EDV Abmayr: Reparatur von NiMH-Akkus und Akkupacks

Das Problem

Man hat einen NiMH-Akku oder ein ganzes NiMH-Akkupack, bei dem (meist im Lauf der Zeit) die Leistung stark abgenommen hat.

Die Lösung

Am Beispiel eines Akkupacks aus einem automatischen Akku-Bodenstaubsauger wird die Reparatur eines Akkupacks gezeigt.

Hinweise

Gefahren und Haftungsausschluß

Diese Seite richtet sich an (Hobby-) Elektroniker, die mit Spannungen, Meßgeräten und kleinen Schaltungen umgehen können. Bei unsachgemäßem Umgang mit den erwähnten Materalien entstehen ernsthafte Gefahren, insbesondere besteht Brandgefahr, wenn ein Akku versehentlich kurzgeschlossen wird. Für alle auf dieser Seite erwähnten Dinge übernehme ich keinerlei Haftung und weise ausdrücklich darauf hin, daß diese Dinge nur von Fachleuten durchgeführt werden sollten. Und planen Sie ruhig einen erheblichen Zeitbedarf ein! Wenn Sie gerne basteln und der Wegwerfgesellschaft ein Schnippchen schlagen möchten, ist es ein hübscher Zeitvertreib.

Akkutypen

Bitte beachten Sie unbedingt, daß diese Seite ausschließlich für NiMH-Akkus ist. Für andere Akkutypen (NiCd, Li-Ionen-Akkus, Blei-Akkus) führen diese Aktionen zu einer Schädigung der Akkus!

Diese Reparatur wurde mit einem alten NiMH-Akkupack durchgeführt. "Alt" bedeutet, daß es sich nicht um sogenannte ReadyToUse-Akkus handelt, die sich dadurch auszeichnen, daß sie eine viel geringere Selbstentladung haben. Ob die hier beschriebene Methode auch mit ReadyToUse-Akkus funktioniert, weiß ich nicht. Ich habe es mangels Notwendigkeit noch nicht getestet.

Theorie

Wildflyer beschreibt sehr ausführlich, warum NiMH-Akkus schlechter werden und wie man sie reparieren kann. Seine Methode hat aber 2 Haken:
  1. Erstens müssen an jeden Akku eines Akkupacks ein Widerstand und eine Diode gelötet werden. Das ist schon aus Platzproblemen nicht immer einfach, auch das Löten von unter Spannung stehenden Bauteilen ist nicht jedermanns Sache.
  2. Zweitens führen diese dauerhaft angelöteten Bauteile zu einer immerwährenden Entladung, die zwar wegen der Diode immer schwächer wird, aber irgendwann nach Monaten der Nichtbenutzung sind die Akkus dann durch die totale Tiefentladung ganz kaputt. Deshalb eignet sich diese Methode nur für Akkus, die ständig im Einsatz sind. Für diesen Fall ist diese Methode wohl besser als meine Methode, weil man zwar am Anfang wegen der Lötarbeiten einmalig einen höheren Aufwand hat, sich aber anschließend nicht mehr groß darum kümmern muß, während man bei meiner Methode jeden Entladevorgang selbst überwachen muß.
Aus diesem Grund möchte ich hier eine andere Methode vorstellen, die auch ihre Nachteile hat, aber eben andere.

Warum werden NiMH-Akkus schlechter?

NiMH-Akkus sind bei richtiger Pflege erstaunlich langlebig. Bei niederen entnommenen Leistungen, z.B. in Weckern, können Sie über viele Jahre verwendet werden, wenn man sie rechtzeitig neu lädt.

Werden aber hohe Leistungen entnommen, die in weniger als zwei Stunden zur vollständigen Entladung führen, werden die Akkus immer schlechter, weil durch die hohen Ströme in den Akkus eine Art Verklumpung der beteiligten chemischen Stoffe stattfindet. Diese Verklumpung führt dazu, daß die Oberfläche der chemischen Reaktionspartner kleiner wird, weshalb pro Zeit weniger chemische Reaktionen stattfinden können. Dadurch erschöpft sich der Akku wesentlich schneller, was zu einer viel geringeren Laufzeit des Geräts führt.

