Lipo Akkus - Frust, Mythen, Meßwerte und Eigenschaften

  • Lipo Akkus - Frust, Mythen, Meßwerte und Eigenschaften

    Motivation
    Als Hobbybastler hat sich bei mir über die Jahre einen Fundus an Akkuschraubern angesammelt. Eines ist ihnen allen eigen. Die Schrauber halten länger, als deren Akkus. Der letzte den ich kaufte, stammte von einem Discounter und besaß (3) Lipo Akkus. Wunderhübsch leicht, wenn man über Kopf Rigipsplatten schraubt…
    Ärgerlich ist jedoch der Umstand, wenn ein solcher Akku (genauer gesagt das Akkupack) nach 5 Jahren seinen Dienst einstellt. Im Vergleich dazu hielten die Akkus meiner ersten NiCd-Akkuschrauber über 10 Jahre. Heutige Akkus gleicher „Billigschrauber“ halten aber auch keine 10 Jahre mehr. Insofern stieg der Frustpegel über die Jahre und ich dachte, daß es an der Zeit wäre, mal ein wenig an den Akkus herumzumessen. Und dann finden sich ja im Internet auch noch gute Ratschläge, Lipo Akkus in das Gefrierfach zu legen, weil die Kapazität dann wieder „voll krass toll da ist Mann“…


    Die Probanten
    In Ermanglung einer „einigermaßen“ vernünftigen Stichprobe an Akkus, griff ich beim letzten Wertstoffhofbesuch beherzt in die Tonne der Laptop-Akkus und holte zwei unterschiedliche Laptop-Akkupacks heraus. Eines besaß 6 Akkus (nummeriert von 1...6), das andere nur 3 (nummeriert von 7...9).
    Nachdem ich die Packs aufgeschnitten hatte, kam die erste Überraschung. In allen Packs befanden sich zwar (mehr oder weniger erwartungsgemäß) die gleichen 18650er Akkus, sie waren aber zudem alle rot und besaßen keinerlei Aufdruck.
    Zufall? Kann sein, später werden wir aber sehen, daß Kollege Zufall seine Finger vielleicht doch nicht im Spiel gehabt hat.

    Bestandsaufnahme
    Sämtliche der Akkus 1...9 waren tiefentladen und wiesen lediglich Restspannungen zwischen 0,5-0,7V auf. Keiner der Akkus war völlig „kurzgeschlossen“ (dann geht i.d.R. das ganze Pack nicht mehr). Das läßt die Vermutung zu, daß die Notebooks wohl aus anderem Grund entsorgt wurden, als aufgrund eines einzelnen defekten Akkus.


    Bestimmung der Kapazitäten
    Zunächst interessiert uns die Kapazität eines „entsorgten“ Akkus, welcher offenbar längere Zeit einer Tiefentladung ausgesetzt war. Dabei stellt sich dem armen Mann die Frage, wie er wohl mit Hausmannsmitteln am einfachsten die Kapazität ermitteln kann.
    Ideal wäre es, den Strom über der Zeit zu messen. Ist das nicht möglich, besitzt man jedoch eine „Konstantstromsenke“, so wäre das ebenso hinreichend. Es aber auch hinreichend, solange die „Stromsenke“ sich linear im Meßbereich verhält. In diesem Fall kann die Strommessung auf der Messung der Spannung abgestellt werden. Eine Glühlampe weist in einem gewissen Spannungsbereich ein lineares Stromverhalten bei angelegter Spannung auf. Spannung hoch→Faden hell→Widerstand hoch (und umgekehrt).


    Tabelle 1: Strom im Glühfaden bei gegebener Spannung

    Tabelle 1 und Diagramm 1 zeigen den Stromverlauf einer 12V/10W Soffitte bei gegebener Spannung.


    Diagramm 1: Stromverlauf und Regressionsgerade bei gegebener Spannung

    Zur Kapazitätsmessung wird anstelle des Stroms nun die mittlere Spannung über der Zeit äquidistant protokolliert. Über deren Mittelwert ergibt sich nach obiger Regressionsgerade der mittlere Strom über der Versuchszeit. Das Produkt aus mittlerem Strom und Versuchszeit ergibt die gesuchte Kapazität.


