die Zeit der Bleiakkus im Minisail-Bergeboot ist damit endgültig vorbei. Und ich habe Strom im Überfluss, es muss während der Veranstaltung kein Strom mehr gespart werden. Ein PowerPack reicht jeweils knapp für eine Runde der Wanderregatta. Leer gefahrene Akkus können jeweils beim nächsten Lauf gleich wieder geladen werden.

Trotzdem werde ich die PowerPacks noch einmal umrüsten. Für die einzelnen Akkublöcke werde ich neue, dickere Kabel mit XT60 Steckern montieren.

Weitere Einsatzmöglichkeiten der PowerPacks sind die Stromversorgung unserer Standbeleuchtung, einer Kühlbox, der Hafenanlage usw.
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Das sollte die letzten Zweifler überzeugen. Eines meiner selbst konfigurierten 2S2P LiFePO4 Akkupacks (6V 12Ah) hat kurz nach der Montage den ersten vollständigen Zyklus geschafft. Und es hat bei einer Belastung von 0,8 bis 0,9A in 15 Stunden 39 Minuten die 13.000 mAh geschafft. Und der Akku war noch NICHT am Ende, im Betrieb kann er bis 2,5V Zellenspannung (also 5V Spannung für den 2S Block !) entladen werden. 300mAh wären also noch in etwa möglich gewesen.Und innerhalb der nächsten 4 bis 6 Zyklen wird der noch stärker !

 

 

Kurze Zeit später, am 7.2.2021, bin ich endlich dazu gekommen mit zwei willkürlich ausgewählten 2S2P Blöcken (12V 12Ah) einen Schnell-Ladeversuch zu machen. Leider schafft mein Cube 80 Duo "nur" 7A Ladestrom. Der fast völlig entladene Akku war in 100 Minuten wieder voll. Irgendeine Erwärmung der Akkus war dabei NICHT feststellbar. Sobald wie möglich werde ich das mit einem stärkeren Lader noch einmal mit 12 A testen. Ich bin aber zuversichtlich das auch dabei keine Probleme auftreten werden.

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Noch ein Wort zu den Kosten (Preise von 7/2023) :

Bei einem deutschen Händler kosten die silbernen Zellen ~ 9,- €. Ein 6V 6000mAh Akku kostet derzeit also 18,- € (mit Schrauben, Verbindern, Kabeln usw. also knapp 23,-). Damit hat man also das Niveau eines Marken-Bleiakkus.

Kauft man die Zellen bei Aliexpress oder eBay bekommt man sie teilweise (gerade bei größeren Mengen) ab ca. 3,40 € pro Zelle. Damit sind wir dann bei 6V 6000mAh bei 6,80 € für die Zellen. Also ca. 12,50 € für das komplette Material. Dafür bekommt man gerade mal einen absoluten Billig-Bleiakku.

Damit liegen wir in etwa auf dem gleichen Preis-Nievau wie ein Bleiakku ohne dessen Nachteile (Kapazitäts-Einbrüche bei mehr als 1C Entladestrom und lange Ladezeiten) in Kauf nehmen zu müssen.

Mein Fazit : 
Kleinere Maße, wesentlich geringeres Gewicht und günstiger Preis. Es war die richtige Entscheidung diesen Versuch zu machen. Und ich werde weitere Modelle so umrüsten.

Die technischen Daten der Zellen (Angaben aus dem Hersteller-Datenblatt, ohne Gewähr !) :
Kapazität : 6000mAh
Nennspannung : 3,2V
Entladeschluss-Spannung unter Last : 2V pro Zelle **
Standard-Ladestrom : 1C (6A)

Max. Ladestrom : 6C (36A) *

Dauer-Entladerate : 6C (36A)
Impuls-Entladerate max. : 60A für 3 Sekunden *
Lebensdauer : 2000 Zyklen bei 1C und 100% Entladetiefe

Ladetemperatur : 0 - 60°C
Arbeitstemperatur : -20 - 60°C

* Achtung : das geht ganz klar STARK zu Lasten der Haltbarkeit !
** besser für die Haltbarkeit : 2,5V pro Zelle ! 

