LiPo Information zu LiPo-Akkus für ganz Eilige

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Eine kompakte Einführung zu LiPos und was die aufgedruckten Zahlen und Buchstaben bedeuten

LiPo-Akkus haben im RC-Modellbau einen wahren Siegeszug hingelegt, es gibt nur noch wenige Elektromodelle, in denen nicht ein LiPo als Energiequelle dient. LiPos haben im Vergleich zu anderen Akkustypen eine sehr hohe Energiedichte, sind durch ihre Bauform relativ leicht und platzsparend. Besonders die fliegende Zunft profitiert von diesen Vorteilen, weil dort jedes Gramm eingespartes Gewicht die Flugleistung verbessert.

Nennspannung von LiPos ( was ist 2s, 3s, 4s usw. ?)
LiPo-Akkus, als einzelne Zelle, haben eine Nennspannung von 3,7V. Durch die Reihenschaltung mehrerer Zellen erreicht man höhere Spannungen. Je nach Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen verwendet man die Bezeichnung "s". D.h. eine Zelle wäre 1s, zwei Zellen 2s, drei Zellen 3s usw., das entspricht einer Spannung von jeweils 3,7v; 7,4V und 11,1V. In einigen RC-Modellanwendungen werden bis zu 12 Zellen, also 12s (44,4V), verwendet.

Die im Betrieb tatsächlich anliegende Spannung ist aber eine andere. So haben LiPo-Zellen im geladenen Zustand eine Spannung von 4,2V und im entladenen Zustand ca. 3,4V. Tiefer als 3,4V pro Zelle sollte man nicht gehen, um den LiPo nicht irreparapel zu schädigen. Höher als 4,2V sollten LiPos auch nicht geladen werden, weil das die Zelle ebenfalls schädigt und im schlimmsten Fall sogar zu einer spektakulären Spontanzerstörung führt.

Kapazität (Was bedeutet mAh ?)
Die Kapazität von LiPo-Akkus wird allgemein in mAh angegeben. Das bedeutet theoretisch, dass ein LiPo-Akku mit einer Kapazität von 1000 mAh eine Stunde lang einen Strom von 1A abgeben kann - theoretisch! Praktisch kann man die volle Kapazität nie ausschöpfen, weil die Zelle dann tiefentladen und in der Folge unbrauchbar wird. Man kann eine LiPo-Zelle nicht wieder reaktivieren. Ist die Zelle einmal defekt, kann man sie mit keinem Trick wieder reaktivieren. Aus dem Grund belässt man mindestens 20% Restkapazität im Akku. Bei einem vollgeladenem 1000mAh Akku kann man also ca. 800mAh entnehmen.

Maximaler Entladestrom / C - Rate
Ein LiPo mit 1000mAh Kapazität könnte also 1 Stunde lang 1A abgeben, 30 Minuten lang 2A, 15 Minuten 4A usw.. Je höher der Entnahmestrom wird, umso kürzer ist die Zeit, die der Strom fließen kann. Doch auch bei dem Entladestrom gibt es durch den leitenden Aufbau der LiPo-Zelle physikalische Grenzen. Darum wird der maximal mögliche Entladestrom eines LiPo-Akkus quasi verschlüsselt auf die Hülle aufgedruckt. Man findet dann z.B. die Angabe 20C.

Die Zahl vor dem großen C gibt das Vielfache des aufgedruckten Kapazitätsstromes an, das als Strom fließen darf, ohne dass der Akku dadurch zerstört wird.

Beispiel: Ein LiPo-Akku mit einer Kapazität von 2000 mAh und einer maximal zulässigen Entladerate von 20C kann unbeschadet einen Maximalstom von
20 x 2000mA = 40000mA = 40A liefern.

Bei einer Kapazität von 5000mAh und 10C wären das
10 x 5000mA = 50000mA = 50A.

Laden von LiPo-Akkus

Ladestrom
LiPo-Akkus erfordern beim Laden eine ebnso große Sorgfalt wie beim Entladen. Den richtigen Ladevorgang übernehmen spezielle Ladeprogramme der Ladegeräte. Trotzdem muß man dem Ladegerät mindestens eine Information liefern, nämlich, wie groß der maximale Ladestrom sein darf. Bei LiPos ist man mit 1C immer auf der richtigen Seite, d.h., dass der Ladestrom dem aufgedrucktem Kapazitätsstrom entspricht. Bei einem LiPo mit 3500mAh wäre der maximale Ladestrom 3500mA = 3,5A. Besonders selektierte LiPos können auch mit höheren Strömen geladen werden, doch das gibt im Zweifelsfall der Hersteller/Händler an. Denkbar wäre z.B. 2C, sodass ein 3500mAh Akku mit bis zu 7 A geladen werden kann.

