Sonntag, 21. Dezember 2014

Li-Ion Akkus Typ 18650


In vielen elektronischen Geräten werden Lithium-Ionen Akkus benutzt. Ein Typ hat sich dabei besonders durchgesetzt, die "18650-Zelle". Diese hat einen Durchmesser von 18mm und eine Länge von 65mm. Gerade in Geräten mit hohem Energiebedarf oder mit wenig Platz wird die Li-Ion Technologie genutzt. In nahezu jedem Laptopakku oder in modernen Akkuschraubern oder in jedem Handy oder auch in Elektroautos ist diese Zelle eingebaut. Häufig zu größeren Akkupacks verbunden um die Kapazität zu erhöhen.

Der Tesla Roadster nutzt über 6000 der 18650-Zellen.

Eine Warnung vorab: Die Energiedichte von Lithiumakkus liegt bei ca. 0,15 kWh/Kg. Das ist zwar 70 mal weniger als in Benzin, aber trotzdem eine beachtliche Energiemenge auf kleinem Raum. Die bekannten Ni-MH-Akkus haben weniger als die Hälfte. Speziell mit den populären 18650-Zellen sind schon eine Reihe Unfälle passiert. Wenn man auf YouTube z.B. nach "18650 Explosion" sucht wird man ebenso fündig wie in diversen Foren, welche sich mit Taschenlampen beschäftigen. Besonders gefährlich ist hierbei, dass eine ausgasende Zelle eine wasserdichte Taschenlampe zu einer Bombe macht, weil der Druck im Gehäuse solange ansteigt bis ein Teil nachgibt und davon fliegt. Auch davon gibt es genügend abschreckende Bilder! Beispiel
Kritisch sind hierbei mehrere Situationen, z.B. Überladen der Zelle, Kurzschließen einer oder mehrerer Zellen, nutzen von mehreren in Reihe geschalteten Zellen ohne Ausgleichsschaltung (Balancer), nutzen von verschiedenen Zellen und noch viele andere.
Trotz alle dem ist es eine Technologie, die in jedem Handy eingebaut ist und gut funktioniert.

Wie oft, empfiehlt es sich eine oberflächlichen Überblick über die Technik zu beschaffen. Dazu eignet sich der Wikipediartikel "Lithium-Ionen-Akkumulator". In diesem wird auch auf die nicht ganz eindeutige Namensgebung hingewiesen. Wissen sollte man auch, dass Lithiumakkus keinen Memory -Effekt haben und es keine Vorteile bringt den Akku einmal von 0% auf 100% zu laden.

Angeblich sind in gebrauchten Akkupacks von Laptops nur eine oder wenige Zellen wirklich hinüber. Das galt es heraus zu finden. Dazu wurden mehrere Laptop Akkupacks gewaltsam geöffnet. (Manche lassen sich gut öffnen, wenn man die Klebeverbindung rings herum mit einem Teppichmesser einschneidet.)


 Die beiden "TPC8125" sind lediglich P-Kanal MOS-FETs die bis zu -10A schalten können. Interessant ist der "bq3060", dieser wird von Texas Instruments hergestellt und ist ein leistungsfähiger Controller, der u.a. folgende Aufgaben erledigt: Schutz gegen Über- und Unterspannung, Temperaturkontrolle, Überstromschutz, Kurzschlussschutz. Selber ist er in einer 8-bit RISC Architektur aufgebaut, verbraucht weniger als 69µA im Schlafmodus, hat einen 16bit ADC, moderne interne MOS-FETs und ist im 24-poligen TSSOP-Gehäuse (8x7mm) winzig.

Der größere SMD-Widerstand (R100) ist wahrscheinlich ein Entladewiderstand für den Balancer.

Der zweite Akkupack lies sich deutlich einfach öffnen. Der Aufbau ist ganz ähnlich. Verschaltet sind die Zellen in 3s2p, also immer zwei Zellen hart verbunden. Diese Verbindung werde ich auch nicht öffnen, sondern den Akku (zwei Zellen parallel) einfach als eine Zelle mit großer Kapazität betrachten. Wollte man diese Verbindung nachträglich anbringen, müssten die Einzelzellen vorher über einen Widerstand auf die gleiche Spannung gebracht werden, damit die Ausgleichsströme gering bleiben. Außerdem sollten die Zellen noch eine ähnlich große Kapazität haben.

Das Herstellungsdatum der Platine ist offensichtlich der 29.06.2007. Ich nehme an dass die einzelnen Zellen aus der gleichen Zeit stammen. Schön zu sehen sind hier die beiden Temperaturfühler, welche mit einem Klecks Wärmeleitpaste und etwas Klebeband auf 2 von den 6 Zellen befestigt waren.

