Wir bauen einen Akku - Teil 1

Dies ist der erste von zwei geplanten Artikeln zum Thema Akkus beim Tauchen. Hier im ersten Teil will ich ein wenig über die Akkutechnologie an sich schreiben. Dabei beschreibe ich welchen Aufbau unsere Akkus haben und wieso. In dem nächsten Teil will ich dann näher auf die Schutzelektronik, sowie auf den wasserdichten Tank, der den Akku beherbergt, eingehen. Zunächst aber über die eigentliche Konfektionierung und den Einsatzzweck des Akkus.

Die Chemie muss stimmen

Zum Thema Akkutechnologie und -chemie findet man bereits in den Weiten des Internets jede Menge Informationen. Deshalb möchte ich mich an dieser Stelle gar nicht all zu sehr über die verschiedenen Technologien auslassen, sondern nur einen kurzen, allgemeinen Überblick bieten. Für weiterführende Informationen sei auf Wikipedia oder auf die sehr informative, englischsprachige Seite BatteryUniversity verwiesen.

Zusammengefasst gibt verschiedene Typen von Akkus mit praktischer Relevanz für das Tauchen (ich bitte den Verzicht auf Quellenangaben zu entschuldigen):

Zum einen Nickel-Cadmium (NiCd) Akkus. Diese sind veraltet, bieten im Vergleich zu heutigen Technologien keine Vorteile und nur noch Nachteile. Aufgrund ihrer Umweltschädlichkeit sind sie inzwischen in der EU auch verboten.

Der Klassiker sind Bleigel (Pb) Akkus. Von sehr konservativen Tauchern auch heute noch in Lampen- und Heiztanks verwendet findet dieser Akkutyp sich aber primär in Scootern die sich im Verleih-Betrieb befinden. Die Vorteile sind eine seit Jahrzehnten erprobte Technologie. Sie sind sehr sicher und sehr günstig. Auch sind sie nicht besonders empfindlich, was Tiefenentladung oder Temperaturen angeht. Der große Nachteil ist die sehr geringe Energiedichte und die kurze Haltbarkeit (es empfiehlt sich ein Tausch alle 1-2 Jahre).

Weiterhin weit verbreitet sind Nickel Metalhydrid (NiMH) Akkus. Diese stellen einen guten Kompromiss zwischen Leistungsdichte, Eigensicherheit und Preis dar. Sie sind im Vergleich zu Bleigel Akkus allerdings auch empfindlicher was Tiefenentladung und Lagerung angeht. Die Selbstentladung ist bei heutigen Generationen geringer geworden, sollte aber bei längerer Lagerung auch im Auge behalten werden. Auch wird für das Laden eine komplexeres Ladeverfahren benötigt.

Bei neueren Systemen wird zumeist auf Lithium Ionen Akkus gesetzt. Diesen Typ kann man weiter untergliedern. Für die Tauch-Praxis relevant ist der Lithium Polymer (LiPo) Akku Typ, wie auch der Lithium Eisenphosphat (LiFePO4) Akku. Beide brauchen spezielle Ladegeräte.

Im Vergleich zu NiMH Akkus besitzt dieser Akku-Typ eine noch höhere Energiedichte.

Der LiFePO4 Akku unterscheidet sich von dem LiPo Akku darin, dass er etwas haltbarer sind als andere LiPo Typen. Dafür hat er eine geringere Energiedichte und einen etwas höheren Preis pro Watt. Größter Vorteil von LiFePO4 gegenüber LiPo beim Tauchen: Sie sind eigensicher - sprich, sie können bei falscher Behandlung kein Feuer auslösen.

Insbesondere günstig produzierte LiPo Akkus stellen ein Risiko dar, da mechanische Beschädigungen, gerade in Verbindung mit Feuchtigkeit, schnell zu einem Brand führen können. Auch ein Tiefenentladen oder ein Überladen kann zum Ausgasen und letztlich zu einem Feuer führen. Lithiumbrände können sehr heiß werden (bis zu 3000 Grad) und müssen auch nach dem Löschen der Flammen lange nachgekühlt werden.

