Lithium-Ionen-Akkus in eigenen Projekten

Bild 1 , Akkupaket aus einem Camcorder

Lithium-Ionen-Akkus werden seit etwa 20 Jahren eingesetzt. Es gibt etliche Arten, die sich durch das Material der Elektroden und des Elektrolyten unterscheiden. Wenn der Elektrolyt in Form einer Paste vorliegt, spricht man von Polymer Akkus. Mehr dazu und eine Erklärung der Funktion findet man bei [1].

Li-Ion-Akkus werden verbaut ,wo viel Energie bei kleinem Volumen nötig ist. Anfangs waren es Mobiltelefone, hochpreisige Notebooks, heute findet man sie vom Akkustaubsauger bis zur elektrischen Zahnbürste. Das Aufmacherbild zeigt ein typisches Akkupaket aus einem Camcorder. Auch in der CQ-DL wurden sie beschrieben und wie man sie nutzen kann. [2].

Sie sind eigentlich optimal, verlangen aber sorgfältigeBrhandlung. Ein  Hersteller von Edeltelefonen musste das auch erfahren: Viele Exemplare eines Handymodells erwiesen sich als kleine Brandbomben. Sie durften nicht mehr in ein Flugzeug, es gab es einen Gesamtrückruf. Der Versand von Li-Ion-Akkus ist nur noch in mit einem spezifizierten Aufkleber gekennzeichneten Paketen erlaubt. Manche Paketdienste verweigern den Transport von Geräten mit Li-Ion-Akkus. Das halte ich zwar für übertrieben, es zeigt aber, dass man einige Regeln beachten sollte!

Information: Die Akkus enthalten auch Lithiumverbindungen, ein Alkalimetall. Diese Metalle sind sehr reaktionsfreudig und brennen leicht, besonders gut beim Kontakt mit Wasser! In den Zellen ist zwar kein metallisches Lithium, aber auch die Verbindungen haben es in sich. Sogar die Feuerwehr hat Probleme, brennende E-Autos zu löschen, oft erfolgt immer wieder eine Selbstentzündung. Sie versenkt deshalb gelöschte E-Autos zur Abkühlung einige Tage komplett in einem wassergefüllten Container. Klingt erst mal abschreckend, aber wir fahren heute mit Autos herum, die 15 mal mehr Energie im Tank haben. Das akzeptieren wir auch.

Was Li-Ion-Akkus nicht mögen:

• Mechanische Beschädigungen, der Grund s.o.
• Tiefentladung unterhalb von etwa 2,5 V . Lithium-Polymer-Akkus müssen sogar oberhalb von 3,3 V bleiben.
• Laden über die Ladeschlussspannung hinaus. Das sind ca. 4,2 V, der Wert ist aber typabhängig. Bei Überschreitung kann der Akku eine ganz heiße Nummer werden.
• Kurzschlüsse (auch kurzzeitig), sie führen zur Überhitzung.
• Temperaturen oberhalb von 80 °C. Die Zellen „gehen durch“ und können brennen.
• Tiefe Temperaturen, die hinterlassen aber keine bleibenden Schäden.

Bei der Tiefentladung geht Elektrodenmaterial im Elektrolyten in Lösung. Beim „Wiederbeleben“ der Zelle wird das Material wieder an der Elektrode abgeschieden. Das erfolgt aber unregelmäßig, der Separator in der Zeile kann durchdrungen werden, was einen Kurzschluss bedeutet. Anleitungen zur „Wiederbelebung“ im Netz sind unverantwortlich! Wird der Akku zu heiß, wird der Elektrolyt chemisch verändert und brandgefährlich. Polymer-Akkus blähen sich außerdem durch entstehende Gase auf. Die sollte man dann umgehend aus der Wohnung entfernen

Bild 2, Akkubox mit Warnhinweis

Amateure haben deshalb lange Li-Ion-Akkus in eigenen Projekten gemieden Ungeschützte Li-Ion-Akkuzellen findet man kaum bei Elektronikhändlern. Die sind dann mit  Warnhinweisen versehen. (Bild ) Offenbar fürchtet man bei eventuell auftretenden  Schäden durch diese Akkus eine Mithaftung.

Kontaktaufnahme

Notebookakkus, die man früher noch entnehmen konnte, wurden von  Bastlern, heute heißen die Maker, untersucht. Ziel war es, sie in anderen Geräten zu verwenden.

Das Ergebnis ist ernüchternd: 4 bis 5 Anschlusspins, aber auf keiner Kombination davon war dem Akkus Spannung zu entlocken. Der Grund: Eine Schutzschaltung im Akkugehäuse kommuniziert mit dem Notebook über einen I2C-Bus und ohne diese Verbindung stellt sich der Akku tot. Beschrieben wurde das auch bei [3] in der CQ-DL. Das Notebook speichert Informationen über die verbleibende Akkukapazität und noch viel mehr in einem EEPROM der Schutzschaltung. Diese überwacht die 3 bis 5 in Reihe geschalteten Einzelzellen und sendet die Informationen an das Notebook. Was gespeichert ist und wie man es ausliest, findet man in einem Artikel bei [6].