    Messung der Kapazitäten unmittelbar nach der Ladung
    In der ersten Versuchsreihe wurde die Kapazität der Akkus unmittelbar nach deren Ladung ermittelt. Tabelle 2 zeigt die Entladezeiten der 9 Akkus unmittelbar nach dem Laden und nach 3 Wochen Lagerzeit.


    Tabelle 2: Meßwerte zur Entladung der Akkus nach Aufladung und dreiwöchiger Lagerung

    Betrachtet man zunächst die relative Standardabweichung (RSD in %) der Akkus 1-9 bei einer Entladung auf 3,5V bzw. 3,0V, so zeigt sich verblüffenderweise, daß die Streuung der Akkus mit 6,1% und 6,5% relativ gering ausfällt. Das ist insofern verwunderlich, als daß die Akkus aus zwei Notebooks unterschiedlicher Herkunft und unterschiedlichen Vorlebens stammen.
    Nun ist eine Stichprobe von 2 Akkupacks und insgesamt 9 Akkus sicherlich sehr klein gegenüber einer Grundgesamtheit von Millionen von Laptopakkus, jedoch drängt sich die Frage auf, wieso das so ist?


    Alterung
    Möglicherweise altern solche Akkus eben eher „nicht-linear langsam“. D.h. der Kapazitätsverlust setzt erst zu einem späten Zeitpunkt (also nach sehr vielen Ladezyklen), dann aber signifikant ein (späte Streuung). Im vorliegenden Fall kann also davon angenommen werden, daß alle Akkus noch in einem Ladezyklenbereich liegen, in dem noch keine signifikante Streuung der Kapazität ersichtlich ist.
    Lipo-Akkus werden vom Hersteller nach der Produktion „sortiert“. Mittels verschiedener Lade- und Entladezyklen erlaubt sich eine gewisse Vorhersage über das Alterungsverhalten der Akkus. Nun ist es so, daß ein einzelner defekter Akku in einem Akkupack, dieses quasi wertlos macht, da die Zusammenschaltung im Verbund (trotz Einzellade- und -entladeüberwachung der Zellen) nicht mehr möglich ist. Insofern ist es erstrebenswert, wenn alle Akkus den gleichen Alterungprozeß aufweisen. Dann ist wenigstens „alles gleichzeitig kaputt“.
    Laptophersteller legen offenbar viel Wert darauf, keine Reklamation wg. defekter Akkus während der Garantiezeit zu erhalten. Immerhin ist der Akku ein sehr zentrales Element eines Notbooks.


    Kapazitäten
    Ein Blick auf die ermittelten Kapazitäten zeigt Werte von durchschnittlich 1,96Ah. Dieser Wert ist gar nicht mal so schlecht, bedenkt man, daß die Akkus sowohl gebraucht, als auch tiefentladen waren. Wo ihr „Neuwert“ lag, läßt sich aufgrund des fehlenden Aufdrucks nicht sagen. Dennoch, im Vergleich zu den im Akkuschrauber verbauten Lipos, deren Aufdruck 1,3Ah aufweist, schneiden die „Wertstoffhofakkus“ besser ab.


    Selbstentladung durch Lagerung
    Die beiden rechten Spalten der Tabelle 3 zeigen die ermittelten Kapazitäten nach Aufladung und dreiwöchiger Lagerung bei Zimmertemperatur. Werte > 100% sind natürlich kaum erklärlich, außer durch Meßfehler oder ungleiche Ladung/Entladung der Akkus. Auch Temperaturunterschiede können hier eine Rolle spielen. Mehr dazu findet sich im Kapitel „Auswertung“ am Ende dieses Artikels.
    Dennoch zeigt ein mittlerer Wert von 98% Kapazität nach 3 Wochen (gerade bei vorher voll geladenem Akku und Zimmertemperatur), daß die Selbstentladung wohl relativ gering ausfällt.