Deshalb 'muss' laut Hersteller/Händler eine Schutzelektronik verbaut werden. Bei kommerziell vertriebenen Akkupacks ist diese Schutzelektronik in der Regel vorhanden. Wenn man selbst den Akkupack in der heimischen Werkstatt baut, so muss man überlegen welche Art der Absicherung man wählt. Im nächsten Teil will ich noch einmal genauer auf die Elektronik eingehen.

Um das Risiko beim Einsatz von LiPo Akkus zu reduzieren kann man LiPo Typen mit Mangan verwenden. Die meisten LiPo Akkus basieren auf einer Verbindung mit Aluminium (z.B. LiNiCoAlO2). Wird stattdessen Mangan benutzt (z.B. LiNiMnCoO2) so wird die Brandgefahr etwas reduziert, da das Mangan das Lithium bindet. Ob, und wie weit diese Aussage eine praktische Relevanz hat kann ich allerdings leider nicht verifizieren, gängige Tauchliteratur preist diesen Typ jedoch auch aus diesem Grund als guten Akkumulator zum Tauchen an.

Unser Akkumulator

Grundlegend soll der Akku im Team kompatibel sein. Fällt ein Akku aus, so sollte ohne Probleme auf einen anderen gewechselt werden können. Das soll sowohl im Wasser (mehrere Tanks) wie auch bei der Vorbereitung (Wechsel des Akku-Packs im Tank) möglich sein. Deshalb muss team-intern ein Standard geschaffen werden.

Sinnvoll ist es Kapazität, Bauform, Steckverbindungen, Spannung und Polung zu standardisieren. Auch müssen entsprechende Prüfmechanismen in die "Pre-Dive Checks" beim Aufbau der Ausrüstung eingebaut und etabliert werden.

Kapazität und Spannung

Die Spannung ist eigentlich keine große Frage, fast alle Lampenköpfe und auch Heizungen laufen heute auf 12 V. Ein LiPo Akku hat einen Spannungsbereich von 4,2V - 3,0V. Drei davon in Reihe ergeben eine Spannung von 12,8 V bis 9 V. Optimal!

Schwieriger ist die Frage nach der benötigten Kapazität. Die Verbraucher sind die Lampen und die Heizungen. Im Team haben wir keinen einheitlichen Lampenkopf. Die benötigten Leistungen reichen von ca. 5 W bis 26 W. Signifikanter sind allerdings die Heizungen. Da wir unter Wasser alle Tanks beliebig miteinander tauschen können, sollten die Lampentanks die gleiche Kapazität wie die Heiztanks aufweisen. 

Im Team tauchen wir fast ausschließlich Santi Heizwesten (ist einfach der aktuelle Platzhirsch). Außerdem haben wir den beheizten Santi BZ400 Unterzieher im Einsatz. Die Heizwesten ziehen 55 W und der Unterzieher 110 W. Allerdings hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Heizweste in Verbindung mit dem nicht aktiv beheizten Unterzieher (zumindest subjektiv) etwa genauso warm ist wie der beheizte Unterzieher alleine. Ich nehme an, dass beim Unterzieher einfach zu viel Wärme über den Trockentauchanzug an das Wasser abgegeben wird.

Ein spannender Tauchgang dauert aktuell etwa 3 Stunden, die Mehrheit der Tauchgänge aber zwischen 90 und 120 Minuten. Wenn wir davon ausgehen dass wir meistens nur die Weste benutzen, muss unser Akkutank maximal 3 h * 55 W = 165 Wh besitzen. 

Um die Mehrzahl der Tauchgänge also abzudecken muss der Akkutank entweder 3 h die Weste oder 1,5 h den Unterzieher heizen. Sollten wir doch mal etwas mehr brauchen, so kann man immer noch einen 2. Tank an das Harness schnallen und während des Tauchgangs wechseln.

Demzufolge liegt die für uns optimale Kapazität im Bereich 150-200 Wh. Mehr geht natürlich immer, aber dann wird die Bauform auch wieder größer. 

