Nutzbare Energie aus PowerTube 625

In meinem vorigen Beitrag zur Ladekurve eines PowerTube 625 beschreibe ich dessen kontrollierte Aufladung. Letztlich ist man als Biker aber nur an der effektiv abrufbaren Energiemenge interessiert. So ist es jedenfalls bei mir.

Executive summary:

Ein E-Bike Akku vom Typ Bosch PowerTube mit einer Kapazität von nominell 625 Wh konnte in einer kontrollierten Umgebung bis zum automatischen Abschalten des Bosch Ladegeräts mit einer Energiemenge von 597.7 Wh befüllt werden.

In einem ähnlich kontrollierten Testaufbau konnte dem Akku mittels einer elektronisch stabilisierten Last von 4.0 A eine Energiemenge von 521 Wh entnommen werden, bis die eingestellte Entladeschlussspannung von 30.0 V erreicht war.

Nach einer ca. halbstündigen, lastfreien «Erholungsphase» konnte dem Akku unter Beibehaltung der Entladeschlussspannung von 30.0 V bei einer auf 1.0 A reduzierten Belastung eine Energiemenge von weiteren 12 Wh entnommen werden.

Im unmittelbaren Anschluss lieferte der gleiche Akku bei Beibehaltung der Last von 1.0 A und Absenkung der Entladeschlussspannung auf 28.5 V zusätzliche 11 Wh an Energie.

In Summe also 544 Wh.

Bei einer Leistungsabgabe von am Schluss nur noch 28.5 W wurde der Versuch beendet, da eine entsprechend kleine Unterstützung in der Fahrpraxis keinen verwertbaren Nutzen mehr gebracht hätte.

---

Langfassung

Also habe ich weder Kosten noch Mühe gescheut, und habe mir über Aliexpress ein günstiges und dabei sensationell leistungsfähiges Messgerät zugelegt, ein DL24P (siehe obiges Bild). Inkl. Versand aus China in die Schweiz, Steckernetzteil, USB-Adapter und Messschnüren betrugen die Kosten im Juli 2023: CHF 48.34, und lagen damit noch unterhalb der Zollfreigrenze.

Das Teil fällt in die Kategorie der Elektrischen Verbraucher und beherrscht die Modi: Konstantstrom, Konstantspannung, Konstantwiderstand und Konstantleistung bis 180 W. Damit lässt sich eine Energiequelle, z.B. ein E-Bike Akku vom Typ Powertube 625, unter reproduzierbaren Bedingungen belasten bzw. entladen. Dabei wird die entnommene Energie [Wh], die entnommene Ladung [mAh] sowie die benötigte Zeit [hhh:mm:ss] sauber als Summe erfasst, neben der Anzeige der während einer laufenden Entladung jeweils aktuellen Werte von Spannung, Stromstärke, Widerstand, abgerufener Leistung etc.. Das funktioniert sogar über abschnittweise durchgeführte Entladungen, solange man zwischendurch die akkumulierten Zählerstände nicht löscht. Das Ding ist für mich jeden Rappen wert! Bevor jemand die Stirn runzelt: ich bin jetzt nicht unter die «Influenzer» gegangen und erhalte auch keinerlei Vergünstigungen für meine Begeisterung.

Einzige Wermutstropfen sind die sehr eigenwillige Übersetzung der original chinesischen Bedienungsanleitung ins Englische, anscheinend automatisiert erstellt unter Einsatz von AI, sowie die Lieferzeit von ca. 10 Tagen. Dass die AI eines Tages die Weltherrschaft übernehmen könnte, sehe ich jedenfalls vorläufig noch nicht kommen 😉

