Donnerstag, 2. Mai 2019

E-Bike Akku bauen Anleitung – Dein DIY Li-Ion Power-Akku aus 18650 Zellen

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E-Bike Akku aus 18650 Zellen


Vorsicht! Die folgende Anleitung birgt zahlreiche Gefahren. Wenn du dir ein eigenes Powerpack bauen willst solltest du etwas handwerkliches Geschick haben und auch über Grundsatzwissen zum Thema Strom verfügen. Bei einem Kurzschluss besteht akute Brandgefahr.


E-Bike Akku bauen Anleitung


E-Mobilität gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung und wird sicherlich auch in Zukunft eine zentrale Rolle im Bereich der Fortbewegung spielen. Seitdem wir das Format E-Bike and Hike ins Leben gerufen haben ist die stromgetriebene Antriebstechnik aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Das Ganze ist ein ziemlich spannendes Thema, bei dem Interessierte auch vieles in Eigenarbeit tüfteln können. „Do it Yourself“ bedeutet bei E-Bikes nicht nur einige Euros zu sparen… Auch die Qualität der Technik lässt sich durchaus positiv beeinflussen. In diesem Beitrag erklären wir, wie du einen leistungsstarken E-Bike Akku herstellen kannst. Vorab klären wir ein paar grundlegende Dinge zum Thema Akkus. Wenn du noch kein eigenes E-Bike hast, schau dir unser Tutorial an, wie du dir ein eigenes E-MTB bauen kannst.

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Spannung, Kapazität und Leistung – Worauf musst du achten? 


Bei der Stromversorgung von E-Bikes sind (stark vereinfacht) 3 Kennzahlen relevant. Auf diese Werte solltest du achten, bzw. dich vor dem Kauf der einzelnen Komponenten damit auseinander setzen. Volt bezeichnet die Spannung des Akkus. Bei den meisten Pedelecs sind das 36 oder 48V. Ampere, bzw. Amperestunden. Die Angabe der Amperestunden (Ah) bezeichnet die Kapazität eines Akkus. Ein Akku mit 17,3 Amperestunden kann als Beispiel während 17,3 Stunden, je Stunde 1 Ampere abgeben. Watt bezeichnet die Leistung des Akkus. Die Kennzahl errechnet sich als Multiplikation von Spannung und Kapazität. Das Ergebnis der Rechnung wird in Wattstunden (Wh) angegeben. Daher ist diese Kennzahl aus unserer Sicht die Aussagekräftigste bei einem E-Bike Akku. Im Falle unseres DIY E-Bike Akkus sieht die Rechnung folgendermaßen aus: 36 Volt x 17,3 Ah = 630 Wh

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Vor dem Verbinden sollten die 18650 Zellen geladen werden.
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INR18650-35E von Samsung


Wunderkind 18650 


Neben den im Haushalt üblichen AA oder AAA Batterien fristen die 18650 Zellen in den Köpfen der Verbraucher eher ein Schattendasein. Obwohl kaum ein Endverbraucher diese Zellen kennt spielen sie eine sehr große Rolle in strombetriebenen Akku Geräten aller Art. 18650 Zellen werden in Laptops, Rasenmähern, Bohrmaschinen, Powerbanks und eben auch in E-Bike Akkus verbaut. Sie kommen sogar in vielen Elektroautos zum Einsatz. Im Gegensatz zu anderen Akkus haben Li-Ion Akkus keinen Memory-Effekt. Das heißt, wie beim Smartphone, ist häufiger Kontakt zum Ladegerät überhaupt kein Problem. Eine Zelle hat eine Nennspannung von 3,6 Volt. Um einen 36 Volt Akku zu bauen benötigt man also eine Serienschaltung von 10 dieser Zellen. Bei einer Serienschaltung wird der Minuspol einer Zelle mit dem Pluspol der nächsten verbunden. Die Spannung (V) der einzelnen Zellen addiert sich und die Kapazität (Ah) der entstandenen Batterie bleibt gleich, wie bei der einzelnen Zelle. Um auch die Kapazität des finalen Akku-Packs zu erhöhen werden mehrere 18650 Zellen parallel geschaltet. Bei dieser Schaltung bleibt die Spannung der entstehenden Batterie gleich, während sich die Kapazität der einzelnen Zellen summiert. Zuerst werden die Zellen parallel geschaltet und anschließend in Reihe verbunden. Wir haben uns für einen 10S5P Akku entschieden. Das bedeutet 10 Zellen-Gruppen in Reihe und jeweils 5 parallel geschaltet. Die Ladeschlussspannung von 18650 Zellen liegt bei 4,2 Volt. Daher wird statt der Nennspannung von 36 Volt auch oft 42 Volt als Spannung für die gleichen Systeme genannt.


Welche 18650 Zelle ist die Richtige? 


