DIY 18650 Tesla-Powerwall mit PV auf Garagendach zum Laden des E-Autos

Stefanseiner

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29.10.2021
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Hi zusammen,

seit Dezember 2020 fahre ich einen Aiways U5 s. auch Erfahrungsbericht und möchte euch hier mal meine Ladestation in der Garage vorstellen.

Um das Auto abends auch noch vom selbstproduzierten PV-Strom laden zu können habe ich mir im Frühjahr eine Powerwall gebaut, und zwar aus defekten Laptop- und eBike-Akkus.



Diese habe ich vom Wertstoffhof und von Fahrradhändlern bekommen, zerlegt, die einzelnen Zellen (allesamt LiIon im standardmäßigen 18650-Format) in einem mehrstufigen Prüfverfahren getestet, die schlechten entsorgt und die guten zu neuen Akkupacks zusammen gesetzt


ein solcher Akkupack liefert 3,7V Nennspannung und besteht aus jeweils 100 Einzelzellen



die Packs haben alle um 500Wh. Bei insgesamt 24 Packs sind das 12KWh nutzbare Speicherkapazität bei einem Spannungsbereich zwischen 4,05V und 3,3V was sehr schonend für die Zellen ist.
Die 12kWh sind also tatsächlich nutzbare (Netto-) Kapazität und nicht irgendein nichtssagender Brutto-Wert, mit dem man eh nichts anfangen kann.




um die Akkupacks platzsparend an der Garagenwand zu montieren habe ich mir aus einem 2mm Abfallblech mit einem Plasmaschneider (119€ von Lidl :ROFLMAO: ) eine Halterung gebaut







damit die Powerwall auch ordentlich an der Wand hält klebe ich die Dübel zusätzlich mit Montagekleber ein. Der muss nun erstmal zwei, drei Tage durchhärten


dann alle Akkupacks richtg herum einsetzen



und in Reihe schalten als 16s System, was zu einer Systemspannung von 65V führt



fertig verkabelt sieht das dann so aus
- links der grau-weiße Kasten ist ein MPPT-Solar-Laderegler, ein EPEver Tracer 6415AN, der lädt von PV aus die Batterien auf
- mittig die zwei blauen sind Batterie-Wechselrichter, die machen aus der Batterie-Gleichspannung dann bei Bedarf wieder 230V Wechselspannung
- rechts daneben Sicherungskästchen für Baterie, 230V und Wallbox
- ganz rechts die Duosida Wallbox, einphasig, 7,2kW -> passend für meinen Aiways U5 der ebenfalls nur einphasig laden kann (mit 6,6kW)




 

Stefanseiner

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29.10.2021
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das Garagendach darüber besteht aus Eternitplatten / Wellplatten. Astbestfrei aus dem Jahr 1996
Das hab ich vor der PV-Montage noch mit Bitumen versiegelt, damit es möglichst lange hält




eine ordentlich dicke Schicht sollte reichen. Beim Gartenhaus habe ich zwei Schichten gestrichen, aber die Platten waren stellenweise auch deutlich verwitterter

zur Montage der PV-Unterkonstruktion kommen Stockschrauben in 10mm an dieselbe Stelle





mit dem passenden Aufsatz für den Akkuschrauber muss man nicht von Hand mit dem Schraubenschlüssel arbeiten





dann kommen diese Adapterplättchen ran





so kann man später die ALuprofilschienen für die PV-Module anbringen. Zudem kann man die Adapterplatten noch in der Höhe justieren





dieses Mal habe ich Profilschienen in 6m Länge am Stück bestellt





um die Profilschienen mit den Adapterplatten zu verbinden braucht man diese Hammerkopfschrauben





die werden durch das Langloch gesteckt und dann kann man den Hammerkopf von unten in das Aluprofil einstecken. Beim Festschrauben stellt sich der Hammerkopf quer, arretiert so und man kann die Schraube fest ziehen




Montiert sieht das dann so aus













dank der langen 6m Schienen geht das ruckzuck und auch alleine





für die restliche Länge müssen die beiden Aluschienen angelängt werden





hier das sind dann die einfachen Verbinder. Gibt es auch doppelt so lang mit vier Schrauben





die werden dann seitlich montiert um zwei Schienen zu verbinden









fertig. Am unteren Dachende ragen die Schienen etwa 50cm drüber raus. Das ist deswegen so, weil ich 8 Module (je 105cm) montieren möchte