Ladezeit
Die Ladezeit hängt von mehreren Faktoren ab.

1. Die Restladung im Akku
2. Der Ladestrom
3. Den Strom, den das Ladegerät tatsächlich maximal liefern kann

Ist das Ladegerät in der Lage 1C Ladestrom zu liefern, dann liegt man idR. bei ca. 1h Ladezeit, bis der Akku voll ist. Die Ladegeräte schieben auch nicht bis zum Schluß den vollen Ladestrom in die Akkus, sondern reduzieren den Strom allmählich beim Annähern an die Ladeschlußspannung von 4,2V. Verträgt ein Akku einen höheren Ladestrom, z.B. 2C, verkürzt sich die Ladezeit zwar, aber nicht linear zur Erhöhung der C-Rate.

Ein weiterer Faktor sind die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen. Weil bei einer seriellen Verschaltung von LiPo-Zellen nicht alle Einzelzellen identisch in ihrer Beschaffenheit sind, werden die Zellen im Betrieb unterschiedlich stark entladen. So ist es möglich, dass bei einem 1000mAh 3s Akku, Zelle 1 eine Restkapazität von 200mAh, Zelle 2 180mAh und Zelle 3 230 mAh hat. Würde man jetzt alle 3 Zellen seriell mit dem gleichen Ladestrom beaufschlagen, wäre Zelle 3 bereits voll während die anderen beiden Zellen ihren maximal möglichen Ladezustand noch nicht erreicht haben.

Um dieses Problem zu lösen, haben Ladegeräte für LiPos zusätzlich zu den zwei Hauptstromleitungen noch einen so genannten Balancerstecker. Der Balancerstecker ist kleiner und es führen dünnere Leitungen vom Akku zum Steckkontakt. Diesen Balancerstecker verbindet man zum Laden mit dem Gegenstück am LiPo-Akku. Die einzelnen Adern gehen jeweils zu den Verbindungspunkten, der in reihe geschalteten Zellen, sodass jede Zelle quasi einzeln angeschlossen und geladen werden kann.

Praktisch funktioniert das so, dass zuerst über das Hauptanschlußkabel der größere Ladestrom geschoben wird, während eine Zusatzelektronik gleichzeitig die Spannung der Einzelzellen überwacht. Kommt eine Zelle an die Ladeschlußspannung und die anderen Zellen sind noch nicht soweit, wird die volle Zelle über die dünnen Balanceranschlüsse wieder etwas entladen und der Hauptanschluß schiebt erneut Strom nach. Dadurch gleichen sich die einzelnen Zellen nach und nach aneinander an. Wenn alle Zellen die Ladeschlußspannung von 4,2V erreicht haben, ist der Ladevorgang abgeschlossen.

Weiterführende Informationen zu LiPo-Akkus finden sich auch im Thema
"Warum sterben LiPo-Akkus?" und "Auswahlhilfe für ein Akkuladegerät"

 

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Sledgehammer hat ebenfalls mal vor einiger Zeit etwas zu LiPos geschrieben, das möchte ich euch nicht vorenthalten. Etwas von dem ist redundant zu meinem Beitrag, es sind aber auch viele Informationen, die ich nicht erwähnt habe. Es lohnt sich also auf jeden Fall diesen Beitrag auch zu lesen.

Lithium-Polymer Akkus im RC Modellbau für Car Boot Flächenflug und Helikopter

Dieser Bericht informiert über Eigenschaften, Kenndaten, Pflege sowie den Einsatz im Modell und auf was zu achten ist.


Lithium-Polymer Akkus sind im Flug-Modellbau schon lange Standard und nicht mehr wegzudenken, im RC-Car Bereich hält diese innovative Akku-Technik gerade Einzug. Bei den Elektro RC-Cars ist der LiPo als Fahrakku schon häufig anzutreffen, aber auch als Empfänger-Akku oder Startbox-Akku sieht man schon die LiPo-Technik. Durch sinkende Preise, ausgereifte Technik und einfache Handhabung, wird sich der LiPo sicher weiter durchsetzen.

