Batterie Upgrade - ein Praxisbericht

[PowerTower]

Hallo liebe Forengemeinde,

bevor ich mit meinem kleinen Bericht starte, möchte ich kurz ein paar Danksagungen aussprechen.
- Vielen Dank an Forenmitglied "Frank" für das kostenlose bereitstellen wichtiger Ersatzteile.
- Vielen Dank an Forenmitglied "Stephan_M" für das kostenlose bereitstellen diverser Dämmmaterialien.
- Vielen Dank an die Firma CITYSAX Mobility GmbH für die großartige Unterstützung mit Wissen & Werkstatt.

Einleitung
Wenn ein Werkstatttermin bevor steht, freuen sich die wenigsten Autofahrer darauf. Als Elektroautofahrer gibt es dagegen Momente, bei denen man einen Werkstattbesuch unbedingt machen will, weil im Ergebnis ein besseres Auto heraus kommt. Gemeint ist ein Upgrade der Akku- und/oder Ladetechnik. Was das bringen kann sieht man sehr gut bei Forenmitglied Stefan_M, dessen 1998er Peugeot 106 über 200 km Reichweite erzielt. Mit einem so alten Stromer von Leipzig nach Berlin durchfahren zu können ist schon eine Ansage.

Der Wunsch nach mehr Batteriekapazität geht durch alle Fahrzeugklassen. Egal ob Smart, i-MiEV, ZOE, Leaf, i3 oder e-up!, fast jeder Fahrer wünscht sich mehr Reichweite bei besseren Fahrleistungen. Und wir alle hoffen natürlich, dass die Hersteller zu gegebenem Zeitpunkt entsprechende Optionen anbieten werden.

Fakt ist aber, dass sich - ohne auf den Hersteller angewiesen zu sein - aktuell nur die Gen1 Fahrzeuge aus den 90er Jahren mit vergleichsweise einfachen Mitteln sinnvoll aufrüsten lassen. Sinnvoll deswegen, weil die Batterieentwicklung seitdem enorme Fortschritte gemacht hat und weil die Akkus bei weitem noch nicht so stark in die Fahrzeugsteuerung integriert sind. Und genau deswegen geht es auch bei mir um die Umrüstung eines Gen1 Autos, meinem norwegischen Think PIV4 Baujahr 2001. Seit über einem Jahr träume ich davon und diese Woche wird es nun endlich umgesetzt. Unterm Strich wird ein wesentlich besseres Fahrzeug mit höherem Nutzwert auf den Rädern stehen.



Ausgangssituation
Ursprünglich besaß dieses Auto zuverlässige Nickel-Cadmium Akkus, die aber schon vom Vorbesitzer durch Lithium-Eisen-Phosphat Zellen ersetzt wurden. Die Mischbestückung aus alten und neuen Zellen wurde zwecks Kostenersparnis gewählt. Allerdings bestimmt bei ausschließlicher Reihenschaltung die schwächste Zelle Leistung und Reichweite des Fahrzeugs.

Originalbestückung:
- Typ: NiCd, Saft STM 5-100 MRE
- Kapazität: 11,4 kWh
- Nennspannung: 114 Volt
- Kühlung: Wasser
- Nettogewicht: ca. 250 kg
- Reichweite: ca. 85 km

nach erster Umrüstung 2011
- Typ: LiFePO4 / LiFeYPO4, ThunderSky TS-LFP 90/100 AHA & Winston WB-LYP 100 AHA
- Kapazität: 11,5 kWh
- Nennspannung: 115 Volt
- Kühlung: Luft
- Nettogewicht: ca. 120 kg
- Reichweite: ca. 60 km, 65% Restkapazität (2014)
- BMS: GK Anlagentechnik

Die originale Bestückung mit NiCd Akkus. 11,4 kWh Kapazität = 250 kg

Problemstellung – warum eine zweite Umrüstung notwendig ist
Der Think hat meinen Verbrenner vollständig abgelöst und ist der einzige PKW im Haushalt. Entsprechend zuverlässig muss er funktionieren und jede Alltagsstrecke sicher bewältigen, wobei die längste Strecke von Radebeul nach Leipzig führt und 110 km lang ist. Im derzeitigen Betriebszustand ergeben sich einige Probleme.

• - Durch die geringe Reichweite wird der Trip nach Leipzig zu einem fünfstündigen Erlebnisausflug.

• - Wegen fehlender Isolierung und Akkuheizung ist die Leistungsbereitschaft besonders im Winter stark vermindert.

