Ein Leitfaden für das Design-in von Lithium-Batterien

Der Lieferant der Li-Polymer-Batterien benötigt wichtige Daten für die richtige Auslegung der Batterie hinsichtlich Form und Größe. Dazu zählt auch die Sicherheitselektronik, denn der Einbau ist exakt zu planen.

Die uns bekannten Batteriezellen sind üblicherweise genormt und haben einheitliche Maße. Lithium-Polymer-Batterien dagegen sind in Bauform, Größe und Kapazität variabel, sodass sie sich in nahezu jedes Gehäuse integrieren lassen. Doch es gibt Herausforderung der Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Technologie bezüglich ihres Einsatzes.

Lithium ist ein Alkalimetall und steht im Periodensystem der Elemente an erster Stelle. Lithium weist eine höhere Energiedichte und Spannung auf als früher für Batterien verwendete Materialien. Die Anwendung kann länger bzw. mit mehr Leistung betrieben werden. Auch die hohe Anzahl der Lade- und Entladezyklen sowie die lange Haltbarkeit von Lithium-Batterien sind Vorteile dieser Technologie. Li-Polymer-Batterien lassen sich sehr klein, flach, leicht und in nahezu jeder beliebigen Bauform herstellen. Das erlaubt große Freiheiten in der Formgebung des Endproduktes. Eine Lösung mit entsprechender Bauform, Zellauslegung und -kapazität kann also schnell bereitgestellt werden.

Der Einsatz der Lithium-Ionen-/Polymer-Technologie birgt aber auch Risiken. Das betrifft vor allem die Fertigung und den Transport der Batterien bzw. des Endproduktes inklusive Batterien sowie den späteren Gebrauch. Weitere Herausforderungen bestehen hinsichtlich Umwelt-, Temperatur-, Anwendungs- und Einsatzbedingungen sowie der elektrischen Parameter und Sicherheitskriterien. Ebenso kritisch sind die Gehäusekonstruktion und die Handhabung bei Transport und Fertigung. Diese Rahmenbedingungen müssen in einer frühen Projektphase definiert und in einem Pflichtenheft zusammengefasst werden. Das Element Lithium geht nämlich eine Vielzahl von chemischen Reaktionen ein, sofern die Bedingungen dazu gegeben sind. Es reagiert mit Sauerstoff, mit Stickstoff, mit Wasser, mit Kohlenstoff u.a.m. Lithium ist auch feuergefährlich und explosiv.

Anwendungsspezifische Daten der Batteriezellen

Die Einzelzellenspannung bei Li-Polymer-Zellen ist standardmäßig 3,6 V. Die Abschaltspannung liegt bei 3,0 V und die maximale Ladespannung bei 4,2 V. Bei einer höheren Spannung werden die Zellen in Reihe geschaltet, wird eine höhere Kapazität benötigt erfolgt die Parallelschaltung der Zellen. Die maximalen Pulsströme und die Pulslängen müssen spezifiziert werden, ebenso die Ströme im Entladefall sowie die Höhe und die Dauer der Einschaltströme. Das Einsatzgebiet und die dort herrschenden Temperatur- bzw. Umweltbedingungen spielen eine wichtige Rolle. Tiefe Temperaturen und höhere Ströme verringern die Spannungslage.

Die Temperaturverhältnisse im Einsatzbereich sowie beim Laden und Entladen müssen ermittelt werden, um die richtigen Zellen auswählen und Anpassungen vornehmen zu können. Die Temperaturbereiche für Li-Polymer-Batterien sind für das Laden bei 0 bis +45 °C und für das Entladen bei -20 bis +60 °C. Tiefe und hohe Temperaturen beeinträchtigen zudem die Kapazität.

Um die Batterien richtig auszulegen, sind die maximalen Maße des Einbauraumes zu bestimmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich Li-Ionen- und Li-Polymer-Zellen im Laufe der Zeit leicht aufblähen (Swelling). Sie können über die Lebenszeit um bis zu 10% dicker werden. Ebenso ist für die Dicke der Ladegrad zu berücksichtigen.

Beim Konzept neuer Geräte werden die Stromquelle oder die Batterie zunächst vernachlässigt. Eventuell können die Anforderungen aber später nicht mehr erfüllt werden. Es empfiehlt sich daher, die Anforderungen hinsichtlich Spannung, Strom und Kapazität möglichst frühzeitig zu ermitteln und den Batterie-Lieferanten bereits in der Design-In-Phase zu kontaktieren.

