Lithium-Ionen Akkus sicher verwenden

Vor gerade einmal ein paar Jahren schürten qualmende Lithium-Ionen Akkus in Boeing's Flaggschiff – dem neuen Dreamliner – leichte bis mittelschwere Ängste, dass diese sehr nützlichen Stromquellen ausgesprochen unvorhersehbar sein können. Werden ihre Grenzen jedoch berücksichtigt, sind sie die ideale Stromquelle von einer Vielzahl elektronischer und elektrischer Produkte.

Li-Ionen Akkus kamen das erste Mal Anfang der 1990-er Jahre auf den Markt. Auch heute sind sie noch sehr beliebt für kleine elektronische Geräte – nicht zuletzt aufgrund ihrer besonders hohen Energiedichte, die mitunter bis zu doppelt so hoch sein kann wie bei ihrem Vorgänger, der NiCd-Technologie. Bei einer festen Kapazität können Li-Ionen Akkus somit deutlich kompakter und leichter sein. Sie verfügen über eine ähnliche Entladecharakteristik wie NiCd-Akkus, doch jede Zelle verfügt über eine deutlich höhere Spannung, die in der Regel bei 3,6 V liegt. Somit kommen Akkus für kleinere Geräte, darunter Mobiltelefone und ähnliches, mit einem einzelligen Akkupack aus – ein NiCd-Akkupack würde drei in Reihe geschaltete 1,2-V Zellen benötigen.

Li-Ionen Akkus haben zudem kein Gedächtnis; sie müssen nicht erst „trainiert“ werden, wenn sie neu sind, und regelmäßiges Entladen zur Verlängerung der Betriebsdauer ist ebenfalls nicht erforderlich. Darüber hinaus ist ihre Selbstentladung sehr gering: ein deutlicher Vorteil gegenüber NiCd.

Auf der Kehrseite der Medaille steht jedoch, dass die Betriebsdauer von Li-Ionen Akkus in der Regel bloß bei zwei oder drei Jahren liegt – ob sie verwendet werden oder nicht. Die richtige Lagerung (geregelte Temperatur, Teilladung) kann jedoch helfen, während zugleich permanent neue chemische Formeln entwickelt werden, um ihre Betriebsdauer zu verlängern. Li-Ionen Akkus weisen zudem sehr bestimmte Anforderungen bezüglich des Ladens und Entladens auf, um Überhitzen zu verhindern und die Sicherheit der Komponente zu gewährleisten. Halten Sie jedoch einen Blick auf die Ladespannungen und -ströme, so können sie absolut sicher verwendet werden.

Insbesondere Überladen kann die Batteriezelle beschädigen, oder aber die Zelle wird gefährlich instabil. Mit einem geeigneten Steuerschaltkreis zur sorgfältigen Regelung von Spannung und Stromstärke kann dies zudem sehr mühelos verhindert werden.

Ordnungsgemäßes Ladeprofil

Im Folgenden wollen wir den IC zur Ladekontrolle eines Akkus mit Li-Ionen genauer unter die Lupe nehmen. Das LM3658 von National Semiconductor (inzwischen Teil von TI) kann die Ladung eines einzelligen Li-Ionen Akkus sicher über ein AC-Wandadapter oder über eine USB-Stromquelle aufrecht halten.

Li-Ionen Akkus werden auf sichere Weise über einen geregelten Konstantstrom aufgeladen. Sobald die erforderliche Spannung erreicht ist (in der Regel 4,2 V), liefert das Ladegerät stets genügend Strom, um diese Spannung aufrecht zu halten. Somit wird das Überladen der Batterie verhindert (siehe Ladediagramm LM3658 unten). Dies wird auch als Anordnung mit Konstantstrom und Konstantspannung bezeichnet. Eine gute Ladeschaltung gestaltet den Übergang zwischen den Phasen des Konstantstroms und der Konstantspannung so sanft wie möglich, um den Akku nicht zu beschädigen.

Abbildung 1: Ladezyklus des LM3658

Bei Li-Ionen Akkus liegt der ideale Ladestrom bei 1C, wobei die Einheit C der Menge an Strom entspricht, die der Akku eine Stunde lang bereitstellen kann (bei einer 750mAh Batterie ist C gleich 750mA). Das LM3658 kann Ladeströme von bis zu 1000mA bereitstellen. Ladevorgänge mit einem Strom von mehr als 1C können die Batterie beschädigen. Ladevorgänge mit einem geringeren Strom sind möglich, beispielsweise über eine USB-Buchse, doch der Strom sollte nach wie vor konstant bleiben. In einem solchen Fall bleibt der Ladekreis wesentlich länger in der Konstantstromphase, sodass die Batterie nahezu vollständig aufgeladen ist, wenn die Konstantspannung erreicht ist.

Ist die Batterie zu Beginn sehr tief entladen, übernimmt eine Art Vorladezyklus mit einem sehr geringen Strom von 50 mA um die Batterie nicht zu überhitzen, bis die Batterie ihre volle Spannung erreicht hat. An diesem Punkt kann der Vorgang mit Konstantspannung und Konstantstrom beginnen.

Ist die Batterie einmal aufgeladen, übernimmt ein Top-Up-Zyklus, der gewährleistet, dass die Batterie ihre volle Ladung erreicht ohne zu überhitzen. Wird die Batterie um mehr als 1% überladen, können Störungen auftreten; wird sie hingegen um 1% weniger als geplant aufgeladen, bietet sie eine verringerte Kapazität (fehlen beispielsweise lediglich 100 mV zur vollen Ladung, sprich 2,4% einer 4,2 V-Batterie, ist die Kapazität um 10% verringert). Aus diesem Grund sind Ladevorgänge in diesem Modus besonders sorgfältig zu regeln, damit die Batterie stets mit mindestens 99% ihrer Kapazität aufgeladen ist.

Nach dem Top-Up-Modus stoppt der Ladevorgang und das Ladegerät geht in den Wartungsmodus, bei dem überwacht wird, dass der Ladezyklus von neuem startet, sobald die Spannung entsprechend abfällt.

Zahlreiche integrierte Timer stellen sicher, dass keiner der Bestandteile des Ladevorgangs nicht länger dauert als er sollte. Eine Zeitüberschreitung würde auf eine Störung hinweisen und zu gefährlichem Überladen führen.

Der IC verfügt zudem über einen Temperatursensor, der darauf achtet, dass die Temperatur der Batterie stets innerhalb des zulässigen Wertebereichs liegt. Eine externe Sicherung kommt ebenfalls in dem Akkupack zum Einsatz und löst aus, falls die Batterie jemals einer theoretisch sehr hohen Temperatur (zum Beispiel 100° C) ausgesetzt sein sollte. Wäre diese Sicherung nicht vorhanden, so wäre die Batterie danach unbrauchbar.

Das gesamte Angebot von RS an Batterielade-Controller ICs finden Sie hier.

Nach dem Top-Up-Modus stoppt der Ladevorgang und das Ladegerät geht in den Wartungsmodus, bei dem überwacht wird, dass der Ladezyklus von neuem startet, sobald die Spannung entsprechend abfällt.

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