 

Zu dem Aufbau der Akkublöcke :

Einige Leute bemängelten das bei den ersten Bildern oben die Kontakte der Akkus frei liegen. Das hat sich bei mir mittlerweile erledigt, in 3D-Druck entstanden Endkappen und Zwischenstücke.

Um die Kabel aus den Endkappen raus zu bringen hab ich übrigens die Distanz-Halter mit einer zusätzlichen Bohrung versehen. Dadurch verlaufen die Kabel später im geschützten Bereich zwischen den Zellen.

 

Verschraubt wird das ganze mit M3 Gewindestangen. Die Lötstellen der Kabel sind innliegend. Als "Schlussbild" noch ein Bild eines fertig zusammengebauten Akkus mit Kabel. Er hat 6V 12Ah. In meiner Smit Rotterdam werden 4 solcher Blöcke so verschaltet das das Schiff mit 12V 24Ah versorgt wird. Durch die Aufteilung in 4 einzelne Blöcke bekomme ich die leichter durch den kleinen Decks-Ausschnitt rein und raus. Zum anderen habe ich baugleiche Blöcke z.B. in der Bugsier 33 und in der Transportkiste mit dem FPV-Bildschirm. Mit einem einzigen Standard-Format ist es halt einfacher als mit lauter spezialisierten Akkus.

Zum Thema Zellen-Verbinder, Ballancer-Kabel und Kupferbrücken  :
Man kann die Kunststoffverbinder bei eBay kaufen. Besitzer eines 3D Druckers können Dateien für solche Verbinder bei Thingiverse in diversen Bauarten finden. Die meisten allerdings für s.g. 18650er Zellen. Das ist aber kein Problem, man vergrößert sie einfach um das 1,777778 fache. Schon passt es !

Die Kupferbrücken (12 x 50mm groß, 1 bis 1,5mm dick) bestelle ich bei ProKilo oder Wilms Metall. Die Löcher bohre ich selber.

Die Ballancer-Kabel bestelle ich bei eBay. Um längere Kabel zu bekommen bestelle ich Ballancer Verlängerungskabel und schneide die einseitig ab.

Auf ein BMS System verzichte ich ganz bewusst. Ich halte es für verzichtbar. und das gleich aus mehreren Gründen :
1.) geladen wird an einem Modellbaulader. Ein überladen ist also also ausgeschlossen.
2.) Die Ballancer-Funktion des BMS ist überflüssig da das der Modellbaulader das über das Ballancerkabel übernimmt.
3.) Eine Tiefentladung kann man wirkungsvoll mit der Telemetriefunktion der RC-Anlage verhindern. Auch passende Fahrtregler mit LiFePO4 Tiefentladeschutz können das verhindern.

Ein Hinweis für Nutzer von fertig gekauften LiFePO4 Akkupackt mit eingebautem BMS :
Wenn ihr einen digitalen Modellbau-Lader benutzt ist die Wahrscheinlichkeit groß das der Modellbaulader und das BMS nicht korrekt miteinander klar kommen. Das Resultat ist das der Akku nie ganz voll geladen wird, das liegt NICHT an der Akku-Technologie sondern am Lader ! Bei solchen Akkus ist es wichtig ein möglichst DUMMES Ladegerät, also ohne Ladeelektronik, zu benutzen.

Update : Nach über 2 Jahren mit diesen LiFePo4 Akkus wird es Zeit für ein Fazit. Nach ungefähr 10 bis 12 Zyklen pendelte sich die Kapazität der Akkus bei ca. 7Ah pro Zelle ein. Die Zellen sind also deutlich leistungsfähiger als vom Hersteller angegeben. Ausfälle gab es bisher keine. Stand heute haben die Akkublöcke alle zwischen 120 und 150 Züklen auf der Uhr. Die einzelnen Akkuzellen driften nur um maximal 0,01V auseinander obwohl ich zwischendurch aus Zeitgründen ohne Ballancer lade. Der gesamte Betrieb ist ausgesprochen unproblematisch. Ich bin mit der Wahl dieser Zellen immer noch mehr als zufrieden.