Schutzelektronik und Sicherheitsschaltungen, sogenannte Battery-Management-Systeme (BMS) bzw. Protection Circuit Module (PCM) verhindern Tiefentladung, Kurzschlüsse und zu hohe Ströme sowie Überladung. Angaben zum Stromprofil und zu den gewünschten Spannungen bei Abschaltung sowie der Innenwiderstand der Batterie müssen bekannt sein. Bei mehrzelligen Batterien empfiehlt sich ein BMS mit Fuel Gauging, Balancing sowie Kommunikation über ein Bussystem, eine sogenannte Smart Battery. Für Packages mit Kabel, Stecker und Protection Circuit Module (PCM) sind die Parameter im Vorfeld exakt zu definieren. Zusätzlich sind spezifische Informationen zu den Kabeln und Steckern notwendig.

Konstruktion des geeigneten Batteriefachs

Beim Festeinbau sind Li-Ion-Softpack-Akkus aufgrund ihrer eingangs beschriebenen sensiblen Eigenschaften grundsätzlich nur als fest eingebaute Batterien zu verwenden (Customer Non Replaceable Batteries). Das Batteriefach muss hinreichend groß sein, um einen Einbau ohne mechanische Belastungen oder Beschädigungen zu gewährleisten. Das erwähnte Aufblähen (Swelling) ist einzukalkulieren. Dafür ist eine entsprechende Toleranz im Batteriefach vorzusehen. Scharfe Kanten oder Grate sind zu vermeiden bzw. zu glätten, um die Beschädigung des Batterie-Paketes auszuschließen (die Batteriehülle darf nicht verletzt werden).

Metallische Teile müssen durch Isolationsfolien von der Batterie getrennt sein. Auch zwischen PCB und Geräte-Komponenten sind Isolationsfolien einzufügen. Bei Anwendungen mit hohen mechanischen Belastungen (Rotation, Stoß) ist die Batterie zu fixieren. Es muss verhindert werden, dass sich Bauteile des Packs verschieben können. Li-Polymer-Zellen sind bedingt durch ihr Baumaterial relativ temperaturempfindlich. Das Batterie-Fach ist daher so zu konstruieren, dass in der Anwendung keine Hot Spots mit der Zelle in Kontakt geraten oder sich in ihrer Nähe befinden.

Vorsichtige Handhabung zählt zu den wichtigsten Punkten beim Transport und Einbau von Lithium- Polymer-Batterien. Der Transport der Batterien hat in sicheren und stabilen Trays zu erfolgen. Auch in der Gerätefertigung bzw. bis zur Bereitstellung an der Produktionslinie sind die Batterien in den Trays zu transportieren. Li-Polymer-Batterien dürfen nicht auf metallischen Oberflächen abgelegt werden. Zu vermeiden sind außerdem Kurzschlüsse und zu hohe Lagertemperaturen. Beschädigungen durch Werkzeuge beim Einbau müssen unbedingt vermieden werden; mechanisch beschädigte Batterien dürfen nicht verwendet werden.

Gesetze, Normen und Zertifizierungen

Für Batterien (insbesondere für die Li-Ionen-/Polymer-Batterien) gelten national, in Europa und weltweit Gesetze, Normen und Zertifizierungen. Dabei stehen der Schutz der Anwender und der Umwelt sowie das Recycling wertvoller Rohstoffe im Mittelpunkt. Der UN38.3-Transporttest ist die weltweit verpflichtende Sicherheitsprüfung der Vereinten Nationen für Li-Ionen-Batterien. Nur mit einem entsprechenden Nachweis darf ein Produkt per Straße, Schiene, Schifffahrt oder Luft befördert werden.

Weitere Standards wie ADR, IATA, RID, IMDG regeln den Versand mit verschiedenen Verkehrsträgern. Sie enthalten Vorschriften für den Transport und die Verpackung der Batterien. Es wird empfohlen Zellen einzusetzen, für die eine Prüfung gemäß UL1642 vorliegt oder durchgeführt wird. Die Prüfung ist nach den Vorgaben von Underwriter Laboratories (UL) durchzuführen.

Für Batterie-Packs kann auch die UL2054 gefordert sein. Der IEC62133-Test ist ein Zertifizierungsverfahren der International Electronical Commission (IEC). Wie bei UL1642 werden hier über die Anforderungen des UN-Tests hinausgehende Prüfungen durchgeführt, die die Sicherheit der Batterie gewährleisten sollen. Auf Basis von IEC-Standards kann auch ein CB-Verfahren durchgeführt und ein CB-Report erstellt werden. Das CB-Siegel erleichtert in zahlreichen Ländern den Marktzugang. Es kann direkt verwendet oder ohne weitere Tests in nationale Prüfzeichen umgeschrieben werden.

