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Akkutechnologien Lithium-Ionen-Akkus – Grundlagen und Design

| Autor / Redakteur: Rudolf Sosnowsky * / Thomas Kuther

Immer mehr Geräte werden mit Li-Ion-Akkus betrieben – aber das Design anwendungsspezifischer Akkus ist für viele Entwickler dennoch ein Buch mit sieben Siegeln. Wir erklären, worauf es dabei ankommt.

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Das Batterie-Management-System: Seine Sicherheitsfunktionen sorgen für einen störungsfreien Betrieb des Akkupacks
Das Batterie-Management-System: Seine Sicherheitsfunktionen sorgen für einen störungsfreien Betrieb des Akkupacks
(Bild: HY-LINE )

Lithium-Ionen-Akkus weisen im Gegensatz zu Nickel-Metall-Hydrid- oder Nickel-Cadmium-Zellen keinen Memory-Effekt auf, der bei Teilzyklen für eine nachlassende Kapazität verantwortlich ist. Zudem ist ihre Zellenspannung höher als bei den anderen beiden Technologien, sodass von der Elektronik handhabbare Spannungen auch ohne Serienschaltung zur Verfügung stehen.

Darüber hinaus können portable Geräte dank der geringeren Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus lange in Bereitschaft gehalten werden, und ihr niedriger Innenwiderstand erlaubt die Entnahme von hohen Strömen wie sie etwa beim Anlauf eines Motors gefordert sind. Bei portablen Anwendungen spielt auch die geringe Masse eine Rolle.

Lithium-Ionen-Akkus erfordern eine besondere Sorgfalt

Im Gegenzug verlangen Lithium-Ionen-Akkus eine besondere Sorgfalt in der Handhabung. Ein Akkupack aus Lithium-Ionen-Zellen kann eine große Energiemenge speichern, sodass er nur über eine elektronische Schutzschaltung in Verbindung mit der Außenwelt treten darf. Dieses Batterie-Management-System (BMS) begrenzt Lade- und Entladeströme und sorgt dafür, dass der Akku nur bei passender Temperatur geladen oder entladen wird.

Akkupack aus mehreren Einzelzellen

Ein Akkupack wird aus einzelnen Zellen zusammengesetzt. Im einfachsten Fall kann dies nur eine einzige Zelle sein. Über die Serienschaltung mehrerer Zellen wird die Nominalspannung des Packs erreicht, die ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Zelle ist. Eine Parallelschaltung von Zellen sorgt für eine Erhöhung der Kapazität und Stromfähigkeit, die dann ebenfalls ein Vielfaches einer Einzelzelle beträgt.

Nickelstreifen verbinden die einzelnen Zellen

Einzelne Zellen werden mit Hilfe von Nickelstreifen durch Punktschweißung in Serien- und Parallelschaltung verbunden, um die gewünschte Spannung und Kapazität zu erzielen. Die Plus- und Minus-Anschlüsse des Packs werden mit dem Batterie-Management-System verbunden.

Das Batterie-Management-System – Definition und Bestandteile:

Ein Temperaturfühler meldet die Zelltemperatur ans BMS

Der Temperaturfühler meldet die Zelltemperatur an das Batterie-Management-System, das bei Unter- oder Übertemperatur den Lade- oder Entladevorgang unterbricht. Beim Design des Akkupack s wird die wärmste Stelle ermittelt und der Fühler dort angebracht. Bei Bedarf kann der Temperaturfühler direkt nach außen geführt anstatt mit dem Batterie-Management-System verbunden werden.

Die Überstrom-Sicherung arbeitet unabhängig vom Batterie-Management-System

Als Rückfallebene im Falle eines katastrophalen Versagens des Batterie-Management-Systems ist eine sich selbst rückstellende Überstromsicherung (Polyswitch) eingebaut. Unabhängig vom Batterie-Management-System wird der Stromkreis im Falle eines den maximalen Lade- oder Entladestrom stark übersteigenden Stromes unterbrochen und der Akkupack geschützt. Alternativ kann statt des Polyswitch eine Schmelzsicherung eingesetzt werden, die den Stromkreis irreversibel unterbricht.