Zellenauswahl

Zunächst steht noch die Auswahl der Akku-Zelle an. Um eine maximale Kapazitätsdichte mit möglichst geringem Risiko zu erreichen, haben wir uns für Lithium Polymer Akkus entschieden mit Mangan Anteil. Eine gängige und weit verbreitete Bauform ist die 18650. Die 18 gibt den Durchmesser und 65 die Länge dieser Rundzelle in Millimeter an. Zu beachten ist, dass hier große Toleranzen möglich sind.

Damit sind wir auf wenige Zellen beschränkt. Zum einen die Samsung ICR18650-H26 und zum anderen die US18650NC1 von Sony. Weitere Zellen sind mir aktuell (Stand Mai 2015) nicht bekannt. Letztlich haben wir uns aufgrund der etwas höheren Kapazität auf die Sony geeinigt.

Mit dem Händler AkkuTeile.de haben wir recht gute Erfahrungen gemacht. Bisher hatten wir keinen Ausfall. Einmal gab es eine Fehllieferung, die aber sofort korrigiert wurde. Zwar gibt es Händler die mehr Service anbieten, wie beispielsweise eine Vorselektion der Zellen. Das hat im Modellflug sicher seine Berechtigung (bei wesentlich höheren Strömen), ist aber für taucherische Anforderungen nicht notwendig.

Die Sony US18650NC1 hat eine typische Kapazität von 2,9 Ah. Da Zellen allerdings einer produktions- und materialbedingten Schwankung unterliegen, rechnen wir lieber mit der minimalen Kapazitäts-Angabe von 2,7 Ah. Diesen Wert garantiert der Hersteller. 

Zu beachten gilt, dass dieser Wert unter Laborbedingungen ermittelt wird. Da wir die Zellen nicht ganz entladen wollen und auch meist bei kälteren Temperaturen im Wasser sind, rechenen wir sicherheitshalber einfach mit 2,5 Ah.

Die nominelle Spannung liegt bei LiPo Akkus mit Mangan Anteil meist bei 3,6V, was dann 3,6V * 2,5Ah = 9 Wh gespeicherte Energie pro Zelle ergibt. Das Ziel für den Akkupack sind wie schon erwähnt 150 bis 200 Wh. Diese durch 9Wh geteilt ergibt ein Pack in der Größe zwischen 17 und 22 Zellen. Da das Ganze sich auf 3 symetrische Zellblöcke aufteilt (wir müssen ja die 12V Gesamtspannung erreichen), können wir also entweder 18 oder 21 Zellen verwenden. 

Nun stellt sich die Frage der Anordnung. Bei 18 Zellen sind jeweils 6 in einem Block, bei 21 entsprechend 7. Unsere Akkutanks sind rund, folglich sollte das Akkupack diesen Zylinder möglichst optimal ausfüllen. Sieben Zellen lassen sich optimal zu einem abgerundeten Hexagon anordnen. Bei 6 Zellen lässt sich als platzsparendste Variante ein Dreieck oder ein Viereck erstellen. Folglich sind bei dieser Auswahl 7 Zellen die bessere Wahl.

Damit ist die Entscheidung gefallen:

Es wird ein Akku mit 3 Zellblöcken a 7 Zellen, ein 3s7p Akku also. Die Kapazität wird mindestens 2,7Ah * 7 Zellen, also 18,9Ah betragen was einer geladenen Energie von 3,6V * 2,7Ah * 21 Zellen = 204 Wattstunden entspricht.

Aufbau

Unser neuer Akkutank (ich will im nächsten Artikel darüber berichten) hat einen Innendurchmesser von 60 mm. Wenn wir 7 Zellen rund anordnen, ergibt das einen Durchmesser von knapp 55 mm (inkl. Schrumpfschlauch). Drei Stück davon in Reihe macht dann eine Länge von 195 mm + den Zwischenraum zwischen den Blöcken, der etwa 8 mm breit ist. Das Format ist sehr handlich und stört beim Tauchen nicht.

Zellen konfektionieren

Akkuzellen kann man mit Nickelband oder vernickeltem Eisenband (bekannt unter dem eingetragenen Markennamen "Hilumin"-Band) verlöten oder Punktschweißen. Beim Löten kann man auch Kupferband verwenden.