 

Stefanseiner

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29.10.2021
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Als Module nehme ich acht Stück JA-Solar mit je 380Wp.
Auf dem Gartenhaus haben wir schon die Vorgängermodule mit 340W montiert und sind sehr zufrieden damit, gerade mit der Schwachlicht- / Diffuslichtfähigkeit. Bei Regen / verhangenem Himmel kommen noch immer rund 20% Leistung an.




also eins nach dem anderen rauf damit aufs Dach und montieren




wie sollte es auch anders sein, kaum bin ich auf dem Dach fängt es an zu regnen 😐

Ist mir jetzt auch egal, ich hab mir vorgenommen die Module heute zu montieren also mach ich das auch





bei den großen Modulen geht auch das eigentlich recht fix





das letzte Modul muss ich von unten mit der Leiter montieren









unterhalb ist genug Platz, um die Anschlusskabel an das Aluprofiel zu machen





die MC4 Stecker crimpe ich am Boden an die Kabel









Stecker und Verbinder dürfen nicht auf dem Dach aufliegen da sie sonst bei Regen im Wasser hängen, also immer soweit möglich alles hochbinden









fertig




die 8 Module sind zu zwei Strings verschaltet mit jeweils 2 parallel und 2 seriell, also rund 80V Spannung. Das Ganze dann mit DC-Sicherungen abgesichert, bevor es zum Laderegler geht.




weiter geht's zum MPPT-Ladereglern







eine Vorstellung der Anlage mitsamt einer kurzen Erklärung, wie ich die Laptop- und eBike-Akkus vor Verwendung teste habe ich versucht, in einem Video zusammen zu fassen
 
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Stefanseiner

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29.10.2021
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Mit den 3kWp PV-Modulen auf dem Dach und 12kWh Batteriespeicher lade ich nun seit Anfang März bis jetzt noch (Ende Oktober) kostenfrei.

Im Winter (Nov. - Februar) wird es knapp werden da die Module auch schlecht ausgerichtet sind und viel Schatten abbekommen, zudem steigt mein Verbrauch im U5 durch Heizung, Akkuheitzung, Beleuchtung etc. auf das Doppelte.
Hier bin ich noch an einem kleinen Umbau dran, um die PV zu erweitern durch eine Fassaden-PV an der Garten-Stützmauer, die ich diesen Sommer gebaut aber noch nicht an der Powerwall angeschlossen habe.

Im Sommer kommt sogar viel mehr Sonne runter, als ich verfahre, sodass ich mittlerweile eine Erweiterung vorgenommen habe, die, wenn die Batterien voll sind, den überschüssigen Strom ins Hausnetz einspeist.

Die kann man am besten hier sehen:


viele Detailinfos zur Umsetzung rund um Akkyrecycling und DIY Powerwall gibt's auch auf meiner privaten Webseite (keine Werbung, keine Banner, keine Affiliate Links, kein Sponsoring - reiner Erfahrungsaustausch)
 
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Emil

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04.04.2006
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Schöne Anlage mit sehr viel Aufwand gebaut.

Ich will kein Spielverderber sein, aber vieles was man früher noch unter der Decke so machen konnten, geht heute in der regulierten und informierten Welt nicht mehr so einfach.

Ich hoffe aber für Dich, dass Du Dich vorher über alle rechtlichen Bedingungen informiert hast, insbesondere wenn Du die Anlage mit dem Netz verbinden willst.

Dann musst Du die Anlage beim VNB und im Marktstammdatenregister anmelden, und diese muss dann auch von einem zertifizierten Elektriker abgenommen sein, sonst darfst Du sie nicht mit dem Stromnetz verbinden.

Auch solltest Du dringend einen Blitzschutz nachrüsten, so keiner vorhanden ist. Dieser ist heute in den Generatoranschlusskästen (GAK) Standard, weil vorgeschrieben. Dieser verhindert unter Umständen auch, dass ein Blitz die ganze Anlage in Brand setzt.