• - Die knapp bemessene Batteriekapazität belastet die Akkus beim beschleunigen sehr stark.

Planungsphase
Um das Upgrade erfolgreich durchführen zu können, müssen Ziele definiert und ein Budget festgelegt werden. Es sollen 2.500 Euro nicht überschritten und folgende Optimierungen erreicht werden:

• - gesteigerte Kapazität für 100 km Reichweite

• - einheitliche Akkuchemie auf Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat Basis

• - Isolierung und Akkuheizung für problemlosen Winterbetrieb

• - fixieren der Akkus am Akkukasten für Sicherheit im Falle eines Unfalls

• - Steigerung der Motorleistung durch höhere Batteriespannung

• - verbessertes Handling und cw-Wert durch höheres Gewicht und Schwerpunktänderung (bezogen auf Umrüstung 2011)

theoretische Umsetzung
Von den derzeit verbauten 36 Zellen mit je 320 Wh werden die 30 besten übernommen. Die 5 alten ThunderSky Zellen Bj. 2008/2009 sowie eine hochohmige Winston Zelle werden entfernt. Mit 12 neuen Winston Zellen stehen am Ende insgesamt 42 Zellen der Baujahre 2011-2013 zur Verfügung, um einen homogenen Akkusatz zu realisieren. Dessen Nennkapazität beträgt 13,4 kWh. Der neue Akkukasten wird so modifiziert, dass alle Zellen in einem Verbund zusammen stehen und auf zusätzliche Verbindungsleitungen verzichtet werden kann. Wichtig ist, dass man die Batteriespannung nicht zu hoch nimmt, da sonst Fehlermeldungen vom Fahrzeug ausgegeben werden. Bereits bei 44 Zellen kann es zu Problemen kommen.

Die Wunschkonfiguration wurde nach Aufnahme der Maße am Computer vorbereitet.

Der Motor besitzt Reserven und kann mit höherer Spannung betrieben werden.

Upgrade Praxis Teil 1 – Ausbau der alten Akkus
Zunächst sollte das Fahrzeug aufgeladen werden, um eine möglichst kurze Balancierphase nach Montage der neuen und ebenfalls aufgeladenen Zellen zu gewährleisten. Wie bei fast allen Elektroautos befinden sich die Akkus auch beim Think im Unterboden. Das Auto muss nach dem Ladevorgang auf eine Hebebühne, um den Akkukasten entfernen zu können. Mit Bier kann ich im Allgemeinen nicht viel anfangen, aber Bierkästen erweisen sich als sehr stabile Tragelemente für diesen Einsatzzweck.

Das Auto auf der Hebebühne. Gut zu sehen der zentral platzierte Akkukasten.

Bierkästen zum abstützen des Akkukastens.

Von der Hochzeit zur Scheidung - erfolgreich vollzogene Trennung des Herzstücks.

Ein Blick in den verbliebenen Hohlraum. Genug Platz für über 20 kWh Akkukapazität.

Da beim Upgrade ein Großteil der Komponenten übernommen und der Akkukasten ersetzt wird, muss dieser vollständig entkernt werden. Man entferne BMS Platinen und Zellverbinder und kann anschließend die 'Lego Duplo' Bausteine aus dem Kasten heben, da sie in diesem Fall nur durch das Eigengewicht - 3,3 kg je Zelle - in Position gehalten werden (Gefahr bei Unfall!). Bei der Demontage ist erhöhte Vorsicht geboten, da an den Kabelenden die volle Gleichspannung anliegt.

Mit BMS und 36 Zellen gefüllter Akkukasten. Einige bringen nur noch 65% Kapazität.

Der entkernte Akkukasten mit den geschweißten Querträgern wird nicht mehr benötigt.

Gelbes Gold: selbst die schlechten Zellen werden wiederverwendet - als PV Speicher.

[PowerTower]

Upgrade Praxis Teil 2 – Einbau der neuen Akkus
Um die gewünschte Konfiguration zusammenstellen zu können, muss zunächst der Ersatzakkukasten passend gemacht werden. In diesem Schritt empfiehlt es sich, Klebereste und Rost zu entfernen und den Kasten neu zu lackieren. Anhand der Maße wird ein innerer Batteriekasten gefertigt, der in den Originalkasten geschraubt wird.

Franks ehemaliger Akkukasten im Originalzustand...

...und wenige Tage später in leicht modifizierter Version.