Aufbau

Eine LiPo-Zelle besteht aus einem Schichtaufbau, außen eine Alu-Folie, darunter eine Lithium-Kobaltoxid-Kathode, in der Mitte ein Separator, der Anode und Kathode trennt, dann eine Grafit-Anode, darüber eine Kupferfolie.


Eigenschaften

Kenndaten (für eine Zelle)

• Nennspannung 3,7 Volt
• Ladeschlußspannung 4,2 Volt
• Entladeschlußspannung 3 Volt
• Spannung unter Last ca. 3,4-3,6 Volt je nach Strombelastung.

LiPo haben im Vergleich zu NiMh-Akkus bei gleicher Kapazität nur das halbe Gewicht, bei gleichem Gewicht also doppelte Kapazität, dadurch können sie große Energiemengen speichern, bezogen auf Wh, also Produkt aus Leistung und Zeit.

Lebensdauer - In Bezug auf die Lebensdauer wäre zu sagen, dass LiPo je nach Stromstärke unterschiedliche Lebensdauer haben. Hohe Ströme verkürzen die Lebensdauer, niedrige Ströme verlängern sie. Bei mittlerer C-Belastung kann man von 150-200 Lade/Entladezyklen ausgehen.

Gefahren - Da Lithium ein sehr reaktionfreudiges Element ist, sind einige grundlegende Regeln zu beachten. Mechanische Beschädigung der Zellen möglichst vermeiden, das kann zum Austritt von Elektrolyt führen und das führt zum unweigerlichen Ausfall der Zelle.

Es wurde immer wieder von brennenden LiPos berichtet, das brachte ihnen den Ruf ein, gefährlich zu sein. LiPo-Akkus fangen nicht selbständig an zu brennen, die Ursache dafür ist immer falsche Behandlung. Zu hoher Strom mit einhergehender Überhitzung durch falsches Laden oder Überschreitung des zulässigen Stromes beim Entladen.

Wichtig: Lithium reagiert heftig mit Wasser, daher im Brandfall LiPo-Akkus nie mit Wasser löschen, sondern mit Pulver oder Sand oder mit einer Löschdecke.

Vorteile des LiPo-Akkus

• Sehr einfach in der Handhabung, kein Formieren, keine Selbstentladung.
• Sehr leicht, etwa doppelte Leistung bei halben Gewicht von NiMH
• Liefert länger einen konstant hohen Strom als NiMH

Nachteile des LiPo-Akkus

• Sehr teuer, mit sinkender Tendenz
• Erfordert spezielle Ladegeräte (Umrüstkosten)
• Erfordert umsichtigen Umgang (Gefahren)
• Empfindlich bei Kurzschluss, Überladung und Tiefentladung

Laden und Lagern

Wenn man LiPos mit einem NiMh-Ladeprogramm lädt, ist das Feuerwerk vorprogrammiert, daher immer mit geeigneten Ladern mit Lipo-Mode laden. Besonders LiPo-Akkus sollten nie unbeaufsichtig geladen werden, außer sie befinden sich in einer nicht brennbaren Umgebung (gilt eigentlich für alle Akkus).

Ladegeräte -
Grundsätzlich dürfen LiPo-Akkus nur mit LiPo-fähigen Ladegeräten geladen werden. Das Ladeverfahren ist ein Konstantspannungsverfahren, das heißt, das Ladegerät lädt den LiPo so, dass die Spannung konstant bleibt. Bei Erreichen der Ladeschlußspannung wird der Ladestrom soweit reduziert, dass die Zellenspannung 4,2 Volt/Zelle nicht übersteigt.



Balancer -
Hier kommt der Balancer ins Spiel, der bei LiPo Pflicht ist. Er gleicht die unterschiedlichen Einzelzellen-Spannungen aneinander an und sorgt dafür, dass keine Zelle beim Laden über 4,2 Volt kommt. Es ist ohne Bedeutung, ob das Ladegerät einen intergierten Balancer hat oder man einen externen Balancer verwendet.



Stecker -
Leider hat sich die Industrie bisher nicht auf einen gemeinsamen Standard für die Anschlüsse an den Balancern festgelegt, daher gibt es verschiedene Stecksysteme, die untereinander nicht kompatibel sind. Sollte der Balancerstecker nicht an den Balancer passen, gibt es für jedes Stecksystem Adapter.