Du solltest auch mit der Brandversicherung reden, ob Du nach Inbetriebnahme noch gegen Brand versichert bist. Denn die Zellen sind ein potentieller Brandherd, mit hohem Schadenspotential. Im Falle des Falles kannst Du auf dem Schaden sitzen bleiben. Und wenn man sieht, was selbst kleine E-Bike Akkus an Schäden anrichten können, ist die Gefahr durch recycelte Zellen in dieser Menge noch um ein Vielfaches höher. Es braucht nur eine der Zellen einen internen Kurzschluss durch Dendriten haben, oder beim Laden das BMS ausfallen, und schon gibt es einen Thermal Runaway, der in einer Kettenreaktion alle anderen Zellen ansteckt. Hättest Du wenigsten die wesentlich sichereren LiFePO4 Zellen genommen, dann wäre das Risiko beschränkt.

Ich weiß deshalb auch nicht, ob es so klug ist eine solche Anlage in die Öffentlichkeit zu stellen. Damit könnte man auch schlafende Hunde wecken. :rolleyes:
 
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Stefanseiner

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29.10.2021
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Hi,
Du hast natürlich mit allem recht, was Du schreibst.
Vielleicht mal der Reihe nach:
- gemeldet ist die Anlage nicht. Ich hab eine zweite Anlage mit knapp 10kWp offz. gemeldet. Was die kleine hier auf dem Garagendach produziert geht zum Großteil in das E-Auto, das bischen mehr was eingespeist wird kompensiert nur ein wenig die nicht ganz optimale Ausrichtung der 10kWp Anlage die bereits 2x runtergestuft wurde, weil sie nicht so viel Leistung einbringt, wie vom Netzbetreiber ursprünglich kalkuliert.
- Blitzschutz habe ich mir bei der kleinen Anlage gespart da ringsherum Haus + hohe Bäume + Oberleitung sind, ansonsten gebe ich Dir Recht, ist das auf jeden Fall sinnvoll
- Brandversicherung ist bei DIY natürlich nicht gegeben und klar ist LiFePo4 vom Start weg sicherer, aber erstens auch deutlich teurer (rund 150€ / kWh zu etwa 50€ / kWh so wie ich es gebaut habe) und zweitens mag ich auch den Gedanke, dass npch gute, funktionierende Zellen nicht einfach so entsorft = aktuell zum allergrößten Teil verbrannt werden und die Rohstoffe verloren gehen.
Deswegen ist das BMS nicht die einzige Sicherheitsvorkehrung, sondern ich habe genau genommen ein komplettes Sicherheitskonzept inkl. mehrstufiger Prüfung im Vorfeld, mehrfacher Absicherung im Betrieb und regelmäßiger Wartung z.B, mit der Wärmebildkamera.
Das garantiert natürlich noch immer keine 100%ige Sicherheit, aber es kann Dir auch beim Spaziergang im Wald das Ersatzrad von Space-X auf den Kopf fallen wenn Du nicht aufpasst.

Nach einem knappen Jahr Betrieb bin ich jedenfalls bislang sehr zufrieden und werde diesen Winter die Kapazität etwa verdoppeln
 

Kamikaze

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werde diesen Winter die Kapazität etwa verdoppeln
Bekommst du mit der Mini-PV den Speicher denn regelmäßig voll?
Ich könnte mir vorstellen, dass der im Winter mehr zur Ladungserhaltung und Zellpflege aus dem netz ziehen muss, als Energie von der PV gebunkert werden kann...
Aber grudsätzlich: Daumen hoch für die PV (auch wenn ich das Laden einer Batterie aus einer Batterie für eine Schnapsidee halte). :)
 

Emil

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04.04.2006
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- Blitzschutz habe ich mir bei der kleinen Anlage gespart da ringsherum Haus + hohe Bäume + Oberleitung sind, ansonsten gebe ich Dir Recht, ist das auf jeden Fall sinnvoll
Es gibt nicht nur direkte Blitzeinschläge, sondern auch indirekte. Z.B. kann eine hohe Spannung in die PV-Verbindungsleitungen induziert werden, selbst wenn außen herum hohe Gebäude oder Bäume sind. Diese hohe Spannung kann den Solarregler und das BMS grillen, und einzelne Zellen dann zerstören und zum Brennen bringen.

