Erfahrungen mit der Ladetechnik

Ladetechnik und Batteriemanagement im Hotzenblitz

Bei dem im Hotzenblitz des Solarmobil Karlsruhe e.V. eingebauten Ladegerät (Originalausstattung) handelt es sich um eine mikrocontrollergesteuerte primärgetaktete Ausführung mit etwa 2kW Ladeleistung. Der verwendete Mikrocontroller ist ein Siemens 80C515A. Das Ladegerät lädt entweder nach einer in seinem EPROM abgelegten I1U1I2U2-Kennline oder fremdgesteuert mit einem durch eine pulsbreitenmodulierte Steuerspannung vorgegebenen Ladestrom (0,4...9A). Das Ladegerät ist rechts hinten im Fahrzeug eingebaut.

Das vom Hersteller vorgesehene Ladekonzept macht von der Fremdsteuerung des Ladegerätes Gebrauch. Der Ladestrom wird durch das sog. BaDiChEq®-System (Battery Diagnosis and Charge Equalization) vorgegeben. Dieses erlaubt einen an der Einzelblockspannung orientierten Ladebetrieb. Weiterhin kann das BaDiChEq®-System einen Ladungsausgleich zwischen Einzelblöcken vornehmen, indem es einen über einen Relaismultiplexer ausgewählten Batterieblock einzeln nachlädt. Das BaDiChEq®-System, das in einer Box in einer Kammer unter dem Beifahrer-Fußraum des Hotzenblitz untergebracht ist, arbeitet ebenfalls mit einem Siemens 80C515A-Mikrocontroller.

Erfahrungen mit der Ladetechnik im Solarmobil Karlsruhe e.V.

Leider funktioniert offenbar das Original-Ladesystem nicht immer korrekt. Sowohl beim Fahrzeug des Solarmobil Karlsruhe e.V. als auch offenbar bei anderen Hotzenblitz-Betreibern wurde immer wieder beobachtet, dass das System "durchgeht" und die Batterien überlädt ("kocht"). Die Ursache könnte in einem Programmfehler der Firmware des BaDiChEq®-Systems liegen. Viele Hotzenblitz-Betreiber behalfen sich mit einem Übertemperaturschalter, der oberhalb von 60°C Batterietemperatur das Ladegerät netzseitig abschaltet. Weiterhin machte die Empfehlung die Runde, die Steuerleitung vom BaDiChEq®-System zum Ladegerät zu unterbrechen, was das Ladegerät veranlasst, nach seiner eigenen I1U1I2U2-Kennlinie zu laden. Eine saubere Behebung der Fehlfunktion bestünde in einer Nachbesserung der BaDiChEq®-Firmware, für die man jedoch nach unseren bisherigen Informationen von der Herstellerfirma keine Unterstützung erhält (die Source-Codes müssten offengelegt werden). Zwar exisitieren herstellerseits aktualisierte Firmware-Überarbeitungen für das System, diese unterstützen jedoch nach Auskunft der Herstellerfirma nicht mehr das Display des Hotzenblitz.

Im Solarmobil Karlsruhe e.V. wurde zumindest seit Vereinseintritt des Verfassers im Jahre 2001 mit der ladegeräteigenen Kennlinie geladen. Ebenfalls im Jahre 2001 erhielt unser Hotzenblitz einen neuen Batteriesatz aus Sonnenschein A512C-Blöcken mit 51Ah (C5). Durch die Betriebsweise im Verein wurde der Batteriesatz nur selten und nur sehr flachen Ladezyklen unterzogen und meistens nur nachgeladen. Nach ca. einem Jahr war Block 12 (von 14) zerstört und wurde ersetzt. Ende 2005 waren dann die Blöcke 4 und 14 zerstört (Zellzusammenbruch). In der Zwischenzeit war der Batteriesatz allerdings auch schon mindestens einmal durch Fehlfunktion des Ladesystems überhitzt worden (50°C) und das Ladegerät arbeitete unzuverlässig. Im Frühjahr 2004 tauschten wir den Sockel des Mikrocontroller-Bausteins im Ladegerät, da dieser sich unter Temperatureinfluss so deformiert hatte, dass einzelne Anschlüsse des Controllers unterbrochen waren (und das nach weniger als 10 Jahren nur sporadischer Nutzung!)!! Danach arbeitete das Ladegerät wieder korrekt.

