Wissen rund um Schaltungen und Module für 18650 Li-Ion-Akkus
Im letzten Elektronik-Artikel habe ich mich ja mich der Analyse des 18650 Lithium-Ion Battery Shield V3 beschäftigt, einem Board mit Batteriehalter für einen 18650 Akku, um von diesem 5V und 3.3V abzugreifen und ihn laden zu können.Mein Ursprungsproblem war ja, dass Powerbanks zur Stromversorgung von Schaltungen, die nur ein paar Milliampere benötigen, schwierig zu finden ist. Die meisten, und bei mehr Kapazität der Powerbank eigentlich jede, schalten die Stromzufuhr ab, wenn nicht mindestens 50 mA oder mehr (je nach Powerbank) "gezogen" werden. Da Powerbanks vornehmlich dafür konstruiert wurden, Handy und Smartphones wieder aufzuladen, nehmen diese Modelle einfach an, dass das Smartphone jetzt voll ist, weil es keinen Saft mehr will und legen sich schlafen, um Strom zu sparen.
Was für eine Mikrocontroller-Schaltung natürlich selten dämlich ist. Da ist dann einfach der Strom weg und sie funktionieren nicht mehr, bis man wieder den Einschalttaster der Powerbank drückt. Nur damit diese dann ein paar Sekunden oder Minuten später wieder abschaltet. Oder die ganz "besonderen" Kandidaten unter den Powerbanks, die einfach mal alle paar Sekunden die Stromzufuhr für ein paar Millisekunden unterbrechen. Das ist beim Laden einer Handys nicht weiter schlimm, aber unser Mikrocontroller macht dann jedesmal einen Reset und startet neu. Sehr nervig.
Ein 18650 Battery Shield V3 liefert meinen Test aus dem oben erwähnten Artikel aber eine zuverlässig durchgehende Spannung ohne irgendwelche Ausschaltungen. Diese Shield sind für ca. 7 bis 8 Euro (Stand April 2023) über z. B. amazon aus Deutschland zu bekommen.
Aber es geht doch sicher noch günstiger und kompakter, insbesondere, wenn wir auf die 3.3V verzichten und nur eine selbstgebastelte Powerbank mit 5V Output haben wollen, so wie diese günstigen China-Powerbanks mit der Aufschrift "POWERBANK" (siehe Bild rechts). Diese Art nenne ich ja immer "dumme Powerbank", weil sie nichts weiter tun, als Strom zu liefern und nicht auf die Idee kommen, irgendwie die Stromzufuhr zu kappen, wenn kein oder zuwenig Strom entnommen wird.
Dummerweise habe ich inzwischen auch vermeintlich dumme POWERBANKs, mit eben diesem Aufdruck und selber Bauform gekauft, die eben halt doch abschalten. Hier hat man dann wohl die Ladeplatine upgedated. Sehr schade. Also doch etwas eigenes entwickeln...
In meiner Analyse des 18650 Lithium-Ion Battery Shield V3 hatte ich ja schon die Hauptkomponenten, sprich Chips genannt, die man so braucht für eine Powerbank.
Warum eigentlich 18650 Akkus
Das ist die Standardform für Industrie-18650-Akkus und sie ist günstig bekommen. So ein Akku sieht aus wie eine etwas zu groß gewordene AA-Batterie, hat am einen Ende einen Pluspol und am anderen Ende einen Minuspol. Diese Bauform ist günstig herzustellen und auch in der Anwendung praktisch.
18650 Akkus finden sich in Powerbanks, Geräteakkus für handwerkliche Geräte, Notebook-Akkus und sogar in E-Autos wieder.
Hauptgrund für die Verwendung ist also die immer gleiche Bauform, die Verfügbarkeit und der günstige Preis.
Was tut einem 18650 Akku gut und was nicht?