Kommt das Produkt in explosionsgefährdeten Bereichen zum Einsatz, muss das gesamte Gerät inklusive der Batterie die ATEX-Zertifizierung aufweisen. Dafür hat die Batterie bestimmten Anforderungen zu genügen. Die Anwendung des Produkts in speziellen Branchen erfordert gegebenenfalls weitere Tests. So gibt beispielsweise die Medizintechnik verschiedene Zertifizierungen vor, um dafür zu sorgen, dass das Produkt im Einsatz am oder im Menschen zusätzliche Sicherheitsanforderungen erfüllt.

Darüber hinaus gibt es weitere optionale oder verpflichtende Tests und Zertifizierungen, die weltweit nicht einheitlich geregelt sind (etwa nach KC, NEMA, SAE, IEEE, JIS). Der Assemblierer/Lieferant der Batterien sollte den Abnehmer darüber aufklären und kompetente Unterstützung bei der Einhaltung der Vorschriften bieten. Zudem sind zahlreiche gesetzliche Pflichten bezüglich Batterien zu erfüllen. Dazu zählen das deutsche Batteriegesetz (BattG), die Regeln der CE-Konformität sowie Vorgaben der RoHS- und REACH-Verordnungen. Der Lieferant muss nachweisen, dass er alle relevanten Vorgaben erfüllt.

Der Batteriehersteller soll nach einem Qualitätsmanagement-System (QMS) arbeiten und die Normen ISO9001 und ISO14001 erfüllen. Denn so wird sichergestellt, dass Muster und Serien von Batterien in gleichbleibend hoher Qualität gefertigt werden. Der UN38.3-Transporttest fordert außerdem zwingend den QMS-Nachweis. Das betrifft die komplette Lieferkette.

Die verantwortlichen MitarbeiterInnen des Lieferanten sind gemäß IATA Dangerous Goods Regulations (IATA/ICAO – TI) zu unterweisen und müssen das bestätigen können. Sie müssen wissen, wie Lithium-Batterien in oder mit Ausrüstung für den Transport vorschriftenkonform zu verpacken und zu kennzeichnen sind, welche Begleitpapiere erforderlich und wie diese korrekt zu erstellen sind. Ebenso sollte eine regelmäßige Weiterqualifizierung nachgewiesen werden.

Der Lieferant muss eventuell die Rücknahme und fachgerechte Entsorgung der Batterien anbieten oder sicherstellen. Auch dieser Punkt ist bereits bei der Produktentwicklung abzufragen. Vielfach erwarten Auftraggeber, dass Lieferanten sozial, gesundheitlich, finanziell und ökologisch verantwortungsbewusst handeln. Ebenso ist die Einhaltung relevanter Sicherheits- und Datenschutzstandards Pflicht. Der Nachweis kann durch freiwillig erstellte Corporate Social Responsibility (CSR) Reports nach GRI-Standard oder Zertifizierungen durch neutrale Auditoren (etwa Achilles) nachgewiesen werden.

Ein weiteres Kriterium für ein erfolgreiches Projekt ist die Lagerung der Batterien bis zur Auslieferung des Geräts an den Endkunden. Sollen Geräte bzw. Li-Ionen-/Li-Polymer-Batterien per Luftfracht transportiert werden, erlaubt IATA nur Ladegrade von <30%. Bei Seefracht können Batterien mit 50% bis 60% Ladegrad verschifft werden. Je nach Lagerzeit und Dauer des Transports erhält der Endkunde mehr oder weniger einsatzbereite Batterien, wobei die Selbstentladung der wieder aufladbaren Lithium-Zellen sehr gering ist. Um den Alterungsprozess zu verzögern, empfiehlt sich eine Lagerung bei Raumtemperatur und bei mittlerer Ladung.

Sieben Punkte, um die Zellen korrekt auszuwählen

Spannung: Die Einzelzellenspannung bei Li-Polymer-Zellen ist standardmäßig im Mittel 3, 6 V, die Abschaltspannung 3, 0 V, die maximale Ladespannung 4,20 V. Der Markt bietet auch Zellen mit Ladespannungen von 4,35 und 4, 40V an. Wird eine höhere Spannung benötigt, kommt eine Reihenschaltung infrage. Die mittleren Spannungen sind dann nach dem Faktor N x 3,6 V darstellbar. Diese Information ist erforderlich, um die Elektronik sicher auszulegen. Für höhere Kapazitäten können Zellen auch parallel verschaltet werden.

