Li-Ion Akkus

unterschiedliche Li-Ion / Li-Po Akkus

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Li-Ion Akkus in Bauform und verwendetem Material. Wenn man also genau wissen will welche Daten z.B. Lade-/Entladeschlussspannungen gelten muss man sich das jeweilige Datenblatt besorgen. Für eigene Projekte sind Li-Ion gut geeignet erstens wegen ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Energiedichte, gute Frostbeständigkeit (bis zu -25C), geringe Selbstentladung und hoher Zyklenzahl. Und zweitens weil man heutzutage oft günstig welche aus alten Akkupacks (Handy, Laptop, Kamera, PDA…) ausschlachten kann die noch erstaunlich fit sind. Meine Erfahrung zeigt, dass man aus 10 Jahre alten Akkupacks welche schon um die 200 Ladezyklen hinter sich haben (das sind typischen Nutzungshäufigkeiten von Laptops, Handys bei 4 Jahren Nutzung mit 1-mal Ladung pro Woche = 200 Zyklen und dann noch 6 Jahre Lagerung bis zum Wegwerfen) Li-Ion gewinnen kann mit Energiedichten welche neuen NiMh-Akkus entsprechen.  Die machen dann auch noch mal locker einige hundert Ladezyklen mit.

Der Vorteil ist eigentlich das relativ einfache Ladeverfahren. Man lädt den Akku bis max. 4,2V (häufigste Ladeschlussspannung) und überschreitet dabei nicht den je nach Akku unterschiedlichen max. Ladestrom. D.h. man braucht nur ein auf 4,2V stabilisiertes Netzteil das bei höheren Strömen als dem max. Ladestrom des Akkus sowieso zusammenbricht und fast FERTIG! Man muss noch darauf achten das der Akku nicht permanent an den 4,2V hängt. Also eine zeitliche Abschaltung nach erreichen der 4,2V ist auch noch nötig.

Bei Handy Akkus ist der max. Ladestrom meist so 0,5A und bei Laptop Akkus oft 1-2A. Am besten gucken was das orig. Ladenetzteil geliefert hat und daraus dann schlussfolgern wenn man nix über den Akku selbst im Internet findet. Wenn man gar keine Info über den entsprechenden Akku hat dann lieber Finger davon lassen und in den nächsten Supermarkt/Drogeriemarkt etc. gehen und dort mal in dem Altbatteriesammelbehälter schauen ob man was Besseres findet. Prinzipiell gilt aber man kann immer mit einem niedrigeren Ladestrom arbeiten wenn man sicher sein will, das Laden dauert dann nur etwas länger. Als voll gilt der Akku wenn der Ladestrom bei den max. 4,2V auf etwa 10% der Akkukapazität gefallen ist d.h. ein 1200mAh Akku nur noch 120mA Ladestrom zieht bei angelegten 4,2V. Dann sollte man abschalten. Man kann auch fröhlich weiterladen solange die Ladespannung auf max. 4,2V begrenzt ist aber nach ein paar Tagen gibt es den unerfreulichen Effekt der langsamen Zerstörung (siehe nächster Absatz). Professionelle Lader arbeiten auch mit höheren Ladespannungen begrenzen dann aber den Ladestrom entsprechend, damit sind die in der Lage den Akku schneller zu laden. Das ist aber deutlich komplizierter und bedarf der Einhaltung bestimmter Grenzwerte was Überspannung etc. angeht. Also einfacher als ein schwachbrüstiges  Konstantspannungsnetzteil was von Haus aus nur einen bestimmten Strom liefern kann geht es eigentlich nicht.  Wichtig ist nur das die 4,2V nicht mehr als um 0,05V überschritten werden dürfen d.h. max. 4,25V. Manche Akkutypen, z.B. manche Li-Po‘s, vertragen auch 4,3V aber wenn man es nicht genau weiß sollte man bei 4,2V bleiben. Man büßt dann etwas der max. möglichen Kapazität ein… aber die 5% nicht genutzte Kapazität machen den Kohl auch nicht fett und der Akku hält länger. Man muss wissen dass ein Überladen durch zu hohe Spannung den Akku in sehr kurzer Zeit zerstören kann d.h. ein rapider Kapazitätsverlust einsetzt.

Die Entladung kann fast immer bis 2,8V erfolgen, viele Akkus lassen auch bis 2,5V laut Datenblatt zu. Danach muss abgeschaltet werden, denn auch bei zu niedrigen Ladeständen erfolgt eine langsame Zerstörung. Der max. Entladestrom sollte nicht überschritten werden und muss aus dem Datenblatt bzw. der ursprünglichen Anwendung geschlussfolgert werden. In etwa gilt Handy/PDA Akkus 1A und Laptop Akkus 2-3A. Anders sieht das bei Li-Po's aus welche teilweise mit erstaunlich hohen Entladeströmen aufwarten können.