Bei einem Akkupack mit mehreren hintereinandergeschalteten Zellen kann diese Verklumpung entweder in allen Zellen gleichmäßig stattfinden, wie es bei dem hier beschriebenen Reparaturbeispiel der Fall war. Oder es gibt eine Zelle, die durch einen minimalen Vorschaden schon von Anfang an etwas schwächer war als die anderen. Diese erschöpft sich dann schneller als die anderen und wird beim Laden bzw. schnellem Entladen früher warm als die anderen. Dummerweise ist das ein Prozeß, der sich selbst verstärkt. Weil die anderen Zellen noch relativ fit sind, wird eine Leistung entnommen, die für die schwächste Zelle viel zu hoch ist. Dadurch wird diese immer noch schwächer. Am Schluß kann es nur eine Zelle sein, die ganz kaputt ist und den ganzen Akkupack unbrauchbar macht.

Wie Wildflyer beschreibt (unbedingt lesen, auch wenn es etwas langatmig ist!), ist dieser Prozeß aber nicht unumkehrbar, sondern kann weitgehend rückgängig gemacht werden, wenn der Akku nach dem Laden langsam (d.h. über 4 Tage) entladen wird. Dann haben die chemischen Reaktionspartner genügend Zeit, um die Klumpen wieder aufzulösen.

Vorsorge

Ein schonender Umgang mit den Akkupacks kann die Verschlechterung dessen Zustands vielleicht nicht ganz verhindern, aber zumindest stark verzögern. Denn die Verklumpungen treten dann auf, wenn die Akkus anfangen schwach zu werden, aber weiterhin eine hohe Leistung entnommen wird. Wenn man also die Akkus immer nur halb entlädt und dann neu lädt, sollten sie viel länger halten.

Praxis

Für einzelne Akkus hatte ich die Methode der langsamen Entladung über Widerstand und Diode bereits mehrfach erfolgreich angewendet. Nun ging es darum, ohne Löten, ein ganzes Akkupack auf einmal zu reparieren.

Ausgangslage

Der automatische Akku-Bodensauger war ungefähr 10 Jahre alt und saugte nur noch 5 bis 8 Minuten, während die Bedienungsanleitung von 60 Minuten sprach. Nach der Reparatur waren es dann immerhin wieder bis zu 40 Minuten.

Der Akku bestand aus 12 NiMH-Zellen je 1700 mAh, die hintereinandergeschaltet waren. Bei geöffnetem Akkufach stellte ich fest, daß die Akkus am Ende des Ladevorgangs warm wurden, wie es bei diesem Akkutyp normal ist. Außerdem wurden alle Zellen gleichzeitig ungefähr gleich warm. Das ist bei Akkupacks nicht immer so, aber ein eher positives Zeichen, weil es zeigt, daß alle Zellen in etwa gleich "krank" sind. Häufiger sind defekte Akkupacks, bei denen eine Zelle beim Laden vorzeitig warm wird. Dieselbe Zelle wird dann beim schnellen Entladen auch vorzeitig warm und ist dann die kränkste Zelle, auf die man am meisten achten muß.

Reparatur

Vorbereitungen

Zuerst öffnet man das Akkufach und prüft, ob man irgendwelche Beschädigungen finden kann. Beschädigte, z.B. ausgelaufene Akkus sollte man besser nicht reparieren, sondern fachgerecht entsorgen. Nun muß man bei den Akkus einen elektrischen Zugang schaffen. Man könnte zwar die (in diesem Fall grüne) Gehäusefolie komplett entfernen. Das hat aber den Nachteil, daß am Ende die weitestgehende Wiederherstellung des Ausgangszustands nicht mehr so einfach ist. Deshalb habe ich mit einem Cutter nur kleine Löcher hineingeschnitten, die eine Messung der Spannung erlauben. Diese Löcher lassen sich am Ende mit einem Tesafilm wieder leicht verschließen. Eine Numerierung der Akkus kann auch nicht schaden. Das Ganze sieht dann aus wie in folgendem Bild, wobei unter der grünen Folie noch eine rote zu sehen ist. (Bem.: Der weiße Draht ist im Bild nicht richtig verbunden.)

