Im folgenden Text will ich einige Hinweise und eine kurze Anleitung geben, wie scheinbar defekte Lithium Ionen Akkupacks (für Notebooks) wiederbelebt werden können. Die konkrete Anleitung bezieht sich auf den Akkupack 134111-B21 (oder 135214-002) von Compaq, der im Armada M700 (und anderswo?) Verwendung findet.

Warnung: Verschiedene Quellen (u.a. der noch häufiger zitierte Artikel aus der c´t 17/2003) warnen mehr oder weniger eindringlich vor dem Öffnen von, und Manipulieren an Lithium Ionen Akkupacks. Die zu Beginn der LiIon Ära vorkommenden Abbrände der Akkus weisen die Richtung, warum Zurückhaltung angebracht ist. Desweiteren sei vor Späßen wie „Anpulsen“ der Zellen gewarnt, die Dinger finden das nicht lustig und reagieren aggressiv. Defekte Zellen gehören entsorgt, eine Reparatur auf Zellebene ist nicht machbar! Im weiteren Verlauf benutze ich die Termini „Zelle“ und „Akku“ in Verbindung mit „Pack“ relativ unkoordiniert, wer sich dran stört hat Pech gehabt.

Haftungsausschluß: Sollte jemand die folgende Beschreibung zum Anlaß nehmen, sich selbst an der Reparatur eines LiIon Akkupacks zu versuchen sei darauf hingewiesen: Ich übernehme keinerlei Haftung für daraus resultierende Personen- und/oder Sachschäden!

Prinzipiell sollte die Anleitung ausreichen - wem die Anleitung nicht umfangreich genug erscheint, der sollte überlegen, ob der Tausch auf eigene Faust sinnvoll ist. Sollte es dennoch zu Fragen kommen, am Ende des Textes steht meine eMail-Adresse.

Bekannte Problematik; wenn die Akkus von Notebooks den Geist aufgeben, haben die Geräte meist einen Zeitwert, der dicht am Preis eines neuen Akkupacks liegt. Besonders ärgerlich, weil die Geräte ihre Aufgabe oft noch zufriedenstellend erfüllen. Im Fall von Markengeräten hat man den Vorteil, dass die Akkupacks zumindest noch erhältlich sind, bei b-brands sind schon nach zwei Jahren Beschaffungsprobleme möglich. Auch „neue“ Ersatzakkus sind keineswegs immer neu, ihre Kapazität kann aufgrund von Alterung („new old stock“) mitunter deutlich unter der des Erstakkus liegen [1]. Zu Zeiten von NC- und NiMH-Akkus war es üblich defekte Zellen in Notebook Akkupacks zu ersetzen, durch die Verkaufspolitik (die ein Stück weit etwas mit der Sicherheit der Kunden zu tun hat) der LiIon-Zellenhersteller ist dies heutzutage nicht so einfach. Es gibt einige kleinere Firmen, die Lieferkanäle aufgetan haben - diesen Vorteil nutzen sie z.Zt. und bieten Akkurefreshs für Notebooks an – einen Lieferanten für Verbraucher habe ich nicht gefunden. Beim Refresh werden die alten Zellen gegen neue getauscht, Plastikhülle und Elektronik werden wiederverwendet. Wenn keine Ersatzpacks mehr verfügbar sind, ggf. die einzige Lösung das Notebook noch stromnetzunabhängig einzusetzen. Wenn die Packs noch erhältlich sind, eine Möglichkeit sicherzustellen, daß relativ frisch produzierte Zellen zum Einsatz kommen. Auf jeden Fall wird etwas weniger Müll produziert, damit kann die Lösung wohl als umweltfreundlicher als der Kompletttausch gewertet werden. Preispolitisch nutzen die Firmen mit Zugang zu LiIon Zellen diesen Vorteil voll aus, die Preise für eine Akkupacküberholung liegen in der Region von neuen Packs, wobei ich davon ausgehe, dass die Beschaffungskosten für die Rundzellen dies nicht rechtfertigen.