Verbindung mit dem Akku

Bosch betreibt einen ziemlichen Aufwand, seine eigenen E-Bike Antriebssysteme vor Manipulation, Ersatz durch Fremdfabrikate oder vor Verwendung mit Fremd-Ladegeräten zu schützen. Zu diesen Schutzmassnahmen gehören proprietäre Steckverbindungen genauso wie nicht dokumentierte Kommunikation zwischen Systemkomponenten über den CAN-Bus. Angeblich enthalten PowerTubes ausgefeilte Logik in Form von Soft- und Hardware, die bei erkannten Störungen (z.B. aufgrund von Manipulationen) einen mehrere hundert € teuren Akku blitzschnell und irreversibel in ebenso teuren Elektroschrott verwandeln kann. Solche Berichte sind geeignet, die Experimentierfreude normal betuchter Biker erheblich zu dämpfen.

Böse Zungen unterstellen, dass Bosch hierdurch seinen Markt für Ersatzbeschaffungen und Zubehörnetzteile abschottet. Denn Akkus sind hochpreisige Verschleissteile mit endlicher Lebensdauer, und Schnellladegeräte für E-Bike Fernfahrer quasi ein Muss, für die Nachladung unterwegs.

Ich persönlich glaube, dass Bosch all diese Effekte als Kollateral-Nutzen gerne mitnimmt, dass es aber in der Hauptsache darum geht, den Namen Bosch und den Begriff PowerTube nicht allzu oft im Zusammenhang mit explodierenden oder in Brand geratenen Akkus in den Medien erscheinen zu sehen. Persönlich finde ich eine Ersatzbeschaffung eines etwa € 600.- teuren Original-Akkus alle ca. 25’000 km nicht unzumutbar. Vor diesem Hintergrund war meine Manipulationsbereitschaft rund um den Akku von vornherein begrenzt.

Das vorausgeschickt:

Habe ich mir gedacht, dass, wenn ich den Prüfling (PowerTube 625) in seiner original Hardware- und CAN-Bus Protokollumgebung betreibe, also ihn ins E-Bike montiere und ihn so in exakt der Umgebung betreibe, für die er konzipiert ist, dass eine reine Beobachtung seines Verhaltens allenfalls als «minimal-invasiv» bezeichnet werden könnte. Wobei die «Invasion» alleine darin besteht, dass ich die Ladebuchse als Entladebuchse verwende, also die Richtung des Stromflusses umkehre.

Am anderen Ende des Invasions-Spektrums beschreibt z.B. User «HardwareJunkie» in diesem Youtube Video, wie er mittels eines CAN-Bus Übersetzers, eines Arduinos und eigener Software einen geöffneten(!) PowerTube «freischaltet», so dass er z.B. auch von Fremdladegeräten und möglicherweise auch mit höheren Strömen aufgeladen werden könnte.

So sah also mein Aufbau aus:

Das Display zeigt in der linken Spalte, von oben nach unten:

• die eingestellte Soll-Stromstärke der Belastung von 4.00 A
• die anliegende Leerlaufspannung von 40.45 V
• den aktuell fliessenden Strom (Test noch nicht gestartet, daher Wert = 0)
• die aktuell brutzelnde Leistung (dto.)
• den effektiven Widerstand (R = U/I)
• die insgesamt seit Start verbrutzelte Energie in [Wh]
• die entnommene Kapazität [mAh]

In der rechten Spalte, von oben nach unten:

• Aktueller Arbeitsmodus: CC (Konstantstrom)
• ohne Zeitbegrenzung (so etwas bräuchte man z.B. für Einbrenntests)
• Entladeschlussspannung: 30.0 V
• Temperatur am Kühlkörper
• Batterie Innenwiderstand(?)
• «OFF» für: Test noch nicht gestartet

Hier noch ein kurzer Videoclip vom Aufbau in Aktion:

Da es über rund dreieinhalb Stunden hinweg viele Werte abzulesen gibt und besonders die letzte Nachkommastelle regelrecht hin und her flackert, habe ich periodisch, ca. alle halbe Stunde, buchstäblich Snapshots vom Display aufgenommen um zu jedem Zeitpunkt in sich konsistente Datensätze zu erhalten.

