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Die Vorteile von Akku-Plattformen

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Ein Akku-Typ für alle Geräte - das hat zwar den Nachteil, dass man auf den (oder auch die) Hersteller festgelegt ist, dessen (oder deren) Geräte mit diesem Akku-System funktionieren, aber auch viele Vorteile - insbesondere in Bezug auf Sicherheit und Batteriemanagement.

Eine für alles: Die Power X-Change Akku-Plattform aus dem Hause Einhell. Foto: Einhell

Power-X-Change-Plattform im Fokus

Das demonstrierte Dr. Markus Thannhuber, technischer Vorstand bei Firma Einhell, in seinem Vortrag auf der Bühne des IVG Power Place Akku im Rahmen der spoga+gafa 2018 in Köln. Sein Titel: „Einer für alles: Sicherheit und Vorteile von Akku-Plattformen am Beispiel Power X-Change“. Im Fokus von Thannhubers Präsentation stand die Power X-Change Akku-Plattform aus dem Hause Einhell. Durch sie können derzeit über 80 Akku-Werkzeug- und Gartengeräte mit denselben Akkus betrieben werden – je nach Anforderung mit einer Leistung von 2 Ah bis 5,2 Ah.

Mit einer Akku-Plattform mehr Sicherheit

Thannhuber betonte zunächst den Sicherheitsaspekt der Akku-Plattform, denn seit Einführung der Lithium-Ionen-Technologie häuften sich sicherheitsrelevante Vorfälle, die den Anwender mehr und mehr verunsicherten. Ziel des Herstellers Einhell sei es deshalb, mit dem Akku-System alle Sicherheitsstandards für Anwender und Geräte zu erfüllen oder gar zu übertreffen. Die sicherheitsrelevanten Komponenten eines Akku-System im Einzelnen:

  • die Zellen,
  • das Akku-Pack,
  • das Batteriemanagement-System,
  • die Ladetechnik

Die Zellen

Die in Power X-Change Akkus zum Einsatz kommenden Zellen halten, so erklärte Thannhuber, international gültige Normen und Zertifikate von unabhängigen Stellen ein. Die Qualifikation umfasse zahlreiche Einzeltests wie Hochtemperaturtest, Überladungstest, Kurzschlusstest, Tests auf mechanische Einwirkungen und weiteres. Tests werden nach Herstellerangaben nicht nur von fabrikneuen Zellen durchgeführt, sondern auch von solchen, die einige Tausend Be-/Entladungs-zyklen durchlaufen haben (Simulation eines ca. 5-jährigen Gebrauchs). Bei länger im Gebrauch befindlichen Zellen steigt nämlich das Risiko von Unfällen.

Der Akku-Pack

Fabrikneue Zellen sind nie identisch, erklärte der Physiker dem Messepublikum. Seien die Unterschiede zwischen den Zellen zu groß, so werden die schwächsten Zellen durch die stärkeren laufend überstrapaziert, das führe im schlechtesten Fall zu Problemen. Deshalb habe Einhell für alle in den Packs verbauten Zellen enge Grenzen (bezüglich Kapazitäten und Impedanzen) definiert, sortiere die Zellen und minimiere so das Unfall-Risiko. Auch der Aufbau der Zell-Packs, die Anordnung der Zellen und der Elektronik im Gehäuseinneren seien besonders auch im Hinblick auf den Wärme-Abtransport optimiert. Aufwendig konstruierte, nickelbeschichtete Zellverbindungen sorgen für geringe Übertragungswiderstände und beugen so gefährlicher Hitzeentwicklung vor.

Das Akku-Gehäuse schließlich sei auf den Alltag des Profi-Einsatzes vorbereitet (Schlag- und Stoßfestigkeit, Wärme wird sicher und schnell abgeführt, Schutz und Einbettung der Zellen im Gehäuse, Schutz vor Staub und Korrosion, Geringe Entflammbarkeit).

Das Batteriemanagement-System

Das computergestützte Batteriemanagement-System (BMS) sorge, erklärte Thannhuber, für die sichere Einhaltung kritischer Grenzen in der Elektrik und der zugehörigen Hardware. Zu jedem Zeitpunkt werden alle sicherheitsrelevanten Abläufe und Einflussgrößen im Akku zum Zellschutz überwacht (beispielsweise Lade- und Entladestrom, Lade- und Entladespannung, Kurzschluss, Maximal-Temperaturen und weitere Kriterien). Wenn es zu Abweichungen über die definierten Grenzen hinaus kommt, schaltet das System automatisch ab. Jede Akkuzelle wird einzeln überwacht, so wird eine vollständige Ladung jeder Zelle gewährleistet. Das System schließt auch die gefährliche Tiefenentladung aus.

Das BMS erkennt zu hohe Entladeströme (etwa durch einen Kurzschluss) und lässt nur ungefährliche Ströme zu. Durch eine zeitabhängige Begrenzung wird die Leistungsfähigkeit gewährleistet. Das System startet den Ladevorgang erst, wenn die automatische Prüfung des Ladegeräts dessen korrekten, funktioniernden Zustand ergeben hat. Ein Thermomanagement stellt sicher, dass die Batterie nur im unkritschen Temperaturbereich verwendet wird. Wird der Pack für eine Zeit nicht verwendet, so schaltet sich der Computer in einen Schlafmodus und beugt damit einer Tiefenentladung durch unnötigen Energieverbrauch vor. Auch sind die Zellen vor Überspannung, zum Beispiel beim Abschalten eines Motors, und vor Übertemperatur geschützt.

Die Ladetechnik

Der Ladevorgang muss sorgfältig und präzise erfolgen, sonst gefährdet er die Zellen und damit die Betriebssicherheit. Die Power X-Change Ladegeräte, zeigte Thannhuber, überwachen ständig den Ladezustand. Eventuelle Ladefehler werden sofort angezeigt und bei sicherheitsrelevanten Abweichungen das Gerät abgeschaltet. Um zu vermeiden, dass sich innerhalb der Zelle Brücken bilden, die zu einem gefährlichen Kurzschluss führen könnten, stoppt das Ladegerät den Ladevorgang bei zu tiefen Temperaturen (unter Null Grad Celsius).

Eine weitere Sicherheitseinrichtung beendet den Ladevorgang nach einer bestimmten Zeit. Damit könne auch nichts passieren, sollten andere Mechanismen aufgrund eines Defektes versagen.