Um die Lebensdauer und Zyklenzahl zu vergrößern sollte man den Akku nicht über 3,9V laden und nicht unter 3V entladen. Das macht man wohl z.B. in militärischen Anwendungen so. Da büßt man zwar etwa 40% der nominalen Akkukapazität ein aber die Zyklenzahl erhöht sich um etwa 100% und die Standzeit kann um bis zu 300% vergrößert werden. Die 3,9V kommen wohl daher dass über 3,9V chemische Prozesse im Akku ablaufen die diesen langsam irreversibel zerstören. Darum wird empfohlen Li-Ion nur 60%-70% geladen dauerhaft zu lagern denn damit bleibt man unter den 3,9V. Und das ist auch der Grund warum sich schon so mancher Laptopbesitzer gewundert hat warum sein Akku nach einem Jahr kaum noch Kapazität hat obwohl der Laptop doch immer am Netzteil hing… genau das war das Problem: der Akku wurde permanent auf 4,2V geladen gehalten! Also bei so was besser den Akku mit 60-70% Ladezustand rausnehmen aus dem Laptop.

Für die Nutzung von Li-Ion in Eigenbauprojekten ist das eine gute Lösung: man nimmt eine Spannungsquelle mit max. 3,9V und einer Strombegrenzung zum Laden, da kann der Akku recht lange dranhängen. Trotzdem sollte eine Abschaltung der Ladespannung nach einer Weile erfolgen sonst tut das dem Akku auch nicht so gut wenn er über Tage permanent geladen wird. Das führt bei Li-Po’s z.B. zu Aufblähungen. Beim Entladen wird eine Abschaltung bei 3V realisiert. Ich habe mal eine Tiefentladeschutzschaltung entworfen die sich einfach aufbauen lässt und problemlos mit Strömen bis zu 2A klar kommt.  

Tiefentladeschutz für Li-Ion bei Nutzung eines komplementären N/P-MOSFET IRF7105

Die Schaltung wird im Projekt Projektionswecker mit Solarbetrieb beschrieben. Es können beliebige andere MOSFET-Typen eingesetzt werden solange sie eine Gate-Treshold Spannung unter 2,5V haben.  Der erste MOSFET X4 kann auch durch einen npn Transistor ersetzt werden. Man muss aber die jeweilige Abschaltspannungsreferenz (Spannungsabfall über D1+D2) anpassen an Ube bzw. Ugate-threshold (Feinabstimmumg ist mit R10 möglich 10k-500K) um die entsprechende Abschaltschwelle von rund 3V einzuhalten.

Realisiert mit einem IRF7105 in SMD-Freiverdrahtung

Akku Tiefentladeschutz mit einem Transitor und Power-MOSFET für Ströme bis 10A

Die meisten Akkus für Konsumerprodukte haben eine Laderegelung schon eingebaut. In Laptop Akkus ist die aufwendig, kompliziert und kaum nachnutzbar. Dort werkelt oft ein Microcontroller und ein spezieller IC der das Loadbalancing zwischen den Zellen steuert etc. Da kann man oft nur die einzelnen Zellen ausbauen und mit einer eigenen Schutzelektronik versehen.

Steuerelektronik eines Laptop Akkupack

Bei Einzelzellenlösungen wie z.B. Handy Akkus sind oft nur kleine Schutzschaltungen in das Pack integriert bestehend aus einem IC. Der steuert über MOSFET's dass beim Erreichen der Ladeschlussspannung von etwa 4,2V der Akku abgetrennt wird und ebenfalls bei Erreichen der Entladeschlussspannung von etwa 2,5V abgeschaltet wird. D.h. so wird ein Über- und Tiefentladen verhindert. 

Schutzschaltung in SMD mit dem Steuer IC (rechts) und 2 MOSFETS

Meist noch mit verbaut ist eine PTC-Sicherung (Kaltleiter) welche bei extremen Strömen sich erhitzt und hochohmig wird aber nach Abkühlung wieder niederohmig ist. Da muss man nur noch dafür sorgen, dass die max. Lade- bzw. Entladeströme nicht überschritten werden. 

Schutzschaltung an einem PDA Akku

Wenn man aber diese Schutzschaltung weiter verwenden will sollte man unbedingt deren Funktion überprüfen. Ich hatte schon öfter gebrauchte Akkus wo die Schutzschaltung defekt war d.h. nicht abschaltete bei Überladung etc. dazu muss man allerdings wissen dass mögliche Abschaltpunkte auch erst bei 4,35V liegen können (je nach eingesetztem IC bzw. Akku-Typ). Aber wenn bei 4,35V noch nix passiert sollte man die Schutzschaltung lieber nicht mehr verwenden. Ich persönlich halte nichts davon die Akkus etwas zu überladen also z.B. auf 4,3V um noch mehr Kapazität rauszuholen denn oft bezahlt man das mit einer drastisch kürzeren Lebensdauer. 

Alles gesagte ist natürlich nicht für alle Li-Ion Akkutypen gültig... dazu gibt es zu viele verschiedene bzgl. chemischer Zusammensetzung. Und wer nicht genau weiß was er macht sollte lieber die Finger von der Li-Ion Technologie lassen da doch ein erhebliches Gefahrenpotential besteht bei falscher Handhabung. Man schaue sich mal im Internet die Videos von abbrennenden Li-Ion Akkus an… dann weiß man dass das kein Spaß ist.