Das Batterie-Management-System bindet den Zellenblock elektrisch an die Umgebung an

Dem Batterie-Management-System kommt eine wichtige Aufgabe zu. Vor allem aus mehreren Zellen bestehende Akkupack s kommen nicht ohne die Schutzfunktionen eines Batterie-Management-System auf den Markt. Das BMS bindet den Zellenblock elektrisch an die Umgebung an. Die Sicherheitsfunktionen sorgen für einen störungsfreien Betrieb, darüber hinaus kann das Batterie-Management-System den Ladezustand überwachen und über eine Schnittstelle an das Gerät weitergeben.

Wichtige Sicherheitsfunktionen im Batterie-Management-System

Im Batterie-Management-System sind wichtige Sicherheitsfunktionen integriert:

  • Überwachung der Temperatur: Der Akkupack darf nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs aufgeladen oder entladen werden. Sie werden durch die Zelle und deren Chemie vorgegeben. Typische Werte für die Ladung sind 0 bis 40 °C, für die Entladung –10 bis 65 °C.
  • Überwachung des Lade- und Entladestroms: Bei Überschreiten des maximalen Stroms wird der Akkupack von den Klemmen mit einem Leistungshalbleiter abgetrennt. Dieser Vorgang ist reversibel. Oft wird der Überwachung noch eine Zeitfunktion gegeben, so dass für kurze Spitzen höhere Ströme zur Verfügung stehen als für Dauerlast.
  • Überwachung der Zellenspannung: Die Zellenspannung muss sich in einem definierten Bereich bewegen, um den Akku weder durch Überladung noch durch Tiefentladung zu schädigen. Bei Überladung entsteht Verlustwärme, die zur Entzündung führen kann, bei Tiefentladung wird die Zelle nichtreversibel geschädigt.

Die vorhandenen Schutzfunktionen dienen der Eigensicherung des Akkupack s und entbinden die Applikation nicht von einem grundlegenden Schutz, z.B. vor Tiefentladung. Das Batterie-Management-System ist kein Ladecontroller!

ICs zur Überwachung:

Bild 1: Die einzelnen Zellen des Akkupacks werden mit Hilfe von Nickelstreifen durch Punktschweißung in Serien- und Parallelschaltung verbunden, um die gewünschte Spannung und Kapazität zu erzielen
Bild 1: Die einzelnen Zellen des Akkupacks werden mit Hilfe von Nickelstreifen durch Punktschweißung in Serien- und Parallelschaltung verbunden, um die gewünschte Spannung und Kapazität zu erzielen
(Bild: HY-LINE )

Alle Funktionsblöcke in einem speziellen IC

Verschiedene Halbleiterhersteller liefern spezialisierte ICs, die alle bereits beschriebenen Funktionsblöcke zur Überwachung enthalten. Darüber hinaus bieten einige die Möglichkeit, in das Gehäuse des Akkupack s integrierte LEDs anzusteuern. Eine ebenso eingebaute Folientaste initiiert die Anzeige des Ladezustands in groben Schritten, was oft ausreicht, um den Ladezustand eines Akkupack außerhalb des zugehörigen Geräts einzuschätzen.

Kommunikation der ICs mit dem Host

Ihre Stärken spielen die ICs in der Kommunikation mit dem Host aus. Das kann der Prozessor des Gerätes sein, in dem der Akku betrieben wird, aber auch ein externes Lade- oder Testgerät. Während der Fertigung werden die Parameter des Batterie-Management-System gespeichert, z.B. Zellenkonfiguration und Lade-/Entladeparameter, die später nicht mehr geändert werden.

Im Betrieb ist die Meldung des Ladezustandes so exakt, dass Geräte eine Anzeige in Prozent oder Restlaufzeit ausgeben können. Das externe Ladegerät kann auf weitere Parameter zugreifen, um den Ladevorgang in Abhängigkeit vom Zellstatus zu optimieren. Im Labor kann der Zustand (Temperatur, Zellenspannung) einzelner Zellen ausgelesen werden, um den Status des Akkus oder während des Betriebs aufgetretene Ereignisse festzustellen. Sollte das Batterie-Management-System den Akku wegen einer Fehlerbedingung wie Tiefentladung oder Kurzschluss von den Klemmen getrennt haben, lässt sich dies wieder aufheben.