Im Frühjahr 2006 wurde ein neuer Batteriesatz (wieder Sonnenschein A512C) eingebaut. Schon bald zeigte sich, dass sich Block 3 herausarbeitete und beim Laden übermäßig hohe Spannungen aufwies. Aber auch an anderen Blöcken traten besonders in der I2-Phase der Ladung zu hohe (d.h. >14,4V, siehe Dokumentation des Batterieherstellers) Spannungen auf. Charakteristisch war auch die extreme Streuung der Einzelblockspannungen in der Endphase des Ladens. Es ist seit langem bekannt, dass Bleibatteriestränge mit sehr vielen Zellen häufig nicht die erwartete Lebensdauer erreichen, wenn sie mit der Gesamtspannung als einzigem Kriterium geladen werden. An unserem Hotzenblitz-Batteriesatz konnten wir den Zerstörungsprozess 'live' miterleben.

Nach diesen Beobachtungen wurde die Steuerleitung vom BaDiChEq®-System zum Ladegerät auf der Mittelkonsole des Fahrzeuges auf eine Trennbuchse geführt. So kann jetzt wahlweise mit BaDiChEq®-Steuerung, mit der Ladegerät-Kennlinie oder alternativ mit Fremdsteuerung geladen werden. Zur Fremdsteuerung wurde ein akkubetriebenes Steuergerät in einem handlichen Gehäuse gebaut. Damit können Ladeströme von 0,4A bis 9A vorgegeben werden, was die Ladung unter Aufsicht voraussetzt.

Als Ladestrategie wurde folgendes Verfahren eingeführt:

  • Ladung mit der Ladegerätkennlinie, bis der erste Block 14,4V erreicht.
  • Fertigladen mit Handsteuerung so dass kein Block 14,4V überschreitet.

Auf diese Weise konnte auch bei sehr flachen Ladezyklen ein 'sich Herausarbeiten' einzelner Blöcke verhindert werden. Wurden mehrere tiefe Entladezyklen durchgeführt (täglicher Einsatz des Fahrzeuges), konnte der Großteil des Ladevorganges sogar dem Ladegerät (nach Gesamtspannung) überlassen werden, da sich die Blockspannungen sehr gleichmäßig verhielten. Dennoch wurde mit Handsteuerung fertiggeladen, damit das Ladegerät nicht in die schädliche I2-Phase geriet. Das BaDiChEq®-System sorgte dabei offenbar mit seiner "Charge Equalizer"-Funktion für ein kontinuierliche Angleichung der Blockspannungen, dies wurde allerdings bisher nicht nachgemessen.

Resümee

Wie eigentlich seit langem bekannt müssen geschlossene Bleibatterien so geladen werden, dass die Zellspannung ca. 2,4V nicht überschreitet. Noch charakteristischer für einen zu hohen Ladestrom in der Lade-Endphase erscheint jedoch das Auseinanderlaufen der Zell- bzw. Blockspannungen, da dies offenbar über mehrere Zyklen hinweg zu einem Auseinanderlaufen der Zell- bzw. Blockeigenschaften (Ladezustand, Innenwiderstand, Alterung) und somit zum vorzeitigen Ausfall einzelner Zellen/Blöcken führt.

Unsere Erfahrungen bestätigen einmal mehr, dass ein funktionierendes Ladungsausgleichssystem (battery balancer, charge balancer) für vielzellige geschlossene Bleibatteriestränge unabdinglich ist. Wichtig ist, dass vor allem auch beim Laden verhindert wird, dass die Einzelblockspannungen auseinanderlaufen. Daher muß dafür gesorgt werden, dass das Ladungsausgleichssystem die in der Ladeendphase genutzten Ladeströme auch verarbeiten kann.

Das BaDiChEq®-System des Hotzenblitz bringt zwar die erforderliche Hardware für einen wirksamen Ladungsausgleich und eine batterieschonende Ladung mit, die Firmware (Steuerprogramm im EPROM) scheint jedoch nicht immer das zu machen, was man erwarten würde.

Die Tatsache, dass gerade die Ladetechnik bei vielen bisher verfügbaren Elektrofahrzeugen gemessen am allgemeinen Stand der Technik so unausgereift ist, ist sicher ein wichtiger Grund, warum sich diese Fahrzeuge im Alltagsgebrauch so wenig durchsetzen konnten.

Sascha Wüstling