Zum Laden der Einzelzellen habe ich mir bei ebay eine kleine Platine gekauft. 1€ inkl. Versand aus Hongkong. Mir ist völlig unklar wie dieser Preis möglich ist... Diese Platine ist leicht zu finden, wenn man nach Begriffen wie "USB 1A Lithium Li Akku Ladegerät Battery Charger Modul Module EB0510" sucht.
Der Chip heißt "TP4056", wird von "NanJing Top Power" hergestellt und ist ein Einzelchip Lader für einzelne Li-Io Zellen. Viele andere Hersteller, wie z.B. Linear Technology, bieten auch Chips mit ähnlichen Eigenschaften an. (Z.B. den LTC4056). Das Laden von Li-Ion Zellen ist eine Standard Aufgabe und die Chips daher billig und Meister in ihrer Disziplin.



Die Zellen mit eine Spannung um die 0V habe ich gleich entsorgt. Alle anderen Zellen hatten zwischen 2,8V und 3,9V. Diese habe ich mit dem Lademodul aufgeladen. Beim Ladevorgang war ich dabei, habe hin und wieder einen Finger auf die Zelle gehalten um die Temperatur zu erfühlen (immer kalt) und die Spannung gemessen. Nun galt es heraus zu finden, was sie noch können. Dazu wurde die Zelle über zwei Leistungswiderstände entladen.

Die Widerstände sind falsch beschriftet, benutzt wurden 2x4,7Ohm und nicht 2x4,7Kiloohm.

Dabei wurde folgende Entladekennlinie aufgenommen:

Schön zu sehen ist, dass die Spannung bei 3,3V einbricht. Deswegen sollten Li-Io Zellen auch nicht unter diese Spannung entladen werden. Ich habe es aber gemacht, um die Kennlinie und den typischen Verlauf aufzunehmen. Die hier genutzte Zelle hat, nach dem Diagramm, noch ca. 1750mAh. (1764,9mAh mit Excel berechnet (einzelne Dreiecksflächen)) Wenn man bis U<3,3V entlädt, also z.B. bis U=3,0V sollte es auch noch etwas mehr sein (nämlich genau 1933,6mAh). Wenn man bedenkt, dass der Akkupack mal mit Zellen mit 2200mAh bestückt war ist das ein guter Wert.

Man kann also aus einem defekten Laptop Akku durchaus einige gute 18650 Li-Io Zellen gewinnen.

Zum Schluss noch ein paar allgemeine Anmerkungen.
  • Die Ladeschlussspannung von 4,2V genau einhalten
  • Entladeschlussspannung 3,3V (darunter passiert nicht mehr viel, der Akku wird aber geschädigt)
  • Ladestrom ca. 0,7 * C
  • Entladestrom < 2 * C
  • Jede Zelle sollte durch eine Schutzschaltung gegen Über- und Unterspannung geschützt werden. Manche Zellen (in Modellbaukreisen protected genannt) haben diese bereits als SMD Ausführung unter der Kunststofffolie der Zelle oder unter dem +Pol der Zelle. Wenn nicht gibt es diese für <3€ bei Conrad unter der Bestellnummer: 155 151- 62. Einen reiner Tiefentladeschutz wurde hier gebaut: http://danyk.cz/p_ochr_en.html
  • Wenn Zellen parallel geschaltet werden, müssen sie die gleiche Spannung haben, sonst fließen sehr hohe Ausgleichsströme. Daher am besten vorher mit einem Widerstand auf die gleiche Spannung bringen. 
  • Wenn Zellen in Reihe geschaltet werden, wird normalerweise bis zur Entladeschlussspannung der Einzelzellen mal die Anzahl der Zellen (z.B. 3,3V*4=13,2V) entladen. Dabei können schwache Zellen aber schon unter 3,3V sein (Kritisch), andere Zellen liefern aber noch über 3,3V. Beim Laden erreichen die stärkeren Zellen, die nicht vollständig entladen wurden, früher die Ladeschlussspannung und werden überladen (Kritisch). Wiederholt sich dieser Vorgang wird von Zelldrift gesprochen. Um diesen Prozess zu vermeiden, werden beim Laden die schon vollen Zellen mit Heizwiderständen belastet, bis alle Zellen 100% erreicht haben. Das Gerät, welches diese Aufgabe erfüllt heißt Balancer. Hier als Schaltplan zum Eigenbau: Link (runter scrollen)
  • Eine sehr einfache Form des Balancen wäre es auch, die Zellen bis 4,2V zu laden und die Ladeleistung ab dann zu verheizen. Quasi die Eigenschaft einer Ni-MH Zelle, die sich erwärmt wenn sie voll ist. Einen Bauvorschlag (nicht von mir und nicht geprüft) gibt es hier: http://www.fingers-welt.de/ (ganz runter scrollen) Gearbeitet wird mit einem TL431, der die Leistung ab 4,2V verheizt. Quasi eine Z-Diode mit steiler Kennlinie.

Kommentare:

  1. wahnsinn wie vielfältig so ein 18650 akku sein kann. bei den tesla haben die aber nicht wirklich 6000 batterien eingebaut, sondern eher die Kapazität von 6000 Batterien oder?

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    1. Nein, das ist schon richtig so. Wenn Sie die Google-Bildersuche für "Tesla 18650" nutzen, lassen sich auch zahlreiche Bilder des Gesamtakkus finden, auf denen die vielen einzelnen 18650-Zellen zu sehen sind.

      Grüße
      Paul Müller

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