Die Wahl der richtigen 18650 Zellen ist grundsätzlich nicht so schwer. Der einfachheitshalber kann man sich am originalen Akku des E-Bikes orientieren. Die Kapazität und der Entladestrom der einzelnen Zellen sollten möglichst hoch sein. Wir haben uns bei diesem Akku-Pack für das Modell INR18650-35E von Samsung entschieden. Mit Versand haben 50 Zellen bei www.nkon.nl rund 180 Euro gekostet. Da der Markt für 18650 Zellen voll mit Plagiaten ist sollten die Zellen bei einem seriösen Händler gekauft werden. Kapazitäten über 4.000mAh bei Preisen unter 5€ pro Stück sind eher mit Vorsicht zu genießen. Die Zellen sind das Herzstück des neuen Akkus und sollten daher von guter Qualität sein. Wer wirklich Geld sparen will kann auch gebrauchte Zellen aus Laptops, etc. verwenden. Da diese Zellen dann zwangsläufig aus unterschiedlichen Geräten stammen, sollten sie vorab geprüft werden und ein Test der Kapazität erfolgen. Grundsätzlich eine spannende Idee, die auch wir schon häufiger genutzt haben. Für einen leistungsstarken E-Bike Akku, wie in diesem Projekt, sind gebrauchte Akkus jedoch nicht zu empfehlen.

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Ein fertiges Akku-Gehäuse erleichtert die Arbeit.




E-Bike Akku schweißen oder löten? 


Bei dieser Frage scheiden sich die Geister. Um den Akku verlässlich nutzen zu können müssen die einzelnen Zellen sehr stabil miteinander verbunden werden. Die beiden gängigsten Möglichkeiten sind, zum einen Löten und zum anderen das Punktschweißen mit Nickelsteifen. 18650 Zellen sind sehr hitzeempfindlich. Beim Punktschweißen wird das Metall an den Polen der Zellen am wenigsten belastet. Daher werden professionelle Akku-Packs überwiegend geschweißt. Wer mit dem Lötkolben geübt ist kann auch auf diese Weiße ein sehr gutes Ergebnis erzielen. Eine breite Lötspitze, nicht zu hohe Temperaturen und nur kurzer Kontakt an den Polen belasten die Zellen nur geringfügig. Wir haben uns für ein günstiges Punktschweißgerät (Sunkko 737G) entschieden. Setzt man die Anschaffungskosten ins Verhältnis zu der Ersparnis beim Kauf eines „originalen“ E-Bike Akkus, hat sich der Preis schon beim ersten Akku amortisiert.

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Punktschweißen eines Akku-Packs mit Sunkko 737G

Entgegen der Landläufigen Meinung sind Lithium Ionen Akkus nicht ganz ungefährlich. Während des Schweißens kann es sehr schnell zu Kurzschlüssen kommen. Ein winziger Augenblick der Unachtsamkeit kann dazu führen, dass das komplette Battery-Pack abbrennt. Daher nochmal der Hinweis, dass während der gesamten Arbeiten absolute Konzentration erforderlich ist.

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Mit einem Multimeter wir die Polung des Ladeanschlusses ermittelt.





Vorgehensweise beim Zusammenbau 


Bevor die eigentliche Arbeit beginnt müssen alle 18650 Zellen auf das gleiche Spannungsniveau gebracht werden. Am einfachsten funktioniert das durch Aufladen aller Akkus. Sind die Zellen ungleich geladen können die Ausgleichsströme beim Verbinden sehr hoch sein. Damit der Akku später am Fahrrad auch gut aussieht haben wir uns als Verpackung für ein fertiges Gehäuse entschieden. Neben der eigentlichen Schale sind ein Ladestecker, eine Akkustandsanzeige, ein Schloss zur Sicherung, die Rahmenhalterung und ein Gitter zur Anordnung der Zellen schon enthalten. Für einen Preis von ca. 45€ kann man die Teile einzeln kaum beschaffen. Wir haben die Zellen in Blöcken zu je 5 Stück in das Gitter des Gehäuses eingelegt. Dabei sind die Blöcke immer in entgegengesetzter Richtung eingelegt, um Plus- und Minuspol der benachbarten Zellen verbinden zu können. Mit passend geschnittenen Nickelstreifen werden zunächst jeweils die Plus- und Minuspole der Blöcke verbunden und anschließend in Reihe geschaltet. Bei der Reihenschaltung wird der erste Minuspol mit dem Pluspol des zweiten Blocks verbunden. Der Minuspol des zweiten Blocks wird mit dem Pluspol des dritten Blocks verbunden und so weiter bis zum zehnten Block. Mit einem Multimeter lässt sich die Spannung der Blöcke gut messen. Wenn alle Zellen geladen waren, sollte das fertige Paket eine Spannung von 42 Volt haben.

