So schützen Schutzschaltung und BMS Lithium-Ionen-Akkus

So schützen Schutzschaltung und BMS Lithium-Ionen-Akkus

November 8, 2021 Projektgeschichten 0
Grüne Platine in der Nahaufnahme

Ein Akkupack mit Lithium-Ionen-Zellen ist nicht eigensicher. Er kann brennen oder sogar explodieren, das weiß inzwischen fast jeder. Mit einer Schutzschaltung oder einem BMS auf dem Akkupack lässt sich das Risiko für solche unschönen Zwischenfälle deutlich reduzieren.

Was leistet so eine Schutzschaltung genau? Ist ein BMS etwas anderes als eine Schutzschaltung? Und welchen gravierenden Fehler mache viele Entwickler und Hersteller von elektrischen Geräten bei der Entwicklung neuer Geräte, weil sie die Funktion der Schutzschaltung falsch verstehen?

Das alles und noch viel mehr gibt es in meinem neuen, vollgepackten Video. Wenn ihr das alles lieber lesen möchtet, scrollt einfach ein bisschen weiter.

Größter Fehler von Geräte-Herstellern: Schutzschaltung bei Lithium-Ionen-Akkus

Reklamation wegen tiefentladener Akkus – was ist da los?

Seit 15 Jahren entwickle ich schon individuelle Akkus und Batterien für meine Kunden. Das beginnt mit der Beratung über die passende Technologie, den richtigen Hersteller für die Einzelzellen, der Zertifizierung des Akkus falls notwendig, die Logistik und natürlich der Entwicklung des Akkus selbst und seiner Komponenten. Und bei den Komponenten spielt natürlich auch die Schutzschaltung eine wichtige Rolle. 

Einen bestimmten Reklamationsfall, der mit der Schutzschaltung zusammenhängt, erlebe immer wieder. In den letzten Tagen hatte ich gleich zwei von diesen Reklamationsfällen, bei denen die Zellen des Akkus selbst gar keine Schuld trifft.

Wie kommt es zu diesen Reklamationen?

Ganz einfach gesagt, haben die Entwickler die Schutzschaltung des Akkupacks sozusagen als Steuerung der Anwendung zweckentfremdet.

Aber bevor wir uns das genauer anschauen, werden wir erst einmal einen Blick darauf, was die Schutzschaltung eines Akkupacks eigentlich leisten kann und welche verschiedenen Varianten es gibt. 

Das hat es mit PCM, PCB, BMS und Schutzschaltung auf sich

Die Schutzschaltung hat viele Namen: Sie wird auch Schutzbeschaltung genannt, oder PCB, oder PCM, mal BMS oder einfach nur Platine. 

Doch was sind die Unterschiede zwischen den Begriffen und was leistet so eine Schutzschaltung eigentlich?

PCB – Printed Circuit Boad oder auch Protection Circuit Board

PCB ist eine häufig verwendete Abkürzung für Printed Circuit Board und ist dann nichts Anderes als eine Leiterplatte – oder Platine – die für die Bestückung elektronischen Bauteilen vorbereitet ist. Auf diese Leiterplatte werden meistens die elektronischen Bauteile wie ICs, MOSFETS, Widerstände und so weiter aufgelötet.

Im Zusammenhang mit Akkus und Batterien wird dieselbe Abkürzung, also PCB, auch für das Protection Circuit Board verwendet. Das lässt sich dann einfach als Schutzschaltung übersetzen und damit ist auch meist das gemeint, was wir hier als Schutzschaltung verstehen.

PCM – Protection Circuit Module

Dann gibt es noch den Begriff PCM, das Protection Circuit Module. Das ist im Grunde ein weiterer Begriff für die Schutzschaltung, also eine Platine mit elektronischen Bauteilen, die Lithium-Ionen-Zellen vor einer Überladung und Tiefentladung schützen soll.

BMS – Batterie-Management-System

Ein BMS, also ein Batterie-Management-System hat die Funktion einer Schutzschaltung, kann darüber hinaus aber noch ein bisschen mehr. Ein BMS kann zum Beispiel ziemlich genau den Ladezustand ermitteln und an das Gerät herausgeben, kann mehrere Batterie-Module steuern und managender, kann in einen CAN-Bus implementiert werden und so weiter. Das BMS ist also eine Schutzschaltung + ein paar mehr Funktionen, die bei der jeweiligen Anwendung gebraucht werden.