Nachtrag: Die Handelswege sind wohl nicht so dicht, wie die Hersteller sich das wünschen, gelegentlich scheinen Zellen in den (semi)regulären Handel zu geraten. Z.B. bei ebay tauchen diese Zellen dann auf. Problematisch dürfte hier – neben der zweifelhaften Herkunft – das unbekannte Alter der Zellen sein. Da brandneue Zellen den Gesamtpack ohnehin nicht mehr aufwerten als funktionsfähige Gebrauchtzellen sehe ich keinen Grund irgendwelchen Aufwand zu treiben um an neue Zellen zu kommen. Sinn machen kann es natürlich – entsprechende Verfügbarkeit vorausgesetzt – alle Zellen zu erneuern. Preislich scheinen sich die Zellen im 5 Euro/Stück Bereich zu bewegen (1800Ah 3,7V Rundzellen).

Eine günstige Lösung um zumindest eine eingeschränkte Mobilität wiederherzustellen beschreibe ich am Beispiel meines Compaq Armada M700. In diesem Fall war der Akku absolut unbrauchbar, nach einiger Zeit der Nichtbenutzung war das Teil nicht mehr zu laden. Die Vermutung, daß eine Zelle einen Totalausfall hat lag nahe und bestätigte sich auch nach Öffnen des Gehäuses. Vermutlich aus Kostengründen hat Compaq keine Überwachung der Einzelzellen vorgesehen (wie in [1] beschrieben), statt dessen sind je zwei Zellen parallel und diese dann in vier Gruppen in Reihe geschaltet. Bei einer Nennspannung von 3,7Volt pro Zelle erhält man die auf dem Pack aufgedruckten 14,8Volt. Die Zellen selbst enthalten außer dem Hersteller (Sony) leider keine verwertbaren Aufdrucke, die Packkapazität liegt laut Aufdruck bei 3,2Ah, die einer Zelle sollte also 1,6Ah betragen.

Abb. 1: Eine der Rundzellen, für mich war der Aufdruck nicht wirklich erhellend, vielleicht kann jemand was damit anfangen?

Wegen der Nichtbeschaffbarkeit neuer Zellen durch den Normalverbraucher sowie der Unsinnigkeit neue und gebrauchte Zellen zu kombinieren spielt das allerdings keine große Rolle. Sollten die Zellen verfügbar werden, böten sich welche mit geringerer als der Originalkapazität an, um den Alterungsprozess nachzubilden.

Eine Konsequenz der compaqschen Parallelschaltung ist, daß beim Totalausfall des Packs immer zwei Zellen defekt sind.

Ein Ersatz dieser Zellen sollte auf gar keinen Fall(!!!) mit drei NC/NiMH Zellen erfolgen, auch wenn die Rahmenbedingungen dazu einladen. Die Ladecharakteristik ist zu unterschiedlich um die Zellen zu kombinieren, hier spielt man mit dem Feuer! Stattdessen führen bekannte Onlineauktionshäuser zum Ziel. Für (ehemals) populäre Geräte wie das M700 werden jeden Tag einige Dutzend (defekter) Akkupacks angeboten, wenn man Glück hat erwischt man eins, das funktioniert, ansonsten, nicht schlimm, sechs Zellen sollten auch in defekten Packs noch taugen.

Die schrittweise Anleitung trifft natürlich insbesondere auf den Akkupack für das M700 zu, sollte aber allgemein übertragbar sein.

Das Öffnen entlang der sichtbaren Naht zwischen Ober- und Unterschale des Packs wollte mir nicht recht gelingen, der Einsatz von Schraubenziehern als Hebel brachte mich nicht weiter. Ursache hierfür sind die Rundzellen, die fast das ganze Gehäuse ausfüllen und flächig mit beiden Schalen verklebt sind. Ein erfolgreicher Ansatz war das Etikett vom Akkupack abzuziehen und dann das darunter befindliche Plastik mit einer Spitzzange wegzubrechen. Zwischen diesem Kunststoff und den Zellen befindet sich ein Blech, das leider Opfer meiner Arbeitsweise wurde. Wenn möglich sollte man darauf achten es zumindest einmal (man hat ja zwei Versuche) nicht zu zerstören.