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Die Messung eines einzelnen Blocks ergibt 4,1V
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Die Messung aller Zellen ergibt 41V


BMS anschließen 


Um den fertigen Akku möglichst gleichmäßig und schonend zu laden und zu entladen, muss der Akku mit einem Battery Management System (BMS) verbunden werden. Ein BMS balanciert die gleichmäßige Auslastung aller Zellenblöcke und sorgt dafür, dass der Akku lange halten kann. Der Schaltplan des BMS muss berücksichtigt werden. Die meisten BMS verfügen über folgende Anschlüsse:

10x Batterie Anschlüsse (variiert je nach Anzahl der Reihen, in diesem Fall 10S).
P-: Anschluss an den Minus-Ausgang des Akkugehäuses (Power -).
B-: Anschluss an den Minuspol der Batterie (Battery -).
C-: Anschluss an den Minuspol des Ladeanschlusses (Charger - ). 

Die 10 Batterie Anschlüsse des BMS werden der Reihe nach an die Pole der Batterie angeschlossen. In unserem Fall ist der Minuspol durch ein schwarzes Kabel gekennzeichnet. Dieses kommt an den Minuspol der Batterie. Das zweite Kabel wird zwischen Minuspol des ersten Zellenblocks und Pluspol des zweiten Zellenblocks gelötet. Dieser Prozess wird mit den weiteren Kabeln bis zum Pluspol der Batterie fortgesetzt. Zum Löten der Kabel bieten sich die Nickelstreifen zwischen den Zellen an. Somit wird nicht zu viel Wärme direkt an die Pole abgegeben. Lötfett ist absolut zu empfehlen.

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BMS und Sicherungshalter
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Weitere Verkabelung des E-Bike Akkus


Der Pluspol wird meist nicht ans BMS angeschlossen. Ein Kabel verbindet den Pluspol der Batterie mit dem Plus-Ausgang des Akkugehäuses. Hier schalten wir meist noch einen Flachsicherungshalter mit einer 30 Ampere Sicherung zwischen. Ein weiteres Kabel verbindet den Pluspol mit dem Ladeanschluss. Da die Ladeadapter meist nicht mit + und – gekennzeichnet sind empfiehlt es sich vor dem Anschließen mit einem Multimeter nachzumessen. Als letztes werden die beiden Kabel der Akkustandsanzeige mit dem Plus-(rotes Kabel) und Minuspol (schwarzes Kabel) verbunden.

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Verkabelung des BMS



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Der fertige Akku, bereit zum Einsetzen ins Gehäuse.

Fertigstellung des E-Bike Akkus 


Wenn alles passt und nichts schiefgegangen ist, wird der Akku mit Gewebeband oder in einem Schrumpfschlauch verpackt. Vorsichtig kann der Akku nun ins Gehäuse gelegt werden. Es empfiehlt sich die Seiten mit gepolstertem Klebeband zu verstärken, damit der Akku bei der Fahrt nicht im Gehäuse umherfällt. Anschließend wird der Akkudeckel aufgelegt und festgeschraubt. Bei einem 10S5P Akku muss alles gut verstaut werden, damit der Deckel ordentlich zugeht. Sofern am Rad noch keine Halterung angebracht ist wird die mitgelieferte Halterung noch entsprechend der Akkuausgänge verkabelt. Um alle Kontakte stabil und wasserabweisend zu halten, machen wir immer reichlich Gebrauch von Heißkleber. Mit einem XT60 Stecker kann die Rahmenhalterung mit dem Motor verbunden werden. Fertig ist der selbstgebaute E-Bike Akku.

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Heißkleber stärkt die Lötstellen.
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Fazit zum DIY E-Bike Akku 


Ein selbstgebauter E-Bike Akku ist nicht nur deutlich günstiger als ein gekaufter Akku. Auch was die Leistung angeht kann hier mehr erreicht werden, als bei gekauften Akkus. 630 Wh sind für Kaufakkus eher eine Seltenheit. Wenn Anbieter diese dennoch im Sortiment haben sind sie meist sehr teuer. Bei den meisten Herstellern ist jedoch bei 500 Wh Schluss. Alles in allem haben uns die Einzelteile des Akkus 235€ gekostet. Die Leistung des Akkus ist überragend. Wir waren alle bei den ersten Testfahrten begeistert. Ein weiterer Vorteil ist die längere Lebensdauer. Da die Zellen bei gleicher Strecke nicht so stark entladen werden wie bei einem kleineren Akku können sie deutlich länger halten. Das Gewicht von 3,5 kg ist dabei absolut erträglich.

Folgendes Equipment haben wir zu Herstellung genutzt: 





Viel Spaß beim Tüfteln!
Wir übernehmen keinerlei Haftung für Schäden die bei Umsetzung dieser Anleitung entstehen können:-)


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