Prinzipiell ist Punktschweißen die akku-schonendere Bauweise. Dabei wird Zelle für Zelle über das Hiluminband verbunden und in der Regel mit 4 kleinen Schweißpunkten versehen. Nachteil dieser Methode ist, dass man ein sehr teures Punktschweißgerät braucht. Natürlich kann man das auch professionell fertigen lassen, meist aber nur wenn man die Akkus auch beim Konfektionierer erwirbt. Wir hatten ein Angebot von einem lokalen Elektronik-Fachmann, er wollte 2 Euro pro geschweißte Zelle. Dieses Angebot hätten wir auch angenommen, allerdings haben wir vorher bei besagtem Fachmann qualitativ eher schlechte Erfahrungen gemacht und deshalb beschlossen doch einfach selbst zu löten.

Wenn man es richtig macht, dann ist Akku Zellen löten kein großes Hexenwerk. Wichtig ist, dass man einen sehr heißen Lötkolben mit großer Spitze nimmt. Mindestens 80 Watt, besser 100 Watt sollten es schon sein. Die Akkuzellen sind sehr hitzeempfindlich und wenn man mit der Lötspitze länger als 1-2 Sekunden auf der Zelle verbleibt, so kann sie beschädigt werden. 

Zur Vorbereitung haben wir die Zellblöcke a 7 Zellen mit Klebeband justiert. Dann haben wir die Oberflächen angeraut. Das kann man mit einem Glasradierer machen oder einfach mit feinem Schmirgelpapier. Die aufgerauten Stellen haben wir dann nochmal mit Alkohol gereinigt.

So vorbereitet wurde jeder Kontakt kurz vorverzinnt. Kupferband bietet zwar einen höheren Leitwert, allerding haben wir mit Hiluminband bisher auch gute Erfahrungen gemacht und es ist bei den Akkuhändlern einfacher mit zu bestellen. Also haben wir das Hiluminband in entsprechend große Stücke geschnitten und sehr schnell aufgelötet. 

Aufpassen muss man auch, dass man mit dem Lötkolben nicht zu sehr die Plastik-Isolierung der Zelle berührt. Insbesondere beim Plus-Pol kann es hier schnell zu einem Kurzschluss kommen.

Anschluss der Kabel

Apropos Kurzschluss, teure Markenzellen fangen bei einem Kurzschluss in der Regel kein Feuer, dennoch wird eine enorme Energie schlagartig freigesetzt. Diese Energie reicht um ein Feuer zu zünden und um sich zu verletzen. Es ist unbedingt beim Zusammenbau darauf zu achten dass die Zellen nicht kurzgeschlossen werden. Leitender Schmuck, etc. sollte man auch ausziehen, bei leitendem Werkzeug achtsam sein!

Es empfiehlt sich, die einzelnen Zellen vor dem Verbinden der parallelen Blöcke auf ihre Spannung zu testen. Alle Zellen innerhalb des gleichen Blocks müssen die gleiche Spannung besitzen, ansonsten entstehen beim verbauen Ströme, welche die einzelnen Zellen beschädigen können. Liegt nicht das gleiche Potential vor, so müssen die Zellen vor dem Verbauen einzeln auf einen definierten Stand geladen werden.

Um dem Balancer später die Arbeit etwas zu erleichtern, haben wir zusätzlich die einzelnen Blöcke vor dem Verbinden auf einen identischen Stand geladen. Dazu haben wir an die Zellenblocks temporäre Ladekabel angeschlossen.

Sobald der Ladevorgang abgeschlossen ist, werden die Kabel wieder entfernt und die Zellen miteinander verlötet. Dazu nehmen wir ein einfaches Kabel. Da es bei der Kabellänge nicht auf ein paar Cent ankommt, beschlossen wir mit einem 2,5 mm² Kabelquerschnitt nicht zu kleckern. Zwar werden beim Tauchen (hoffentlich) nie so große Ströme auftreten, aber die Kabel haben dafür auch mechanisch eine hohe Belastbarkeit.

Selbst wenn wir eine Elektronik mit Balancer verbauen, so haben wir beschlossen dennoch einen externen Balancer-Abgang nach außen zu legen. Dadurch wird zum einen das Balancing verbessert (redundant) und zum anderen können wir auch jederzeit die einzelnen Zellspannungen kontrollieren und beim Laden überwachen.