Du hast ja einiges in die Sicherheit schon investiert, deshalb solltest Du hier zumindest auf einen Basisschutz nicht verzichten. Der kostet nicht so viel.

Vielleicht kannst Du auch noch etwas Geld in redundantes Monitoring der Zellen stecken.

Selbst ein einfacher CellMonitor8 oder Celllog8 bringt mit seinem Alarm eine zusätzliche Sicherheit. Man muss bei den beiden allerdings eine kleine Modifikation machen, damit die Stromversorgung über alle Zellen erfolgt. Und wenn man sie für ein 16s System nutzt darf keinerlei Masseverbindung vorhanden sein, auch nicht über USB, da es sonst einen Kurzschluss gibt.

Ich wünsche Dir jedenfalls alles Gute mit dem System.
 
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Stefanseiner

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29.10.2021
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Bekommst du mit der Mini-PV den Speicher denn regelmäßig voll?
Ich könnte mir vorstellen, dass der im Winter mehr zur Ladungserhaltung und Zellpflege aus dem netz ziehen muss, als Energie von der PV gebunkert werden kann...
Im Sommer ja, etwa 10kWh PV-Ertrag / 24h und ich "tanke" alle 2 - 3 Tage, d.h. ich speise regelmäßig rund 20kWh ins Netz ein ohne sie direkt nutzen zu können.
Viel interessanter ist das aber in der Übergangszeit wie jetzt. Wenn es da mal ein, zwei Tage schönen Sonnenschein zwischen all dem Regen und Nebel gibt dann möchte ich den auch soweit es geht einfangen können und nicht, weil das 12kWh Speicherchen voll ist, verschwenden. Das ist auch der Hauptgrund für die geplante Erweiterung.
Ich hab eh noch mehr als genug Zellen hier rumliegen, die für die Erweiterung sind bereits geprüft und zusammengestellt (16s240p)


das System muss dann "nur noch" mit Busbars versehen und gelötet werden, + Wandhalterung bauen + Verkabeln + BMS .... also noch etwa ein bis zwei Wochen Bauzeit.


Aber grudsätzlich: Daumen hoch für die PV (auch wenn ich das Laden einer Batterie aus einer Batterie für eine Schnapsidee halte). :)
DC-Ladung wäre bedeutend besser, gibt's für privat aber leider nicht bzw. schon, aber mit rund 4T€ aufwärts außerhalb meines Budgets. Von daher ist's so besser als direkt aus der Steckdose.
Wie bereits oben geschrieben: März + Oktober zahle ich so keinen Cent zum Laden des E-Autos,
direkt aus PV könnte ich so gut wie garnicht laden, müsste für die letzten 15.000 gefahrenen KM also immer 30 Cent veranschlagen und die wären, weil über Nacht geladen, zudem auch noch Kohlestrom

Es gibt nicht nur direkte Blitzeinschläge, sondern auch indirekte. Z.B. kann eine hohe Spannung in die PV-Verbindungsleitungen induziert werden, selbst wenn außen herum hohe Gebäude oder Bäume sind. Diese hohe Spannung kann den Solarregler und das BMS grillen, und einzelne Zellen dann zerstören und zum Brennen bringen.

Du hast ja einiges in die Sicherheit schon investiert, deshalb solltest Du hier zumindest auf einen Basisschutz nicht verzichten. Der kostet nicht so viel.
Werde ich mir bis zum nächsten Umbau überlegen, ob ich da an den PV-EIngängen nicht doch noch einen größeren Unterverteiler ran bekomme und Blitzschutzmodule rein, das ist im Grunde ja auch kein großer Umbauakt.
Danke

zur redundanten Zellüberwachung: ich denke, das werd ich nicht machen. Meine BMS sind recht failsafe ausgelegt, wenn da irgendwas nicht stimmt, das kpl. BMS kaputt geht oder stromlos wird dann wird der Akku automatisch immer getrennt. Die MosFETs sind standardmäßig getrennt und schalten nur durch, wenn alle Parameter passen.
 
