Ladeschaltung für Lithium Ionen und Lithium Polymer Akkus

Lithium Ionen (LiIo) Akkus werden seit ca. 1990 kommerziell eingesetzt. Sie können von allen Akkuarten derzeit die meiste Energie pro Volumen und Gewichtseinheit speichern (ca. 220-430 Wh / l bzw. 100-180 Wh / kg im Vergleich zu 90-180 Wh / l bzw. 35-80 Wh / kg bei NiCd-Akkus). Leider reduzieren bereits kleine Abweichungen von der vorgeschriebenen maximalen Ladespannung sowie Tiefentladung die Lebensdauer erheblich. Unter ungünstigen Bedingungen können Überladung oder Kurzschluß einen solchen Akku sogar in Brand setzen.

Aufbau von LiIo und Lithium Polymer Akkus

In den meisten Akkumulatoren erfolgt die Speicherung der Energie durch sogenannte Redox Reaktionen, wobei Atome von Metallen wie Blei, Nickel oder Cadmium, negativ geladenen Elektronen abgeben oder aufnehmen. In einem LiIo Akku erfolgt die Energiespeicherung hingegen (rein physikalisch) durch  Ein- und Auslagerung von positiv geladenen Lithiumionen. Das untenstehende Bild verdeutlich die Funktionsweise.

Die positive Elektrode besteht aus einem Lithium Metall Oxid wie zB. LiCoO2. Die Atome der drei beteiligten Elemente Kobalt, Lithium und Sauerstoff sind in Schichten angeordnet, und die Lithium Ionen werden zwischen den Ebenen eingelagert. Als Elektrolyt werden normalerweise organische Lösungsmittel in denen ein Lithiumsalz gelöst ist verwendet. Wenn man die Elektrode in den Elektrolyten eintaucht, und mit einer Gegenelektrode Spannung anlegt, so verlassen positiv geladene Lithiumatome den Kristallverband und treten in das Elektloyt über.
Die negative Elektrode besteht i.d.R. aus Graphit. Graphit besteht ebenfalls aus Schichten die sich jeweils aus vernetzten Kohlensstoff Sechserringen zusammensetzen, und die Lithium Ionen werden werden zwischen den Ebenen des Graphit eingelagert.
Lithium Polymer (LiPo) Akkus funktionieren ähnlich allerdings ist das Elektolyt chemisch eingedickt, oder es wird ein ionenleitender Feststoff als Elektrolyt eingesetzt. Dies bietet den Vorteil, daß sich kein Überdruck aufbauen kann, da der Akku keine Flüssigkeit enthält.
LiIo und LiPo Akkus altern wenn z.B. durch ein undicht gewordenes Gehäuse Wasser eindringt, denn die Zellspannung liegt oberhalb der Zersetzungsspannung von Wasser. Die Akkus altern aber auch durch häufiges Laden und Entladen, denn jedes Ein- und Auslagern von Lithiumionen führt zu einer Volumenänderung des Elektrodenmaterials, und irgendwann zu Rissbildung oder Abplatzungen. Als typischer Wert kann wohl eine Lebensdauer von 3 Jahren angenommen werden. 
Besonders beim Einatz mehrerer Zellen ist daher ein Batterie Managementsystem zu empfehlen.
Kommerziell werden kleine Schutzschaltungen  auf PCB  (hier z.B. max. Laststrom: 2 A,Tiefenladeschutz: ca. 2,5 Volt pro Zelle, Überspannungsschutz: ca. 4,25 Volt pro Zelle) für eine Zelle oder für 2 Zellen mit Balancer angeboten. Der Balancer gleicht eventuelle Unterschiede in der Kapazität der Zellen aus.

Die verwendete LiPo Zelle

Untenstehend findet sich das Bild eines LiPo Akkus (NC1961) für Modellhubschrauber mit einer Nennspannung von 3.70 V und einer Kapazität von 180 mA. Die Abmessungen betragen ca. 2.5 cm x 1.5 cm x 0.5 cm.

Die Schutzschaltung ist mit dem Akku verbunden, und in der Kaptonfolie verklebt. Die gemessene Leerlaufspannung (Lagerspannung im Auslieferungszustand) dieses Akkus beträgt 3.79 V. Die Ladeschlußspannung (maximale Ladespannung) ist produktabhängig, beträgt aber typischerweise 4.20V.

Die Ladeschaltung

Für den Selbstbau einer Ladeschaltung eignen sich integrierte Lösungen wie z.B. Max1551 (für LiIo) und Max1555 (für LiPo) von Maxim Integrated oder MCP73831 von Microchip.
Es stehen unterschiedliche IC Typen für unterschiedliche Ladeschlußspannungen zuer Verfügung. Im Zweifelsfall empfiehlt sich die Verwendung eines Typen mit etwas niedrigerer Ladeschlussspannung. Einer Verringerung der Kapazität steht meist eine deutliche Erhöhung der Zahl der nutzbaren Lade- und Entladezyklen gegenüber, es kommt aber nicht zu einer Beschädigung des Akkus. Untenstehend ist eine typische Ladekurve für einen Typen mit 4.2 V Ladeschlußspannung bei 100 mA Ladestrom gezeigt. Für den hier verwendeten Akku gilt C=180mA. Der gewählte Ladestrom entspricht also 0.56 x C, und ist damit ausreichend niedrig gewählt.

Erreicht der Akku die Ladeschlussspannung wird diese Spannung gehalten. Der Ladestrom sinkt dann mit der Zeit immer weiter ab, je voller der Akku wird. Sobald der Strom einen bestimmten Wert unterschreitet oder er über einen längeren Zeitraum nicht mehr sinkt, wird die Ladung beendet.
Das untenstehende Bild zeigt den Schaltplan einer Ladeschaltung bei Verwendung eines MCP 73831 Reglers.

Die LED dient der Statusanzeige, und erlischt sobald der Ladevorgang beendet ist. Der 10k Ohm Widerstand regelt den maximalen Ladestrom auf 100 mA ein. Aufgebaut ist die Schaltung auf einer ca. 1.5 cm x 2.5 cm großen Lochrasterplatine. Das SOT-23-5 Gehaüse des Reglers sitzt auf dünnen, kurzen Silberdrähten.

 

Um die Leistungfähigkeit der LiPo Zelle zu testen habe ich den Motor eines alten Milchschäumers mit der Zelle betrieben. Nach ca 3 Minuten Betrieb bei einem Entladestrom von ca. 1.2 A  (!) hat sich der Akku nur leicht erwärmt, und die Leerlaufspannung ist auf 3.4 V gesunken.

 

Der so (beinahe vollständig) entladene Akku muß anschließend für ca. 2.7h  wieder geladen werden. Die Leerlaufspannung beträgt nun 4.16 V.

Die fertige Schaltung wird anschließend zum Schutz vor mechanischer Einwirkung in ein Kinder Überraschungsei eingebaut. Das Leuchten der Status LED bleibt durch das dünnwandige Gehäuse noch immer sichtbar.

 Viel Spaß beim Nachbauen und selber Experimentieren!