Powerbanks, eigentlich gedacht, die Reichweite von Handy-Akkus zu erweitern, sind beliebte  Objekte bei der Suche nach Energiespeichern. Geladen werden sie über eine USB-Buchse, ein Laderegler begrenzt die Ladeendspannung der Akkuzelle(n) auf ca. 4,2 V. Bei der Entladung wird die Spannung über einen Step-Up-Wandler von den 3 V bis 4,2 V der Zelle auf 5 V erhöht, die stehen an einer anderen (!) USB-Buchse zur Verfügung. Das zeichnet sie für eigene Projekte aus: Laden erfolgt problemlos per Handy-Netzteil, die Ausgangsspannung ist fast konstant 5 V. Aber: Alle mir bekannten Powerbanks schalten sich nicht nur bei entladenem Akku ab, sondern auch bei fehlender oder geringer Last. Das geschieht wohl, damit der Step-Up-Wandler nicht durch seinen Eigenverbrauch den Akku leer lutscht. Nach meiner Erfahrung erfolgt die Abschaltung unterhalb von etwa 50 mA Ausgangsstrom nach 1 bis 2 Minuten. Wo 5 V genügen und eine Grundlast vorhanden ist, haben wir eine preiswerte, kompakte Energiequelle, DL7VFS hat das in [2] beschrieben.

Andere Wege existieren, Akkubauformen sind genormt. Bei Li-Ion-Zellen findet man oft den Typ 18650. Wie bei der Primärzelle CR2030 die Zahl über den Zelldurchmesser 20 mm und den Durchmesser 30 Zehntelmillimeter (!) informiert, hat eine 18650-Zelle einen Durchmesser von 18 mm und die Länge 65,0 Millimeter. Das ist etwas größer als eine AA-Zelle. Trotzdem gibt es dafür Halter (Bild 3), sodass man die Zellen in Schaltungen einsetzen kann.

Bild 3, Akkuhalterung mit 18650-Zelle

Zum Laden kann man sie entnehmen und in einem Standardlader (Bild 4) wieder  mit Energie betanken. Man muss allerdings selbst dafür sorgen, dass keine Tiefentladung eintritt.

Bild 4, Standardladegerät, für Li-Ion geeignet

Die Lösung sind Zellen dieses Typs, die ein BMS (Battery Management System) haben Das ist ein Modul, das die Zellen unterhalb der Entladeschlussspannung abschaltet und auch bei Erreichen der Ladeendspannung den Ladevorgang abbricht. Einige dieser Zellen sind durch das BMSein wenig länger als 65 mm. Andere Zellen haben die Normgröße  und die Ladung erfolgt über eine Micro-USB-Buchse an der Zelle. Akkus mit Normmaßen und BMS können wie  normale Akkus verwendet werden. Es lohnt ein Blick zum norddeutschen Händler mit dem R, der führt inzwischen viele Zellformen. Trotz BMS sind bei der Reihenschaltung solcher Zellen zusätzliche Schutzdioden erforderlich. Das ist aber noch suboptimal.

Praxis

Schalten wir trotzdem einmal  mehrere 18650-Zellen ohne BMS  in Reihe, schauen uns aber vorher bei Elektronikhändlern um. Im Fachhandel für Modellbau und auch beim E-Kauf findet man relativ günstig sogenannte Cell-Balancer. (Bild 5)

Bild , 5 Balancer für je 4 Zellen

Man verbindet sie so wie in Schaltung (6) mit den Zellen. Die Cell-Balancer messen ständig die Spannung aller Einzelzellen und schalten den Ausgang des Akkus ab, wenn auch nur eine der Zellen die Entladeschlussspannung unterschreitet, oder die Ladeendspannung überschreitet. Bild 6 zeigt das schematisch. Das Akkupaket ist so geschützt.

Bild 6, Wirkungsweise des Balancers

Eine weitere Funktion kommt hinzu: Wenn auch nur eine Zelle die Ladeendspannung erreicht, müsste man eigentlich den Ladestrom abschalten, die übrigen Zellen werden nicht ganz geladen. Ist eine Zelle fast vollständig geladen, wird über einen Bypass per MOSFET ein Widerstand  parallel zu dieser Zellegeschaltet. Ein Teil des Ladestroms wird an dieser Zelle vorbeigeleitet und „verheizt“, etwas vereinfacht dargestellt. Auch die Baugruppe, die in [3] analysiert wurde, arbeitet so. Sind alle Zellen geladen, erfolgt die Abschaltung. In [4] wird das Verfahren ausführlich erklärt. Ob ein China-Produkt wirklich auch diese Funktion hat, kann man über die Erwärmung der größeren Widerstände kurz vor Ladeschluss feststellen.

