Mred
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Lithium-Ionen Polymer Sekundärbatterie (Lipo Akku)
Ziel des Themas
Es gibt schon zahlreiche gute Infos zu Lipo Akkus und Ladetechnik (auch hier im RCMP), daher nenne ich hier die technischen Grenzen des Lipos, stelle sie den Empfehlungen von Herstellern, Händlern und erfahrenen Benutzern gegenüber und versuche die Vor- und Nachteile zu zeigen. Für technisch Interessierte habe ich in der Linksammlung einige Dokumente zusammengetragen die meine Angaben belegen und noch sehr viel mehr Informationen beinhalten.
Ich würde mich auch freuen, wenn die Linksammlung mit Quellen zu Akku Wissen (von Herstellern, Industrie, Unis), auch Akku Datenblätter wären interessant, ausgebaut wird (Vorschläge schaue ich mir gerne an). Links zu nicht belegten Beschreibungen aus Foren oder von Shops würde ich als Empfehlung sehen.
Inhaltsverzeichnis
Empfehlungen versus technische Daten
Die meisten Mitglieder wiederholen Informationen die sie gelesen haben und ergänzen diese mit ihren eigenen Erfahrungen. Akku Benutzer wollen auch meistens nicht alle Fakten im Detail wissen und beschweren sich teils über zu technische oder „wissenschaftliche“ Erklärungen. Es gibt aber auch Mitglieder die sich mit Halbwissen nicht zufrieden geben und sich tiefer in das Thema einarbeiten wollen.
Es gibt allgemein gültige technische Daten und Empfehlungen die gerade für Einsteiger wichtig sind. Diese Empfehlungen resultieren auch aus den Erfahrungen mit unterschiedlichen Modell Gattungen. Ich werde hier nur allgemeine Eckdaten und Empfehlungen auflisten. Spezial Akkus wie Hochvolt (HV 4,35 Volt Zellenspannung) oder Niedertemperatur (bis -40 Grad Celsius) sind hier nicht berücksichtigt.
Empfehlung und technische Eckdaten
* Die meisten Hersteller geben 3 Volt als unterste Grenze der Entladespannung an. In einigen technischen Artikeln wird 2,5 Volt als unterste Grenze genannt. Man kann davon ausgehen, dass die 2,5 Volt einen Akku nicht unbrauchbar machen, man muss aber damit rechnen, dass die Eigenschaften des Akkus dauerhaft negativ beeinflusst werden.
Maximale Ladespannung
Überschreiten der maximalen Ladespannung bzw. Ladeschlussspannung pro Zelle würde diese bleibend schädigen. Ab 4,15 Volt beginnt die Zyklenfestigkeit deutlich abzunehmen (Reduzierung der Kapazität unter 80%). Um eine Hausnummer zu nennen - zwischen 4 und 4,2 Volt liegen ca. 10 % Kapazitätsverlust bei bis zu 500 Ladezyklen und 20% bis 1000 Zyklen, ab 1500 Zyklen ca. 40%. Ob die genannten Ladezyklen auf unsere Modellsport Akkus zu übertragen sind, kann ich nicht belegen aber schon die Tatsache, dass alleine die Ladeschlussspannung die Kapazität deutlich beeinträchtigt, sollte zum Nachdenken anregen.
Das nachfolgende Lade-Diagramm zeigt den Verlauf der Ladung eines leeren Akkus.
Entladeschlussspannung: 6,634 V (3,294 V / 3,296 V)
Ladeschlussspannung: 8,461 V (4,205 V / 4,204 V)
Ladestrom: 5 A
Das Ladediagramm zeigt, dass die Kapazität bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung linear steigt, danach flacht die Linie ab und steigt nur noch leicht. Bei 8,3 Volt (4,15 V/Zelle) werden ca. 88% der geladenen Kapazität erreicht.
Anmerkung des Autors:
Das Diagramm basiert auf einen komplett entladenen Akku.