So verhindert die Schutzschaltung das Schlimmste

Jetzt wollen wir uns aber erst einmal nur auf die Schutzschaltung konzentrieren. Die Hauptfunktion dieser Schaltung ist es, den Akku zu schützen. Dazu überwacht sie die Ströme, die in den Akku und aus dem Akku fließen und kontrolliert die Spannungen im oberen und unteren Bereich.

Das ist eine wirklich wichtige Aufgabe und jeder Lithium-Ionen-Akku sollte eine Schutzschaltung besitzen, auch wenn es nur die einfachste und günstigste Variante ist.

Schauen wir uns doch mal an, wie so eine Schutzschaltung in der Praxis aussieht. Auf dem Bild seht ihr einen vierzelligen Akku, die vier Zellen sind in Serie geschalten. Der Akku hat damit eine Gesamtspannung von 14,8 V.

Ein Akkupack mit Schutzschaltung oben quer auf den Zellen
Die grüne Platine auf dem Akkupack ist die Schutzschaltung (bzw. das PCB oder PCM).

Die Schutzschaltung sitzt oben auf dem Akku und jede Zelle ist einzeln daran angeschlossen. So kann nicht nur die Gesamtspannung des Akkus überwacht werden, sondern auch jede einzelne Zelle.

Das ist wichtig, denn wenn eine Zelle überladen werden sollte, dann wird es ganz schön heiß und der Akku kann relativ schnell Feuer fangen. Falls die vorgegebene Spannung bei einer Zelle überschritten werden sollte, schaltet die Schutzschaltung ab und verhindert so das schlimmste.

Auch zu hohe Ströme werden überwacht. Das heißt, der Stromfluss ist limitiert, so dass er für die Zellen und die Anwendung passt. Sollte ein zu hoher Strom auftreten oder sogar ein Kurzschluss auf den Akku einwirken, dann schaltet die Schutzschaltung ab.

Auch bei einer zu geringen Spannung kommt die Schutzschaltung ins Spiel und schaltet ab.

Die Schutzschaltung als Steuerung verwenden? Keine gute Idee…

Das was die Schutzschaltung leistet, muss man aber wirklich als Schutzfunktion verstehen und hat nichts mit einer Steuerung zu tun! Leider kommt es in der Praxis immer wieder vor, dass dieser Unterschied zwischen Steuerung und Schutzabschaltung nicht richtig eingehalten wird. Die Folgen sind ärgerlich, weil die Geräte bzw. die Akkus schneller kaputtgehen.

Ich erkläre diesen Fall mal am Beispiel einer aktuellen Reklamation, die neulich ins Haus flatterte. Der Kunde beschwerte sich, dass der Akku, der schon ein paar Jährchen auf dem Buckel hat, in die Tiefentladung ging und sich nicht mehr aufladen ließ. Kaputt das Ding. Aber war es wirklich ein Fehler vom Akku?

Da würde ich mal ganz klar sagen, nein!

Das was die Schutzschaltung leistet, muss man aber wirklich als Schutzfunktion verstehen und hat nichts mit einer Steuerung zu tun.

Was kann jetzt aber bei Geräten passieren, bei denen die Schutzschaltung sozusagen als Steuerung zweckentfremdet wird? Gehen wir meinen „Reklamations“-Fall doch einfach mal im Detail durch.

Ohne Steuerung in die Tiefentladung

Der Akku, der in der Anwendung verbaut ist, hat eine nominale Spannung von 3,7 Volt, ein klassischer Lithium-Ionen-Akku eben. Die Ladeschluss-Spannung liegt bei 4,2 Volt und die Entladeschluss-Spannung liegt bei 2,8 Volt. 

Auf dem Akku sitzt die Schutzschaltung, die eine maximale Spannung von 4,2 Volt zulässt und bei 3,0 Volt abschaltet. Die Schutzschaltung passt also super zur Zelle, denn falls die Schutzschaltung einmal wegen einer zu geringen Spannung anspringen sollte, hat die Zelle noch einen kleinen Puffer.

Exkurs zur Tiefentladung

Übrigens: bei unter 2,5 Volt ist der Akku tiefentladen. Und so ein tiefentladener Lithium-Ionen-Akku sollte nicht wiederbelebt werden! Wiederbelebte Li-Ion-Zellen haben ein hohes Risiko für interne Kurzschlüsse inklusive spontaner Brände oder sogar Explosionen.

