Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

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Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SegFenn » 29.12.2016 22:28

Nachdem ich hier im Forum am 19. Mai 2016 bereits das mobile Diagnosegerät für Segway-Akkus vorgestellt hatte, möchte ich der werten Forengemeinde meine aktuelle Innovation nicht länger vorenthalten:

Vollwertiger Diagnose-Messadapter für Segway-Akkus mit bidirektionaler Bluetooth-Funktionalität.

Im Vordergrund der BT-Adapter - P1100152.JPG

0.0) Motivation

Nach Abschluß der Entwicklungsarbeiten zum hier vorgestellten Projekt "Mobiles Diagnosegerät" - der Luxus-Variante mit einem hochwertigen Farb-TFT-Display - hatte ich nach einer Möglichkeit gesucht, alternativ die für einen Anwender wichtigen Werte eines Segway-Akkus zu messen und auf einem Tablet / Smartphone darstellen zu können. Zudem bestand der Wunsch nach einer möglichst kleinen und kostengünstigeren Messvorrichtung, ohne auf die vom mobilen Diagnosegerät her bekannte Funktionalität oder Aspekte der Geräte- und Betriebssicherheit verzichten zu müssen.

Das Ergebnis ist eine hochinnovative "Bluetooth-Messvorrichtung für Segway-Akkus", welche ich im Folgenden kurz "BT-Adapter" nennen und im Detail vorstellen möchte (BT = Bluetooth).

1.0) Prinzip

Es ist bekannt, dass der Segway-Akku über einen Systembus mit der Segway-Base kommuniziert und diverse Daten ausgetauscht werden. Nach Aufstecken des BT-Adapter auf den zu prüfenden Segway-Akku tritt der BT-Adapter über den Systembus mit dem Akku in Verbindung, liest die relevanten Daten des Akkus aus und hält diese zur Weiterleitung via Bluetooth bereit. Nachdem ein Tablet / Smartphone mit dem BT-Adapter verbunden wurde (BT connected), werden die Daten gesendet und auf dem Tablet / Smartphone ausgegeben.

Die Erfassung der einzelnen Messwerte wird größtenteils vom Segway-Akku (BMS) selbst durchgeführt und via Systembus zum BT-Adapter übertragen - das Verfahren entspricht dem des TFT-Diagnosegerätes. Zur Kontrolle hat der BT-Adapter einen davon unabhängigen Messkreis, womit wichtige Spannungen nochmals gegengeprüft werden (Redundanz).

Auch bei diesem Konzept wurde großer Wert auf Sicherheit und Netzunabhängigkeit gelegt, das Gerät wird direkt vom Segway-Akku versorgt: Im Gegensatz zu anderen Geräten besteht der Vorteil der Netzunabhängigkeit, da der BT-Adapter ohne 230V-Netzteil und Batterien auskommt. Die Stromaufnahme durch den BT-Adapter ist dabei verhältnismäßig gering: 6 mA fließen nach dem Aufstecken des Adapters auf den Akku (BT inaktiv), max. 15 mA im laufenden Betrieb (BT aktiv).

Weiterhin wurden diverse Kommandos implementiert, die über das Tablet / Smartphone eingegeben und an den BT-Adapter gesendet werden können, womit sich Ablauf und Darstellungsart durch den Anwender beeinflussen lassen. Der Anwender hat so die Möglichkeit, sich die einzelnen Werte nach Relevanz und bestmöglicher Lesbarkeit anzuordnen, einzelne Werte wegzulassen, zusätzliche Leerzeilen einzufügen, etc.
Selbstverständlich werden die vom Anwender gemachten Änderungen intern gespeichert und bleiben bei Stromausfall (also nach Abziehen des BT-Adapters) für die nächste Sitzung erhalten.

2.0) Funktionsumfang

Die Ausgabe der Akkuwerte erfolgt entweder auf Anforderung durch den Anwender (= On Demand) oder fortlaufend aktualisiert (= Free Run) und in einer von drei wählbaren Darstellungsarten:

- MINI = Minimalausgabe der relevanten Akkuwerte
- MAXI = Maximalausgabe der Akkuwerte inkl. der 23 einzelnen Zellenspannungen
- USER = User definiert; der Anwender kann Werte und Ausgabe-Reihenfolge selbst definieren

Der vom Akku (normalerweise zur Segway-Base) gesendete Status kann somit permanent visualisiert werden, womit bereits im Vorfeld eingeschätzt werden kann, ob die Base einen Akku als fehlerfrei akzeptiert oder nicht. Zusätzlich warnt eine akustische Alarmvorrichtung den Anwender vor einem kritischen Betriebszustand bzw. weist auf eine mögliche Fehlersituation hin.