    Einfluß von Kälteeinwirkung auf Alterung und Kapazitäten
    Wie Eingangs erwähnt liest man gelegentlich von enormen „Kapazitätsgewinnen“ unterzieht man „schlappe“ Akkus einer Tiefkühlbehandlung. Leider fehlen diesen Artikeln i.d.R. Angaben zur gewählten Temperatur geschweigen denn, daß Meßreihen verfügbar wären. Dies sei hiermit nachgeholt. Akku Nr. 1 mußte für diese Zwecke herhalten. Um einen vorher/nachher Vergleich durchführen zu können, wurde der Akku zunächst 4x aufgeladen und wieder entladen, bevor er über 72h in einer Tiefkühltruhe bei -18°C eingelagert wurde. Im Anschluß wurde er auf Zimmertemperatur erwärmt und wiederum 4 Entlade- und Ladezyklen unterzogen. Diagramm 2 zeigt die 8 Lade- und Entladezyklen des Akkus.


    Diagramm 2: Lade- und Entladekurven vor und nach 72 stündiger Lagerung bei -18°C

    Das Diagramm ist ein wenig unübersichtlich, um einen Vergleich ziehen zu können. Werfen wir deshalb zunächst einen Blick auf die Werte vor der Kühlbehandlung.
    Tabelle 3 zeigt die gemessenen mittleren Spannungen und den darüber ermittelten mittleren Entladestrom sowie die Entladezeit. Damit ergebt sich eine mittlere Kapazität von 1,82Ah bei einer recht genauen RSD von 1,02% (siehe dazu auch das Kapitel „Auswertung“ am Ende des Artikels).


    Tabelle 3: Kapazitätsbestimmung vor der Kältebehandlung

    Tabelle 4 zeigt die Werte der gleichen Messungen nach der Temperaturbehandlung von -18°C über 72h.


    Tabelle 4: Kapazitätsbestimmung nach 72 stündiger Kältebehandlung bei -18°C

    Die mittlere Kapazität des Akku liegt nach der Kühlbehandlung bei 1,76Ah. D.h. der Akku hat eine Schädigung seiner Kapazität in Höhe von 1,76Ah/1,82Ah*100% = 3,5% erlitten. Desweiteren fällt auf, daß diese Schädigung bereits direkt nach der 1. Entladung erfolgte. D.h. der (vorher vollgeladene) Akku verlor während der Kühlbehandlung seine Kapazität nicht durch Selbstentladung, sondern durch aktive Temperaturschädigung. Zum Vergleich – die Selbstentladung innerhalb von 3 Wochen lag bei Zimmertemperatur bei <= 2%!
    Der Mythos einer „Akkuheilung“ durch Aufbewahrung in der Tiefkühltruhe kann durch diese Meßreihen sonach nicht bestätigt werden. Tatsächlich ist eine leichte Schädigung des Akkus hinsichtlich dessen Kapazität erkennbar.


    Ladecharakteristik
    Betrachtet man den Spannungsverlauf der Ladekurven in Diagramm 2 so fällt auf, daß die Ladung in 3 Stufen erfolgt. In der ersten Stufe wird der Akku vom Ladegerät mittels einer Konstantspannung vor einem Widerstand auf 3,0V geladen (konvexer Spannungsverlauf), in der zweiten Stufe wiederholt sich der Vorgang bis zu einer Grenzspannung von 3,8V. In Phase 3 wird mit kostantem Strom bis zur Abschaltspannung von 4,17V weitergeladen.
    Dieses Vorgehen ist zwar nachvollziehbar, steht jedoch im Widerspruch zu einem Artikel in Wikipedia über Lipo-Akkus (https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator Stand 05.10.2016). Darin wird zunächst von einer Konstantstromladung bis zum Erreichen der Ladespannung gesprochen, der dann eine Stromüberwachung folgt.


    Charakteristik eines defekten Akku
    Diagramm 3 zeigt zwei Entlade- und einen Ladeverlauf eines defekten 1,3Ah Akkus (aus dem Akkuschrauber) nachdem dieser 3 Wochen lang einer Temperatur von -18°C ausgesetzt wurde.