Ströme: Für den Entladefall sind die mittleren kontinuierlichen Ströme anzugeben und die maximalen Pulsströme sowie die Pulslängen zu spezifizieren. Zu berücksichtigen sind auch die Einschaltströme und deren Längen bei Anwendungen. Ideal wäre, Strombelastungsprofile der Anwendung auch unter Berücksichtigung von Temperaturen darzustellen. Das Einsatzgebiet und die dort herrschenden Temperatur- bzw. Umweltbedingungen spielen eine wichtige Rolle. Tiefe Temperaturen und höhere Ströme verringern die Spannungslage. Der Zusammenhang zwischen Ladung und geforderten bzw. gewünschten Strömen muss berücksichtigt werden. Die Ladung erfolgt grundsätzlich nach dem technischen Prinzip „konstant Strom/konstant Spannung“.

Temperatur: Die Temperaturverhältnisse im Einsatzbereich sowie beim Laden und Entladen müssen ermittelt werden. Das ist für die Auswahl der Zellen und für eventuelle Anpassungen erforderlich. Standardmäßig werden Li-Polymer-Batterien heute i.A. für folgende Temperaturbereiche spezifiziert: Laden 0 bis +45 °C und Entladen -20 bis +60 °C. Tiefe und hohe Temperaturen beeinträchtigen die Kapazität. Für ein erweitertes Temperaturspektrum stehen z.B. spezielle Hochtemperatur-Zellen zur Verfügung. Ebenso gibt es Zellen, die für tiefere Temperaturen oder für höhere Ströme entwickelt wurden.

Maße: Der Lieferant muss die maximalen Abmessungen des Einbauraumes kennen, um die Batterien richtig auslegen zu können. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich Li-Ionen- und Li- Polymer-Zellen im Laufe der Zeit leicht aufblähen und über die Lebenszeit bis zu 10% dicker werden. Schon der Ladegrad (30% oder 60% bei Anlieferung und 100% bei Voll-Ladung) beeinflusst die Zelldicke und damit die Abmessungen des Einbauraumes. Bei der Spezifizierung der max. Dicke nach Zyklen ist immer vom Voll-Ladezustand auszugehen.

Kapazität: Mit den Daten aus den Punkten 1 bis 4 kann der Lieferant bereits eine Zelle definieren und damit die Kapazität der Batterie ermitteln. Die Erfahrung zeigt, dass beim Design neuer Geräte vielfach die Stromquelle bzw. Batterie zunächst vernachlässigt wird. Dies führt unter Umständen dazu, dass die später angefragten Batterien nicht lieferbar oder nicht realisierbar sind. Es empfiehlt sich, die Anforderungen hinsichtlich Spannung, Strom und Kapazität frühzeitig zu ermitteln bzw. zu spezifizieren. Beispielsweise hängt die Laufzeit des Geräts von den Temperaturbedingungen und der Strombelastung ab. Der Batterie-Lieferant sollte deshalb bereits während der Design-In-Phase kontaktiert werden. Er kann dabei helfen, die passende Stromversorgung zu finden und mit einzuplanen.

Sicherheit: Eine große Bedeutung haben die Parameter für die Auslegung der Schutzelektronik bzw. Sicherheitsschaltung (BMS, PCM). Tiefentladung, Kurzschlüsse und zu hohe Ströme und Überladung sind zu verhindern. Der Lieferant benötigt in diesem Zusammenhang Angaben zum Stromprofil und zu den evtl. gewünschten Spannungen bei Abschaltung. Der Innenwiderstand der Batterie sollte bekannt sein. Bei mehrzelligen Batterien empfiehlt sich ein BMS mit Fuel Gauging, Balancing sowie Kommunikation über SMBus und I²C. So entsteht eine Smart Battery“. Außerdem ist zu prüfen, welche Normen, Zulassungen und Zertifizierungen beachtet werden müssen.

Sonstige Angaben: Für Softpacks mit Protection Circuit Module (PCM), Kabel und Stecker sind die Parameter des PCM exakt zu definieren. Alternativ kann ein standardmäßiges PCM gewählt werden. Weiterhin ist anzugeben, ob ein Negative Temperature Coefficient (NTC) berücksichtigt werden soll. Standardmäßige Parameter für Widerstand und Temperatur sind 10 kΩ/1%, B Wert 3435/1%. Alternativen sind spezifizierbar.

* Dr. Jürgen Heydecke ist Technical Director bei Jauch Battery Solutions.

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