Reparatur von Lithiumbatterien: Eine kostengünstige Lösung

Der Ersatzakku des Herstellers kostete rund 100 Euro, ein Ersatzakku eines Drittanbieters war für etwa die Hälfte dieses Preises zu bekommen, was gar nicht so schlecht ist. Aufgrund der Spezifikation suchte ich nach einem 18-V-Ersatzakku mit einer Kapazität von 2,1 Ah. Das bedeutete fünf Zellen, wahrscheinlich im Standard-18650-Umriss. Um meine Vermutungen zu bestätigen, machte ich mich daran, den Deckel des Batteriefachs zu entfernen. Wenig überraschend war das leichter gesagt als getan. Drei der Schrauben ließen sich problemlos lösen, die vierte war jedoch völlig verklemmt. Irgendwann kam es heraus, aber die unverlierbare Befestigungsmutter wurde dabei herausgerissen und verklemmte sich im Schraubengewinde. Es sah so aus, als ob das Gewinde beim Zusammenbau im Werk verdreht worden wäre.Figur1a zeigt die Aussparung der unverlierbaren Mutter im Mähwerksgehäuse nach dem Ausbau. Einige Trümmer blieben zurück. Ich habe schließlich die Schraube und die Mutter getrennt und obwohl ein Teil der unverlierbaren Messingmutter abgebrochen ist (Figur1b), sah es reparierbar aus.

Da das Batteriefach wasserdicht ist, musste die Sicherungsmutter erneut montiert werden, um sicherzustellen, dass alle vier Schrauben festgezogen werden konnten, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten. Ich habe einen Epoxidkleber verwendet, um die Mutter zu befestigen, und Sie können das Ergebnis hier sehenFigur2b . Die Messingmutter oben links sieht aus, als ob sie schon ewig da gewesen wäre. Nachdem der mechanische Teil repariert war, richtete sich die Aufmerksamkeit auf den Akku.Figur2b zeigt die Batterie in ihrem Fach. Der Umriss von fünf Zellen ist deutlich zu erkennen und ein Lineal bestätigte, dass es sich um 18650 Zellen handelte. Es gibt auch viel freien Speicherplatz (Figur2c ), was mich zum Nachdenken brachte: Könnte ich den Platz besser nutzen, indem ich mehr oder größere Ersatzzellen verwende? Nun stand für mich fest: Der Kauf einer handelsüblichen Ersatzbatterie kam nicht mehr in Frage.

Figur2a zeigt, dass zwei Aussparungen im Batteriedeckel in den verfügbaren Batterieraum eingreifen und somit den Einbau von zwei Reihen zu je fünf Zellen zur Verdoppelung der Kapazität ausschließen. Allerdings gibt es teurere Zellen im 18650-Format mit höherer Kapazität. Einige der bekannteren Marken haben Zellen in diesem Format mit einer Leistung von bis zu 3.500 mAh. Solche Markenzellen mit hoher Kapazität kosten jeweils gut 10 €. Auch bei eBay, AliExpress und ähnlichen Seiten findet man Zellen mit deutlich höheren Bewertungen, allerdings sollte man solche Behauptungen mit Vorsicht genießen. Ich hätte fast fünf Zellen bestellt, bis mir einige andere im etwas ungewöhnlicheren 21700-Format auffielen . Obwohl sie nur geringfügig größer waren, boten sie deutlich mehr Kapazität für das Geld. Ich war mir sicher, dass sie irgendwie passen würden (ich dachte an eine Dreierreihe und eine Zweierreihe, um ein W-Profil zu bilden). Mit Mengenrabatt und Porto kamen die 5 × 4.000 mAh-Zellen auf insgesamt 26 €. Sie warfen sie zwei Tage später durch den Briefkasten, und es war kein Tag zu früh – das Gras musste jetzt definitiv geschnitten werden.