Weitere Parameter im nichtflüchtigen Speicher

Im nichtflüchtigen Speicher des Batterie-Management-System-ICs lassen sich auch Parameter wie Seriennummer, Hersteller oder Produktionsdatum ablegen. Mit der integrierten CPU kann sogar ein Kopierschutzmechanismus implementiert werden, sodass das Gerät nur mit Original-Akkus arbeitet. So werden wirkungsvoll Schäden an Akku und Gerät verhindert. Der Hersteller eines Gerätes kann damit erzwingen, dass bei Wartungsarbeiten – die von Händlern oder Drittpersonen ausgeführt werden – nur Original-Akkus verwendet werden und somit die Qualität erhalten bleibt, die der Endverbraucher gekauft hat.

Kapazität und Laden von Lithium-Ionen-Akkus:

Methoden der Kapazitätsmessung von Akkus

Zur Bestimmung der im Akku enthaltenen Kapazität gibt es mehrere Methoden. In jedem Fall muss man die Randbedingungen wie Temperatur und Entladestrom mit einrechnen, da die nutzbare Kapazität und somit die entnehmbare Energiemenge davon abhängt. Zum einen kann man den Verlauf der Spannung über der Zeit am Akkupack messen. Zum anderen kann man die eingespeiste Ladung „mitzählen“ und die entnommene Ladung davon subtrahieren. Dazu gibt es fertige ICs, die auch die anderen Randbedingungen berücksichtigen und die Kapazität recht genau angeben. Hersteller nennen diese Technologie „Coulomb Counting“ oder „Gas Gauge“.

Dieses Verfahren ist verbreitet, aber relativ ungenau. Eine Alternative ist das so genannte „Impedance Tracking“, das im laufenden Betrieb die Impedanz der Zelle bestimmt. Damit wird eine relativ genaue Kapazitätsbestimmung möglich, die aber eine genaue Kenntnis der Chemie der Zelle voraussetzt. Die Halbleiterhersteller arbeiten dazu eng mit den Zellenherstellern zusammen.

Zell-Balancing erhöht die Lebensdauer des Akkupack s

Um die Kapazität des Akkupacks über die gesamte Lebensdauer gleich hoch zu halten, muss der Ladezustand aller Zellen im Pack möglichst gleich sein. Mit Hilfe von Widerständen, die parallel zu den Zellen geschaltet werden, wird der Ladestrom so aufgeteilt, dass alle Zellen im Akkupack die gleiche Ladung erhalten. Einzelne Zellengruppen werden somit nicht überladen und eine zu geringe Ladung wird damit ebenfalls ausgeschlossen. Beides führte für den gesamten Akkupack zu einer verringerten Lebensdauer.

Ladegeräte für Lithium-Ionen-Akkus können mehr

Ein Ladegerät für Lithium-Ionen-Akkus ist spezialisiert, da es nicht nur einen Strom zur Ladung der Zellen zur Verfügung stellen muss, sondern auch wichtige Überwachungsfunktionen ausführen muss. Vereinfacht dargestellt wird ein Lithium-Ionen-Akku mit einem konstanten Strom geladen bis die maximale Ladespannung erreicht ist. Dann geht das Gerät von der Ladung mit konstantem Strom in die Ladung mit einer konstanten Spannung über. Dieses Verfahren wird auch als „CCCV-Ladung“ – Constant Current, Constant Voltage – bezeichnet.

Bild 2: Die Ladekurve eines Akkupacks zeigt, wie das CCCV-Ladegerät von der Ladung mit konstantem Strom in die Ladung mit konstanter Spannung übergeht
Bild 2: Die Ladekurve eines Akkupacks zeigt, wie das CCCV-Ladegerät von der Ladung mit konstantem Strom in die Ladung mit konstanter Spannung übergeht
(Bild: HY-LINE )

In der in Bild 2 abgebildeten Ladekurve eines anfänglich leeren Akkupack s ist das Verhalten gut sichtbar. Zunächst liegt die Klemmenspannung (rot) bei 23 V. Beim Anschließen des Laders steigt sie schnell auf knapp 25 V und erhöht sich mit steigender Ladedauer leicht. Beim Erreichen der Maximalspannung – hier ca. 28,3 V – verringert das Ladegerät den Strom umgekehrt proportional zur weiter steigenden Spannung bis der Ladestrom einen minimalen Wert unterschreitet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Zellen vollständig geladen und das Ladegerät stellt die weitere Zuführung ab.