Folgende Werte werden vom BT-Adapter via Bluetooth gesendet:

- Status-Bytes (entspricht exakt dem Datenstrom Akku <-> Base)
- Akku-Status (OK / FAIL)
- Anzeige des Akku-Fehlercode bei Status = FAIL
- 23 Zellenspannungen, Genauigkeit +/- 0,5%
- Maximale Zellendifferenz in mV (Drift)
- Durchschnittliche Zellenspannung in mV (AVG)
- Lithium-Zelle mit höchster Spannung, mit Angabe der Zellen-Nr. (MAX)
- Lithium-Zelle mit niedrigster Spannung, mit Angabe der Zellen-Nr. (MIN)
- Gesamtspannung in V (Messung durch Akku-BMS), Genauigkeit +/- 0,5%
- Gesamtspannung, gemessen vom BT-Adapter-internen ADC, Genauigkeit +/- 0,5%
- pos. Strom in mA (Entladen), Genauigkeit +/- 1%
- Akku-Gesamttemperatur in °C
- Ladezustand SOC (State Of Charge) in %

Weitere Eigenschaften bzw. Funktionen des BT-Adapters:

- Akustische Alarmfunktion bei Unter- / Überspannung
- Akustische Alarmfunktion bei Status = FAIL (mit Fehlercode-Anzeige)
- Datenübertragung zum Tablet / Smartphone über Bluetooth (On Demand / Free Run)
- Anwender-programmierbare Ablaufsteuerung
- Vom Anwender gemachte Änderungen bleiben dauerhaft erhalten (EEPROM)
- Die letzte Auswahl bleibt dauerhaft erhalten (EEPROM)
- Selbsttestfunktion
- Geräte-Funktion im Bereich 48...88 V
- Original Segway-Steckverbinder (vergoldet)
- BT-Adapter verbaut im schlagfesten ABS-Kleingehäuse (9 x 5 x 3 cm)

3.0) Redundante Spannungsmessung

Wie bereits beim TFT-Diagnosegerät wurden mehrere Schutzmechanismen vorgesehen, um sowohl den BT-Adapter, wie auch einen kontaktierten Akku bestmöglich zu schützen.

Ein zusätzliches Plus an Sicherheit gewährleistet dabei die von mir integrierte Redundanz durch doppelt ausgelegte Spannungsmesskreise: Der BT-Adapter führt mittels internen AD-Wandlern eigene Spannungsmessungen durch, u.a. wird die Akku-Klemmenspannung mit einer Genauigkeit von +/- 0,5% permanent gemessen und auf kritische Grenzwerte geprüft (U_ADC).
Damit ist ein zuverlässiger Vergleich zu der von der Akku-BMS ermittelten und über den Systembus übertragenen Akku-Gesamtspannung möglich (U_I/O). Dadurch lassen sich nicht nur die Spannungswerte auf Plausibilität überprüfen, selbst bei Störung / Ausfall des Systembus ist sich der BT-Adapter über die tatsächliche Höhe der Akku-Klemmenspannung stets im Klaren.

4.0) Fotostrecke

Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart MINI (MIN / MAX / AVG):

MINI-Darstellung - P1100139.JPG

Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart MAXI (inkl. der 23 Einzelzellen):

MAXI-Darstellung mit 23 Einzelzellen.JPG

Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart USER (Beispiel mit Leerzeile & Copyright):

USER-Darstellung - P1100160.JPG

Beispiel für die Messgenauigkeit des BT-Adapters und die Plausibilität der einzelnen Spannungswerte: Bei einer tatsächlichen Akku-Klemmenspannung von 76,0 V (FLUKE, unbelastete Messung) weist der BT-Adapter einen Wert von U (ADC) = 76,05 V aus. Der Messfehler beträgt 50 mV, die Genauigkeit ist damit besser als + 0,1% (FLUKE = Referenz mit einer Grundgenauigkeit von +/- 0,05%):

50mV Messgenauigkeit - Fluke wurde kalibriert mit 0,05% BT.jpg

5.0) Aussicht

Das gesamte Wissen aus der Entwicklung des TFT-Diagnosegerätes konnte beim BT-Adapter erfolgreich umgesetzt werden. Der BT-Adapter wird einfach auf den zu prüfenden Segway-Akku aufgesteckt, die Daten des Akkus werden ausgelesen und via Bluetooth gesendet - Fertig.