Balancer-Anschluss-Systeme: EHR, FTP, XHR, PQ.


Kabel -
Bei den Ladekabeln sollte man auf ausreichend großen Kabelquerschnitt achten und in jeden Fall das gleiche Stecksystem wie im Modell verwenden, heißt, wenn man im Modell 4mm-Goldkontaktstecker hat, sollten diese auch am Ladekabel verwendet werden. Bananenstecker haben zwar auch 4mm Durchmesser, aber wegen der recht hohen Ladeströme haben Bananenstecker einen zu hohen Übergangswiderstand, was zur Fehlermeldung "Kein Akku angeschlossen" führen kann. Sollte man bei so eine oder eine ähnliche Fehlermeldung haben, sollte man seine Ladekabel überprüfen und ggfs. auf Goldkontaktstecker wechseln.



Laden / Entladen -
Die C-Angaben bei LiPo bedeuten einerseits die Stromstärke beim Laden, andererseits die Stromstärke beim Entladen. 1C beim Ladestrom heißt, der maximale Ladestrom darf nicht mehr als das einfache der Kapazität betragen. Beim Entladen besagt die C-Rate wieviel Strom in Bezug auf die Kapazität der Akku abgeben kann. 10C bedeuten also z. B. das 10-fache der Kapazität an Stromstärke.

Lagern -
Lagern kann man LiPos in jedem Ladezustand, ausgenommen vollkommen leer. Lagern heißt hier, Nichtbenutzung über mehrere Monate. Wenn man jede Woche oder alle zwei Wochen fliegt/fährt, lädt man den Akku nach Gebrauch voll und fertig.


Einsatz im Modell

Stromentnahme - Desweiteren ist die maximal zulässige Stromstärke des Akkus an den Motor anzupassen, das heißt, der Akku muss mehr Strom aushalten können als der Motor maximal zieht, ansonsten bricht die Akkuspannung unter Last ein, die Unterspannungserkennung spricht an, der Akku überhitzt. Zu hoher Strom führt genauso wie Tiefentladung zu dauerhaften Schäden an der Zelle.

Tiefentladung - Hier sollte man Vorkehrungen treffen, die ein Entladen unter 3 V/Zelle verhindern. Heutzutage gibt es Regler mit LiPo-Unterspannungsabschaltung, die einstellbar von 2,5-3V ist. Es gibt auch LiPo-Wächter mit LED, die bei Unterspannung aufleuchten undes gibt LiPo-Unterspannungswächter, die zwischen Regler und Empfänger gesteckt werden und bei Unterspannung den Regler zurückregeln. Grundsätzlich dürfen LiPos nur bis max. 80-85% ihrer Nennkapazität entladen werden, bei weiterer Entladung kommen sie in den Bereich der Tiefentladung, was den dauerhaften Schaden der Zelle zu Folge hat.

Kurzschluss - Bei den Akkuanschlüssen sollte man immer verpolungsichere Stecksysteme verwenden, am geeignetsten sind 4mm-Goldkontakstecker, Akku Plus als Stecker, Akku Minus als Buchse oder umgekehrt. So kann niemals Plus und Minus verwechselt werden. Es gibt auch Dean Stecker, die eine Verpolung unmöglich machen, an den Akku gehört immer die Buchse.

Wenn man doch mal einen Kurzschluß verursacht durch nicht verpolungssichere Stecker brennt der LiPo nicht gleich ab, aber aufgrund der hohen Kurzschlußströme verglühen zuerst die Akkukabel, dann wird es schwierig ein angestecktes Kabel anzufassen um es zu trennen. Laut Hersteller schädigt schon ein kurzer Kurzschluss die Zelle.

Temperatur - Beim Einsatz im Modell ist weiterhin zu beachten, dass LiPo im Temperaturbereich von 20-40Grad am meisten Kapazität abgeben können. Temperaturen über 55Grad deuten auf schlechte Auslegung des Akkus in Bezug auf die Strombelastbarkeit hin. In diesem Fall hilft keine Akkukühlung, sondern ein größerer Akku oder ein anderer Motor oder eine kürzere Übersetzung. Bei kalten Temperaturen geben LiPos weniger Kapazität ab. Man kann davon ausgehen, dass pro 4Grad weniger Lufttemperatur die Flug/Fahrzeit sich um eine Minute verkürzt, das sollte man beachten, wenn man LiPo in der kalten Jahreszeit einsetzt.