Der Aufbau eines Batteriepakets aus einzelnen Zellen erfordert im Allgemeinen ein gewisses Maß an Fingerfertigkeit, elektrischem Fachwissen und einem Punktschweißer. Wie Sie am alten, ausgepackten Akku erkennen könnenFigur3 Die fünf grünen Zellen sind an den Plus- und Minuskontakten sauber über dünne, punktgeschweißte Nickelstreifen verbunden. Diese Art der dauerhaften Verbindungsmethode schadet der Zelle nicht. Die beim Punktschweißen entstehende Hitze ist zwar groß, aber schnell und lokal, sodass die Zellen kaum erwärmt werden. Es ist bekannt, dass man nie genug Werkzeuge haben kann, aber in diesem Fall kann ich mir nicht vorstellen, wo ich sonst ein Punktschweißgerät verwenden würde, daher kann ich den Aufwand nicht rechtfertigen. Stattdessen habe ich mich dafür entschieden, die Drähte direkt an die Zellkontakte anzulöten. Dies wird nicht empfohlen, es sei denn, Sie befolgen einige Regeln und sind sich der Gefahren bewusst.

Der verwendete AkkuFigur 3 ist typisch für viele andere batteriebetriebene Geräte. Es besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen sowie einer Batteriemanagementsystem-Platine (BMS). Dies ist die abgebildete PlatineAbbildungen 3bUnd3c . Das letztgenannte Bild zeigt auch einen Größenvergleich zwischen den neuen Zellen und denen im alten Akkupack. Das BMS erfüllt drei Grundfunktionen:

Der Chip auf der BMS-Platine mit den meisten Beinen übernimmt alle diese Aufgaben. Dabei handelt es sich um einen speziellen Mikrocontroller, der die Zellspannungen überwacht (über den Anschluss links). Im Falle einer Über- oder Unterspannung trennt es die Zellen mithilfe von 2 × 2 MOSFETs (unten). Weitere Informationen zum Ausbalancieren von Lithiumbatterien finden Sie unter [2] und [3]. Das BMS ist im Lieferumfang enthalten, wenn Sie eine komplett neue Batteriepack-Baugruppe kaufen, sodass die BMS-Platine (die noch funktioniert) des alten Packs überflüssig ist. Wenn Sie hingegen nur die Zellen austauschen, können Sie die vorhandene BMS-Platine weiterverwenden. Eine wichtige Funktion des BMS, die Sie kennen müssen, wird im beschriebenBMS Flip-Flop-FunktionAbschnitt unten.

BMS Flip-Flop-Funktion

Als ich den in Abbildung 3c gezeigten Akku herausnahm, war ich überrascht, 19,2 V direkt an den Plus- und Minuskontakten des 5-Zellen-Akkupacks zu messen. War ich mit der Ersatzbestellung zu voreilig gewesen? Andererseits konnte ich nur etwa 18,5 V am Akkuanschluss messen, wo er mit dem Mähermotor verbunden ist (rechts neben der BMS-Platine), der eine sehr hohe Quellenimpedanz hatte. Mit nur meinen Fingern konnte ich es zur Erde entladen, wodurch die Spannung auf nur wenige Volt abfiel. War das BMS kaputt? Ich habe einen 24-Ω-Lastwiderstand direkt an die Zellkontakte des Akkupacks angeschlossen und einen Strom von 0,75 A und eine Akkuspannung von 18,2 V gemessen. Anschließend habe ich die Last abgeklemmt und den Pack geladen. Nach nur wenigen Sekunden des Ladens mit 0,5 A wechselte der Spannungsausgang des BMS in den Niederimpedanzmodus, um über das BMS etwas Strom aus der Batterie zu ziehen. Es sah so aus, als hätte das BMS festgestellt, dass die Batteriespannung bei der letzten Verwendung des Mähers unter den Unterspannungsschwellenwert gesunken war, und den FET ausgeschaltet, um die Batterie abzuklemmen. Dieser „Aus“-Zustand war im BMS gespeichert. Um es zu testen, habe ich eine 12-Ω-Last an die Batterie angeschlossen. Nach fünf Minuten schaltete sich das BMS bei knapp über 13 V ab und nach einer weiteren Ladung wieder ein. Puh ... Nachdem das BMS einsatzbereit war, fuhr ich mit dem Zellentausch fort.