Gängige Steckerverbinder bei Akkus sind die Modelle XH und die EH der Firma JST. Da wir im Team nicht die gleichen Ladegeräte verwenden haben wir hier keinen Standard herstellen können. Allerdings hat jeder ein Adapterkabel zwischen diesen beiden Formaten in seiner Werkzeugkiste. Dadurch können wir, wenn wir unterwegs sind, auch die Ladegeräte untereinander tauschen.

Sind alle Kabel verlötet, so kleben wir die drei Blöcke mit Heißkleber zusammen. Bei unseren alten Akkublocks haben wir nun noch eine Schutzelektronik angeschlossen (siehe Teil 2) und eine Sicherung und einen 2-poligen Anschluss-Stecker der Firma Tamiya verbaut.

Womit wir beim Thema Anschlussstecker sind. Tamiyas Stecker haben einen großen Vorteil: Sie sind günstig. Im Fünferpack zahlt man pro Paar Stecker-Buchse so um die 1,80 Euro. Allerdings sind Tamiya Stecker sehr groß und haben einen sehr schlechten Übergangswiderstand. Dieser beträgt nach unbestätigter Quelle zwischen 10 und 20 mOhm.

Mit unseren neusten Akkus haben wir beschlossen, dass wir auch den bisher genutzten Tamiya Stecker ersetzen wollen.

Dabei haben wir uns etwas umgehört und sind zunächst über die im amerikanischen Raum viel genutzten Anderson Power Pole Connectors gestolpert. Dieses System ist recht gut, ich berichtete schon im Artikel "Ein Scooterchen muss her" darüber. Inzwischen habe ich auch ein paar neue Quellen aufgetan, so dass die Beschaffung nicht mehr so schwer ist. Der Widerstand ist besser und auch von der Anordnung ist man viel freier. Diese Stecker kann man beispielsweise auch zur Printmontage auf Leiterbahnen verwenden. Ich war kurz versucht, die Buchse direkt am Akku zu befestigen und gar kein Kabel mehr überstehen zu lassen. Allerdings sparen wir bei den Power Pole Steckerverbindern bei der Größe gegenüber Tamiya praktisch nichts ein. Der Tamiya Verbinder hat gesteckt (Buchse + Stecker) eine Länge von 44mm. Der Anderson PP-15 bis PP-45 hat 41,2mm Länge... Also suchten wir weiter.

Auch sind z.B. bei älteren Halcyon, wie auch bei UwaStar Akkus die Büschel- oder auch Bananenstecker in Verwendung. Nachteil ist die sehr starre Bauform, die auch sehr genau ausgeführt werden muss (zumindest wenn beide Seiten fest montiert sind). Wenn die Montage nicht fest ist, so wird der Verpolungsschutz wieder schwierig. Deshalb haben wir uns auch gegen jegliche Form von 1-poligen Steckverbindern entschieden. Sicher, Rot und Schwarz beim Zusammenbau zu verwechseln ist unwahrscheinlich und auch das würde beim Pre-Dive Check entdeckt - aber warum nicht Fehlerquellen grundsätzlich vermeiden wenn es so einfach geht.

Fündig wurden wir dann - wie schon öfters - bei den Modellbauern. Die Seite Elektromodellflug.de bietet einen sehr schönen Überblick über die gängigsten Hochstromsteckverbinder. In die Wahl nahmen wir den MPX, sowie den XT60 Steckverbinder der Marke Modelcraft. Letztlich entschieden haben wir uns dann für den MPX - Stecker. Aktuell warten wir noch auf die Lieferung, einen Erfahrungsbericht kann ich dann hoffentlich im 2. Teil anbieten.

Letztlich bleibt nur noch das Einpacken des Akkupacks in Schrumpfschlauch. Etwas aufpassen muss man beim Einkauf, manchmal ist als Größe das Flachmaß (= Umfang / 2) und manchmal der Durchmesser (geschrumpft/ungeschrumpft) angegeben. Wichtig ist dass der Schlauch für Akkus geeignet ist, d.h. mit wenig Hitze schrumpft: Wenn der mit viel Liebe gebaute Akkublock beim Löten immer schön kalt geblieben ist, dann ist es kontraproduktiv ihn danach mit dem Gasbrenner zu rösten.

