Rasenmäherakku

Seit 2008 mähen wir unseren Rasen mit einem Wolf Hybrid Rasenmäher. Der Mäher kann alternativ zum Betrieb über seinen wechselbaren LiIon-Akku auch wie ein normaler elektrischer Rasenmäher am Kabel betrieben werden, was den Einsatz auch bei größeren Rasenflächen erlaubt.

Da wir der angegebenen Flächenleistung bei Akkubetrieb nicht wirklich Glauben geschenkt haben, wurde beim Kauf auch gleich ein zweiter Akku geordert, was sich im Folgenden als kluge Entscheidung entpuppt hat. Eine Akkuladung hat nur für ca. zwei Drittel bis drei Viertel der Rasenfläche gereicht, so dass von Anfang an beide 1,1 Ah Akkus im wechselnden Einsatz waren.

Nach ziemlich genau 8 Jahren waren dann die beiden Original-Akkus nicht mehr in der Lage, die komplette Rasenfläche durchzustehen, so dass ich mir einen weiteren Akku zugelegt habe. Die Original-Akkus waren mir damals mit weit über 200 € zu teuer, so dass ich auf einen Alternativanbieter ausgewichen bin. Der angebotene Akku hatte mit 1,5 Ah sogar eine höhere Kapazität, was ich auf eine fortgeschrittene Akku-Technologie zurückführte.

Dieser nachgekaufte Akku hat jetzt, nach nicht einmal 3 Jahren, den Betrieb komplett eingestellt.

Da ich im Rahmen meiner Modellbautätigkeit schon einige Erfahrung in Sachen LiIon-Akkus erworben habe, habe ich mir die Sache mal von innen angeschaut.

Das Akkugehäuse enthält 30 Zellen des Typs „Power Tool Zelle LG ICR18650HB2 - 1500mAh“, die per achtpoligem Anschlussstecker im Betrieb in Konfiguration 30s1p und beim Laden in Konfiguration 10s3p geschaltet werden.

Da neben den Plus- und Minusanschlüssen der drei getrennten Akkupacks sowie einem zweipoligen Temperatursensor keine weiteren Anschlüsse am Akku vorhanden sind, werden also die jeweils 10 Zellen der drei Teil-Batterien ohne Balancer seriell geladen.

Meine Befürchtung, dass einzelne Zellen durch unterschiedliche Kapazitäten und Spannungslagen bei dieser nicht empfehlenswerten Ladeart den Geist aufgegeben haben, hat sich bestätigt. Drei der dreißig Zellen haben ohne Last nur noch 60..80 mV, der Rest liegt breit gestreut in einem Bereich zwischen 3,27 V und 4,35 V.

Diese Werte lassen vermuten, dass selbst wenn ich die drei defekten Zellen austausche, in kürzester Zeit die nächste der verbleibenden Zellen ebenfalls die Grätsche machen wird, sollte das Laden des Akkus weiterhin mit dem Original-Ladegerät erfolgen.

Um dem Problem grundsätzlich entgegenzuwirken, muss der Akku - nach Tausch der defekten Zellen - auf „balanced laden“ umgebaut werden.

Der Königsweg ist also ein Batteriemanagement-System (BMS) für 30 Zellen, das nach  dem Laden die einzelnen Zellen abgleicht und somit auf die gleiche Spannung bringt. Ohne unsere chinesischen Freunde wäre die Idee hier schon zu Ende, aber tatsächlich finden sich in einem bekannten online Kaufhaus mit „e“ Angebote über BMS für 32 LiIon-Zellen mit unterschiedlichen Lade-/Entladeströmen.

Zielgruppe dürften hier die e-Bike-Fahrer sein, denn das im Angebot enthaltene Display kann die „Restreichweite“ sowie die aktuelle Geschwindigkeit anzeigen und hat einen Anschluss für einen „Pedal sensor“. Für den gedachten Einsatzfall ist die Version mit dem geringsten Lade-/Entladestrom mehr als ausreichend, da der Rasenmäherakku mit moderaten 2 A geladen werden wird.