Da ich kein Punktschweißgerät zur Hand hatte, beschloss ich, die Litzen direkt an die Batteriepole anzulöten. Solange Sie vorsichtig sind, können Sie dies tun, ohne die Batterien zu beschädigen. Jegliche thermische Schädigung der Bestandteile der Zellen ist ungefähr proportional zum Integral von Zeit und Temperatur. Mit anderen Worten: Sie müssen schnell sein! Drei Dinge sind hier wichtig. Erstens muss der Lötkolben leistungsstark genug sein, damit die Spitze während des Lötens ihre Temperatur halten kann. Dadurch wird sichergestellt, dass das Ende der Zelle schnell die Löttemperatur erreicht. Empfehlenswert ist auch ein Lot, das bei niedrigerer Temperatur schmilzt. Ich habe ein 90-W-Bügeleisen verwendet, da es über einen Regler verfügt, mit dem die Bittemperatur auf über 400 °C eingestellt werden kann. Bei dieser Arbeit sollte man am besten auf bleifreies Lot verzichten, da es bei einer höheren Temperatur schmilzt und die Oberfläche nicht so gut benetzt wie das gute alte SnPb 60/40, das ich bevorzuge. Meiner Erfahrung nach nehmen die metallischen Kontaktflächen der Lithiumzellen das Lot leicht an. Mit einer auf 385 °C eingestellten Spitzentemperatur und der Verwendung von flussmittelgefülltem Lot mit 1 mm Durchmesser habe ich jede Verbindung in etwa einer Sekunde fertiggestellt – schnell genug, um eine Beschädigung der Zelle zu vermeiden. Wenn Sie die Lötspitze längere Zeit auf den Zellenkontakten lassen müssen Wird die Lötdauer deutlich länger (weil der Lötkolben zu schwach ist, die Temperatur zu niedrig ist oder bleifreies Lot verwendet wird), besteht die Gefahr einer Überhitzung und einer Beschädigung der Zelle. Dies wirkt sich auf die elektrische Kapazität der Zelle aus und verringert möglicherweise die Anzahl der Lade-/Entladezyklen. Solange das Bügeleisen nur etwa eine Sekunde Kontakt mit der Oberfläche hat, sollte es keinen Schaden anrichten. Alternativ könnten Sie einige etwas teurere markierte Zellen kaufen, die mit einem kurzen Nickelstreifen geliefert werden, der bereits an den Zellkontakten punktgeschweißt ist. Anschließend können die Streifen zu einem Paket zusammengelötet werden, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung des Zellinhalts besteht. Das ist im Prinzip sicherer, allerdings müssen Sie die blanken Streifen isolieren, um einen Kurzschluss zu verhindern. Ein Kurzschluss während des normalen Betriebs führt zu einem wesentlich gefährlicheren Zustand, als dies durch die Anwendung eines kurzen Hitzestoßes auf die Lötdrähte an den Zellkontakten entstehen könnte. Eine Nahaufnahme meiner Lötmethode ist in zu sehenFigur4 . Der positive Kontakt besteht aus einer Metallkappe, die an drei Stellen dieser Zelle an der Batterieelektrode befestigt ist. Diese Anordnung erhöht den thermischen Widerstand zwischen der äußeren Kontaktfläche und der inneren Struktur der Zelle und macht sie toleranter gegenüber dem Lötprozess. Tragen Sie zunächst kleine Tropfen Lot auf, um alle positiven Kontakte zu verzinnen (Abbildung 4a ) schnell. Als nächstes schneiden Sie die 1,5 mm2 Litze auf eine Länge von 3 cm zu, was etwas Spielraum für die spätere Positionierung der Zellen im Pack lässt. Diese können nun direkt an die Minuskontakte angelötet werden (Figur4b ) in zwei Stufen. Benutzen Sie zunächst den Lötkolben und löten Sie schnell, um einen kleinen verzinnten Bereich in der Mitte der Kontakte zu erzeugen. Anschließend die Enden der Anschlussdrähte abisolieren und verzinnen. Sobald die Zellen abgekühlt sind, löten Sie schnell einen Draht an jeden der negativen Kontakte. InFigur4c , sehen Sie das andere Ende eines Drahtes, der jetzt an den Pluskontakt der nächsten Zelle gelötet ist, um die Reihenschaltung herzustellen. Der dünnere rote Draht ist die Zellspannungsmessverbindung zur BMS-Platine.

