Eine Lithium-Ionen-Zelle für ein Pack auswählen

Die Zellenauswahl läuft in einer vorhersehbaren Reihenfolge schief. Zuerst wählt jemand eine Typennummer, die er schon einmal verwendet hat. Dann wird das Pack um die Abmessungen dieser Zelle herum konstruiert. Und am Ende prüft jemand, ob die Zelle den Strom liefert, den die Last braucht, und stellt fest, dass sie es nicht kann – oder dass sie es kann, aber nur solange die Zelle unter einer Temperatur bleibt, die das Gehäuse nie erreicht. Die Reihenfolge unten führt dieselben Prüfungen in umgekehrter Ordnung durch, und die übersteht den Kontakt mit einem Prototyp.

Schritt 1 – Die Last aufschreiben, nicht die Zelle

Vier Zahlen entscheiden fast alles Weitere, und keine davon steht in einem Distributorkatalog:

• Spitzenstrom und seine Dauer (ein 60 A-Impuls über zwei Sekunden ist eine andere Anforderung als 60 A über zwei Minuten).
• Dauerstrom – der Wert, bei dem das Pack den Großteil seines Lebens arbeitet, nicht der Wert aus dem Prospekt.
• Lastzyklus – wie oft die Last wiederkommt und wie viel dieser Zeit das Pack tatsächlich arbeitet.
• Benötigte Laufzeit oder Energie am Ende der Lebensdauer, nicht am Anfang.

Stehen die vier Zahlen nicht vor der Vorauswahl fest, ist die Vorauswahl geraten. In der Praxis ziehen Dauerstrom und Laufzeit in entgegengesetzte Richtungen, und die eigentliche Auswahlarbeit besteht darin, zu entscheiden, wie viel Sie vom einen gegen das andere tauschen.

Schritt 2 – Den Lastzyklus in Strom pro Zelle umrechnen

Eine Zelle liefert immer nur ihren Anteil am Packstrom. Diesen Anteil legt die Parallelverschaltung fest, also muss die Rechnung vor dem Zellvergleich stehen:

Die Serienzahl legt die Spannung fest, die Parallelzahl den Strom, den jede Zelle sieht. Beides bestimmt der Bauraum ebenso wie die elektrische Anforderung.

Die erste Zeile verdient einen zweiten Blick. Ein Pack, das nach einer 30 A-Konstruktion aussieht, ist eine 7.5 A-Konstruktion pro Zelle, und eine mittlere 21700 mit 9.8 A Dauerstromangabe deckt das mit Reserve ab. Eine 60 A-Zelle für dieses Pack zu wählen, bringt nichts außer Kosten und weniger Kapazität in derselben Bauform.

Schritt 3 – Die Temperaturabschaltung prüfen, bevor Sie der Angabe trauen

Ein Dauerentladewert gilt nur, solange die Zelle innerhalb der Temperatur bleibt, die der Hersteller bei der Messung festgelegt hat – bei leistungsstarken zylindrischen Zellen häufig 80 °C oder 83 °C Oberflächentemperatur. Der Wert ist keine Eigenschaft der Zelle allein, sondern der Zelle plus eines Wärmepfads.

Hier scheitern die meisten ersten Prototypen. Eine Zelle, die in freier Luft bei 25 °C Umgebung mit 35 A angegeben ist, liefert diese 35 A in einem geschlossenen Gehäuse ohne Luftströmung nicht, weil sie ihre Abschaltung früher erreicht; das Pack regelt dann herunter oder läuft heißer als angenommen. Kann das Gehäuse die Bedingung nicht garantieren, reduzieren Sie den Wert, bis es sie kann, und schreiben Sie die Reduktion in die Spezifikation, statt sie als Annahme stehen zu lassen.

Schritt 4 – Impedanz prüfen, am Lebensende erneut

Die Impedanz entscheidet, wie viel Spannung das Pack unter Last verliert, und sie steigt mit dem Alter. Zwei Zellen mit gleicher Kapazität können sich im DCIR um Faktor zwei unterscheiden; die mit der höheren Impedanz erreicht bei gleichem Strom früher die Unterspannungsabschaltung – für den Nutzer sieht das nach einem Kapazitätsproblem aus.

Die Rechnung lohnt sich einmal von Hand. Eine Zelle mit 25 mΩ DCIR verliert bei 7.5 A 188 mV. Dreizehn in Serie verlieren über das Pack 2.4 V. Schaltet das Pack bei 3.0 V pro Zelle ab, verbraucht dieser Einbruch einen spürbaren Teil des nutzbaren Fensters, bevor die Zellen auch nur annähernd leer sind. Zur Lebensmitte, mit um die Hälfte gestiegener Impedanz, verbraucht derselbe Strom noch einmal die Hälfte mehr.