Minimale Entladespannung
Unterschreiten der minimalen Entladespannung bzw. Entladeschlussspannung pro Zelle würde diese bleibend schädigen. Technisch gesehen gilt eine Zelle als tiefentladen, wenn sie weniger als 2,5 Volt Spannung abgibt (egal ob mit oder ohne Last, weniger als 2,5 Volt darf eine Zelle nicht haben). Dieser Wert ist jedoch abhängig vom Akkuhersteller und bewegt sich zwischen 2,7 und 3,3 Volt. Meine Tests mit verschiedenen Lipo Akkus für den Modellsport ergaben eine relativ lineare Spannungsabnahme des voll geladenen Akkus bis zur Nennspannung von 3,7 Volt, danach viel die Spannung sehr schnell ab. Die entnommene Leistung lag bei einer Entladespannung von 3,7 Volt bei ca. 85 % der Akku Kapazität, bei 3,3 Volt bei ca. 95%.
Diese Angaben beziehen sich auf neue Akkus und werden sicher je nach Alter, Typ und Hersteller etwas abweichen, sie sollen auch nur dazu dienen, die Risiken einzuschätzen und sinnvolle Einstellungen zu finden. Da man im Modellsport häufig schnelle Alterung für mehr Leistung in Kauf nimmt, muss jeder Nutzer für seinen Einsatzzweck entscheiden, wo er die Grenze sieht.
Das nachfolgende Entlade-Diagramm zeigt den Verlauf der Entladung eines voll geladenen Akkus.
Ladeschlussspannung: 8,438 Volt (4,200 V / 4,200 V)
Entladestrom: 4 A
Entladeschlussspannung: 6,066 Volt (2,996 V / 3,109 V)
Das Diagramm zeigt sehr schön, warum man in der Praxis mit der Akku schonenden Empfehlung der Entladespannung zwischen 3,3 und 3,7 Volt gut leben kann. Ab Erreichen der Nennspannung von 7,4 Volt sinkt die Spannung sehr schnell ab, bis dahin wurden 85% der Kapazität entnommen, ab 6,6 Volt sind es schon 97%. Die restlichen 3% entsprechen bei diesem Beispiel ca. 3 Minuten. Bei höherer Strombelastung wird die Zeit zwischen Erreichen der Nennspannung und Entladespannung noch kürzer sein. Es besteht also kein Grund (außer vielleicht im Rennsport), den Akku unnötig zu altern, wenn man schon mit 3,6 Volt Entladespannung die Lebensdauer des Akkus deutlich erhöhen kann.
Anmerkung des Autors:
Das Diagramm basiert auf einen voll geladenen Akku.
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Gefahren in der Praxis
Das Laden der Akkus ist relativ unkompliziert, man stellt die Anzahl der Zellen und die Ladespannung ein (dazu gibt es detaillierte Anleitungen) und das Ladegerät schaltet den Ladevorgang ab, sobald diese Spannung erreicht ist, der Akku ist geladen. Der Ladevorgang wird von der Ladeelektronik permanent überwacht.
Beim Entladen des Akkus im Modell muss auch der Entladevorgang überwacht werden um eine Tiefentladung zu vermeiden bzw. den Akku nicht weiter zu entladen als gewünscht. Meistens wird die Stromversorgung über einen Fahrtenregler (ESC) erfolgen. Ein ESC (Electronic Speed Controller) verfügt über ein LVC (Low Voltage Cutoff), welches beim unterschreiten einer bestimmten Spannung die Leistung eines Motors reduziert bzw. den Motor abschaltet.
Schon beim Anschließen des Akkus besteht die Gefahr, dass der ESC die richtige Anzahl der Zellen nicht automatisch erkennt, daher empfehlen ESC Hersteller die Zellenzahl fest einzustellen. Die richtige Zellenzahl ist wichtig für den LVC, da dieser nach der Gesamtspannung entscheidet. Es ist ratsam, bei einem neuen ESC und/oder Akku den Entladevorgang mit einem Lipo-Checker im Betrieb zu prüfen um die gewünschte Cutoff Einstellung zu finden. Ein Lipo-Checker gehört unbedingt zur Grundausstattung und sollte beim Fahren/Fliegen immer dabei sein. Wenn beim Entladen ein Unterschied der Zellenspannungen erkennbar ist, muss die Differenz für den Cutoff einkalkuliert werden.
