Sekundärschutz-Technologie für Hochstrom-Lithium-Ionen-Batterien

Der erhöhte Strom von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien werden zur Stromversorgung von Geräten wie Laptops und Smartphones verwendet. Technologische Fortschritte haben zu Geräten mit höheren Stromstärken geführt. In letzter Zeit werden solche Batterien auch in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, unter anderem in Akku-Elektrowerkzeugen und in Personentransportfahrzeugen wie Elektromotorrädern und Elektrofahrrädern.

Dexerials stellt Sicherungskomponenten (SCPs, Self-Control Protectors) her, die Lithium-Ionen-Batterien sekundär schützen. SCPs werden heute für Geräteanwendungen mit höheren Strömen benötigt. In diesem Artikel werden Beispiele zur Funktionsweise SCP erläutert.

Parallelschaltung sekundärer Schutzelemente (SCPs) zur Bewältigung höherer Ströme

Bei Dexerials ist Single SCP für den Sekundärschutz in Lithium-Ionen-Batterien konzipiert. Es wird davon ausgegangen, dass eine einfache Struktur und Konfiguration das Beste für optimale Sicherheit ist. Aus verschiedenen Gründen gibt es jedoch Fälle, in denen mehrere SCPs verbunden werden können, um höhere Ströme zu bewältigen. Abbildung 1 ist ein Diagramm einer solchen Parallelschaltung.

Abbildung 1 zeigt eine Schaltung, in der drei SCPs mit einem Nennstrom von 30 A parallel geschaltet sind, um einen Gesamtstrom von 90 A zu bewältigen. Der entscheidende Punkt in diesem Schaltplan ist, dass eine Diode (Gleichrichter) mit dem Heizelement (Widerstand) verbunden ist, das das Sicherungselement erhitzt und durchbrennt.

Warum Dioden notwendig sind

In der oben vorgestellten SCP Parallelschaltung ist es unerlässlich, entweder eine Diode oder einen FET (Feldeffekttransistor) zu verwenden, da beide die gleiche Funktion erfüllen. Abbildung 2 unten zeigt die Parallelschaltung eines SCP vor der Abschaltung durch den Überstromschutz. Es können beliebig viele SCPs parallel geschaltet werden. Dadurch können mehrere SCPs höhere Ströme bewältigen. Wie später gezeigt wird, kann, wenn keine Dioden an die Parallelschaltung angeschlossen sind, ein Pfad für den Stromfluss bestehen bleiben, selbst wenn die Sicherung durchbrennt. Die Grundvoraussetzung des sekundären SCP Schutzes besteht darin, den Stromkreis zu unterbrechen und alle Pfade zu blockieren, sodass der Strom nicht durchfließen kann.

Abbildung 3 unten zeigt ein Foto eines SCP Sicherungselements nach dem Überstromschutz. Ein Teil des quadratischen Sicherungselements ist durchgebrannt, als wäre es vertikal durchgeschnitten worden. Wie im Ersatzschaltbild (Schaltkreis rechts) dargestellt, befinden sich im SCP Schaltkreis zwei Sicherungen, von denen jedoch nur eine durchgebrannt ist. Wenn ein Stromkreis aufgrund eines Überstromschutzes unterbrochen wird, brennt wahrscheinlich nur eine der Sicherungen durch. Genauer gesagt brennt zuerst eine der Sicherungen durch (z. B. die mit dem etwas höheren elektrischen Widerstand). Dadurch wird der Stromfluss in diesem Stadium unterbrochen, und die verbleibende Seite bleibt erhalten.

Betrachten wir nun einen Fall, in dem keine Diode parallel geschaltet ist. Abbildung 4 zeigt drei parallel geschaltete SCPs, die jeweils zum Überstromschutz abgesichert sind. Bei allen drei SCPs, A, B und C, ist entweder Fuse1 oder Fuse2 durchgebrannt. Wenn sich alle durchgebrannten Sicherungen auf der gleichen Seite befinden (Sicherung 1 oder Sicherung 2), ist der gesamte Stromkreis unterbrochen und die Lithium-Ionen-Batterie geschützt. Wie in Abbildung 4 gezeigt, fließt jedoch ein Teil des Stroms im Stromkreis, wenn sich nicht alle drei durchgebrannten Sicherungen auf derselben Seite befinden. Das bedeutet, dass die Gefahr besteht, dass die Integrität des Sekundärschutzes nicht gewährleistet werden kann.

Um dieses Problem zu lösen, wird eine Gleichrichterdiode eingesetzt. Durch die Begrenzung des Stromflusses in eine Richtung wird der Stromkreis unabhängig von der ausgelösten Sicherung unterbrochen. Da die Gleichrichtung auch mit einem FET (Feldeffekttransistor) möglich ist, der den Strom steuert, kann dieser als Alternative zu einer Diode eingesetzt werden (siehe Abb. 5).

Sekundärschutzelemente (SCPs) separat in Lade- und Entladesystemen anschließen

Abb. 6 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung, bei der SCPs in Geräten eingesetzt werden, die kurzfristig hohe Ströme benötigen, wie z. B. Akku-Elektrowerkzeuge und Elektromotorräder. Entlade- und Ladekreis sind getrennt, und der SCP wird nur im Ladekreis verwendet.

In der Regel wird zum Laden ein niedriger Nennstrom von etwa 3 bis 10 A verwendet, auch bei Elektrowerkzeugen. Im Gegensatz dazu ist ein hoher Nennstrom von 100 A oder mehr nicht ungewöhnlich, wenn viel Leistung benötigt wird, beispielsweise beim Bergauffahren eines Elektromotorrads. Wären Lade- und Entladekreis identisch, könnte der hohe Strom beim Entladen zum Ausfall des SCP führen. Daher sollte beim Einsatz von SCPs im Transportwesen und bei Akkus für Elektrowerkzeuge der Stromkreis in Entladung und Ladung getrennt sein. Außerdem sollte er nur in einem Ladekreis verwendet werden, der einen Überladeschutz bietet.

Sowohl die Kapazität als auch die Stromstärke von Lithium-Ionen-Batterien nehmen mit der zunehmenden Anwendung zu. Um die Sicherheit großer Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, wird Dexerials weiterhin an der weiteren Verbesserung der SCPs arbeiten.