Zusammenhang Akkuspannung, Ladeanzeige und Restreichweite

[Wasted]

Wie bereits im Forum festgestellt wurde, ist die Ladestandanzeige am Roller nicht immer nachvollziehbar. Dem wollte ich auf den Grund gehen und dabei gleichzeitig rausfinden wie ich im Winter bei längerer Phasen der Nichtnutzung den Ladestand ermitteln kann, ohne den Akku anschließen zu müssen und dabei vielleicht ein falsches Ergebnis angezeigt zu bekommen. Ich habe mir daher ein Multimeter besorgt und jetzt seit zwei Wochen akribisch sämtliche Fahrten inkl. Akkuanzeige und Kilometerstand, alle Ladevorgänge und die jeweilige Leerlaufspannung des Akku festgehalten. Hier möchte ich an dieser Stelle einige Einsichten mit euch teilen.

Wer bisher (so wie ich) kein Multimeter verwendet hat, dem kann ich empfehlen sich eines zuzulegen. Ein einfaches Gerät für das Messen der Spannung ist ausreichend und für wenig Geld zu haben. Anschließend kann man durch das Einführen der Messnadeln in die beiden größeren Kontakte am Akkueingang die Spannung ablesen und Rückschlüsse auf den Akkustand ziehen.

Leider verhält sich die Spannung über den Verlauf der Entladung nicht strikt proportional. Sofern der Akku auf 100% geladen wurde, sinkt diese recht schnell etwas ab, fällt dann aber ziemlich gleichmäßig im Verhältnis zur entnommenen Energie. Sobald der Akku weitestgehend entladen wurde, sinkt die Spannung wieder deutlich schneller.

Um den Akkustand über die Spannung zu messen, bietet sich also ein Referenzpunkt möglichst im Mittelfeld, bei im NIU angezeigten 50% an. Diesen habe ich in meinem Fall bei 63,15V ermittelt. Je 0,15V Differenz, wird 1% im Ladestand verrechnet. D.h. bei angezeigten 30% sollte die Spannung knapp 60V betragen. Für 1 km Fahrtstrecke könnt ihr grob mit 0,2-0,3 V rechnen. Alles bei moderaten Temperaturverhältnissen.

Die Ladestandanzeige hat allerdings ihre Tücken und ihr werdet nicht immer das berechnete Ergebnis bekommen. Sobald der Akku vollständig geladen wurde (grüne LED) kann der Akkustand durchaus höher als die Angezeigten 100% sein, in meinem Fall z.B. 71,5V, also 106%. Ich vermute das hier einfach ein fester V-Wert als 100% definiert wurde, da die max. Spannung schwanken kann und diese die erste Strecke sowieso recht schnell etwas sinkt. Das Verhältnis bei einer Kapazität von <20% habe ich noch nicht testen können, würde mich aber nicht wundern wenn dort ebenfalls ein fester Schwellenwert verwendet wird.

Ein weiterer Punkt der mir aufgefallen ist, wäre das der angezeigte Ladestand, nachdem der Akku geladen wurde, immer deutlich tiefer ist als er eigentlich bei der gemessenen Spannung sein sollte, z.B. 77% statt 84%. Dies hat den Effekt das der angezeigte Ladestand während der ersten Strecken nur relativ langsam sinkt. Der Ladestand pendelt sich mit der Zeit nach 1-2 Fahrten dann auf den korrekten Wert langsam wieder ein. Dies kann auch während längerer Standzeiten passieren und man bekommt vor der nächsten Nutzung einen anderen Ladestand angezeigt als zuvor.

Ich habe alle Aussagen im Post der Einfachheit halber verallgemeinert und diese beziehen sich auf den N1S. Möglich das dies so auf andere Modelle und Baureihen nicht zutrifft. Von daher ist euer Feedback gefragt!

[wiewennzefliechs]

Ich habe mal aus Neugier die die Differenz zwischen der Leerlaufspannung eines vollen Akkus (= Ladeschlussspannung des Ladegeräts) und der vor Ladebeginn gemessenen Akku-Leerlaufspannung mit der anschließend zum Vollladen nötigen Ladeenergie (ab Steckdose) ins Verhältnis gesetzt. Ergebnis (bei meinem Akku): pro 6 Volt Differenzspannung sind ca. 1 kWh Ladeenergie nötig. Beispiel: Leerlaufspannung des vollen Akkus = 58,4 Volt, Leerlaufspannung vor dem Laden = 52,4 Volt -> Differenz = 6 Volt, daraus resultiert eine zu erwartende Energieaufnahme des Ladegeräts von 1 kWh. Mit etwas Toleranz haut das bei fast jedem Ladestand meines Akkus hin. Stärkere Abweichungen gibt es vor allem beim Laden eines nur wenig entladenen Akkus. Ich vermute, dass das am schlechteren Wirkungsgrad des Ladegeräts bei Teillast liegt (beim Laden eines fast vollen Akkus arbeitet das Ladegerät die meiste Zeit unter Teillast).