Die Snapshots habe ich nach Abschluss der Messung «offline» in die weiter unten gezeigten Diagramme ausgewertet.

Um die Snapshots und die Diagramme korrelieren zu können muss man wissen, dass die Entladung

• mit einem konstanten Entladestrom (CC-Modus) von 4.0 A bis zum erstmaligen Erreichen der eingestellten Entladeschlussspannung von 30.0 V nach rund 3 Stunden und 36 Minuten durchgeführt wurde,
• nach halbstündiger, lastfreier «Erholungspause» mit Wiederanstieg der Leerlaufspannung auf ca. 31.7 V im Anschluss mit einem konstanten Entladestrom von nur noch 1.0 A bis zum neuerlichen Erreichen der Entladeschlussspannung von 30.0 V fortgesetzt wurde,
• Da immer noch ein Balken im Purion-Display meines E-Bikes sichtbar war, mit weiterhin konstant 1.0 A Entladestrom bis zum Erreichen einer reduzierten Entladeschlussspannung von 28.5 V weiter entladen wurde, bei dann nur noch 28.5 W abgegebener Leistung. Was schon weit unterhalb praxisrelevanter Werte liegt.

Kurvenverläufe

• Strom: der Entladestrom steigt vom Wert Null bei Entladebeginn quasi sprunghaft auf den voreingestellten Wert von 4.0 A, und bleibt von da an konstant bis zum Erreichen der voreingestellten Entladeschlussspannung von 30.0 V nach ca. 3 Stunden und 36 Minuten. Nach erstmaligem Erreichen der Entladeschlussspannung wurde dann in zwei Stufen mit jeweils konstant 1.0 A weiter entladen.
• Spannung: Die Akkuspannung fällt unmittelbar bei Testbeginn von ihrer Leerlaufspannung von 41.5 V auf knapp 40.0 V ab. Die Abnahme folgt nahezu perfekt dem lt. Datenblatt einer Li-Ion Einzelzelle erwartbaren Verlauf.
• Kapazität: da die horizontale Entlade-Zeitachse eine lineare Skalierung aufweist und der Entladestrom bis zum erstmaligen Erreichen der voreingestellten Entladeschlussspannung von 30.0 V konstant 4.0 A beträgt, ergibt sich ein perfekt linearer Anstieg für die entnommene Ladung (Kapazität). Ab drei Stunden und 36 Minuten beträgt der Entladestrom nur noch 1.0 A, erkennbar an der flacheren Steigung der Geraden.
• Energie: die lineare Zeitachse, der konstant Entladestrom und die im Laufe der Entladung abnehmende Akkuspannung bewirken einen (leicht) degressiven Verlauf der kumulierten Energieentnahme.
• Leistung: Wegen der Entladung mit Konstantstrom 4.0 A bei im Verlauf der Entladung abnehmender Akkuspannung ergibt sich eine Leistungsabforderung von anfangs ca. 160 W, die bis zum ersten Erreichen der eingestellten Entladeschlussspannung von 30.0 V auf 120 W abfällt. Die Kurve der Leistungsabforderung spiegelt somit den Verlauf der Akkuspannung.

Diskussion

Einem Akku, den ich vorher mit fast 600 Wh aufgeladen hatte, nur 521 Wh entnehmen zu können finde ich persönlich enttäuschend wenig. Das ist ein Wirkungsgrad round-trip von lediglich 87%. In der Literatur wird für Li-Ion Akkus nämlich ein Gesamtwirkungsgrad von «über 95%» in Aussicht gestellt.

Die beiden von mir nachgeschobenen Entladephasen mit nur noch 1.0 A Entladestrom und einer zusätzlichen Ausbeute von insgesamt 23 Wh waren im Grunde also nur Ergebniskosmetik ohne jegliche praktische Relevanz. Denn gegen Ende einer ausgedehnten Bike-Tour machen einen nur noch 30 W Unterstützung auch nicht mehr froh.