Ein Timer unterbricht die Ladung im richtigen Moment

Nach einer definierten Ladezeit muss eine funktionsfähige Zelle geladen sein. Daher wird die Ladung abgebrochen, wenn nach dieser Zeit nicht der Zustand „Zelle voll“ erreicht wird. Im Gegensatz zu anderen Zelltechnologien muss bei Lithium-Ionen-Akkus ein „intelligentes“ Ladegerät eingesetzt werden, da Parameter wie Ladestrom, Akkuspannung (über die Zeit), die Akkutemperatur und nicht zuletzt auch die Ladezeit als Abbruchkriterium überwacht werden müssen.

Bei speziellen Akkupacks mit Schnittstelle kann das Ladegerät auch mit dem Akkupack Informationen austauschen, z.B. den Status der Schutzschaltung erkennen, eine Identifikation durchführen (und die Ladung gegebenfalls verweigern) sowie die Zahl der Ladezyklen abfragen, um in kritischen Fällen (z.B. in der Medizintechnik) den Anwender zum Austausch aufzufordern. Das Ladegerät kann sich in Form und Design an den Akkupack oder das Endgerät anpassen. Zudem kann die Schaltung gleich in die Schaltung der Anwendung Gerät integriert werden oder als externes Gerät aufgebaut sein.

Jeder Lade-/Entladezyklus reduziert die Lebensdauer

Beim Einsatz von Akkumulatoren gleich welcher Technologie sollte der Anwender beachten, dass eine Batteriezelle ein chemisches Bauelement ist. Beim Laden wird elektrische in chemische Energie umgewandelt und beim Entladen umgekehrt. Das Prinzip ist im Alltag seit langem weit verbreitet, ist doch in jedem Kraftfahrzeug eine Bleibatterie eingebaut. Aufgrund des chemischen Prozesses ist der Wirkungsgrad der Umwandlung kleiner als 100%, d.h. es kann nicht die gesamte elektrisch in den Akkumulator gespeiste Energie wieder abgerufen werden. Auch ist die Lebensdauer begrenzt: Jeder Lade-/Entladezyklus reduziert die Lebensdauer, und auch die Lagerbarkeit, auch kalendarische Lebensdauer genannt, ist limitiert.

Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkupacks:

Sind Lithium-Ionen-Akkupacks ein Sicherheitsrisiko?

Da Unglücksfälle, in denen Lithium-Ionen-Zellen involviert sind, wegen der stark exothermen Reaktion meist spektakulär verlaufen, wird die Technologie oftmals als unsicher und nicht reif für den Einsatz im Alltag angesehen. Dass diese Annahme falsch ist, beweisen die vielen in portablen Konsumer-Geräten wie Mobiltelefonen und Navigationsgeräten verbauten Akkupacks, die ohne großen Aufsehens und ohne besondere Pflege ihren Dienst versehen. In den wenigsten Fällen erweist sich der Akku als Auslöser eines Zwischenfalls. Dies liegt an der ausgereiften Fertigung von Zellen und Akkupacks und auch an dem mehrschaligen Sicherheitskonzept, das einem nach den Regeln der Technik entwickelten Akkupack zu Grunde liegt.

Viele zellinterne Sicherheitsmechanismen

Basis der zelleninterne Sicherheitsmechanismen sind u.a. ein Kaltleiter (PTC-Thermistor) der den Stromfluss auf Grund erhöhter Temperatur reduziert, ein Bimetallmechanismus, der den Stromfluss permanent unterbricht, und ein Sicherheitsventil, das für ein gezieltes Ablassen des gasförmigen Elektrolyts sorgt. Das im Akkupack integrierte Batterie-Management-System sorgt für den elektrischen Schutz, indem es die elektrischen Parameter während des Betriebs innerhalb der spezifizierten Grenzen hält.

Das Gehäuse hält mechanische Einflüsse bis hin zum freien Fall vom Zellenverbund fern. Auch dem Ladegerät kommt eine wichtige Funktion zu, indem es gemäß des vorgeschriebenen Ladealgorithmus arbeitet und dabei verschiedene Parameter wie einen Anstieg von Spannung oder Temperatur überwacht. Die Ladeelektronik muss dazu mit einer stabilen Stromversorgung ausgerüstet sein, die nur geringe Störungen zulässt. Als letztes Glied in der Kette steht der Anwender, der mit dem Akkupack sorgfältig umgeht und es nach Erreichen der Lebensdauer fachgerecht entsorgt.