Es gibt auch aktive Cell-Balancer, die über trickreiche Schaltregler, die Energie bereits vollständig geladener Zellen auf andere Zellen übertragen [5]. Ebenso kann ein Ladungsausgleich zu entladenen Zellen stattfinden. Diese Technik  findet man in den einfachen Schaltungen aber nicht. (Bild 7)

Bild 7, aktiver Balancer für 4 Zellen

Cell-Balancer gibt es für verschiedene Zellenzahlen und Lade- und Lastströme. Sie sind oft für bestimmte Akkutypen, wie den 18650, spezifiziert. Da kann man nicht mehr so viel falsch machen. Sie begrenzen in der Regel auch den maximalen Entladestrom und wirken als elektronische Sicherung.

Dimensionierung:

Nutzt man andere Akkutypen mit Cell-Balancern, muss man auf den maximal zulässigen Strom achten. Meist wird der Maximalstrom bei den Platinchen angegeben, das sind oft Mondwerte, maximal 50% davon sind realistisch. Noch wichtiger ist die Einhaltung der maximalen Ladendspannung, sie hängt von der Bauweise des Akkus ab. LiFePO₄—Akkuzellen sind dabei besonders sensibel, auch bei Akkuzellen, die wie Tütchen aussehen (Polymer-Akkus), bitte genau recherchieren. Dazu noch eine Ergänzung:

Balancer werden als 3s-, 4s- oder auch 10s-Typ bezeichnet, je nachdem wie viele Zellen im Akku in Reihe geschaltet sind. Es gibt auch Akkus, bei denen mehrere Blöcke von parallel geschalteten Zellen dann in Serie schaltet sind, sie tragen eine ähnliche Bezeichnung. Ein 4s3p-Akku schaltet 4 Blöcke aus je 3 parallel geschalteten Akkus in Serie. Klingt kompliziert, das System sollte aber erkennbar sein.

18650-Zellen haben eine Kapazität von etwa 3 Ah. Drei parallele 18650-Zellenkommen dann auf ca. 10 Ah. Das ist etwa die Kapazität eines Akkus aus einer typischen Powerbank. Will man aus 4 dieser Powerbankakkus Akkupakete bauen, sollte der Balancer für 4s3p geeignet sein. Hier fließen aber höhere Ströme als bei vier 18650-Einzelzellen in Reihe. Aber Vorsicht: Powerbanks enthalten oft Lithium-Polymer-Akkus (Tütchenform), die dürfen nicht so weit entladen werden. Die Spannungsgrenzen von Akku und Balancer genau beachten!

Das sollte helfen, mögliche Kombinationen aus Akkus und Balancern zu finden, wenn es keine Angaben zur Strombelastbarkeit der Balancer gibt.

Nachtanken ist bei diesen Akkus recht problemlos. Man lädt sie mit konstantem Strom, wobei aber die Spannung begrenzt wird. Je höher der Ladestrom ist, desto stressiger ist der Vorgang für die Zeile. Wo kein Zeitdruck besteht, ist es sinnvoll den Ladestrom auf C/10 bis C/5 zu begrenzen. Das bedeutet für die 18650 er-Zellen einen Strom zwischen 300 mA und 600 mA. Die maximale Spannung wird typisch auf 4,2 V x Zellenzahl begrenzt. Bei vier Akkus in Reihe wären das 16,8 V. Zum Ladeschluss sinkt dann der Strom auf einen kleinen Wert ab. Es wäre also möglich, ein Labornetzgerät auf 16,8 V und 0,3 A einzustellen, um damit zu laden. Wir sollten in der Lage sein, eine kleine Schaltung zu entwickeln, die Ladebedingungen ermöglicht. Kleine Spannungsregler  15 V / 0,5 A erzeugen wenig Wärme, wenn man Schaltregler verwendet. Die Ladeschaltung ergänzt den Balancer um eine weitere Sicherheitsstufe.

Bild 8,Ladestufe mit Schaltreglerr

Vorsichtige Leute laden und testen selbstgebaute,  fertige Akkupaket erst einmal draußen. In meinem Umfeld sprach ein Elektriker einmal davon, seinen Pedelec-Akku mit neuen Zellen versehen. Es gab später einen Feuerwehreinsatz wegen eines Akkubrands und viel Sachschaden. Zwar  wurde nie darüber geredet, aber ein Zusammenhang liegt nahe. Sollte ein Akku wirklich einmal brennen, das beste Löschmittel ist ein Eimer Sand.

Aber bei sorgfältigem Vorgehen, wird man den nicht benötigen. Ebenso wie man bei entsprechender Vorsicht mit Hochspannung umgehen kann, ist das auch bei Li-Ion-Akkus möglich.

[1] de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator

[2] CQ-DL 7/2021 S8

[3] CQ-DL 7/2021 S38, Wiederbelebung eines Notebookakkus

[4] en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

[5] https://www.elektronikpraxis.vogel.de/worauf-es-beim-battery-balancing-von-lithium-ionen-akkus-ankommt-a-682080/

[6] https://www.heise.de/select/ct/2019/18/1566748989674181

Ein leerer Akku geht in die Disco, da sagt der Türsteher: "Sorry, nur für geladene Gäste"