äußerer oder innerer Kurzschluss

Ohne ausreichende Isolation oder durch Fehler bei der Konfektionierung des Akkupacks kann es zu einem Kurzschluss kommen. Dabei hat eine Gleichspannung von ca. 48V die in diesem Fall unangenehme Eigenschaft einen ansehnlichen und stabilen Lichtbogen zu erzeugen, der sehr hell und auch heiß ist.

Die Lagerspannung der bisher gelieferten Zellen lag bisher zwischen 3,4V und 3,7V, womit die Zellen zwischen 1/3 und 2/3 ihrer Kapazität geladen waren. Bereits bei der Konfektionierung kann ein Block aus 12 parallel geschalteten Zellen einen enormen Kurzschlussstrom freisetzen - eine von mir genutzte aufgeladene Zelle schafft bereits 30A und ein Block damit über 300A bei lediglich 4,2V.

Ein Kurzschluss einer ungeschützten 13S12P Konfiguration (13 Zellen in Reihe und jeweils 12 Parallel) mit zu 100% geladenen Zellen bei 54,6V ergibt auf jeden Fall verdampftes Kupfer, geplatzte Lithiumzellen und mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Lithiumbrand. Der hierbei freigesetzte Stromfluss dürfte jeden 24V Blei-Akku vor Neid erblassen lassen, obwohl man damit bereits Schraubenschlüssel verdampfen lassen kann.

Durch elektrische Überlastung, Überladung, Tiefentladung und auch die einzuplanende Alterung kommt es zu mechanischen Veränderungen im Inneren der Zellen. Eine dieser Veränderungen ist die Bildung der sogenannten Dendriten, welche dann zu einem Kurzschluss innerhalb der Zelle führen können. Bei einer Parallelschaltung kann in einem solchen Fall nicht nur die in der Zelle selbst gespeicherte Energie in Form von Wärme freigesetzt werden, sondern auch die Energie der parallel geschalteten Zellen. Solch ein Schaden kann sehr stark lokal begrenzt auftreten und in Form eines Loches die Kapazität der Zelle reduzieren oder zu einem thermischen Durchgehen der Zelle führen.

Überhitzung

Bis zu einem gewissen Punkt führt eine Erwärmung über 40°C hinaus nur zu einer überproportionalen Reduzierung der Lebensdauer und Kapazität.

Abhängig von verschiedenen Faktoren wie Ladezustand, bereits vorhandene Schäden, Umgebungstemperatur, Stromfluss, Lade- oder Entladephase neigen Lithium Zellen bei einer Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung ihrer Zellspannung. Dieser Effekt hat die positive Eigenschaft den steigenden Innenwiderstand der Zelle bei steigenden Temperaturen teilweise zu kompensieren. Wird jedoch die Temperatur immer weiter erhöht, kommt es unweigerlich zu einem Thermischen Durchgehen der Zelle, welches in einer Selbstentzündung endet und dann benachbarte Zellen mitreißt.

mechanische Schäden

Durch Reibung der Zellen aneinander (Vibrationen in einem Fahrzeug), einem Sturz oder Unfall und Sabotage kann die mechanische Verkapselung beschädigt oder zerstört werden, was dann wiederum die oben genannten Punkte zur Folge haben kann.

meine Gegenmaßnahmen

Um Vibrationen und Unfälle mache ich mir keine Gedanken, da diese Akkupacks nur stationär eingesetzt werden, die Sabotagesicherheit ist für mich nicht umsetzbar.

Die Gegenmaßnahmen für Kurzschlüsse von außen heißen Planung, Ordnung, Sauberkeit und Isolation.

Ein aufgeräumter Arbeitsplatz während der Konfektionierung, ohne Lötzinnreste oder blanke Kupferstücken und eine abschließende Verpackung in Kartonpapier und Schrumpfschlauch verhindern ein Feuerwerk.

Lieber einmal öfter mit dem Messgerät kontrollieren, ob die Drahtbrücke wirklich dorthin gehört, als ein Feuerwerk zu verursachen.

Wer sich die Zeit dafür nimmt in Ruhe mit dem Werkzeug zu arbeiten, vermeidet Kurzschlüsse mit Schraubendrehern, Zangen oder dem Lötkolben - auch Lötzinn auf der Rolle ist für einen Kurzschluss gut.

Die Zellenhalter vereinfachen nicht nur die Konfektionierung, sie halten die Zellen dauerhaft auf Abstand, verbessern so auch die Kühlung und verleihen dem Akkupack bereits eine gute Stabilität, noch bevor die Bänder angeschweißt oder Lötverbindungen hergestellt wurden.

Die Übertragung der Energie aus den anderen parallel geschalteten Zellen ist in meinem Fall das Hauptproblem, dem kann man jedoch auf sehr einfache Weise Einhalt gebieten. Die Idee dafür habe ich aus einem Forum für Elektromobilität abgeschaut.

Jede Zelle wird an ihrem Pluspol (hier kann man am einfachsten mit dem Lötkolben arbeiten) mit einem relativ dünnen Draht an eine "Stromschiene" für den Pluspol angeschlossen. Dieser Draht übernimmt die Funktion einer Schmelzsicherung, diese muss in meinem Fall für einen Dauerstrom von maximal 5A pro Zelle dimensioniert sein. Daher viel meine Wahl auf Klingeldraht aus Kupfer mit einem Querschnitt von 0,6mm², die "Stromschiene" wird mit 2,5mm² Kupfer realisiert.

Ein Test mit 3 zu 2/3 geladenen Zellen als Parallelschaltung ergab ein ausglühen und zerbrechen des Drahtes bei einem Kurzschluss innerhalb von weniger als 1s. 11 intakte Zellen werden also selbst in nahezu leerem Zustand die Verbindung zu einer defekten Zelle innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne verglühen lassen und damit keine Energie für ein Thermisches Durchgehen bereitstellen. Das stellt eine große Reserve für mögliche Alterungsprozesse in den Zellen dar, aber auch eine robuste Auslegung, das eine defekte Zelle nicht gleich einen ganzen Akkupack lahmlegt.

Hier eine Detailansicht meiner Umsetzung dieser Idee.

Verdrahtung Pluspol