Abb. 2: Der Spenderpack vorne, das Blech dahinter, im Hintergrund der alte Pack ohne Oberschale.

Dann gilt es mit dem Multimeter das defekte Zellenpaar ausfindig zu machen und aus dem Verbund zu lösen.

Auch hier kann eine kleine Spitzzange wieder gute Dienste leisten. Beim Entfernen der defekten Zellen sollte man darauf achten, daß, sofern die Kontrollplatine involviert ist, diese aus zwei Teilen besteht (Huckepack), die mit einem Ministecker verbunden sind.

Abb.3: Die Kontrollplatine. Der Stecker zw. den Platinen befindet sich ungefähr zw. D15 (LED) und dem Anschluß des gelben Kabels.

Beim Zerlegen des Packs hatte ich noch keinen Spenderpack, deshalb habe ich zum Prüfen der Schaltung (die ja auch für einen Totalausfall verantwortlich sein könnte) drei 1,2 Volt Zellen in die Reihe gehängt und den Prüftaster betätigt. Obwohl lange nicht mehr geladen, leuchtete noch eine LED. Die LiIon-Zellen hatten noch eine Leerlaufspannung um 3,7 Volt die auch bei moderater Belastung (500mA) nicht zusammenbrach. Wo die Grenze liegt, ab der Zellen prophylaktisch getauscht werden sollten kann ich nicht sagen. Die Spannung, bei der die Kontrollschaltungen die Notabschaltung einleiten liegt [1] bei 2 Volt.

Den als defekt erworbenen Akkupack habe ich etwas vorsichtiger geöffnet, das Wärmeleit(?)blech blieb dieses Mal brauchbar. Ein Ersatzzellenpaar war schnell gefunden, die Lötfahnen der zu verbindenden Paare habe ich bis auf etwa 5mm abgeschnitten und dann die Paare mit Kabeln verlötet und großzügig isoliert. Von der Verwendung der Kontrollkabel des Spenderpacks als Strombrücken sollte man absehen, wegen zu erwartender Ströme bis ca. 3A darf es etwas mehr Querschnitt sein.

Abb. 4: Nach Tausch, der „neue“ Pack liefert vor der ersten Ladung wieder 14,5Volt.

In meinem Fall war das Zellenpaar am Stecker des Packs defekt, wohl der dankbarste (und häufigste?)Kandidat für den Tausch. Außerdem ist noch die Verbindung mit dem Kontrollmodul wieder herzustellen, ebenfalls, auch für den ungeübten Löter, kein Problem.

Ein paar Tropfen Heißkleber helfen beim zusammenstecken des Gehäuses, wenn der Auseinanderbau nicht zu zerstöririsch erfolgte sollte es auch ohne gehen. Im Notebook gehalten wird ohnehin die Unterschale.

Abb. 5: Um dem Akku zu sagen wo er steht, empfiehlt sich eine Kalibrierung. Die Compaq Diagnostics geben danach auch Auskunft über die Kapazität.

Mein „neuer“ Akkupack hat jetzt einige Ladezyklen hinter sich, hält etwa 2,5h (für Windowsnutzer ist der Einsatz des Compaq Kalibrierungstools zu empfehlen, das in meinem Fall noch eine Kapazität von 40Wh ermittelte) und hat mich 12 Euro gekostet. Dazu kam eine Stunde Arbeitszeit. Zusätzlich habe ich noch zwei weitere verwendbare Akkupaare. Ein Problem stellt die Entsorgung der defekten Zellen dar, eine Entsorgungsstelle für Altbatterien ist sicherlich nicht optimal aber zur Zeit die wohl beste Lösung.

Der c’t Artikel gibt einige Hinweise zur Behandlung der LiIon-Akkus, durch Beachtung dieser Hinweise lässt sich die nächste „Frischzellenkur“ ggf. etwas aufschieben.