Stellen wir uns aber vorher kurz die Frage, was einem 18650 Akku gut tut und was nicht bzw. anders formuliert, wie man mit ihm umgehen sollte.Ein 18650 Akku basiert auf Lithium-Ion-Technologie. Das "Lithium" im Namen sagt schon aus, dass diese Metall im Akku vorhanden ist. Und Lithium ist nun einmal ein sehr reaktionsfreudiges Alkali-Metall. Wer im Physik-Unterricht aufgepasst hat beim Experiment, wie der Lehrer ein Alkalimetall wie Kalium oder Natrium in Wasser geworfen hat, hat die explosive Reaktion live miterlebt und vergisst das nicht mehr so schnell.
Es ist darum gar keine gute Idee, einen 18650 zu überhitzen. Und ihn öffnen zu wollen ist eine ganz schlechte Idee. Wer es trotzdem tun würde, würde viele aufgewickelte Lagen von zwei Materialen darin aufgewickelt sehen. Daher auch die Zylinderform. Jede zweite gerade Lage gehört zum Minuspol, jede zweite ungerade Lage gehört zum Pluspol, zumindest so ungefähr muss man sich das vorstellen. Würde man jetzt einen Nagel durch die Lagen schlagen und damit elektrisch verbinden, würde es einen Kurzschluss geben, der Akku würde sich sehr stark erhitzen und schließlich zu brennen anfangen. Und so ein Metallbrand ist nicht ganz so einfach zu löschen. Das schlimmste, was man tun kann, ist auch noch Wasser draufzukippen.
Auch die Pole kurzschließen ist keine gute Idee, denn das erhitzt den Akku wieder über Gebühr. Auch das Überladen (über ca. 4.2V) führt wieder zur Überhitzung, denn irgendwo muss der überflüssige Strom, der nicht mehr aufgenommen werden kann, ja hin - und der wird dann halt in Wärme umgewandelt.
Auf der anderen Seite tut es dem Akku nicht gut, wenn er zu sehr entladen wird. Bei ca. 2.5 V gilt der Akku als entladen. Wird weiterhin Strom entnommen, wird er tiefentladen. Das ist gar nicht gut, denn jetzt ändert sich die Chemie im Akku und es "wachsen" kleine metallische Brücken im Inneren. Wird der Akku dann wieder geladen, dann kann es hier zu einem Kurzschluss durch die Brücken kommen, der zur Überhitzung und damit zum Brand führen kann. Darum gilt der Sicherheitsgrundsatz, 18650-Akkus unter 2.5V zu entsorgen und eben nicht mehr laden zu wollen.
Einen 18650 Akku pfleglich zu behandeln heißt also zusammengefasst:
- nicht kurzschließen, also nicht in der Hosentasche zusammen mit dem Schlüsselbund herum tragen. Schutzboxen verwenden, sicher lagern.
- den Akku nicht beschädigen und nicht öffnen
- trocken lagern, Feuchtigkeit tut ihm nicht gut
- nicht unter 2.5V entladen, also tief entladen
- nicht länger laden, als bis dass der Akku 4.2V liefert oder sich merkbar erwärmt
Um die Vorsichtsmaßnahmen elektrisch einzuhalten, gibt es entsprechende elektronische Schaltungen.
Schutzschaltung gegen das Tiefentladen des Akkus
Da wäre zu einem eine Schutzschaltung gegen das Tiefentladen des Akkus. Wenn der 18650 Akku ab unter ca. 2.5 Volt Schaden nimmt, dann sollte immer eine Schaltung eingebaut sein, die dafür sorgt, dass unter 2.7V kein Strom mehr entnommen wird. Die Powerbank schaltet dann einfach ab und der Akku muss erst wieder geladen werden, bevor es weiter gehen kann.Konservativere Gemüter schalten schon bei 2.9V oder 3.0V ab. Das tut dem Akku sicher besser, aber man verliert halt ein klein bisschen Kapazität.