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Emil

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04.04.2006
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Ich habe zufällig eine schöne Analyse eines aus 18650 Zellen gebauten DIY Powerwalls, der in Brand geraten ist, gefunden:

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Diese bestätigt das, was ich oben schon geschrieben habe, dass die Absicherung der Einzelzellen mit Sicherungsdraht nicht ausreicht um einen Brand zu verhindern. Eine einzelne Zelle mit internem Kurzschluss kann durch Erwärmung einen Thermal Runaway auslösen. Hier wurde ein größerer Schaden nur durch die schnelle Reaktion des Besitzers verhindert.

Die Wahrscheinlichkeit steigt mit der Zahl der Zellen, und wird noch verschärft wenn man gebrauchte Zellen verwendet.

Eine wesentliche Sicherheitsmaßnahme ist die regelmäßige Kontrolle der Zelltemperaturen mit einer Thermalkamera. Damit können schadhafte Zellen schnell identifiziert und gegebenenfalls ersetzt werden.

Es kommt nicht auf die Art der Ladung und Entladung an, den Preis oder sonst was an, sondern es ist einzig ein Problem der Wahrscheinlichkeit. Je mehr Komponenten vorhanden sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit dass eine davon ausfällt.

Als anschauliches Beispiel kann hier das Langzeitverhalten von Festplatten dienen. Obwohl einzelne Festplatten eine MTBF von mehreren Millionen h haben, müssen in einem großen Rechenzentrum mit Tausenden Stück ständig welche getauscht werden. Dabei gibt es auch noch die Badewannenkurve. Am Anfang hat man mehr Ausfälle, dann lange Zeit geringere Ausfallraten, und am Schluss steigt die Ausfallrate an.

Es gibt bei der Fertigung von Zellen minimale Abweichungen, die langfristig im Betrieb bei einzelnen Zellen zu Unterschieden führen, die sich über die Zeit verstärken. Ein minimal unterschiedliche Temperatur führt bei wärmeren Zellen zu einer minimal stärkeren Alterung, was den Innenwiderstand minimal erhöht, was wieder zu mehr Erwärmung führt, ....

Schon die Art der Bauweise führt dazu, dass es Temperaturunterschiede bei den Zellen gibt. Die Zellen Innen werden wärmer als die Zellen die von Außen an der Luft gekühlt werden. Die Zellenpacks die an einer Wand anliegen, werden wiederum wärmer als welche die frei an der Luft liegen. Aneinanderliegende Zellen werden mit erwärmt und werden quasi angesteckt, was dann zu einer Kettenreaktion führt.

Da nützen auch irgendwelche Sicherungsdrähte nichts, wie man im obigen Beispiel sieht. Der Fehler startet innerhalb einer Zelle. Die Zelle wird intern immer wärmer, erwärmt auch die Nachbarzellen, usw. Ein Thermal Runaway kann bei Li-Ion Zellen schon unter 100° C starten. Dabei muss die Zelle nicht außen 100° C haben, sondern es reicht an irgendeiner Zelle ein Hotspot mitten in der Zelle. Gerade bei Wickelzellen ist diese Gefahr groß.

Ähnliches Alterungsverhalten haben wir auch bei anderen Batterien, wie z.B. in Reihe geschaltete Bleibatteriezellen oder Batterieblöcke. Auch da wirken sich minimale Unterschied über die Zeit aus, die man nur mit thermischer Konditionierung und ständiger Kontrolle etwas Verzögern kann.

Ich kann Andere nur davor warnen sich so was ins Haus zu holen.

Denn das kann beim kleinsten Fehler auch so ausgehen:

[media]

Ich kann jedem Selbstbauer nur empfehlen LiFePO4 oder gar LTO zu verwenden:

[media]

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Stefanseiner

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29.10.2021
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Danke für die Recherche.

Die Videos kenne ich alle und die meisten habe ich auch selbst verlinkt in meinem Sicherheitskonzept weiter oben.
Ergänzend dazu wäre noch zu erwähnen, dass die meisten Brandunfälle im Zusammenhang mit LiIon nicht bei Selbstbauten oder Powerwalls passieren, sondern bei
- Spielsachen (ferngesteuerte Autos etc.)
- eScooter
- eBikes / eBike-Akkus während des Ladevorgangs im Wohnzimmer
- eZigaretten / Verdampfern
etc.pp.