Tauchgangsvorbereitung und -durchführung

Die Lebensdauer von LiPo Akkus hängt stark davon ab wie man sie behandelt. Der Akku wird nach jedem Tauchgang geladen um ihn zu schonen. Eine tiefe Entladung schadet mehr als mehrmaliges Laden. Wenn er länger als eine Woche gelagert wird so laden wir ihn zwischen 70 und 80 % Ladezustand. 

Auch schont man seine LiPo Akkus indem man sie nur auf 4,1V pro Zelle lädt. Wenn wir nichts besonderes vor haben, dann ist das unsere Ladeschlussspannung. Vor dem Tauchgang am Tauchplatz wird der Akku mit einem 'CellChecker', der sich auch in der Tauchwerkzeugkiste befindet nochmals geprüft (so zumindest der hehre Vorsatz). 

Auch kann man vorab bei der Tauchgangsplanung errechnen wie lange der Akku halten muss und mit der Kapazität korrelieren. Daraus leitet sich dann auch der Zeitpunkt ab, an dem man die Heizung einschaltet. 

Oft wird in Foren diskutiert, wann denn der beste Punkt des Einschaltens von Heizungen sei. Es gibt zwei gängige Meinungen: Die einen schalten die Heizung bei Beginn, bzw. beim ersten Frösteln ein. Andere sind der Meinung dass erst mit Ende der Grundzeit die Heizung aktiviert werden soll. Dem bisherigen Text kann man entnehmen, dass wir ersteres bevorzugen.

Warum? Unsere Heizung erwärmt sich nicht mehr als 40 Grad. Das unterscheidet sie ein wenig von frühen Do-It-Yourself Projekten die man bei erfahreneren Tauchern gesehen hat (von Jens Höhner habe ich ein solches Heiz-Hemd geschenkt bekommen, das ganze 130Watt auf Bauch, Brust und Rücken verteilt).

Diese geringe Wärme moderner Heizsysteme reicht aus um einen unangenehmen Tauchgang angenehm zu machen. Wenn nun die geringe Heizleistung im denkbar schlechtesten Moment weg fallen sollte, so wird es nicht schlagartig kalt. Ein langsames Auskühlen verschlechtert die Dekompression, aber definitiv innerhalb der Sicherheitstoleranz. Entsprechend beeinflusst die Heizung unsere Berechnung der Deko gar nicht. Kaltes Wasser hingegen schon, ergo kalkulieren wir schon mit einer ausgefallenen Heizung.

Deshalb sind wir der Ansicht, die Heizung so früh wie möglich einzuschalten und ein Frieren während des Tauchgangs gar nicht erst aufkommen zu lassen. Eine Ausfall der Heizung beeinflusst die Sicherheit nur insofern dass der Komfort etwas gesenkt wird. Er hat aber keinen Einfluss auf die Deko oder sonstige Sicherheitsmechanismen (z.B. wird es auch ohne Heizung nicht so kalt dass man unkontrolliert zu zittern beginnt).

Langzeiterfahrungen

Um wirklich von Langzeiterfahrungen zu reden ist es noch etwas zu früh. Wir haben den ersten Akku Ende 2013 gebaut und er ist jetzt seit knapp 18 Monaten im Einsatz. Bislang sind uns 2 Ladegeräte kaputt gegangen (beide von Graupner), aber anstandslos als Garantiefälle ersetzt bzw. repariert worden. Bei bislang 240 verbauten Sony US18650NC1 Zellen hatten wir noch keinen Ausfall.

Update 2018: Die Akku Degeneration beträgt etwa 3-4% im Jahr.

Damit endet erst einmal Teil 1, momentan sind wir kräftig am Basteln was die Elektronik angeht. Im 2. Teil geht es dann weiter mit dem Bau der Schutzelektronik.

Bis dahin, So Long and Thanks for All the Fish!