Sicherheitsschaltungen für moderne Batterien.

Eine moderne Batterie ist ein empfindliches Gerät, das einen Schutz gegen Beschädigungen benötigt. Der am meisten übliche Schutz ist eine Sicherung, die sich öffnet, wenn eine zu hohe Belastung eintritt. Einige Sicherungen führen dann zu einer dauerhaften Öffnung, welche die Batterie unbrauchbar machen, wenn z.B. der Sicherungsdraht durchgebrannt ist. Andere Sicherheitseinrichtungen sind zurücksetzbar. Der Polyswitch™ ist eine solche zurücksetzbare Sicherung. Eingebaut in den Strompfad der Batterie, wird diese Einrichtung hochohmig bei zu hoher Belastung. Der Polyswitch™ kehrt in seine normale Funktion zurück, sobald sich die Lage normalisiert hat.

Batterien in explosionsgefährdeter Umgebung müssen explosionssicher sein. Explosionsgefährdete Umgebung beinhaltet Erdölraffinerien, Bergwerke, Kornaufzüge und Brennstofftankstellen auf Flughäfen. Solche Zonen sind prädestiniert für den Einsatz von Funkkommunikation und mobiler Datenverarbeitung. Explosionssichere Batterien verhindern, dass zu grosse Hitze und elektrische Funken entstehen können bei defekten Geräten. Wegen den strengen Zulassungsvorschriften sind die Kosten für explosionssichere Batterien zwei bis dreimal höher als für Standardbatterien.

Eine andere Batterie, die höchste Schutzvorrichtungen enthält, ist die Lithium-Ion-Batterie. Dies wird gemacht, um die Sicherheit unter allen Umständen zu gewähren, da sie sich in den Händen eines weiten Publikums befindet. Typischerweise öffnet ein Feldeffekttransistor (FET), wenn die Ladespannung von irgend einer Zelle 4,30V erreicht. Eine separate Sicherung öffnet, wenn die Zellentemperatur 90°C erreicht. Zusätzlich wird ein Schalter in jeder Zelle dauerhaft den Ladestrom unterbrechen, wenn die Drucksicherheitsschwelle den Wert von ca. 10Bar (150 psi) überschritten worden ist. Um die Batterie gegen Überladung zu schützen, wird der Ladepfad durch die Sicherungsschaltung bei ca. 2,50V/Zelle unterbrochen. Längere Lagerung bei Spannungen um 1,5V/Zelle und tiefer beschädigen die Lithium-Ion-Batterie, und lassen Sicherheitsprobleme entstehen, wenn versucht wird, die Batterie aufzuladen.

Jede parallele Kette von Zellen in einer Lithium-Ion-Batterie benötigt eine unabhängige Spannungsüberwachung. Je mehr Zellen in Serie geschaltet sind, umso komplexer wird das Sicherheitsdispositiv. Vier Zellen in Serie sind die praktische Grenze für kommerzielle Applikationen.

Die interne Schutzschaltung muss so gebaut sein, dass der geringstmögliche Widerstand in den Ladepfad eingebaut ist. Die Schaltung in einer Zellulartelefonbatterie besteht aus zwei FET-Schalter in Serie. Ein FET ist zuständig für die obere, der andere FET für die untere Spannungsschaltschwelle. Der gemeinsame Widerstand der beiden FETs im Ruhezustand ist 50-100 Milliohm (mW). Dies verdoppelt praktisch den Innenwiderstand der Batterie.

Ein entscheidendes Problem entsteht, wenn eine statische Entladung oder ein defektes Ladegerät die Schutzschaltung der Batterie zerstört. Die kann zu dauernden EIN-Zustand des Schutzschalters führen, ohne das der Betreiber etwas davon weiss. Eine Batterie mit defekter Schutzschaltung kann normal funktionieren, bietet aber keinerlei Schutz mehr. Wenn eine Aufladung über die Sicherheitsschwelle hinaus erfolgt, z.B. mit einem defekten Ladegerät, kann ein Austreten von Gas mit Entzündung erfolgen. Eine solche Situation muss mit allen Mitteln verhindert werden. Eine solche Batterie kurz zu schliessen, kann zur Explosion führen.
Kleine Lithium-Ion-Batterien mit Magnesium-Chemie, die eine oder zwei Zellen enthalten, können eine Sicherung als Schutz beinhalten. Magnesium ist toleranter als Kobalt, und diese Zellen werden als sicher betrachtet, wenn sie klein sind.

Obschon weniger aufwendig, bringt die Abwesenheit einer Schutzschaltung ein neues Problem. Zellulartelefonanwender haben Zugang zu Tiefpreisladegeräten, die auf die Schutzschaltung angewiesen sind, um die Ladung zu beenden. Ohne eine Schutzschaltung wird die Zellenspannung zu stark ansteigen und dadurch die Batterie beschädigen. Zu starke Erhitzung, sogar Aufblähen kann die Folge sein. Die Verwendung der Batterie und des Ladegerätes sollten eingestellt werden, sobald eine Lithium-Ion-Batterie heiss wird.

Um Sicherheit zu garantieren, verkaufen Hersteller Lithiumzellen nicht separat, sondern immer zusammengebaut zu einer Batterie, komplett mit der eingebauten Sicherheitsschaltung. Die Schaltung ist vielfach Objekt einer speziellen Prüfung, bevor der Hersteller Zellen und Schaltung zum Zusammenbau frei gibt. Obwohl es einige Zwischenfälle mit Gasaustritt und Entzündungen gab, darf die Lithium-Ion-Batterie als sicher bezeichnet werden.