    Diagramm 3: Lade- und Entladecharakteristik eines defekten Akkus

    Die erste Entladekurve zeigt einen erheblichen Verlust der Akkukapazität über die 3 Wochen Kühlbehandlung. Dieser rührt jedoch vermutlich eher vom Defekt an sich und der 3 wöchigen Lagerung her, als vom Einfluß der tiefen Temperatur. Der zweite Entladeverlauf zeigt wieder eine höhere Kapazität. Insofern läßt sich jedoch schlußfolgern, daß geschädigte Akkus daran erkennbar sind, (auch) eine höhere Selbstentladung aufzuweisen, als unbeschädigte Akkus.
    Die mittlere Spannung der zweiten Enladekurve (gelb), gemessen zwischen 4,1V und 2,75V, liegt bei 3,39V und einer Zeit von 0,26h, was in einem mittleren Entladestrom von 0,39A und einer daraus folgenden Kapazität von 0,1Ah resultiert.

    Diagramm 4 zeigt jeweils 4 Lade- und Entladezyklen eines funktionstüchtigen (5 Jahre alten) Akkus (1,3Ah) aus dem selben Akkupack des Akkuschraubers.


    Diagramm 4: Lade- und Entladezyklen eines 5 Jahre alten 1300mAh Akkus.

    Nicht nur die Kapazität selbst, sondern auch der Kurvenverlauf der Entladekurve zeigen einen deutlichen Unterschied im Vergleich zu dem beschädigtem Akku. Tabelle 5 enthält die dazugehörigen Meßwerte. Die Kapazität dieses Akku liegt mit gemessenen 1,18Ah noch recht nahe bei dessen im Aufdruck angegebenen Nennkapazität von 1,3Ah, womit sich die bereits oben geäußerte Hypothese einer „nicht-linearen langsamen“ Alterung und Streuung erhärtet. Die RSD der Kapazität ist mit 1,12% vergleichbar mit denjenigen der vorangegangenen Untersuchungen.


    Tabelle 5: Kapazitätsmessung eines 5 Jahre alten 1300mAh Akku

    Der Ausfall eines Akkus des 3er Packs selbst deutet darauf hin, daß entweder bald mit einem Ausfall der anderen Akkus gerechnet werden müßte (gute Sortierung der Akkus durch den Hersteller) oder in solchen Packs „Akku-Ramsch“ mit schlecht vorsortierten Lebensdauern verbaut wird. Um dies herauszufinden, müßten die verbleibenden Akkus allerdings weiter untersucht werden.

    Eines zeigen die Untersuchungen jedoch auch - mittels Spannungsüberwachung ist es nicht sonderlich schwer, den Gütezustand eines Akkus zu erkennen – zumindest, wenn dessen Lade- bzw. Entladekurve oder dessen Kapazität bekannt sind.


    Recycling von Akkupacks
    Vergleicht man die Güte- und Kapazitätsunterschiede der Laptop-Akkus vom „Wertstoffhof“ mit denjenigen, welche sich im Discounter Akkuschrauber befinden, so drängt sich einem unweigerlich die Frage auf, wieso man die Akkuschrauber-Akkus nicht einfach wegwirft und durch „Qualitätsprodukte Marke Wertstoffhof“ ersetzt.

    Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß dies keine Anleitung zum Nachmachen ist. Die Energiedichte von Lipo-Akkus ist extrem hoch und die Brand- und Explosionsgefahr nicht zu unterschätzen.

    Bei den nachfolgenden Ausführungen handelt es sich lediglich um Gedanken. Diese können richtig oder falsch sein, lückenhaft oder vollständig – es sind nur Gedanken.