Anhand der voraussichtlichen Ladeenergie-Menge und des durchschnittlichen Verbrauchs meines Rollers kann ich auch die Restreichweite ermitteln. Mein Roller verbraucht im Schnitt ca. 3,6 kWh/100 km (ab Steckdose). Im obigen Beispiel mit den 6 Volt Differenz wurden 1 kWh (ab Steckdose) verbraucht, also eine Energiemenge, die mein Roller für ca. 27 km Fahrstrecke benötigt. Eine ganze Akkuladung reicht für ca. 60 km. Demnach hat der Roller bei 52,4 Volt Akku-Leerlaufspannung noch eine Restreichweite von ca. 33 km.

In der Regel orientiere ich mich beim Abschätzen der Restreichweite aber eher an der seit dem letzten Laden zurückgelegten Strecke. Die zu ermitteln ist einfacher als irgendwelche Spannungen zu messen oder sich einen Reim auf die Ladestands-Anzeige meines Rollers zu machen

Gruß

Michael

[chrispiac]

Hallo Wasted,
da hast Du aber schon eine Menge Arbeit hineingesteckt und einiges herausgefunden, wobei sich vieles mit dem üblichen Verhalten von Lithiumakkus deckt.

Wie bereits im Forum festgestellt wurde, ist die Ladestandanzeige am Roller nicht immer nachvollziehbar. Dem wollte ich auf den Grund gehen und dabei gleichzeitig rausfinden wie ich im Winter bei längerer Phasen der Nichtnutzung den Ladestand ermitteln kann, ohne den Akku anschließen zu müssen und dabei vielleicht ein falsches Ergebnis angezeigt zu bekommen. Ich habe mir daher ein Multimeter besorgt und jetzt seit zwei Wochen akribisch sämtliche Fahrten inkl. Akkuanzeige und Kilometerstand, alle Ladevorgänge und die jeweilige Leerlaufspannung des Akku festgehalten. Hier möchte ich an dieser Stelle einige Einsichten mit euch teilen.

Wer bisher (so wie ich) kein Multimeter verwendet hat, dem kann ich empfehlen sich eines zuzulegen. Ein einfaches Gerät für das Messen der Spannung ist ausreichend und für wenig Geld zu haben. Anschließend kann man durch das Einführen der Messnadeln in die beiden größeren Kontakte am Akkueingang die Spannung ablesen und Rückschlüsse auf den Akkustand ziehen.

Leider verhält sich die Spannung über den Verlauf der Entladung nicht strikt proportional. Sofern der Akku auf 100% geladen wurde, sinkt diese recht schnell etwas ab, fällt dann aber ziemlich gleichmäßig im Verhältnis zur entnommenen Energie. Sobald der Akku weitestgehend entladen wurde, sinkt die Spannung wieder deutlich schneller.

Das kann man direkt aus Entladekurven von Lithiumakkus entnehmen. Vollgeladen haben die Zellen üblicherweise eine Spannung von (je nach Ausführung) max. 4,2V und fallen schnell auf die Nennspannung von 3,6V ab. Dann gibt es die „Nutzphase“ wo die Spannung nahezu konstant bleibt und von 3,6 auf 3,4V fällt (80 bis 20% Kapazität) . Anschließend fällt die Spannung stärker ab und sollte vor Tiefentladung geschützt werden, so das bei ca. 3V Ende der Stromentnahme sein sollte. Da sich die Kapazität (Leistung des Akkus) aus dem Produkt von Spannung und Strom berechnet, lassen sich ein Großteil Deine Beobachtungen erklären: Zunächst bricht die „Spitzenspannung“ zusammen. Da der Akku voll ist und auch maximalen Strom liefern kann ist in dem Bereich auch Geschwindigkeiten über 45km/h möglich, da der Motor strombegrenzt ist (also den maximalen Strom [40A] ziehen kann) aber mit einer Spannung versorgt wird, die über der Nennspannung liegt. Nach etwa 20% fällt die Spannung der Zellen auf den Nennspannung ab. Jetzt ist der typische Arbeitsbereich erreicht, wo die Zellen die Spannung längere Zeit nahezu konstant halten (Abfall von ca. 0,1 bis 0,2 V). In diesem Bereich werden die angegebenen Geschwindigkeiten erreicht und die %-Anzeige nimmt (natürlich je nach Fahrweise und Topographie) gleichmäßig ab. Dann kommt - um 20%- der Bereich, wo die Spannung stärker einbricht. Jetzt muß natürlich um die gleiche Leistung zu erreichen mehr Strom entnommen werden (und da die Stromentnahme begrenz ist) werden die Höchstgeschwindigkeiten nicht mehr erreicht. Zudem wird, durch niedrigere Spannung und höheren Stromverbrauch die %-Anzeige schneller abfallen als im günstigen „Arbeitsbereich“ und in sofern macht die Rückschaltung auf Mode 1 durchaus Sinn, da damit der Akku durch geringere Stromentnahme geschohnt wird. Das Verhalten dürfte sich mit Deinen Beobachtungen übereinstimmen und sofern die %-Anzeige wirklich das Produkt aus Spannung und Strom anzeigt (wovon ich ausgehe) ist die Anzeige korrekt. Die Physik der Lithiumakkus kann auch die Anzeige nicht überlisten und man sollte diese kennen, um die richtigen Konsequenzen aus der Anzeige zu ziehen (und um bewußt zu machen, das der Energieverbrauch durch Nachlassen von Spannung und Strom zum Ende hin höher ist).

(Antwort wird fortgesetzt, habe jetzt gerade keiene Zeit)