Wichtig ist hier auch, dass das BEC (Battery Eliminator Circuit) nicht abgeschaltet wird, das Lenkservo und andere Komponenten die darüber gespeisst werden, können weiter Strom aus dem Akku beziehen. Lenkservo oder Beleuchtung werden weiterhin Strom verbrauchen, daher sollte ein entladener Akku unbedingt vom ESC getrennt werden. Vergisst man den ESC abzuschalten, könnte der Akku tiefentladen werden.
Zellendrift
Bei der Herstellung von Lipo Akkus werden die verwendeten Zellen selektiert, damit möglichst gleiche Zellen ein homogenes System ergeben. Jeder der Lipo Akkus verwendet, wird auf seinem Ladegerät oder dem Lipo-Checker die Spannung der einzelnen Zellen ablesen können und je nach Auflösung wird man einen Unterschied erkennen.
Bei neuen, qualitativ guten Akkus wird sich der Unterschied nach dem Laden mit Balancer im Bereich von wenigen Millivolt bewegen. Wichtig ist jedoch, wie groß der Drift nach dem Entladen der Akkus ist, je kleiner desto besser. Bei guten Akkus wird sich der Spannungsunterschied der entladenen Zellen im zweistelligen Millivolt Bereich bewegen. Je mehr ein Akku entladen wird, desto größer kann der Zellendrift werden, da kann das Delta auch über 100 mV betragen. Je größer der Drift, desto geringer ist die nutzbare Kapazität und desto problematischer die Überwachung am ESC. Achtung - der Drift ist am Ende des Entladevorganges am größten.
Wenn z.B. die niedrigste empfohlene Entladespannung von 3,3 Volt bei einem 2S Akku angewendet wird, darf der Zellendrift beim Entladen nicht größer als 600 Millivolt werden, damit die schlechtere Zelle nicht unter 3 Volt zu tief entladen wird. Je mehr Zellen ein Akku hat, desto kleiner darf der Zellendrift sein. Das Beispiel bezieht sich auf eine schlechte Zelle im Akku. Ein Batteriesystem ist nur so gut wie seine schwächste Zelle - je schlechter eine Zelle, desto geringer ist die Kapazität bzw. Entladespannung. Je schlechter eine Zelle wird, desto höher ist auch das Kurzschlussrisiko mit Brandgefahr.
Alterung
Jeder Akku hat eine begrenzte Lebensdauer, das ist die Zeit zwischen Anschaffung des Akkus und dem Zeitpunkt, an dem der Akku nicht mehr nutzbar ist. Die Alterung erfolgt je nach Nutzung und im Bereich Modellsport würde ich die Anzahl der Vollzyklen bei guter Behandlung auf 500-1500 einschätzen.
Die Alterung entsteht durch Veränderung der Zellen und man muss unterscheiden zwischen der unvermeidbaren Alterung durch Betrieb oder Lagerung und die vermeidbare Alterung durch extreme Benutzung oder unsachgemäße Behandlung.
Zyklenlebensdauer - abhängig von Lade-/Entladestrom, Temperatur (siehe Empfehlung und technische Daten)
Kalendarische Lebensdauer - Alterung in Abhängigkeit von Ladezustand und Temperatur
Lagerung
Bei Zimmertemperatur oder im Kühlschrank mit ca. 40-50% Ladezustand oder 3,6-3,8 Volt/Zelle. Bei 1% Selbstentladung der Zellen im Monat, sollten diese alle 3 Monate geprüft und nachgeladen werden. Von Lagerung bei Minus Graden würde ich eher abraten, da diverse Tests schon gezeigt haben, dass die Kapazität dadurch abnehmen kann.
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Ziel des Themas
Es gibt schon zahlreiche gute Infos zu Lipo Akkus und Ladetechnik (auch hier im RCMP), daher nenne ich hier die technischen Grenzen des Lipos, stelle sie den Empfehlungen von Herstellern, Händlern und erfahrenen Benutzern gegenüber und versuche die Vor- und Nachteile zu zeigen. Für technisch Interessierte habe ich in der Linksammlung einige Dokumente zusammengetragen die meine Angaben belegen und noch sehr viel mehr Informationen beinhalten.