Die neu gefertigte Kuschelbox für die Akkus.

Da die Zellen nun über den inneren Batteriekasten mittels Gewindestangen gegen aufblähen geschützt werden sollen, können die bisherigen Spannrahmen entfernt werden. Das vereinfacht die Handhabung deutlich. Der innere Kasten wird mit Dämmmaterial ausgelegt und die gereinigten Akkus anschließend darin für eine erste Anprobe platziert.

Die Spannrahmen sind umständlich zu handhaben und entfallen.

Erster Kontakt mit den neuen vier Wänden. Große Erleichterung, alles passt.

Die schwarzen Abdeckkappen signalisieren: ich bin neu! Jede neue Zelle wurde mit einem speziellen Programm am Kapazitätsprüfgerät zykliert. Ergebnis: alle Werte liegen über der Nennkapazität und bescheinigen beste Gesundheit. Sollten die 2011er Akkus ähnliche Kapazitäten aufweisen, wären sogar 120 km Reichweite drin.

Die neuen Zellen liefern 106-111% der Nennkapazität.

Update - 25. April
Durch viele kleine Detaillösungen verzögerten sich die weiteren Arbeiten um einige Tage. Diese Zeit wurde genutzt, um alle restlichen Zellen zu vermessen. Die wiederverwendeten 2011er Zellen haben noch Kapazitäten von 91-101 Ah und die beiden 2012er Zellen weisen 100 und 102 Ah auf. Die aussortierten Zellen liegen zwischen 65 und 91 Ah, haben aber allesamt einen hohen Innenwiderstand. Erstaunlicherweise haben die sechs Jahre alten 90 Ah Zellen noch 94-101% Kapazität bei 40 Ampere.

Der Edelstahlkasten wird für die weiteren Schritte vorbereitet. Zunächst werden die Löcher für die Gewindestangen gebohrt und der Edelstahlkasten mit dem fahrzeugeigenen Akkukasten verschraubt. Dämmung und Heizung werden montiert, die Akkus eingesetzt und mit den Gewindestangen verspannt.

Die Akkus sind verspannt und der Kasten gedämmt.

Praktikantenarbeit: Zellverbinder und Balancerplatinen montieren

neue BMS-Busleitung und angeschlossene Hochstromkabel

Detailansicht vom Stromsensor des GK BMS.

Für die Akkuheizung muss anschließend noch der Temperatursensor verlegt werden. Idealerweise sollte er zwischen den Zellen in der Nähe der Heizung seinen Bestimmungsort finden, doch die Umsetzung ist schwierig. Stattdessen wird er oberhalb der Zellen montiert und das Temperaturfenster an diesen Umstand angepasst.

Der zentral verlegte Temperatursensor übergibt seine Werte an den Heizregler.

Ein Blick auf den einbaufertigen Batteriekasten. Der Heizregler wird nachgerüstet.

Nachdem wir uns davon überzeugt haben, alle Arbeiten am Batteriekasten nach bestem Wissen und Gewissen ausgeführt zu haben, können die neuen Balancerplatinen nun adressiert und ein erster Ladetest durchgeführt werden. Das adressieren geht erstaunlich schnell von der Hand und alle neuen Platinen werden mit kurzem Piepton begrüßt. Dabei haben die 2013er Zellen die Adressen 1-12, die 2012er Zellen die Adressen 13-14 und die 2011er Zellen die Adressen 15-42. So lassen sich Abweichungen einzelner Zellspannungen schneller zuordnen. Der Ladevorgang startet fehlerfrei und die Spannungsanzeige zeigt nun erstaunlich große Werte an, die man vorher nie gesehen hat.

Verbinden der Kontaktorbox. Rechts die neue 230 Volt Leitung für die Heizung.

Nach dem adressieren lassen sich alle 42 Zellspannungen einsehen.

Die neue Ladeschlussspannung liegt bei über 150 Volt...

...und so sah es vorher aus. Bei etwa 130 Volt wurde der Ladevorgang beendet.

Die beim balancieren aktiven LEDs ergeben ein tolles Mäusekino.

Dieser unerwartet reibungslose Ablauf stellt uns nur noch vor eine Frage: fährt das Auto auch mit dieser Konfiguration? Um das heraus zu finden muss der Akkukasten mit dem Auto verschraubt werden.

Der gut 160 kg schwere Akkukasten wird von 26 M8 Schrauben gehalten.

Gut zu sehen sind die vier Schrauben, mit denen der Edelstahlkasten fixiert ist.