Der Satz "Akkus immer voll entladen und laden" gilt übrigens nicht für Lithium-Ion-Akkus. Der Satz war mal für Nickel-Cadmium-Akkus gültig, damit man die möglichen Ladezyklen (vielleicht 1000) möglichst gut ausnutzt und kein Memory-Effekt auftritt. Lithium-Ion-Akkus haben aber eine komplett andere Chemie als NiCd oder NiMH Akkus. Hier verliert man nichts, wenn man zwischendrin auflädt. Beispielhaft erklärt heißt dass 2000x halb aufladen ist genau so okay wie 1000x ganz aufladen. Wichtig ist halt nur, nicht tiefzuentladen oder zu überladen.
Und Draufgänger schalten erst unter 2.5V 18650er-Akku-Spannung ab. Das ist aber schon die absolute Untergrenze und ich empfehle das nicht, sondern eher 2.7V oder 2.9V, will man länger was von seinem Akku haben. Getestet habe ich das aber nicht. Dafür wäre eine sehr aufwendige Testreihe nötig. Ich gebe hier wieder, was Experten und Hersteller empfehlen. Außerdem ist es möglich, dass je nach Kapazität andere Werte ideal sind. Sind die inneren Folien dünner und dichter gepackt (höhere Kapazität) könnte es vielleicht schon eher durch einen Kurzschluss durch gewachsene Metallbrücken kommen, weil die zu überbrückenden Abstände kürzer sind und man sollte früher abschalten.
Solche Schutzschaltungen gegen Tiefentladung gibt es fertig zu kaufen. Diese sind nicht teuer.
Das Foto rechts zeigt ein ca. 3 mal 4 cm große Platine, auf der sich ein paar elektronische Komponenten befinden: Ein BSP100-N-Channel MOSFET, ein 1 Megaohm Widerstand, ein Kondensator und ein mit "2270M" bezeichneter Chip mit 5 Pins, bei dem ich mir nicht sicher bin, was das für einer ist.
Wen der Aufbau einer solchen Schaltung genauer interessiert, der kann sich den Artikel Tiefentladeschutz für Akkus des Make-Magazins durchlesen, der eine Schaltung auf Lochrasterplatine aufbaut. Die Platinen habe ich schon vor einiger Zeit gekauft. Leider sind sie mittlerweile vergriffen und nicht mehr kaufbar. Sie zeigen aber, wie wenig Komponenten man für eine Tiefentladeschutzschaltung benötigt.
Auf der oberen Seite wird die Batterie angeschlossen und unten hat man zwei Paar Leitungen, die die Batteriespannung weiterleiten, solange diese über 2.7 Volt liegt. Ansonsten schaltet der MOSFET nicht mehr und schützt damit den Akku. Die 2.7 Volt ist ein guter Wert.
Eine andere Platine, die man auch noch kaufen kann ist dazu gedacht, direkt auf die Zelle aufgeklebt zu werden und nach dem Anlöten mit Schrumpfschlauch isoliert zu werden. Sie ist sehr kompakt und nur 5 mm hoch bei 4 cm Breite. Auf der Bestückungsseite werden die Batteriepole an B+ (Plus) und die andere Seite angelötet und auf der anderen Seite der Platine gibt es die Lötpads P+ und P-, die für Power plus und Power minus stehen. Das ist der Ausgang, der Strom liefert, aber nur solange die Akku-Spannung größer 3.0 Volt liefert. Das ist eher konservativ. Aber lieber auf der sicheren Seite als einen Akku, der schnell kaputt ist.
Es gibt auch noch kreisrunde, kleine Platinen, die so im Druchmesser so groß wie der 18650er sind und auf einen Pol gesetzt werden. Die andere Seite des Akkus muss dann über die gesamte Batterielänge zur Platine geführt werden. Die Ausgänge sind natürlich beide auf der Platine, also auf einer Seite der Zelle.
Diese kleinen runden Platinen sind normalerweise dafür da, mit dem Akku eine Einheit zu bilden; der wird dadruch natürlich ein paar Millimeter länger, meist geht das aber okay, wenn er federnd eingesetzt wird. Als "protected battery" Akku muss man dann natürlich die Ausgangsspannung wieder vom Platinenpol wieder zurück zum gegenüberliegenden Batteriepol verbinden, allerdings natürlich nicht an diesen dran, sondern isoliert auf einen weiteren, äußeren Ebene.