An dieser Stelle stellt sich die Frage, ob der BT-Adapter auch direkt in den Akku eingebaut werden könnte. Somit könnten alle relevanten Werte vom Akku überprüft werden, ohne der Notwendigkeit, den Akku dazu vom Segway demontieren zu müssen. Es ist technisch tatsächlich möglich (und von mir testweise bereits realisiert worden), die Leiterplatte mit dem BT-Sendemodul DIREKT IN DEN AKKU einzubauen! Somit können WÄHREND DER FAHRT alle relevanten Daten der beiden Akkus visualisiert werden - hier dürfte insbesondere die belastungsabhängige Stromhöhe interessant sein. Dazu ist es notwendig, den Systembus vom / zum Akku zusammen mit der Base zeitversetzt zu nutzen - quasi ein Multi-Master-System. Untersuchungen im laufenden Segway-Betrieb haben ergeben, dass der interne Systembus zum Akku tatsächlich die größte Zeit nicht genutzt wird, es also möglich ist, in den Pausen zwischen der Base-Aktivität selbst mit dem Akku zu kommunizieren. Das dazu genutzte Verfahren ist etwas tricky, ein dauerhafter Parallelbetrieb ist nach meiner Erfahrung dennoch problemlos möglich, ohne das die zusätzliche Kommunikation den Akku-µC überlastet (mehr Anfragen) oder die Base mit einem Fehler in die Notabschaltung geht (unerwartete Busaktivität).

Hierzu wird es von mir mit Sicherheit weitere Entwicklungen geben.

6.0) Weiterführende Dokumentation

Ein Video zur Funktionalität des BT-Adapters findet sich in meinem internationalen YT-Kanal (Tipp: Dort kann eine zusätzliche Beschreibung durch Klick auf den Button "MEHR ANZEIGEN" aufgeklappt werden):

https://youtu.be/DwmkY0vo8Cg
.

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon mathiegi » 30.12.2016 12:26

Hallo SegFenn ich versuche mal ganz vorsichtig und sachlich zu deinem interessanten Gerät was zu schreiben:

Echt cool und narrensicher, hier kann nichts falsch gesteckt werden. Wie können die Daten auf dem Tablet dargestellt werden? Braucht man eine App zu installieren, oder geht dies als Webinterface im Browser?
Wichtig wäre für mich dass die Werte auf einem
iPad oder iPhone dargestellt werden können.

Die Idee mit dem fixen Einbau in den Akku finde ich brilliant. Dann kann man endlich mal die Ströme im Fahrbetrieb beobachten, auch die Rekuperierung.

Wo liegt der Preis für so einen Adapter?
Liebe Grüsse

mathiegi/der Segwayflüsterer

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon mathiegi » 30.12.2016 17:45

Weitere Gedanken:
Würde man das Teil in den Akku integrieren müsste man diesen vor dem ständigen entladen schützen.
Eine Idee wäre die ganze Elektronik erst zu aktivieren wenn die 12V Hilfspannung am Akku anliegt.
Ist denn eine Strommessung auch angedacht?
Liebe Grüsse

mathiegi/der Segwayflüsterer

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon Roberto » 30.12.2016 20:17

Hallo Segfenn

Dazu ist es notwendig, den Systembus vom / zum Akku zusammen mit der Base zeitversetzt zu nutzen - quasi ein Multi-Master-System. ..............................in den Pausen zwischen der Base-Aktivität selbst mit dem Akku zu kommunizieren. Das dazu genutzte Verfahren ist etwas tricky, ein dauerhafter Parallelbetrieb ist nach meiner Erfahrung dennoch problemlos möglich, ohne das die zusätzliche Kommunikation den Akku-µC überlastet


Hast Du das schonmal probiert ? (in der Lücke zu senden)
Bei mir hatte es nicht funktioniert.
(habe es aber nur normal probiert..)

l.G. Roberto
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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SegFenn » 31.12.2016 12:43

mathiegi hat geschrieben:Die Idee mit dem fixen Einbau in den Akku finde ich brilliant.

Vielen Dank; mathiegi! Das ist überaus freundlich von Dir!

mathiegi hat geschrieben:Wichtig wäre für mich dass die Werte auf einem iPad oder iPhone dargestellt werden können.

Das ist möglich, derzeit aber nur für Android realisiert.

mathiegi hat geschrieben:Wo liegt der Preis für so einen Adapter?

Der BT-Adapter ist kein Massenprodukt. Anzustreben wäre ein Preis von 3xx € - schau'n mer mal wieviele Interessenten sich zu diesem Preis hier im Forum begeistern können ...

mathiegi hat geschrieben:Würde man das Teil in den Akku integrieren müsste man diesen vor dem ständigen entladen schützen. Eine Idee wäre die ganze Elektronik erst zu aktivieren wenn die 12V Hilfspannung am Akku anliegt.