Weitere Aspekte zu Li-Ion-Akkus:

Anforderungen an das Gehäuse des Li-Ion-Akkus

Erst ein geeignetes Gehäuse, das der Anwender austauschen und gegebenenfalls zum Laden entnehmen kann, macht die fertig verschalteten Zellen und das Batterie-Management-System zum kompletten Akkupack . Das Gehäuse wird nach den Anforderungen des Akkupack s und dem Design des Kundengehäuses entworfen und im Regelfall im Kunststoff-Spritzverfahren hergestellt. Meistens werden dabei zwei Halbschalen miteinander verklebt oder im Ultraschallverfahren verschweißt. Das Gehäuse muss die Zellen mechanisch sicher verpacken und die elektrische Schnittstelle (Stromversorgung, Kommunikationsinterface) über einen geeigneten Steckverbinder zur Verfügung stellen.

Das Design als 3-D-Konstruktion mit Formenbau und Freigabemustern ist die Vorstufe zur Serienlieferung eines fertigen Akkupack s. Mit den Freigabemustern werden alle zur Zertifizierung erforderlichen Tests durchgeführt. Ein Aufkleber enthält alle relevanten Daten, wie Spannung, Strom und Energieinhalt, durchgeführte Zertifizierungen sowie Vorschriften zur Handhabung. Damit kann der fertige Akkupack in Verkehr gebracht werden.

Welche Normen und Vorschriften bei Akkupacks zu beachten sind

Bevor ein Akkupack in den Verkehr gebracht werden kann, muss der Hersteller einige Vorschriften beachten. Diese betreffen den Transport in der Luft nach UN38.3 als auch über Land. Darüber hinaus muss in der EU eine Zertifizierung nach CE durchgeführt werden. Für andere Länder gelten unter Umständen andere Vorschriften, z.B. UL für USA oder PSE für Japan. Der Lieferant des Akkupacks muss dafür Sorge tragen, dass alle vom Kunden gewünschten Zertifikationen durchgeführt werden.

Checkliste: Überlegungen zum Akkupack-Design


Kommerzielle Details

  • Stückzahl: Lohnt sich ein kundenspezifisches Design?
  • Terminplan
  • Zielpreis

Mechanische Daten

  • Gehäuse/Bauform: Spritzguss oder Schrumpfschlauch?
  • Maximale Größe in Wechselwirkung mit elektrischen Parametern

Sicherheit

erforderliche Zertifizierungen:

  • UN 38.3 (Transport): zwingend
  • CE (EMI, EMC) für europäischen Markt: zwingend
  • UL für US-Markt: optional
  • PSE (Japan): optional

Markierung

Form und Inhalt des Labels

Elektrische Daten

Anwendung:

  • daraus ergibt sich ein grobes Anforderungsprofil – Hochstrom/Impulslast/Dauerstrom

Elektrische Parameter:

(beeinflussen Zellentyp, Zellenzahl und Verschaltung)

  • Nominale Spannung
  • Maximale Spannung (Voll-Ladung)
  • Minimale Spannung (Entladeschluss)
  • Kapazität
  • Durchschnittlicher Entladestrom
  • Maximaler Entladestrom
  • Abschaltschwelle für Entladestrom
  • Minimaler Ladestrom (bestimmt die maximal erforderliche Ladezeit)
  • Maximaler Ladestrom (bestimmt die minimal mögliche Ladezeit)

Kommunikationsinterface:

  • Schnittstelle
  • Software-Funktionen
  • „IP-Schutz“

Ladegerät-Design

Das Ladegerät muss zum Akkupack passen!

Geräte-extern:

  • welche Netzspannung?
  • welcher Netzstecker?
  • Akkus im Gerät laden oder zum Laden herausnehmen?
  • mechanische Aufnahme des Akkus
  • Ladezeit (Standard- oder Schnell-Ladung)?
  • wie viele Akkus gleichzeitig?

Geräte-intern:

  • Ladeschaltung in Elektronik integriert
  • Akku auswechselbar?

Akku-intern:

  • Kombination mit BMS
Fachbuch „AkkuWelt“ Das Standardwerk „AkkuWelt“ vermittelt Basiswissen zu Batterie-Technologien und bietet einen Überblick über die Entwicklung, den Bau und die Anwendung von Batterien. Darüber hinaus gibt es Einblick in potenzielle und zukünftige Entwicklungstendenzen elektrochemischer Energiespeicher. „AkkuWelt“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

* Rudolf Sosnowsky ist Leiter Marketing und Applikation bei HY-LINE Computer Components in Unterhaching bei München.

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