Ich hatte weiter oben in der Kommentierung des Spannungsverlaufs die sehr auffällige Ähnlichkeit mit einer Kurve aus dem Datenblatt einer PANASONIC Li-Ion Einzelzelle bemerkt. Das habe ich mir genauer angeschaut:

Ich hatte im ersten Durchlauf mit konstant 4.0 A bis zum Erreichen der von mir eingestellten Entladeschlussspannung von 30.0 V entladen. Der PowerTube 625 verwendet 50 Li-Ion Einzelzellen in einer 10s5p Konfiguration. Also 5 parallel geschaltete Stränge aus jeweils zehn in Reihe (seriell) geschalteten Einzelzellen. Die von mir gemessenen Kapazitätswerte [mAh] muss ich daher durch 5 dividieren, und die von mir gemessenen Spannungswerte [V] muss ich daher durch 10 dividieren um auf mit dem Datenblatt vergleichbare Werte zu kommen.

Die angestrebte Vergleichbarkeit zwischen meinen Messungen und den versprochenen* Werten lt. Datenblatt waren übrigens für mich der Grund, die Entladung im «CC» Modus, also Constant Current = Konstantstrom-Modus durchzuführen. Auch wenn eine Entladung im «CP» gleich Constant Power = Konstantleistung-Modus praxisnäher sein dürfte. Die Wahl eines Entladestroms von 4.0 A war dabei dem Umstand geschuldet, dass meine elektronische Last DL24P maximal 180W verbrutzeln kann, und ein frisch voll geladener PowerTube 625 Akku bei 4.0 A bereits 160 Watt zieht.

*: der Vollständigkeit halber: niemand garantiert, dass in PowerTubes exakt die PANSONIC Zellen wie im Datenblatt verbaut sind. Auch wenn sie nominell passende Werte von Spannung [V] und Kapazität [mAh] aufweisen für einen Akku in 10s5p Konfiguration mit 625 Wh Energieinhalt.

Ein Blick auf die bei Entladeschlussspannung von 30.0 V (entsprechend einer Entladeschlussspannung auf Einzellzellebene von 3.0 V) entnommene (lt. eigener Messung), bzw. entnehmbare (lt. Datenblatt) Kapazität [mAh] zeigt dann aber signifikante Unterschiede:

Während ich lt. meiner Messung bei Erreichen der Entladeschlussspannung von 30.0 V eine Kapazität von 14’411 mAh entnommen hatte, entsprechend 14’411 mAh / 5 = 2’882.2 mAh pro Einzelzelle, verspricht das Datenblatt in diesem Punkt immerhin 3’050 mAh für eine nagelneue Einzelzelle. Damit kommt mein PowerTube nur auf rund 94% des Neuwerts.

Wenn man zudem berücksichtigt, dass ein Li-Ion Akku (und dessen Einzelzellen) im Laufe der erlebten Ladezyklen Speichervermögen verliert (siehe folgende Seite des Datenblatts):

… dann kann ich nach geschätzten bisher ca. 50 Ladezyklen meines Akkus pro Einzelzelle nur noch mit einer Kapazität von etwa 3’150 mAh von ursprünglich etwa 3’400 mAh im Neuzustand rechnen, also alleine aus diesem Grund nur noch mit maximal 92.6% des Neuwerts.

Zusammen ergeben beide Effekte

• Entladung bis nur 3.0 V Entladeschlussspannung (Reduktion auf 94%)
• Akku hat bereits 50 Ladezyklen hinter sich (Reduktion auf 92.6%)

eine Gesamtreduktion auf 0.94 * 0.926 ≈ 87% ,

also ziemlich exakt das eingangs beobachtete Verhältnis von 521 Wh Entnahme bei 600 Wh Einspeisung. Das bleibt natürlich unerfreulich, liegt aber leider exakt im lt. Datenblatt erwartbaren Rahmen.