Nachtrag:

Die Zugriffszahlen lassen vermuten das noch einige M700 und Artverwandte im Einsatz sind, darum nach gut zwei Jahren eine Aktualisierung. Das schon angesprochene Problem der partiellen Erwärmung des Akkupacks ist erwiesen der Grund für die zum Teil recht frühzeitigen Ausfälle. Wenn der Akku weder geladen noch zum Betrieb benötigt wird sollte er entfernt werden. Neben der CPU wirds einfach zu warm. Es bietet sich an den Spenderakku auszuweiden und als Leergehäuse einzusetzen wenn kein Akku benötigt wird.

Der hier von mir viel zitierte c't Artikel ist in mancher Hinsicht vielleicht nicht der Weisheit letzter Schluss - nachdem ich mich selbst etwas mit der LiIon-Technik beschäftigt habe gebe ich hier mal meine Annahme zum Besten, dass Entladungen bis an die Tiefenentladungsgrenze vermieden werden sollten (der Tip den Akku immer vollständig zu entladen wird in dem Artikel im ersten Abschnitt impliziert). Insbesondere sollte man den Akku eben nicht gezielt ganz entladen nur um ihn dann wieder aufzuladen. Wurden 60-80% der Kapazität entnommen einfach aufladen, nicht vorher alles entnehmen. Wenn man solange netzunabhängig mit dem Gerät arbeiten möchte wie möglich spricht natürlich nichts dagegen den Akku auch mal auszureizen, dies künstlich zu tun macht imho allerdings nicht nur keinen Sinn sondern ist kontraproduktiv (für diesbezügliche Diskussionen bin ich offen).

Ein weiterer interessanter Punkt sind die beiden bq20xx, der 50, Gauge-Chip und der 58, der Supervisor. Ersterer mißt was in den Akku rein- bzw. rausgeht, zweiterer überwacht die Zellen(paare) auf Unter- und Überspannungen. Blöd ist das der Gauge-Chip (lt. Datenblatt) alle möglichen externen (nicht sauber gemessenen) Parameter wie Selbstentladung und Temperatur in seine "Schätzungen" einfließen lässt. Im Ergebnis weichen Schätzung und Wirklichkeit mit zunehmender Zeit im worst case immer weiter voneinander ab (theoritsch kann es natürlich auch mal hinkommen was der bq2050 vermutet). Hat man Pech sagt der bq2050 die Kapazität liegt bei 0 und einer der Mosfets (Q1&Q3) knippst das Licht aus. Schlecht. Ähnlich verhält es sich mit seinem Kollegen, dem bq2058. Der kümmert sich darum das die Zellen(paare) bestimmte Spannungsschwellwerte (der Überspannungswert beim bq2058C liegt bei 4,325V +/- 0,05V für etwa eine Sekunde und 2,25V +/- 0,05V wieder etwa Sekunde für die Unterspannung) nicht unter- bzw. überschreiten. Bei gesunden Zellen und einigermaßen brauchbaren Werten vom bq2050 sollten Unterspannungen nicht vorkommen. Kritischer ist es mit Überspannungen bei neuen Zellen und fehlerhaften Werten vom bq2050 - nicht selten werden an die 4,5V erreicht, Resultat sind geladene Zellen die nicht entladen werden können. Klar, gewisse sicherheitspolitische Erwägungen stützen dieses Tun. Andererseits ist es schon blöd wenn man grad frische Zellen eingelötet hat und die jetzt nicht mehr benutzbar sind. Denn: Wenn die bqs gesprochen haben dann bleiben sie auch dabei. Wer auf nen Reset oder etwas ähnliches hofft kann von der Sonne träumen.

Wenn man den ganzen Kram spannungsfrei macht und PIN 15 vom 2050 für 15 Sekunden auf Masse legt ist der Kollege resetet. Manchmal hilft das, grundsätzlich macht diese Behandlung als Teil des Zelltausch-Vorgangs immer Sinn. Leider ist oft der bq2058 verantwortlich, wenn ich mich recht entsinne ist Q3 der zugehörige Mosfet.

