Power-for-all-Akku wiederbeleben

Bosch Power-for-All Akku 2,4 Ah

Der Akku wurde bei der Heckenschere AHS 50-20 LI mitgeliefert. Anfangs hat der Akku unsere komplette Hecke durchgehalten, aber im Laufe der Zeit, wir reden hier über einen Zeitraum von ca. 5 Jahren, ist die Leistung des Akkus so nach und nach eingebrochen. Ich habe seinerzeit noch ein Starterpack mit Ladegerät und einem 4 Ah Akku gekauft und diesen stärkeren Akku im Wechsel beim Hecke schneiden und mit dem Trimmer für den Grasrand verwendet, weshalb es wohl eine Weile gedauert hat, bis mir die Degradation des 2,4 Ah Akku aufgefallen ist. Diesen Sommer habe ich dann den „Kleinen“ mit dem Trimmer eingesetzt, wieder geladen und in den Keller gelegt.

Beim nächsten geplanten Einsatz an der Hecke, ein paar Wochen später, hat der Akku in der Heckenschere keinen Mucks mehr getan und auch das Ladegerät hat ihn nicht mehr erkannt.

Ich war natürlich neugierig und habe den Akku aufgeschraubt. Im Innern finden sich fünf Zellen der Standardgröße 18650 sowie eine kleine Platine mit zwei 8-Hufern und einigem Hühnerfutter, im Wesentlichen wohl Widerstände, Kondensatoren und SMD FETs (Feldeffekttransitoren). Das eine IC ist anhand der gerade noch entzifferbaren Beschriftung “771802” einfach zu bestimmen. Es handelt sich um einen BQ771802, ein Ãœberspannungsdetektor für 2 bis 5 Zellen. Dieses IC aktiviert einen Ausgang, wenn mindestens einer der überwachten Zellen eine Spannung von 4,225 V erreicht und teilt damit einer übergeordneten Steuerung mit, dass der Ladevorgang zu beenden ist.

Der zweite 8-polige Chip ist sehr sparsam mit Widerständen und Kondensatoren beschaltet, könnte ein Operationsverstärker sein. Mit ziemlicher Sicherheit ist dieses IC kein Microprozessor, das “BMS” ist also eher einfach gestrickt.

Eine für LiIon Akkus unabdingbare Unterspannungsabschaltung beim Entladen ist definitiv nicht Bestandteil der Schaltung, muss also eine Funktion des angetriebenen Motorgeräts sein.

Genauso ist keine Möglichkeit zu identifizieren, die einzelnen Zellen auf identischem Spannungspegel zu halten, man spricht von „Balancing“. Das ist wichtig, damit beim Entladen die einzelnen, in Reihe geschalteten Zellen eines Akkupacks alle gleichmäßig entladen werden. Die einzige Möglichkeit, in Reihe geschaltete LiIon Zellen ohne eine irgendwie geartete Balancerschaltung über längere Zeit beim Laden und Entladen nicht zu schädigen, ist die Selektion der Zellen. Dafür werden die elektrischen Parameter der Zellen ausgemessen und nur Zellen mit so gut wie identischen Werten in den Akkupack verbaut. Der Vorteil der unaufwändigeren Elektronik im Akkupack wird mit deutlich höheren Kosten bei der Herstellung erkauft.

Bis hier die Analyse der Akku-Innenschaltung.

Bei der Überprüfung der Zellenspannungen hat sich die Selektionstheorie bestätigt. Vier der fünf Zellen haben eine identische Spannung von jeweils 4,08 V, die fünfte Zelle aber zeigt eine Spannung von ca. 14 V.

Erklärung: Diese Zelle ist hochohmig bzw. hat 0 V Zellenspannung, was für ein ausgelöstes CID (Current Interruption Device, eine Sicherheitsschaltung, die bei zu hohem Zelleninnendruck oder zu hoher Temperatur auslöst und den Stromfluss in der Zelle unterbricht) spricht. Durch diese Unterbrechung misst man über die Zelle die anliegende Spannung der anderen, in Reihe geschalteten Zellen.

Achtung
Das CID einer LiIon Zelle ist nicht reversibel - einmal ausgelöst, ist die Zelle unbrauchbar. Im Netz kursieren Anleitungen, wie man so ein CID wieder „reaktivieren“ kann. Das ist vollkommen unverantwortlich, denn die angebotenen Möglichkeiten, den Stromfluss wieder herzustellen, zerstören die Schutzfunktion des CID nachhaltig.

Bliebe zu erwähnen, dass das CID ja ziemlich sicher aufgrund einer Fehlfunktion ausgelöst hat und mit voller Absicht nicht reversibel aufgebaut ist - Der Akku soll nicht wieder in Betrieb genommen werden können!

Wer an einem LiIon Akku das CID manipuliert, spielt mit Allem, was im lieb und teuer ist. Schaut euch die im Netz kursierenden Berichte über thermal durchgegangene LiIon Zellen an.