Ich würde mich auch freuen, wenn die Linksammlung mit Quellen zu Akku Wissen (von Herstellern, Industrie, Unis), auch Akku Datenblätter wären interessant, ausgebaut wird (Vorschläge schaue ich mir gerne an). Links zu nicht belegten Beschreibungen aus Foren oder von Shops würde ich als Empfehlung sehen.
Inhaltsverzeichnis
- Empfehlungen versus technische Daten
- Gefahren in der Praxis
- Betrachtungen zur Alterung
- Kalendarische Lebensdauer
- Lagerbedingungen
- Zyklenlebensdauer
- Performance versus Lifetime
- Linksammlung
- Formieren bzw. Priming
- Konditionieren oder Initialisieren
- Abkürzungen
Empfehlungen versus technische Daten
Die meisten Mitglieder wiederholen Informationen die sie gelesen haben und ergänzen diese mit ihren eigenen Erfahrungen. Akku Benutzer wollen auch meistens nicht alle Fakten im Detail wissen und beschweren sich teils über zu technische oder „wissenschaftliche“ Erklärungen. Es gibt aber auch Mitglieder die sich mit Halbwissen nicht zufrieden geben und sich tiefer in das Thema einarbeiten wollen.
Es gibt allgemein gültige technische Daten und Empfehlungen die gerade für Einsteiger wichtig sind. Diese Empfehlungen resultieren auch aus den Erfahrungen mit unterschiedlichen Modell Gattungen. Ich werde hier nur allgemeine Eckdaten und Empfehlungen auflisten. Spezial Akkus wie Hochvolt (HV 4,35 Volt Zellenspannung) oder Niedertemperatur (bis -40 Grad Celsius) sind hier nicht berücksichtigt.
Empfehlung und technische Eckdaten
| Empfehlung | Technische Daten | |
| Nennspannung | 3,7 Volt / Zelle | |
| Maximale Ladespannung | 4,10-4,15 Volt / Zelle | 4,2 Volt / Zelle (absoluter Grenzwert 4,23 Volt) |
| Maximaler Ladestrom | 1 C | |
| Minimale Entladespannung | 3,7-3,3 Volt / Zelle | 3,0 Volt / Zelle (absoluter Grenzwert 2,5 Volt*) |
| Entladetemperatur | 0 bis +40 Grad Celsius | -20 bis +60 Grad Celsius |
| Ladetemperatur | +10 bis +40 Grad Celsius | 0 bis +45 Grad Celsius |
* Die meisten Hersteller geben 3 Volt als unterste Grenze der Entladespannung an. In einigen technischen Artikeln wird 2,5 Volt als unterste Grenze genannt. Man kann davon ausgehen, dass die 2,5 Volt einen Akku nicht unbrauchbar machen, man muss aber damit rechnen, dass die Eigenschaften des Akkus dauerhaft negativ beeinflusst werden.
Maximale Ladespannung
Überschreiten der maximalen Ladespannung bzw. Ladeschlussspannung pro Zelle würde diese bleibend schädigen. Ab 4,15 Volt beginnt die Zyklenfestigkeit deutlich abzunehmen (Reduzierung der Kapazität unter 80%). Um eine Hausnummer zu nennen - zwischen 4 und 4,2 Volt liegen ca. 10 % Kapazitätsverlust bei bis zu 500 Ladezyklen und 20% bis 1000 Zyklen, ab 1500 Zyklen ca. 40%. Ob die genannten Ladezyklen auf unsere Modellsport Akkus zu übertragen sind, kann ich nicht belegen aber schon die Tatsache, dass alleine die Ladeschlussspannung die Kapazität deutlich beeinträchtigt, sollte zum Nachdenken anregen.
Das nachfolgende Lade-Diagramm zeigt den Verlauf der Ladung eines leeren Akkus.
Entladeschlussspannung: 6,634 V (3,294 V / 3,296 V)
Ladeschlussspannung: 8,461 V (4,205 V / 4,204 V)
Ladestrom: 5 A
Das Ladediagramm zeigt, dass die Kapazität bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung linear steigt, danach flacht die Linie ab und steigt nur noch leicht. Bei 8,3 Volt (4,15 V/Zelle) werden ca. 88% der geladenen Kapazität erreicht.