Wie bereits erwähnt, kann das Batteriefach die fünf in Zweier- und Dreierreihen zu einer W-Anordnung angeordneten Zellen nicht aufnehmen, sodass ich einen anderen Packaufbau finden musste. InFigur5 Man sieht, dass vier der Zellen nebeneinander platziert und mit Heißkleber fixiert werden. Die fünfte Zelle wird über die anderen vier geklebt. Der Heißkleber macht die fertige Baugruppe sehr stabil. Alternativ können Sie hier auch Silikondichtmittel verwenden.

Das doppelseitige Klebeband auf der Rückseite der BMS-Platine musste nicht ersetzt werden, da es fest am neuen Akkupack haftete. Es blieb nur noch, die sechs Drähte vom weißen Stecker anzuschließen (Figur5b ) an die entsprechenden Zellkontakte, zusammen mit den Plus- und Minusanschlüssen des gesamten Packs, an die BMS-Platine. Dies muss abgeschlossen sein, bevor wir die neue Batterie testen können. Überprüfen Sie die gesamte Verkabelung noch einmal, um sicherzustellen, dass Sie keine Fehler gemacht haben. Wenn Sie später alles überprüfen möchten, können Sie ein Foto des alten Akkus machen. Der Akku funktionierte wie erwartet und konnte problemlos geladen und entladen werden. Der fertige Akku wurde mit Klebeband umwickelt, um die Baugruppe robuster zu machen und für Isolierung und Schutz vor dem Eindringen von Feuchtigkeit zu sorgen (Figur6 ), bevor Sie es in das Batteriefach des Mähers einsetzen. Nach Zuschrauben des Deckels und Einschalten des Mähers wollte dieser sich mit dem Signal vom Führungskabel kalibrieren und sofort mit dem Mähen beginnen. Letzteren Vorgang habe ich abgebrochen und das Gerät in die Ladestation gestellt. Das Aufladen dauerte volle drei Stunden, was darauf hindeutet, dass der Akku nun fast die doppelte Kapazität des Originals hat.

Der Roboter mäht so gut wie nie zuvor – eine Stunde Mähen, gefolgt von einer Stunde Aufladen. Der Akku wird bei diesen Zyklen nur teilweise entladen, daher gehe ich davon aus, dass diese Zellen mit größerer Kapazität deutlich mehr Ladezyklen vertragen, bevor sie erneut ausgetauscht werden müssen. Mit etwas Glück schätze ich, dass die neue Packung doppelt so lange halten wird wie das Original. Wenn das der Fall ist, hat sich der Aufwand für drei Stunden Bastelarbeit wahrscheinlich gelohnt. Wenn ich den Stundenlohn für die benötigte Zeit errechne, sieht der steuerliche Aspekt schlecht aus, aber auf der positiven Seite habe ich jetzt eine Lösung, die es nicht von der Stange zu kaufen gibt. Diese Methode des Batteriezellenaustauschs ist nicht darauf beschränkt Rasenmäher. Mit dem gleichen Ansatz können Sie die Lebensdauer von Akku-Staubsaugern und anderen Geräten verlängern, auch wenn der verfügbare Akku-Platz nicht so großzügig ist. Der letzte Staubsauger, den ich mit dieser Methode (mit leistungsstarken 18650-Zellen) repariert habe, ist seit drei Jahren ohne Leistungsbeanstandungen im Einsatz.