Genau so wird das gemacht! In meinem 9Ah-Akku wird seit Jahren auf diese Weise die Zusatzelektronik aktiviert.

mathiegi hat geschrieben:Ist denn eine Strommessung auch angedacht?

Aber natürlich. Der jeweilige Strom ist auch für mich äußerst interessant, nicht nur für einen Akku-Leistungstest, sondern insbesondere WÄHREND der Fahrt. Derzeit bin ich technisch in der Lage alle 10ms die Höhe des aktuellen Batteriestroms zu ermitteln. Die dabei erreichbare Genauigkeit liegt bei +/- 1%.

Noch genauer und schneller ginge es nach Einbau einer kleinen Leiterplatte mit dem Stromsensor ACS712, den ich bereits in einem anderen Projekt einsetze. Dieser kann +/- 30A messen und kostet wenige €:

https://eckstein-shop.de/30A-Stromsensor-ACS712-30-mit-Analogausgang

Stromsensor ACS712-Datasheet.pdf
(651.16 KiB) 168-mal heruntergeladen


Roberto hat geschrieben:Hast Du das schonmal probiert ? (in der Lücke zu senden). Bei mir hatte es nicht funktioniert. (habe es aber nur normal probiert..)

Wichtig ist es, keinen Fehler zu provozieren, den Systembus Base <-> Akku also in keinem Fall zu kompromittieren. Auch darf der Akku-µC (BMS) nicht durch zu viel Busaktivität überlastet werden, sonst könnten die tatsächlich wichtigen Anfragen der Base möglichweise nicht mehr oder nicht schnell genug bearbeitet werden (Response Time after Base-Request). Einer meiner Lösungsansätze im Multi-Master-System sieht daher vor, dass dem Base-Master höchste Priorität beim Buszugriff eingeräumt wird, denn dieser weiß nichts von der Existens eines weiteren Busteilnehmers. Technisch wurde das von mir gelöst, indem ich den Systembus permanent überwache. Wenn ich nun den Akku adressieren möchte und dabei feststelle, dass die Base ihrerseits einen Aufruf initiieren möchte, gebe ich den Systembus sofort wieder frei, damit die Base auf den Akku störungsfrei zugreifen kann.
Die Beachtung des Timings ist dabei äußerst wichtig und ein schneller Controller (µC) vonnöten: Um festzustellen, ob die Base auf den Akku zugreifen möchte, benötige ich weniger als eine µs!

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon Segfuchs » 31.12.2016 13:06

Hallo SegFenn,
super Konzept! - Macht Laune auf die nächste Segway-Saison :-)
Also ich wäre zu einem Preis von 3xx.- dabei; allerdings würde ich - wie Mathiegi - eine Lösung für´s iPad/iPhone benötigen.

Einen guten Rutsch für alle Forumsmitglieder - Happy Gliding in 2017!
Der Segfuchs

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon stephanix » 31.12.2016 17:43

Hey SegFenn
Sehr ...sehr....seehhrrr interessant , hätte auch interesse an deinem BT-Adapter ... Weiter soooooooo Grüsse und einen Guten Rutsch

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SegFenn » 05.01.2017 11:45

boubttops102 hat geschrieben:hey leute, hab mir heute ein hoverboard zugelegt, doch die enthaltene fernbedienung funktioniert nicht, sie leuchtet nicht und bewirkt an dem hoverboard natürlich auch nichts.

Bitte den Hersteller / Importeur kontaktieren; ggf. das Gerät zurückgeben und einen Segway zulegen!

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon mathiegi » 05.01.2017 13:05

Ich hatte auch mal mehrere Hoverboards, diese sind aber leider alle mechanisch gebrochen oder die Elektronik ausgestiegen. Auch dürfen diese gar nicht auf öffentlichen Grund gefahren werden.
Wenn ich mich richtig erinnere war die Fernbedienung nur zum blockieren, deblockieren und ausschalten da.
Einschalten war ausschliesslich durch die Taste am Fahrzeug möglich. Es liegt ja sicher eine Bedienungsanleitung bei, die du ja sicherlich vor dem ersten Gebrauch studiert hast.
Wir können dir leider hier nicht weiter helfen, da es sich um kein Produkt von Segway INC handelt.
Liebe Grüsse

mathiegi/der Segwayflüsterer

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SegFenn » 05.01.2017 15:57

mathiegi hat geschrieben:Ich hatte auch mal mehrere Hoverboards, diese sind aber leider alle mechanisch gebrochen

Gebrochen sind die Teile doch erst, als ihr wieder eure Bürostühle drauf geschraubt hattet ... :dance1:

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SEGPOINT » 28.07.2017 13:01

Moinsen die Herren,

Ich bin gerade auf diesen Fred gestoßen. Gibt es inzwischen eine Kaufmöglichkeit für die BT Version?