Soweit der Istzustand des Akkupack.

Aus einem zerlegten 30s Akku für unseren Wolf Rasenmäher habe ich noch eine Handvoll Zellen im Keller liegen, also liegt es nahe, die unbrauchbare Zelle im Bosch Akku zu ersetzen. Das passende Punktschweißgerät steht bereit, also los…

Nach Tausch der defekten Zelle funktioniert der Akku erwartungsgemäß wieder, er lässt sich auf dem Bosch Ladegerät laden und die Heckenschere läuft damit.

Aber wir erinnern uns, die Zellen wurden bei der Fertigung selektiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass die neu dazu gebrachte Zelle identische Parameter wie die von Bosch verbauten Zellen hat, geht gegen Null. Ohne Balancing werden die Zellenspannungen im Betrieb unweigerlich auseinanderlaufen und die neu eingebrachte Zelle wird früher oder später den Heldentod sterben, bzw. durch ihr CID abgeschaltet werden.

Abhilfe versprechen sogenannte aktive Balancer zum Nachrüsten, basierend auf Kondensatoren oder Spulen als Energiezwischenträger.

Der Formfaktor ist für eine gegebene Zellenanzahl unterschiedlich. Bei kapazitiven Balancern findet man Solche mit Elkos und Andere mit SMD Keramikkondensatoren. Letztere bauen deutlich flacher, haben aber im Allgemeinen einen kleineren Ausgleichsstrom angegeben. Induktiv arbeitende Balancer sind aufgrund der Induktivitäten etwas höher und etwas großflächiger aufgebaut. Jeder Induktivität ist ein IC zugeordnet, das die Spannungsdifferenz der angrenzenden Zellen bewertet und die Spule entsprechend ansteuert. Durch dieses Design besteht unkompliziert die Möglichkeit, bei erfolgtem Ausgleich der Zellenspannungen, die Funktion stillzulegen bzw. den Balancer in den PowerDown Zustand zu versetzen..

Bei den SMD Kondensatortypen habe ich Varianten gefunden, die die Schaltung stilllegen, wenn eine der Zellenspannungen unter 2,5 V absinkt, die Mehrzahl dieser einfachen Balancer hat aber keine Unterspannungserkennung, wird also bei Lagerung des Akku früher oder später eine Tiefentladung provozieren. Nicht gut.

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Für den Einsatz im Bosch Akku kommt nur ein induktiver Balancer mit automatischer Abschaltung bei erfolgtem Ausgleich infrage, da der Werkzeugakku traditionell nicht permanent in Benutzung ist und somit selten geladen wird.

Tests mit zum Pack verschalteten LiIon-Zellen und den verschiedenen Balancertypen haben gezeigt, dass die theoretischen Vorüberlegungen zutreffen.

Vom Einbau eines Balancers in den Bosch Akku habe ich letztlich aber abgesehen, da ich eine andere Lösung gefunden habe. Ein bei Ebay als defekt angebotener, baugleicher Akku hat sich als Schnäppchen herausgestellt, da zwar die Elektronik defekt ist, die fünf Zellen aber offenbar noch tiptop in Ordnung sind. Eine Transplantation der BMS-Platine aus meinem alten Akku in den Gekauften ist deutlich einfacher und erfolgversprechender als der Ersatz einer einzelnen Zelle und der Einsatz eines Balancers.

Hier der reanimierte Akku, mit neuer Ersatzzelle:

Der dazu gekaufte Akku mit defekter Elektronik:

Das Ergebnis der Transplantation:

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Die vier verbleibenden, selektierten Zellen finden Verwendung in einer USV (Unterbrechungfreie StromVersorgung) für einen Raspberry Pi.

GeeekPi hat eine neue Version herausgebracht, UPSv6 oder UPS Gen 6.

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Nachtrag
Die vorgesehene Verwendung in der USV für den Raspberry Pi fand letztlich nicht statt.

Die Zellen lagen nach dem Vereinzeln ein paar Tage auf der Fensterbank, waren nicht angeschlossen und wurden nicht geladen oder entladen. Die Spannung aller vier Zellen war zu diesem Zeitpunkt identisch 4,08 V, eigentlich erwartete ich keine Änderung an diesem Status Quo.

Bevor ich zwei der Zellen in die USP einsetzen wollte, habe ich nochmal die Spannungen überprüft und habe nicht schlecht gestaunt, als eine der Zellen spannungslos daher kommt. Auch bei dieser Zelle hat offensichtlich das CID ausgelöst, diesmal ohne externe Beschaltung. Ein paar Tage später dann das Gleiche unter gleichen Voraussetzungen bei der nächsten Zelle.

Bosch hat offenbar mit dieser Charge von Zellen kein glückliches Händchen gehabt.

Ich habe von der weiteren Verwendung der Zellen Abstand genommen und sie ordentlich entsorgt.