Da sollte man mindestens genau so viel Augenmerkt drauf legen oder gar mehr (da hier nicht so viele Sicherheitsmechanismen greifen) - wird vermutlich aber absolut niemand machen.

Und auch LFP-Zellen sollte man nicht einfach installieren und dann nie wieder danach schauen, völlig brandsicher sind die bei weitem auch nicht.
LTO ja, aber die kosten mal eben das 10-fache von neuen LiIon-Zellen. Als Gebrauchtware wohlgemerkt.


Klar, Sicherungsdraht verhindert keinen internen, schleichenden Kurzschluss. Aber wie Du schon sagtest: regelmäßige Checks mit der IR-Wärmebildkamera (hab ich, gibt es ab etwa 120€ als Aufsatz für das Smartphone "HT-102") findet man tote Zellen sehr gut.

Noch früher erkennt man solche Zellen mit einem Monitoring wie beim JK-BMS mit aktiv Balancer. Wenn da permanent dasselbe Zellenpack gebalanced wird ist das ein sehr deutlicher Hinweis, dass dort eine Zelle langsam stirbt und man kann sich das Pack dann genauer anschauen.
 
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Werni

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19.02.2019
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Hi allerseits,

zur Risikobegrenzung würde ich die einzelnen Zellpacks einfach in entsprechend feste Metallhousings stecken. Wenn dann mal eine Zelle hochgeht, ist der Schaden auf das entsprechende Zellpack begrenzt. Der nette Geruch ist in der Garage nicht die Vollkatastrophe wie im Wohnraum.

Ich experimentiere hier auch gerade mit verschiedenen Akkuzellen, dazu habe ich mir eine alte runde Stahlmülltonne besorgt (ca. 40 cm Durchmesser und 1m Höhe). Da sind unten 25 cm Sand drin, und in diesem Konstrukt werden dann die Testkandidaten getestet. Gegen die Ausbreitung eines Akkubrandes sollte ich so recht gut geschützt sein. Mir it mal eine NiCD-Mignonzelle hochgegangen, die Erfahrung reicht mir...

Gruß,

Werner

Edit: Gerade gesehen, in deinem Sicherheitskonzept ist eine Einhausung vorgesehen.. Ich sehe aber keine auf den Bildern deiner Powerwall. Würde ich noch nachrüsten, ich denke, das Auto steht in der gleichen Garage ,-)
 
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Stefanseiner

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29.10.2021
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Ich hab ja drei Powerwalls.
Die in der Garage mit 12kWh ist die kleinste und auch die einzige ungeschützte da ich hier am Tag 2x vorbei komme - wenn ich ins Auto einsteige und wenn ich wieder aussteige, da kann ich immer mal einen Blick drauf werfen oder mit der Hand Temperaturen fühlen oder mal eben die App anwerfen.

Die anderen beiden sehen anders aus.
Hierzu hab ich zwei alte Metallspinde genommen, Zwischenböden eingeschweißt und...



...die Außenwände alle mit Isover UKF 40mm WLG032 ausgekleidet, feuerfest bis >1.000°C






unter / seitlich / zwischen den einzelnen Packs sind Separatoren aus 10mm Fermacell, ebenfalls feuerfest > 1.000°C
Sollte ein Pack wegen eines Heater hoch gehen wird sich der Thermal Runaway im Idealfall nur auf dieses eine Pack beschränken und nicht weiter auf die anderen Packs ausbreiten. Oder zumindest stark zeitverzögert



dicht gedrängt passen haargenau 6 Akkupacks (je 60 Zellen) in ein Fach rein




pro Spindtür sind zwei eigenständige 14s60p Systeme unter gebracht, obenauf dann die beiden BMS


den kompletten Bau könnt ihr hier sehen -> DIY 18650 Powerwall Spind 1



mein erster Versuch war übrigens in einer Metallkoste mit ähnlichem inneren Aufbau
das sind 4,3KWh in 840 LiIon Akkuzellen. Zum Bau der Kiste -> KW31 - Solarakku Akkupacks bauen, Dummy-Load, Berufsschule-Akku1
 
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