Gerne Info mit Preis per PN.

Vg Micha
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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SegFenn » 28.07.2017 13:11

Hast eine PN ...

FischFuss
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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon FischFuss » 26.11.2018 16:13

Hallo zusammen!
@SegFenn
wie sieht das denn mit dem Auslesen der Einzelzellenspannung aus, wenn man den BT-Adapter intern in den von Dir entwickelten 9Ah Akku einbaut?
Beim originalen Akku bekommt man die Werte doch vom BMS - aber beim 9Ah Akku sind die Zellen nicht mit dem BMS verbunden.
Hat der BT-Adapter genug Eingänge, damit man die 20 Zellen direkt dort zur Messung anschließen kann?
Das wäre interessant um den Zellendrift im Auge zu behalten

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Re: Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!

Beitragvon SegFenn » 26.11.2018 16:57

FischFuss hat geschrieben:@SegFenn
wie sieht das denn mit dem Auslesen der Einzelzellenspannung aus, wenn man den BT-Adapter intern in den von Dir entwickelten 9Ah Akku einbaut? Beim originalen Akku bekommt man die Werte doch vom BMS - aber beim 9Ah Akku sind die Zellen nicht mit dem BMS verbunden.
Hat der BT-Adapter genug Eingänge, damit man die 20 Zellen direkt dort zur Messung anschließen kann?
Das wäre interessant um den Zellendrift im Auge zu behalten

Hier habe ich verschiedene Möglichkeiten und Verfahren vorgesehen, gern können wir das in Zukunft noch weiter definieren & ausarbeiten. Wichtig ist es m.E., die Zusammenhänge zu verstehen. Vieles hat sich auch im Laufe der Zeit und mit neuer Erkenntnislage geändert.

Ein Bluetooth-Modul kann grundsätzlich in ein Akku-Gehäuse eingebaut & genutzt werden:

1.) In einem originalen Serien-Akku (23s4p), welcher für den Einbau geöffnet werden muss.
2.) In einem modifizierten Akku mit 20s4p (Akku-Bauprojekt hier im Forum mit 9,0 Ah).

Bei letzterer Variante werden die 20 Einzelspannungen tatsächlich nicht mehr gemessen, da die 20 Zellen nicht an den 23 Balancern angeschlossen werden. Die 20 Zellen dafür an den ADC des Bluetooth-Controllers anzuschließen wäre möglich, aber zu aufwändig. Ich hatte überlegt die erste Zelle (nach Masse) stetig zu messen, jedoch würde der (selbst minimale) Meßstrom diese Zelle einseitig belasten und über die Zeit zu einer Drift führen, die dann wieder kompensiert werden müsste.

Wenn ich bei meinem 9,0 Ah-Selbstbau-Akku die Spannung der 23 Einzelzellen über den I²C-Bus auslese - was zwar möglich aber nicht sehr sinnvoll wäre - bekomme ich 23x nahezu den gleichen Wert, also Akku-Klemmenspannung / 23. Dies liegt ja daran, dass für den 20s4p-Umbau nun eine Reihenschaltung von 23 Einzelwiderständen den 23 BMS die einzelnen Zellenspannungen zuspielt bzw. simuliert (einfacher Spannungsteiler), die eigentlich nicht da sind, da die 20 verwendeten SONY-Zellen eine höhere Nennspannung haben, welche von den BMS ohnehin nicht verarbeitet werden könnte.

Das Auslesen der 23 Einzelzellen macht beim Serien-Akku durchaus Sinn, da hier die Drift höher als bei den verwendeten SONY-Zellen ist. Ich kontrolliere beim Selbstbau-Akku jährlich die Zellendrift, indem ich alle 20 Zellen durchmesse (Tipp: Das jährlich Prüfen der Zellen empfehle ich jeden, der seine Akkus mit neuen Zellen ausgerüstet hat). Die Einzelspannungen entsprechen dabei ziemlich genau dem Wert (Akku-Klemmenspannung / 20), wobei eine Drift von unter 25 mV regelmäßig erreicht & gemessen werden konnte.
Für das Akku-Bauprojekt würde ich die Bluetooth-SW entsprechend anpassen, die Ausgabe der 20 Einzelspannungen wäre dann tatsächlich obsolet...

Das obige Video zeigt übrigens einen unmodifizierten Serien-Akku mit 23s4p.


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