Das Auto kann nun von der Hebebühne. Als letztes muss noch die Motorsteuerung mit der Kontaktorbox verbunden werden. Dies geschieht durch die Serviceklappe unterhalb des Fahrersitzes.
Nun heißt es Zündung an, Fahrhebel auf rückwärts stellen, tief durchatmen, Gas geben: fährt! Welch große Erleichterung! Einzig verbliebene Arbeit ist der Stromabgleich zwischen Think BMS und Gero BMS, damit die Kapazitätsanzeigen überein stimmen. Dies hat aber keinen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit und kann zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden, wenn die Abweichung bekannt ist.

Fehlermeldung von BMS, Ladegerät oder Motorsteuerung? Fehlanzeige!

Stromabgleich der beiden BMS Systeme. Die Kalibrierung erfordert Erfahrungswerte.

Durch die Gewichtsverlagerung ist der Think auf der Hinterachse 5 mm tiefer gekommen.

Der Umbau ist damit abgeschlossen.
Es fehlt lediglich der Heizregler für die Akkutemperierung, der aber vor dem Winter nachgerüstet wird.

Zusammenfassung
Nach der ersten Testfahrt lässt sich feststellen, dass die in der Planungsphase genannten Optimierungswünsche voll und ganz erfüllt wurden. Ob die 100 km tatsächlich erreicht werden, muss noch getestet werden. Zu den bereits genannten Vorteilen folgen drei zusätzliche.

• - gesteigerte maximale Rekuperationsleistung (14 kW statt 12 kW)

• - geringere Strombelastung und somit geringerer Verschleiß der Akkus

• - enorm reduziertes "Klapperverhalten" auf unebenen Straßen

Es war die absolut richtige Entscheidung diesen Umbau durchzuführen, denn es haben sich nahezu alle Eigenschaften verbessert, an denen sich ein Elektrofahrzeug messen lassen muss. Ich erkenne mein Auto jedenfalls nicht wieder und freue mich auf die nächsten Jahre mit dem "Think 2.0".

Gruß
Micha

[Frank]

Hallo PowerTower,

schön gemacht.
Ich hoffe das der Austausch der schlechten Zellen den gewünschten Erfolg bringt und Du eine Reichweite von über 100km bekommst.

Ist im Bild mit dem bestückten Batteriekasten die vorletzte Reihe verkehrt eingebaut?

Gruß Frank

[imievberlin]

Eine sehr geile Doku !!!
Ich lese mit sehr viel Freude und fiebere mit dir mit das das Ergebnis wie erwünscht ausfällt.

Weiter so und toi toi toi !


Gruß René

[bm3]

Hallo,
ich lese hier auch mit sehr großer Begeisterung deinen Bericht.
Zwei Fragen habe ich momentan, der Kapazitätsmessplatz, wo stammt der her ?
Hast du die 2011er Zellen schon auf ihre Kapazität vermessen ?
Wir haben damals auch mal mit Gero Kleinertz über die Thundersky/Winston gesprochen. Er meinte, anfänglich kommen die alle mit mehr Kapazität als Nennkapazität an, aber es entwickelt sich dann von Akkusatz zu Akkusatz ganz merkwürdig unterschiedlich.
Mehr zu seinem eigenen Akkusatz weis man erst nach 1-3 Jahren.

Viele Grüße:

Klaus

[PowerTower]

Ist im Bild mit dem bestückten Batteriekasten die vorletzte Reihe verkehrt eingebaut?

Hallo Frank, die kommen ja alle nochmal raus, denn die Akkuheizung muss noch eingebaut und die beiden Kästen miteinander verschraubt werden. War nur ein erster Test um zu sehen ob der Kasten richtig gefertigt ist und um die Markierungen für die Gewindestangen zu setzen.

Zwei Fragen habe ich momentan, der Kapazitätsmessplatz, wo stammt der her ?
Hast du die 2011er Zellen schon auf ihre Kapazität vermessen ?
Wir haben damals auch mal mit Gero Kleinertz über die Thundersky/Winston gesprochen. Er meinte, anfänglich kommen die alle mit mehr Kapazität als Nennkapazität an, aber es entwickelt sich dann von Akkusatz zu Akkusatz ganz merkwürdig unterschiedlich.