Wenn man das Ganz schön in Schrumpfschlauch fixiert, dann sieht man dem Akku die Protected Schaltung fast nicht an. Eben nur, dass er ein wenig länger als normal ist. Das wäre die Lösung für ein Gerät, dass einen festen Einsatz für 18650-Akkus hat, dem aber die Schutzschaltung gegen Tiefentladung fehlt. Aber wer baut so etwas? Vielleicht alte Taschenlampen? Vielleicht auch etwas selbstkonstruiertes? Auf jeden Fall ist man mit einem selbst schützenden Akku immer auf der sicheren Seite.
Damit wäre unser Akku schon mal gegen Tiefentladung geschützt.
Ladeschaltung zum Aufladen des Akkus
Aber irgendwie müssen wir einen leeren Akku dann ja auch wieder laden. Das können wir entweder tun, indem wir einen Batteriehalter verwenden und den Akku rausnehmen, in einem Akku-Ladegerät laden und dann wieder einsetzen. Haben wir mehrere Akkus, tauschen wir den Akku aus und haben sofort wieder Strom. Der leere Akku kann dann in Ruhe laden.Oder wir integrieren gleich eine Ladeschaltung in unser Gerät und bieten so die Möglichkeit gleich im Gerät den Akku zu laden.
Dazu bedienen wir uns einer kleinen Ladeplatine wie der HW-168 auf dem Foto rechts.
Die Platine hat eine Micro-USB-Buchse als Ladeport, an den wir ein USB-Ladegerät anschließen können. Wir haben also eine Eingangsspannung von 5 Volt.
Aber die maximale Lade-Spannung für ein 18650 sind ja nur 4.2V. Das Heruntertransformieren erledigt die Platine für uns. Genauso wie sie erkennt, wenn der Akku voll ist. Dann schaltet sie den Ladestrom ab und signaliert durch eine leuchtende grüne oder blaue LED, dass fertig geladen ist.
Die Batterie wird rechts an die Lötpads BAT+ und BAT- angeschlossen und schon haben wir dafür gesorgt, dass unsere Batterie auch geladen werden kann.
Noch geschickter ist es, eine Platine zu nehmen, die beides in eins liefert: Tiefentladeschutz und Ladeschaltung. Das realisiert die Platine HW-107 (Foto rechts).
Hier wird die Batterie an B+ und B- angeschlossen, der Verbraucher aber an OUT+ und OUT-. Der Strom geht den Umweg durch die HW-107-Platine, die überprüft, ob die Akkuspannung mittlerweile unter 2.5V gefallen ist und benutzt dann den zusätzlich verbauten MOSFET, um den Verbraucher zu trennen.
2.5 Volt ist für meinen Geschmack etwas zu tief gegriffen. 2.7V wären mir lieber, aber es gibt die Platine wohl nur mit 2.5V Tiefentladeschutzspannung.
Jetzt können wir also unsere Schaltung mit den 3.7 Volt (naja, eigentlich 2.5V bzw. 2.7V bzw. 3.0V bis 4.2V, die Akkuspannung ändert sich ja) versorgen. Es gibt viele Mikrocontroller, die mit Spannungen zwischen 2.5 oder 2.8 und 5.5 oder 6 Volt betrieben werden können. Und mit der wir gleichzeitig den Akku laden können.
Wollen wir allerdings eine konstante Ausgangsspannung und vielleicht 5 Volt, dann müssen wir noch einen Schritt weiter gehen.