akkufach_geoeffnet.jpg

Wie man sieht, haben nicht alle Akkus eine Öffnung. Dies kommt vom Aufbau des Akkupacks. Denn von zwei benachbarten Akkus ist immer einer mit dem Pluspol nach oben und der andere nach unten. Jeder Akku ist entweder auf der Unterseite oder auf der Oberseite mit einem Nachbarakku elektrisch verbunden, um eine Reihenschaltung aller Akkus zu bekommen. Wenn man die Löcher nur oben rein macht, weil es zum Messen am einfachsten ist, haben zwei benachbarte Löcher dieselbe Spannung, wenn sie an dieser Stellen miteinander verbunden sind. Deshalb ist es ausreichend, nur bei jedem 2. Akku ein Loch zu machen. Natürlich mißt man dann bei benachbarten Löchern immer die Spannung von 2 hintereinandergeschalteten Akkus. In meinem Fall war dies ausreichend, um die problematischen Akkus zu finden, in anderen Fällen könnte es sinnvoll sein, auch auf der anderen Seite des Akkupacks Löcher zu machen.

1. Messung

Man lädt die Akkus bei geöffnetem Akkufach mit dem zugehörigen Ladegerät. Kurz vor dem Ende des Ladevorgangs tastet man mit dem Finger die Akkus ab, um zu sehen, ob ein Akku viel wärmer als die anderen ist. Daß die Akkus zum Ladeende hin warm werden, ist normal, wenn aber einer viel wärmer ist als die anderen, ist dies ein Hinweis darauf, daß dieser mehr geschädigt ist als die anderen. Denn die geringere Kapazität führt beim Laden dazu, daß er schneller in den Bereich einer Überspannung kommt, die den Akku erwärmt. (Viele Ladegeräte benutzen diese Erwärmung, um zu erkennen, wann die Akkus voll sind.) Mißt man in diesem Zustand die Spannungen zwischen 1 oder 2 benachbarten Akkus, kann man feststellen, daß der am meisten geschädigte Akku auch die höchste Spannung aufweist.

1. Entladung

Überlegungen vor der 1. Entladung

Tabelle der gemessenen und berechneten Werte der 1. Entladung

Die Reparatur erfolgt über eine langsame Entladung aller Akkus gleichzeitig, wobei unbedingt beachtet werden muß, daß die Spannung keines einzelnen Akkus unter 0,7 Volt fällt. Danach wird das Akkupack mit dem zugehörigen Ladegerät voll geladen und die Prozedur bei Bedarf wiederholt.

Die beiden obigen Bildschirmphotos aus der Excel-Tabelle mit den Meßwerten zeigen, was man bei einer Entladung beachten sollte:
  1. Wahl des Entladewiderstands: Sinnvoll ist eine Entladedauer von 100 Stunden. Das ist langsam genug, um einen großen Teil der Verklumpungen aufzulösen. Zu bedenken ist dabei auch, daß ein zu kleiner Widerstand eine häufigere Kontrolle der Spannungen erfordert. Im Gegensatz zu der Methode bei Wildflyer ist hier die Verwendung von Dioden nicht sinnvoll. Das funktioniert nur bei einem einzelnen Akku, weil zufällig die Diodenkennlinien bei 0,7 Volt einen Sprung aufweisen.
  2. Beobachten: In dem Moment, wo ein Akku schwach wird, sinkt seine Spannung recht schnell ab. Das ist sogar erkennbar, wenn dies innerhalb eines Akkupacks passiert. Dann sollte man die Entladung sofort stoppen, oder den Entladewiderstand erhöhen, um eine Schädigung dieses Akkus zu verhindern. Deshalb sollte man nachts oder bei längerer Abwesenheit die Entladung vorsorglich unterbrechen. Passiert ist dies in Zeile 78 in der obigen Tabelle, wo der rote Wert eigentlich schon zu tief war, wenn man bedenkt, daß dies der Durchschnittswert zweier benachbarter Akkus ist. Am besten erkennbar ist dies in der Spalte J (stündlicher Spannungsabfall).
  3. Kapazität: Die Spalte L zeigt, daß die Kapazität des Akkus nur wenig abgenommen hatte. Bei der 1. Entladung wurden 1638 mAh erzielt, was sind immerhin 97% der nominellen Kapazität von 1700 mAh. Bei der 2. Entladung waren es dann schon 1682 mAh. Dies bestätigt die obige Theorie, daß nicht die Kapazität abnimmt, sondern nur die Fähigkeit des Akkus, die Leistung in einer kurzen Zeit abzugeben, weil er verklumpt ist.
  4. Ergebnis: Schon nach der 1. Entladung arbeitete der Sauger 30 Minuten lang, während es zuvor nur 5 bis 8 Minuten waren. Nach der 2. Entladung waren es dann zwischen 35 und 40 Minuten, eine weitere Steigerung war nicht mehr möglich.