Die nächste Herausforderung ist, eine Spannungsversorgung für die 30 in Reihe geschalteten Zellen zu finden. Auch hier bietet der eine oder andere chinesische Händler einen passenden StepUp- Wandler an, dessen Ausgangsspannung sich auf die notwendigen 126 V (30 x Ladeschlussspannung 4,2 V) einstellen lässt. Passenderweise bietet der StepUp-Wandler auch noch eine einstellbare Strombegrenzung an, die für die notwendige CCCV-Ladung  von Nöten ist (CCCV, “constant current, constant voltage”. Hierbei wird anfangs mit einem konstanten Strom geladen, bis die eingestellte End-Zellenspannung erreicht ist, dann geht das Ladegerät auf konstante Spannung über, der Ladestrom geht auf Null zurück. Der Ãœbergang ist fließend).

Alternativ könnte man dem Akku drei getrennte BMS für jeweils 10 Zellen spendieren, die drei Akkublocks sind im Akku ohnehin voneinander getrennt verdrahtet. Der Anschluss ans Ladegerät wäre ziemlich identisch, die Stromquelle müsste aber nur 42 V liefern, weil die drei Zellenpacks, wie beim Originalladegerät, parallel geladen würden.

Als dritte Alternative kommt ein einzelnes BMS für 10 Zellen infrage, das über den Stecker an die jeweils parallel geschalteten Einzelzellen angeschlossen wird. Auch hierbei müssten alle Zellen einzeln auf die Ladebuchse geführt werden und im Stecker müssten passende Verbindungen dafür sorgen, dass jeweils drei Zellen aus jedem Block parallel geschaltet werden.

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Bleibt ab hier nur noch der Austausch der drei defekten Zellen und die Verdrahtung aller Zellen in den Akkus, so dass über das externe BMS alle zur Verfügung stehenden Rasenmäherakkus geladen und ausgeglichen (balanced) werden können.

Die letzte Anforderung bedingt einen steckbaren Anschluss des BMS an die Akkus. Eine passende Verbindung steht in Form von 37-poligen SUBD Steckern zur Verfügung, das Akkugehäuse bietet am oberen Rand Platz für die Buchse und der so erweiterte Akku passt auch noch in den Aufnahmeschacht am Rasenmäher. Der zugehörige Stecker wird fest am BMS angeschlossen. Stecker und Buchse sollten mit gedrehten Vollmaterial-Pins ausgestattet sein damit deren Stromtragfähigkeit ausreichend hoch ist.

Für die Buchse habe ich im Deckel des Akku mit der CNC-Fräse einen passenden Ausschnitt erzeugt.

Nota bene:
Da der zuletzt gekaufte Akku schon sehr früh das Zeitliche gesegnet hat, war ich natürlich auf den Zustand der beiden inzwischen 11 Jahre alten Original-Akkus neugierig und habe auch hier die einzelnen Zellen durchgemessen.

Ich habe nicht schlecht gestaunt, als jede einzelne Zelle der Akkus im geladenen Zustand jeweils exakt die identische Spannung von 4,06 V aufwies, jeder 10s1p Zellenpack in den Akkus also jeweils 40,6 V. Die in den Original Wolf-Akkus verbauten Zellen haben also identische Parameter und sind somit gleich schnell und gleich stark gealtert.

Das lässt sich nur durch Selektion erreichen und erklärt wohl den recht hohen Preis dieser Akkus. Rechnet man die geringe Lebenszeit des nachgekauften Ersatz-Akkus gegen, wäre ich mit einem dritten, teuren Original-Akku wohl besser bedient gewesen.

Nun, ich habe diesen nachgekauften Akku und das passende balancing Ladegerät in Form des BMS. Bleibt also nur, die drei defekten Zellen auszutauschen...

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Nachdem das erledigt ist - die defekten Zellen des Akkus sind gegen Neue getauscht und alle Zellen sind einzeln mit einer 37poligen SUBD-Buchse verbunden - werden die einzelnen Baugruppen des Ladegeräts in ein passendes Gehäuse eingebaut.