Spannungswandler von 3.7V auf z. B. 5V und USB-Buchse
Wenn wir eine 5 Volt-Powerbank mit USB-A Port bauen möchten, dann fehlt uns noch die Spannungswandlung auf 5 Volt aus den (durchschnittlich) 3.7V des 18650-Akkus.Am allereinfachsten geht das, wenn wir eine Kombiplatine benutzten, die es für rund einen Euro aus China das Stück gibt. Da sind dann eine Tiefentladeschutz, eine Ladeschaltung und ein Spannungswandler auf 5 Volt alles auf einer Platine verbaut. Das Teil hat dann einen USB-Ladeport (meist Micro-USB oder USB-C) und einen USB-Port für die 5V Ausgangsspannung (in der Regel USB-A).
Ja, warum erkläre ich dann haargenau alle Einzelteile, wenn man sich einfach günstig eine Platine kann, die doch alles kann?
Weil diese Platine eben wieder für Powerbanks gedacht sind und dann eben auch oft wieder abschalten, wenn nicht ein bestimmter Strom entnommen wird. Damit haben wir also nichts gewonnen. Dann können wir uns auch gleich eine Powerbank kaufen.
Außerdem berauben wir uns der Flexibilität, eine andere Spannung auszugeben oder einen anderen Stecker zu benutzen. Vielleicht sind wir es ja auch leid, dass eine Gerät eine 9V-Block-Batterie nach der anderen leersaugt und wir ständig neue kaufen müssen und uns das Herz blutet, weil das eine Untat an der Umwelt ist.
Dann würden wir die Spannung einfach auf 9 Volt wandeln und uns ein 9-Volt-Batterie-Clip anlöten und hätten unsere 9-Volt-Block-Emulation die echt lange durchhält und sich ganz leicht wieder aufladen lässt.
Diese Spannungswandler, die aus einer niedrigen Spannung eine höhere machen, sind unter den Namen "DC DC Boost Converter" oder "Step-Up Converter" zu finden. Es gäbe als Gegenstück noch "Buck" oder "Step-Down Converter", die aus einer hohen Spannung eine niedrigere machen, aber die brauchen wir hier nicht.
Boost Converter gibt es für feste Spanungsgröße, dann auch gerne "Voltage Regulator" genannt, zum Beispiel, um 3.3V oder 5V zu generieren. Ein Boost 5V-Converter mit festen 5V wäre also das richtige und günstigste für unsere Schaltung. Die gibt es auch schon fest mit einem USB-A-Port verlötet.
Diese Platinen machen genau das, was sie sollen und nicht mehr. Das heißt: sie saugen und liefern Strom ohne Rücksicht auf Verluste und schalten nicht ab. Genau das was wir wollen - aber nur nicht die Tiefentladeschaltung vergessen, sonst ist unser Akku bald hin.
Wollen wir eine andere Ausgangsspannung haben, dann benutzen wir ein Board wie das HW-045 (siehe rechts). Rechts (VIN) kommt die Spannung rein und links (VOUT) geht sie raus.
Auf dem Boost Converter sehen wir dann ein großes blaues Trimm-Poti, mit dem wir die Ausgangsspannung einstellen kann. Die kann hochgehen bis zu 25 oder sogar 30 Volt. Einen 9 Volt-Block damit zu emulieren ist also kein Problem.
Einfach die Ausgangsspannung messen und am Poti drehen, bis das Multimeter die gewünschten 9 Volt anzeigt. Fertig.
Video
Es gibt auch wieder ein kleines zusätzliches Video, in denen die Komponenten vorstelle und darauf eingehe, was sie tun:Weitere Aussichten
Demnächst will ich dann wirklich mal eine "dumme" Powerbank zusammenlöten / basteln. Natürlich "intelligent" genug, dass sie die Akku-Schutzschaltungen hat.Ich meine mit "dumm", dass sie nicht abschaltet und auch kleine Ströme zuverlässig über einen langen Zeitraum liefert, also ideal zum Betrieb von stromsparenden Schaltungen oder Mikrocontrollern.
Wenn es soweit ist, dann werdet ihr an dieser Stelle den Link zum neuen Artikel finden.
Und hier ist wie versprochen der Link auf meinen neuen Artikel: Selbstbau einer DIY 18650 Li-Ion Akku Powerbank samt 3D-Druck-Gehäuse