Funken beim Anschließen des Akkus: Die Rolle der Controller-Kondensatoren

Der Funke, der beim Anschließen eines großen Akkus an einen E-Scooter entsteht, ist kein Defekt: Es ist das Laden der Kondensatoren am Eingang des Controllers in Sekundenbruchteilen. Diese Kondensatoren sind für den Betrieb des Controllers unerlässlich. Der Funke hingegen nicht: Mit der Zeit korrodiert er die Steckverbinder und belastet die Kondensatoren. Hier erfahren Sie, was sie tun, warum sie diesen Funken verursachen und wie man sie schont.

Warum ein Controller Kondensatoren benötigt

Der Controller zieht keinen gleichmäßigen Strom aus dem Akku. Seine Transistoren schalten zehntausende Male pro Sekunde: Bei jedem Schaltvorgang springt der am Eingang geforderte Strom abrupt von einem Wert auf einen anderen. Dieser gehackte Strom wird als Rippelstrom bezeichnet.

Die Kabel, die vom Akku kommen, haben eine Induktivität: Sie wirken schnellen Stromänderungen entgegen. Ohne lokales Reservoir würde jeder Schaltvorgang die Spannung an den Transistoren abfallen oder ansteigen lassen, mit Spitzen, die sie zerstören könnten. Die Kondensatoren, die so nah wie möglich an der Transistorbrücke verlötet sind, liefern diese Impulse und absorbieren die Rückflüsse. Aus Sicht des Akkus wird die Nachfrage fast kontinuierlich.

Dieser Leitfaden ergänzt unseren Besuch im Inneren eines Motorcontrollers, der die Transistorbrücke und ihre anderen Komponenten vorstellt.

Was einen Kondensator heiß werden und altern lässt

Ein realer Kondensator ist nicht perfekt: Er weist einen kleinen Innenwiderstand auf, der als ESR (Equivalent Series Resistance) bezeichnet wird. Der Rippelstrom, der ihn durchfließt, erzeugt dort Wärme, die proportional zum Quadrat dieses Stroms ist. Die Datenblätter geben daher neben Kapazität und Spannung einen maximal zulässigen Rippelstrom an.

Bei E-Scooter-Controllern findet man hauptsächlich Aluminium-Elektrolytkondensatoren, manchmal in Kombination mit Keramik- oder Folienkondensatoren. Die Elektrolytkondensatoren enthalten ein flüssiges Elektrolyt, das langsam verdampft, umso schneller, je heißer sie sind. Mit der Zeit sinkt ihre Kapazität und ihr ESR steigt: Sie filtern schlechter und werden heißer – ein Teufelskreis.

Drei Faktoren bestimmen ihre Lebensdauer:

• die Temperatur: ein Kondensator, der an einem heißen Kühlkörper klebt oder ohne Luftzufuhr eingeschlossen ist, altert viel schneller;
• der Rippelstrom, der vom Motorstrom und der Schaltweise des Controllers abhängt;
• die Spannungsreserve: ein Kondensator, der nahe seiner Nennspannung betrieben wird, mit den Bremsspitzen obendrauf, leidet mehr als ein großzügig dimensionierter Kondensator.

Ein Kondensator am Ende seiner Lebensdauer kann sich aufblähen (gewölbte Oberseite), auslaufen oder einfach mehr Rippelstrom durchlassen, was zu zufälligen Fehlern und belasteten Transistoren führt.

Der Funke beim Anschließen, erklärt

Im Ruhezustand, bei abgeklemmtem Controller, sind die Kondensatoren leer. In dem Moment, in dem der Akkustecker Kontakt herstellt, sind sie direkt mit einer Quelle von mehreren Dutzend Volt verbunden. Ein leerer Kondensator verhält sich im ersten Moment fast wie ein Kurzschluss.

Der Einschaltstrom wird dann nur durch die Widerstände des Schaltkreises begrenzt: die der Zellen, des BMS, der Kabel, des Steckers und der Kondensatoren selbst. Bei einem leistungsstarken Akku sind all diese Widerstände gering, gerade um viel Strom durchzulassen. Der Einschaltstrom erreicht daher für sehr kurze Zeit sehr hohe Werte, und der Lichtbogen springt zwischen den beiden sich nähernden Teilen des Steckers über.

Je höher die Akkuspannung und je größer die Gesamtkapazität des Controllers, desto stärker ist der Funke. Ein E-Scooter mit zwei Controllern summiert die Kondensatoren beider.

Warum der Funke die Stecker beschädigt

Ein Lichtbogen schmilzt das Metall lokal. Bei jedem Anschließen hinterlässt er kleine Krater und schwarze Ablagerungen auf den Kontaktflächen des Steckers. Die tatsächliche Kontaktfläche verringert sich, der Widerstand des Steckers steigt, und er wird bei hohem Strom stärker heiß. Nach vielen Anschlüssen kann ein punktierter und geschwärzter Akkustecker so heiß werden, dass sein Kunststoff weich wird.

Der Stromstoß belastet auch die Kondensatoren und kann bei einigen Aufbauten den Kurzschlussschutz des BMS auslösen, das dann den Akku beim Anschließen abschaltet. Unser Leitfaden Leistungskabel und -stecker erklärt, wie man diese Stecker auswählt und wartet, und unser Leitfaden zur Vorladung und Anti-Funken-Lösung stellt Lösungen zur Unterdrückung des Lichtbogens vor.

Kabellänge und Rippelstrom

Je länger die Kabel zwischen Akku und Controller sind, desto größer ist ihre Induktivität und desto mehr müssen die Kondensatoren die Stromspitzen alleine liefern. Ein externer Akku, der über ein langes Kabel angeschlossen ist, oder ein Controller, der weit vom Akku entfernt montiert ist, erhöht daher die Belastung dieser Kondensatoren. Die bewährten Vorgehensweisen:

• Akkukabel so weit wie möglich verkürzen;
• das Plus- und Minuskabel nebeneinander oder sogar verdrillt führen, um die Induktivität der Schleife zu reduzieren;
• wenn eine Verlängerung unvermeidlich ist, den Rat eines Spezialisten einholen: Einige Aufbauten fügen Kapazität so nah wie möglich am Controller hinzu.

Motorseitig fließen die Phasenleitungen nicht durch die Kondensatoren, aber sie müssen fest sitzen und gut verbunden sein: Das ist die Aufgabe von dimensionierten Phasensteckern, wie den AMASS 8 mm Bullet-Steckern, die wir an unseren MHS-, MHT-, XHS- und XHT-Motoren verbauen.