So, jetzt wissen wir, wie der Akku und die Schutzschaltung bei dieser Anwendung ausgelegt waren. Bleibt also noch das Gerät an sich. Da hätten wir erst einmal eine Versorgungsspannung von 3,0 Volt. Das passt schon.

Was dem Gerät allerdings gefehlt hat, war eine Steuerung, die bei um die 3,2 Volt alles abschaltet. Und zwar wirklich alles, sodass aus dem Akku keinerlei Strom durch irgendwelche Bauteile wie zum Beispiel einem Prozessor im Leerlauf gezogen wird.

Grundsätzlich kann eine Schutzschaltung nämlich nur dann reagieren, wenn der Entladestrom eine gewisse Höhe erreicht. Er sollte sich da schon im Bereich von Milliampere bewegen. Wenn der Entladestrom zu gering ist, schaltet die Schutzschaltung überhaupt nicht ab und der Akku entlädt sich immer weiter.

Der Strom, den der Prozessor zieht, ist aber so klein, dass die Schutzschaltung gar nicht reagieren kann. So wird der Akku nach und nach immer weiter entladen. In diesem Fall kam noch dazu, dass der Akku aufgrund seines Alters auch eine höhere Selbstentladung hatte.

Ohne die entsprechende Steuerung im Gerät ist nun folgendes passiert: das vollgeladene Gerät wird wie üblich genutzt, bis die 3,0 Volt erreicht sind und das Gerät sich abschaltet. Der Prozessor zieht aber immer noch einen kleinen Strom.

Wenn das Gerät jetzt nicht relativ bald wieder ans Ladegerät angeschlossen wird, kann es passieren, dass der Prozessor und die Selbstentladung den Akku weit unter 2,5 Volt leerziehen. Das Ergebnis: der Akku ist tiefentladen. Er lässt sich nicht mehr aufladen und ist hinüber.

Das Dreamteam: Steuerung + Schutzschaltung

Mit einer richtigen Steuerung im Gerät zusätzlich zur Schutzschaltung, würde bei 3,2 Volt alle Verbraucher getrennt. Es könnte also kein Strom mehr vom Prozessor oder anderen Komponenten gezogen werden. Der Akku hätte dann auf der einen Seite noch einen größeren Puffer bis zur Tiefentladung, außerdem wäre auch die Entladungsrate nicht so hoch, weil die Komponenten ja wirklich aus wären.

So eine Steuerung hätte noch einen weiteren charmanten Vorteil. Der Akku würde zwar nicht mehr die vollen 100 % der Kapazität nutzen, wird dafür aber auch weniger gestresst und hält viel länger. Das heißt wiederum, dass die kalendarische Alterung, die Selbstentladung und auch die Zyklenzahl positiv beeinflusst werden.

Fazit zur Zweckentfremdung von Schutzschaltungen

Viele Hersteller sparen sich das Geld, eine Steuerung ins Gerät zu designen, weil sie ja denken, dass könnte die Schutzschaltung übernehmen.

Eine Schutzschaltung ist allerdings überhaupt nicht dafür ausgelegt ist, ein Gerät zu steuern. Das Ding heißt nicht umsonst Schutzschaltung und nicht Geräte-Steuerungs-Schaltung oder gar Steuergerät

Unter diesem Design leidet auf jeden Fall der Akku, denn er hat ein höheres Risiko, in die Tiefentladung zu rutschen. Aber auch die Schutzschaltung kann Schaden nehmen, weil sie ja gar nicht für ein häufiges Schalten ausgelegt ist (im Gegensatz zu einer Steuerungsschatlung). Ein tägliches Schalten kann so eine Schutzschaltung relativ schnell zerstören.

Übrigens: möchte man sein Endgerät CE-zertifizieren lassen oder sich an einer Gerätenorm orientieren, dann ist eine Steuerung, die das Gerät komplett abschaltet, vorgeschrieben. Zum Schutze des Akkus und als Redundanz für die Anwendungssicherheit des Geräts.

Wenn auch du ein Projekt hast, für das du eine mobile Energieversorgung inklusive Schutzschaltung oder BMS brauchst, können wir uns ja gerne einmal unterhalten. Rufe mich doch einfach mal an (07151 959 30 22) oder schreibe mir eine Mail (info@accundu.de).

Diesen Beitrag teilen!