Versuchsaufbau

Der Aufbau der elektrischen Schaltung ist sehr einfach, da man nur geeignete Widerstände anschließen muß, wofür Krokodilklemmen immer noch ein praktisches Hilfsmittel sind. Allerdings sollten keine Tiere oder Kinder in die Nähe kommen! Daß das Gerät abgeschaltet und das Ladegerät entfernt werden, dürfte selbstverständlich sein. Das folgende Bild zeigt den Aufbau:

Aufbau der Entladeschaltung

2. Entladung

Graphik der Spannungsverläufe bei der 2. Entladung des Akkupacks

Für die 1. Entladung verzichtete ich auf eine Graphik, weil dort mangels Erfahrung die Werte der Entladewiderstände nicht optimal gewählt waren. In der Graphik für die 2. Entladung sind folgende Dinge zu beachten:

  1. Verlauf der Gesamtspannung (blaue, durchgehende Kurve): Zuerst fällt die Spannung relativ rasch ab, was einem Abbau der Überspannung nach dem Entladen entspricht. Danach folgt eine lange Phase, in der die Spannung relativ gleichmäßig fällt. Hierbei wird der Großteil der Kapazität abgebaut. Irgendwann (in der Graphik im Bereich um Stunde 100) beschleunigt sich der Spannungsabfall. Dies ist der Zeitpunkt zum Erhöhen des Widerstands, was zum ersten Mal bei Stunde 103 durchgeführt wurde, indem die Entladung über Nacht unterbrochen wurde. Nachts erholte sich der Akku ein wenig und die Spannung stieg ein wenig an. Bei Stunde 119 wurde dann der alte Widerstand erneut angelegt, bevor er 4 Stunden später verdoppelt wurde. Dieses Spiel wurde dann noch einige Zeit weitergetrieben, was aber nicht unbedingt nötig ist. Ich habe es nur getan, um zu sehen, wie nahe ich bei der Entladung an die Gesamtkapazität herankomme. Man muß dabei gut aufpassen, da der Akku ja immer weniger Restkapazität hat und schnell in den Bereich kommen kann, wo dann einzelne Akkus überfordert sind.
  2. Verlauf der Einzelspannungen: Zur Zeitersparnis habe ich nicht immer alle Einzelspannungen gemessen, sondern nur, wenn sich was besonderes andeutete. Immer dann, wenn sich der Abfall der Gesamtspannung beschleunigte, war dies zum großen Teil auf einen einzelnen Akku zurückzuführen, der mit den anderen nicht mehr mithalten konnte. Am Anfang war es Akku 10 oder 11 (hellblau), der deutlich unter die Spannungswerte der anderen Akkus fiel. Zum Schluß war es dann Akku 2 oder 3 (grün). Dieses Verhalten kann bei anderen Akkupacks noch viel ausgeprägter sein. In meinem Fall war der Unterschied zwischen den einzelnen Akkus verhältnismäßig gering, d.h. über einen Großteil der Entladung (bis über 1400 mAh) arbeiteten alle Akkus recht gleichmäßig. Erst ziemlich spät scherten dann einzelne Akkus aus. Bei anderen Akkupacks kann dies auch viel früher passieren. Dann muß man vielleicht mehr Entladezyklen durchmachen. Wenn ein einzelner Akku ganz defekt ist, kann man auch einen einzelnen ersetzen, wobei zu beachten ist, daß man die gleiche Nennkapazität verwendet.
  3. Die Widerstandwerte sind mit roten Strichen eingezeichnet, wobei die Skalierung so durchgeführt wurde, daß alle Werte irgendwie in die Graphik passen. Bei Datenpunkten, wo Widerstandswerte fehlen, ist dieser unendlich, weil die Entladung unterbrochen wurde. Die Darstellung der Widerstände ist etwas irreführend. Tatsächlich wurde der Widerstand zu der Zeit angelegt, wo der Datenpunkt ist. Danach lag er bis zum nächsten Datenpunkt auf der Gesamtspannungskurve an.
  4. Die zur Graphik gehörenden Tabellenwerte sind unten zu finden.

Tabelle der gemessenen und berechneten Werte der 2. Entladung des Akkupacks

Tabelle der gemessenen und berechneten Werte der 2. Entladung des Akkupacks


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