Die Wechselstromimpedanz bei 1 kHz (ACIR) ist der Wert, den die meisten Datenblätter nennen, weil sie schnell zu messen ist. Der DCIR unter einem Stromimpuls kommt dem näher, was das Pack tatsächlich erlebt. Liegen beide vor, konstruieren Sie gegen den DCIR; gibt es nur ACIR, behandeln Sie ihn als Untergrenze, nicht als Konstruktionswert.

Schritt 5 – Ladeakzeptanz auf den Lastzyklus abstimmen

Der Ladestrom ist die Randbedingung, die man bis zur ersten Reklamation vergisst. Ein Pack, das in einer Stunde bereit sein muss, braucht eine Zelle, deren maximale Laderate das trägt: bei 5,000 mAh ist eine 1 C-Ladung 5 A und eine 5 C-Ladung 25 A, und dieser Unterschied entscheidet, ob das Produkt im Schichtbetrieb nutzbar ist.

Standardladung und Maximalladung sind aus gutem Grund getrennte Spalten. Der Standardwert ist der, bei dem die Zyklenlebensdauer gemessen wurde; dauerhaft am Maximalwert zu laden verkürzt die Lebensdauer, und das Datenblatt sagt das meist in einer Fußnote statt in einer Überschrift. Laden unter 0 °C ist ein eigenes Verbot: die meisten Zellen verlangen eine reduzierte Rate oder gar keine Ladung, und ein Pack ohne temperaturabhängige Ladeelektronik verstößt still dagegen.

Schritt 6 – Bauraum, Anschluss und Schweißverfahren bestätigen

Mechanische Randbedingungen schließen mehr Kandidaten aus als elektrische. Maximaler Durchmesser und maximale Höhe, Anschlussform (flach, erhaben, mit Fahne) und die Verbindungstechnik müssen feststehen, bevor die Vorauswahl endgültig ist:

• Zylindrische Zellen brauchen Punktschweißen oder Laserschweißen der Verbinder. Direkt auf den Zellenmantel zu löten ist kein zulässiges Fertigungsverfahren – die Hitze beschädigt die Dichtung und die inneren Verbindungen.
• Die Haltergeometrie unterscheidet sich zwischen nominell gleichen Bauformen; ein Halter für eine 65.0 mm-Zelle nimmt eine 65.2 mm-Zelle unter Umständen nicht auf.
• Verwendet das Pack einen Kunststoffträger, prüfen Sie den maximalen Zelldurchmesser einschließlich Schrumpfschlauch, nicht den nackten Becher.

Schritt 7 – Unterlagen vor dem Angebot anfordern

Die Frage nach den Unterlagen ist ein Auswahlkriterium, kein Papierkram. Fordern Sie die UN38.3-Testzusammenfassung an, das zur Versandkonfiguration passende Sicherheitsdatenblatt und die Zertifikatsnummern mit der Modellliste, die sie abdecken. Ein Lieferant, der das nicht vorlegen kann, sagt damit auch etwas über den Rest seiner Antwort.

Auf dieser Seite trägt jede Angabe ihre Herkunft: Werte aus einem Herstellerdatenblatt sind als geprüft markiert, das PDF ist verlinkt; Modelle ohne hinterlegtes Datenblatt sind als ausstehend markiert. Dieser Unterschied zählt genau hier – ein ausstehendes Modell kann die richtige Zelle sein, aber Sie konstruieren gegen einen ungeprüften Wert, und das sollten Sie vor dem ersten Prototyp wissen, nicht danach.

Wo diese Reihenfolge nicht mehr trägt

Die Reihenfolge oben setzt eine annähernd gleichmäßige Last und eine thermische Umgebung voraus, die Sie kontrollieren. Drei Fälle brechen diese Annahme, und jeder verlangt ein anderes Vorgehen:

• Sehr kurze, sehr hohe Impulse (hunderte Ampere über Millisekunden): relevant sind Impulsbelastbarkeit und Impedanz, nicht der Dauerstromwert, und die thermische Masse des Verbinders zählt so viel wie die Zelle.
• Extreme Kälte: unter 0 °C bricht die Ladeakzeptanz ein, und die nutzbare Kapazität sinkt schon deutlich früher. Die Auswahl muss bei der Kaltanforderung beginnen, nicht beim Datenblatt für Raumtemperatur.
• Sicherheitskritische oder regulierte Produkte: die Norm, die das Produkt erfüllen muss (IEC 62133-2 für tragbare, IEC 62619 für industrielle Anwendungen), schränkt die Zellenwahl ein, bevor die obige Rechnung überhaupt greift.

Liegt die Anwendung in einem dieser drei Fälle, führen Sie die Reihenfolge durch, beginnen Sie aber bei der Grenzbedingung statt beim Lastprofil – der Rest der Methode bleibt unverändert.

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