Wie ein Lithium-Akkupack montiert wird: Nickel, Punktschweißen, Isolierung

Ein Lithium-Akkupack ist ein Verbund aus Dutzenden oder Hunderten identischer Zellen, die durch punktgeschweißte Metallstreifen verbunden, voneinander isoliert, von einem BMS überwacht und durch ein Gehäuse geschützt sind. Jeder Schritt zählt: Eine unterdimensionierte Verbindung erhitzt sich, eine vergessene Isolierung verursacht einen Kurzschluss, eine schlecht fixierte Zelle bricht schließlich unter Vibrationen. Dieser Leitfaden beschreibt, wie ein Akkupack aufgebaut ist, damit Sie einen gut gefertigten Akku erkennen können. Dies ist keine Arbeitsanleitung: Die Montage von Lithium-Zellen ist eine Arbeit für professionell ausgestattete Fachkräfte.

1. Auswahl und Paarung der Zellen

Alles beginnt mit Markenzellen desselben Typs, idealerweise aus derselben Charge. Vor der Montage werden deren Spannung und – je nach Methode der Werkstatt – deren Innenwiderstand oder Kapazität geprüft, um homogene Gruppen zu bilden. Eine Zelle, die von den anderen abweicht, würde stärker beansprucht werden, schneller altern und den gesamten Akku limitieren. Die Auswahl der Zellen wird in unserem Vergleich Molicel P45B, Samsung 50S, P42A oder 40T detailliert beschrieben.

2. Anordnung und Halterungen

Die Zellen werden in Kunststoffhalterungen platziert, die sie in regelmäßigem Abstand halten. Dieser Abstand verhindert, dass die Hüllen aneinander reiben, und lässt etwas Luft zwischen ihnen. Die Anordnung folgt dem Serien-Parallel-Schema: zum Beispiel 20 Seriengruppen aus 10 parallelen Zellen für einen 20S10P-Akku. Bei einem E-Scooter erfordert die Form des Decks oft eine maßgeschneiderte Anordnung in einer oder mehreren Schichten.

3. Die Verbindungen: Nickel und Kupfer

Die Zellen sind durch Metallstreifen verbunden. Reinnickel ist das Referenzmaterial: Es lässt sich gut schweißen und ist korrosionsbeständig. Vernickelter Stahl, der billiger ist, leitet deutlich schlechter und erhitzt sich stärker: Er hat in einem Hochleistungsakku nichts zu suchen.

Der Querschnitt der Streifen wird basierend auf der Stromstärke berechnet. Für sehr hohe Ströme verstärken wir das Nickel mit einem Kupferstreifen, der ein viel besserer Leiter ist, wobei das Nickel als Schweißschnittstelle zur Zelle dient. Eine zu dünne Verbindung erhitzt sich bei jeder Beschleunigung, was die benachbarten Zellen schneller altern lässt. Die Prinzipien der Dimensionierung entsprechen denen in unserem Leitfaden zu Leistungskabeln und -steckern.

4. Das Punktschweißen

Die Streifen werden durch Punktschweißen, auch Widerstandsschweißen genannt, an den Zellen befestigt. Zwei Elektroden drücken auf den Streifen und senden einen sehr kurzen und sehr intensiven Stromimpuls. Das Metall schmilzt lokal an der Kontaktstelle, was in Sekundenbruchteilen eine solide Verbindung schafft.

Warum kein Lötkolben? Weil eine klassische Lötung die Zelle mehrere Sekunden lang erhitzt: Die Hitze kann die Dichtung, den internen Separator oder die Chemie der Zelle beschädigen. Das Punktschweißen bringt eine hohe, aber sehr lokalisierte und kurze Energie ein. Die Qualität hängt von der Maschineneinstellung, dem Druck der Elektroden und dem Zustand der Oberflächen ab: Eine zu schwache Schweißung löst sich bei Vibrationen, eine zu starke Schweißung kann den Boden der Zelle durchstoßen.

5. Die Isolierung

Bei einer zylindrischen Zelle ist der Pluspol ein kleiner Knopf in der Mitte, und der gesamte Rest der Metallhülle ist mit dem Minuspol verbunden. Ein verrutschender Nickelstreifen oder eine Vibration, die die Hülle abnutzt, kann daher einen direkten Kurzschluss verursachen. Wir bringen Isolierscheiben auf den Pluspolen an, Isolierpapier zwischen Gruppen mit unterschiedlichen Spannungen sowie an den exponierten Kanten, und wir prüfen, ob die Kunststoffhülle jeder Zelle intakt ist.

Die Isolierung zwischen dem Pack und dem Gehäuse, das bei einem E-Scooter oft aus Metall besteht, ist ebenso wichtig. Dies ist eines der ersten Dinge, auf die wir achten, wenn wir einen minderwertigen Akku öffnen.

6. Das BMS und die Verkabelung

Das BMS ist über ein Messkabel, das sogenannte Balancer-Kabel, mit jeder Zellgruppe verbunden. Diese Kabel müssen an der richtigen Stelle, in der richtigen Reihenfolge gelötet und gegen Abreißen geschützt werden. Temperatursensoren werden zwischen den Zellen platziert. Die Ausgangsleistungskabel werden mit einem angepassten Querschnitt an die Endstreifen gelötet und anschließend durch einen Schrumpfschlauch geschützt. Die Rolle des BMS wird in unserem Leitfaden zu BMS und Balancing erklärt.

7. Halt, Schutz und Gehäuse

Ein E-Scooter-Akku ist ständigen Vibrationen und Stößen ausgesetzt. Das Pack wird daher durch Schaumstoffe oder Keile fixiert, durch einen Schrumpfschlauch oder eine Hülle geschützt und dann im Deck oder in einem speziellen Gehäuse installiert. Je nach Maschine verwenden wir ein Aluminiumgehäuse, wie bei unserem Performance 80 V Akku für Nami Burn-E, ein 3D-gedrucktes Gehäuse oder ein maßgeschneidertes Gehäuse, das für die Maschine entwickelt wurde.

Die Endkontrollen

• Spannung jeder Zellgruppe, die homogen sein muss;
• Überprüfung des BMS: Auslesen aller Gruppen, aktive Schutzfunktionen;
• Lade- und Entladetest, Kontrolle der Erwärmung der Verbindungen;
• Kontrolle der Isolierung zwischen Pack und Gehäuse.