    Lipo -Akkus besitzen keinen Memoryeffekt. Insofern sollte ein Mix von Akkus unterschiedlicher Kapazität kein Problem darstellen. Ebenfalls sollte die Zellenüberwachung beim Laden und Entladen sicherstellen, daß Akkus nicht über- bzw. unterladen werden. Die Tiefentladung ist insofern weniger kritisch, als sich anhand der „Wertstoffhof-Akkus“ gezeigt hat, daß eine längere Tiefentladung keinen der 9 Akkus wohl völlig unbrauchbar gemacht hat. Tatsächlich liegt deren Kapazität mit 1,95Ah noch weit über dem „Neuwert“ der Akkuschrauber Akkus (1,3Ah). Zudem hat man im Austauschfall ja „nichts zu verlieren“. Kritischer ist der Umstand der ungewollten Überladung, d.h. dem Fall, wenn die Zellenüberwachung den ausgetauschten Akku überlädt (bzw. gar nicht abschaltet). Ob dies der Fall ist, läßt sich durch die Betrachtung der Spannungskurve beim Laden herausfinden. Ein direkter Vergleich mit den Ladekurven der Original-Akkus kann ggf. weiteren Aufschluß über das Ladeverhalten der Zellenüberwachung geben.
    Wird ein Akku niedrigerer Kapazität durch einen mit höherer Kapazität ausgewechselt, so legt das die vage Vermutung nahe, daß man ladetechnisch auf der „sicheren Seite“ liegt. Verallgemeinen läßt sich das jedoch nicht, solange man keine Kenntnis von der Ladecharakteristik der Zellenüberwachung besitzt. Wie bereits erwähnt – nachmessen!
    Doch aus der „Hardwareecke“ droht Warnung vor dieser Art von Hemdsärmeligkeit! Wirft man einen Blick in das Datenblatt der Multizellenüberwachungschips S-8205A/B, so findet man innerhalb der Chipserie eine Vielzahl von Abstufungen hinsichtlich der Schutzüberwachung. Man hätte diese Chips nun wohl nicht entwickelt, gäbe es nicht Akkus, auf die diese maßgeschneidert passen würden?!
    Andererseits – welcher Hersteller von Universalladegeräten weis, welche Akkus als nächstes in sein Ladegerät gesteckt werden? Doch hier könnte ein Unterschied zwischen dem proprietären Ladegerät, welches seine Akkus kennt und dem Universalladegerät liegen. Letzteres schaltet einfach eher ab (was auch der Lebensdauer des Akku zu Gute kommt), während das proprietäre Ladegerät den „ihm bekannten Akku“ bis zur Obergrenze lädt.


    Auswertung
    Sämtliche Meßreihen wurden ohne Ausreißerbehandlung durchgeführt. Die Ermittlung der relativen Standardabweichung erfolgte über der Stichprobe (eine Grundgesamtheit kann nicht unterstellt werden).
    Bei der Betrachtung über allen Akkus 1..9 wurden die Entladezeiten sofort nach Anlegen der Last bis zu den Grenzen von 3,5V und 3V ermittelt. Bei den Meßreihen zur Kälteresistenz erfolgte die Kapazitätsmessung innerhalb der Grenzen von 4,1V und 2,75V. Dies erlaubt genauere Rückschlüsse (kleinere RSD‘s) zur Kapazität des Akkus. Bei einer Neuauswertung der Meßreihen der Akkus 1..9 unter diesen Gesichtspunkten, dürfte die Streuung der Kapazitäten (RSD‘s) sonach kleiner ausfallen, als in Tabelle 2 berechnet.
    Die Meßreihen finden sich im Anhang dieses Artikels. Die verwendete Software findet sich im Preview zum nächsten Release der Hubo c++-Library.


    Meß- und Prüfmittel
    Die Spannungsmessungen wurden mittels des AD-Wandlers des Hubo (Rev. 1.11) mit vorgeschaltetem Spannungsteiler 1:2 gemessen. Als Entladewiderstand diente eine Soffitte 12V/10W. Die Datenerfassung erfolgte mittels des Programmes AnalogDump (Bestandteil der Hubo C++ Library). Als Ladegerät kam ein billiger Powerbank-Lader zum Einsatz.
    Bild 1 zeigt die zum Einsatz gelangten Mittel einschließlich der untersuchten Akkus. Die blauen Akkus stammen aus dem Akkuschrauber, die roten aus den Laptops.


    Bild1: Meß- und Prüfmittel (ohne Kabel)


    schnasseldag

  • Lipo Akkus - Frust, Mythen, Meßwerte und Eigenschaften? Schau mal ob du hier fündig wirst!

Participate now!

Don’t have an account yet? Register yourself now and be a part of our community!