Der bq2058 überwacht jedes Zellenpaar und lässt Ladung dann zu, wenn alle Zellen unterhalb des Schwellwerts für die Überspannung liegen, Entladung ist bis zum Schwellwert der Unterspannung erlaubt. Mit dem Multimeter lässt sich ein Zellenpaar, das für den frühzeitigen Ladungsabbruch verantwortlich ist schnell ausfindig machen und (hoffentlich einmalig) mit einem Kleinverbraucher entladen. Im Fall von Unterspannungen sollte das betroffene Zellenpaar getauscht werden. Eine dritte Abbruchbedingung (sowohl beim Laden als auch Entladen) ist die Überschreitung eines bestimmten (Ent)ladestroms.

Abb. 6: Q1 und Q3, die beiden power mosfets (Si4435DY) in der Mitte rechts.

In den meisten Fällen reicht das Beschriebene um den Akkupack wieder für die nächste Generation Zellen betriebsbereit zu haben. Leider nicht immer. Dann hilft nur eine Brutallösung die ich nicht näher beschreibe sondern nur kurz anreiße. Die beiden mosfets, auf dem Foto (Abb. 6) zu sehen, sind vom Typ Si4435DY (Hersteller sind z.B. International Rectifier und Fairchild Semiconductor), wer sich jetzt die Datenblätter beschafft mag eine Idee bekommen wie man die beiden gezielt zerstört und damit die Blockademöglichkeiten der bqs unterbindet. Ob das eine gute Idee ist muss jeder für sich selbst entscheiden, empfehlen möchte ich es nicht, obwohl Tests gezeigt haben das man das machen kann und es funktioniert.

Die Kanäle der Produzenten von LiIon-Zellen scheinen durchlässiger zu werden. Unlängst konnte ich 24 Zellen vom Typ GP1865L180 erstehen. Der Händler sitzt in Hong Kong, was GP davon hält das diese Zellen an Privatleute abgegeben werden entzieht sich meiner Kenntnis. Auch habe ich gehört das LiIon-Zellen für Modellbauer interessant werden. Ob da was dran ist kann ich nicht sagen, imho kommt es Modellbauern auf hohe Entladeströme an, da dürfte LiIon nicht die Technologie der Wahl sein. Es könnte sich trotzdem unter Umständen lohnen mal bei einem Modellbauladen anzufragen. Falls das mal jemand macht würd mich interessieren was dabei rausgekommen ist...

Bleibt zu sagen, dass ein Akkupack bestückt mit den genannten neuen Zellen unter normalen Nutzungsbedingungen (optisches Laufwerk 5% Einsatz, HDD 15%, CPU <40%@low speed, Display hell) bis zu vier Stunden durchhält.

Folgend noch einige Fotos, soweit es mir möglich war mit kurzen Notizen um was es sich handelt.

Abb.7: Nochmal die Oberseite der Huckepackplatine.

In Abbildung 7: Rot – die Gauge-LEDs. Grün – Minus, auf dem Foto unter Q3 – Plus. Blau – die beiden power mosfets. Gelb – LM 293, Entladekontrolle. Oben links der Minus-Anschluß der Zellen, unten rechts der Plus-Anschluss. Unten links sind die drei Anschlüsse für die Zellüberwachung.

Abb.8: Die Basis, die beiden „Arme“ liegen jeweils unter den Zellen.

In Abbildung 8: Rot – der bq2050 Gauge-Chip. Grün – der bq2058 Supervisor. Gelb – 74VHC08. Türkis – 74VHC04. Blau – PIC16C63.

Abb.9: Die Unterseite der Huckepackplatine.

In Abbildung 9: Rot – LM358. Blau – LM 393.

[1] Kraftquellen - Lithium-Ionen-Akkus entmystifiziert, Jörg Wester in c't 17/03, S. 170ff

Bei Fragen oder Anregungen: Mail. Irgendwas vorm Domainnamen wird schon ankommen…