Hallo Klaus, wie genau kann ich deine erste Frage verstehen? Der Prüfstand steht seit Jahren in der CITYSAX Werkstatt. Welcher Hersteller dahinter steckt oder welches genaue Modell das ist, ist mir nicht bekannt. Ich bekomme nur die Ausdrucke zu sehen. Ein paar Betriebsgeheimnisse zu haben ist völlig legitim. Dass die neuen Akkus mit mehr Kapazität ankommen ist wichtig, denn wenn nicht das drin ist was drauf steht hat man schon einen Reklamationsfall. Leider kann man am Prüfstand die Zellen nur mit maximal 40 Ampere (=0,4C) belasten, was nicht sehr aussagekräftig ist. Im Auto treten Ströme von bis zu 250 Ampere auf und da sieht man die Unterschiede sehr viel deutlicher. Die eine fast neue Winston Zelle, die jetzt ebenfalls mit aussortiert wurde, hatte auch über 100 Ah bei 40 Ampere. Das nützt aber leider nichts, wenn beim ersten 'Vollstrom' geben die Unterspannungswarnung wegen hohem Innenwiderstand auslöst. Daher lohnt es nicht alle Zellen zu testen und zudem würde das bei 28 Stück (+2 Stück 2012er) einfach zu lange dauern. Schlechter als vorher kann es nicht werden. Die aussortierten Zellen werden gerade gemessen, auf das Ergebnis bin ich gespannt.

Gruß
Micha

P.S.: Der Umbau wird erst nächste Woche weiter geführt. Dauert also noch ein bisschen bis zum nächsten Update vom Upgrade.

[twizyfan]

Hallo Micha, weißt du schon wann du dein wieder bekommst? Großes Lob erst mal an diese Detailtreue Dokumentation, echt Super!!! Könntest du dann eines Tages den Akkukasten auffüllen für über 20kW und hättest 200km Reichweite? Unser Renault Händler hat mir jetzt den ZOE Zen Vorführfahrzeug für 15.100€ angeboten von Mai 2013, nachdem Sie mitbekommen haben, dass ich einen E-Saxo habe. Für die Wallbox aber dann nochmal 900,-€ extra!!!! Letztes Jahr im Juli wollten sie mir dort nicht mal einen Preis nach der Probefahrt nennen. Wenigstens haben Sie Ihre Ladesäule öffentlich. Wenn die mir für den Dacia noch 3000€ gegeben hätten und 6500€ von dem E-Saxo noch da wären, hätte ich noch 5500€ drauf legen müssen, nur jetzt krieg mit Glück 5000,-€ für beide Autos und 10.000€ dazuzahlen, das ist eine Lithium-Umrüstung auf 200km Reichweite bestimmt günstiger und ich spare 79,-€/Monat Akkumiete. Das aber nur mal am Rande, wir fahren E-Saxo und der Dacia steht halt als Dauerparker an der Cottaer Str.

Gruß Marcel

[berndine1]

@twizyfan: Das ist wohl dein Saxo ? Hatte letzte Woche einen am Penny stehen sehen und laufe jeden Tag zur Haltestelle daran vorbei

[Alex1]

Geile Sache!
Viel Erfolg!

[PowerTower]

Hey Marcel,

ja man könnte 20+ kWh einbauen und 200 km Reichweite ermöglichen. Auch beim Saxo ist das möglich - siehe den baugleichen Peugeot 106 von Stefan. Den Saxo zu verkaufen wäre jetzt sicher sehr unglücklich, da du ihn gerade mal drei Monate hast. Auch wenn ich aus eigener Erfahrung bestätigen kann, dass die ZOE ein tolles Auto ist mit einem gewissen Suchtfaktor, so muss man diesen Kauf nicht überstürzen. Die Gebrauchten werden von ganz allein billiger.

Unterschätze die Kosten für eine Umrüstung nicht. Je 100 km LiFePO4 Akkus musst du ungefähr 5.000 Euro + BMS einplanen. Dann hast du also für 200 km schon 10.000 Euro ausgegeben und immer noch keine Schnelllademöglichkeit an Bord. Oder du planst 100 km Reichweite und Schnelllademöglichkeit ein und bist bei 8.000 Euro. So gesehen wirkt die ZOE fast schon wieder günstig. Es geht es ja auch um eine "zeitwertgemäße" Lösung. Ich würde mich schwer tun, 10.000 Euro oder mehr in den Think zu versenken, wenn man für wenig mehr eine ZOE bekommt, die fast alles besser kann. Aber der jetzige Umbau zählt für mich noch in die Kategorie "absolut sinnvoll".

Gruß
Micha