Anmerkung des Autors:
Das Diagramm basiert auf einen komplett entladenen Akku.
Minimale Entladespannung
Unterschreiten der minimalen Entladespannung bzw. Entladeschlussspannung pro Zelle würde diese bleibend schädigen. Technisch gesehen gilt eine Zelle als tiefentladen, wenn sie weniger als 2,5 Volt Spannung abgibt (egal ob mit oder ohne Last, weniger als 2,5 Volt darf eine Zelle nicht haben). Dieser Wert ist jedoch abhängig vom Akkuhersteller und bewegt sich zwischen 2,7 und 3,3 Volt. Meine Tests mit verschiedenen Lipo Akkus für den Modellsport ergaben eine relativ lineare Spannungsabnahme des voll geladenen Akkus bis zur Nennspannung von 3,7 Volt, danach viel die Spannung sehr schnell ab. Die entnommene Leistung lag bei einer Entladespannung von 3,7 Volt bei ca. 85 % der Akku Kapazität, bei 3,3 Volt bei ca. 95%.
Diese Angaben beziehen sich auf neue Akkus und werden sicher je nach Alter, Typ und Hersteller etwas abweichen, sie sollen auch nur dazu dienen, die Risiken einzuschätzen und sinnvolle Einstellungen zu finden. Da man im Modellsport häufig schnelle Alterung für mehr Leistung in Kauf nimmt, muss jeder Nutzer für seinen Einsatzzweck entscheiden, wo er die Grenze sieht.
Das nachfolgende Entlade-Diagramm zeigt den Verlauf der Entladung eines voll geladenen Akkus.
Ladeschlussspannung: 8,438 Volt (4,200 V / 4,200 V)
Entladestrom: 4 A
Entladeschlussspannung: 6,066 Volt (2,996 V / 3,109 V)
Das Diagramm zeigt sehr schön, warum man in der Praxis mit der Akku schonenden Empfehlung der Entladespannung zwischen 3,3 und 3,7 Volt gut leben kann. Ab Erreichen der Nennspannung von 7,4 Volt sinkt die Spannung sehr schnell ab, bis dahin wurden 85% der Kapazität entnommen, ab 6,6 Volt sind es schon 97%. Die restlichen 3% entsprechen bei diesem Beispiel ca. 3 Minuten. Bei höherer Strombelastung wird die Zeit zwischen Erreichen der Nennspannung und Entladespannung noch kürzer sein. Es besteht also kein Grund (außer vielleicht im Rennsport), den Akku unnötig zu altern, wenn man schon mit 3,6 Volt Entladespannung die Lebensdauer des Akkus deutlich erhöhen kann.
Anmerkung des Autors:
Das Diagramm basiert auf einen voll geladenen Akku.
<-- TOP
Gefahren in der Praxis
Das Laden der Akkus ist relativ unkompliziert, man stellt die Anzahl der Zellen und die Ladespannung ein (dazu gibt es detaillierte Anleitungen) und das Ladegerät schaltet den Ladevorgang ab, sobald diese Spannung erreicht ist, der Akku ist geladen. Der Ladevorgang wird von der Ladeelektronik permanent überwacht.
Beim Entladen des Akkus im Modell muss auch der Entladevorgang überwacht werden um eine Tiefentladung zu vermeiden bzw. den Akku nicht weiter zu entladen als gewünscht. Meistens wird die Stromversorgung über einen Fahrtenregler (ESC) erfolgen. Ein ESC (Electronic Speed Controller) verfügt über ein LVC (Low Voltage Cutoff), welches beim unterschreiten einer bestimmten Spannung die Leistung eines Motors reduziert bzw. den Motor abschaltet.
Schon beim Anschließen des Akkus besteht die Gefahr, dass der ESC die richtige Anzahl der Zellen nicht automatisch erkennt, daher empfehlen ESC Hersteller die Zellenzahl fest einzustellen. Die richtige Zellenzahl ist wichtig für den LVC, da dieser nach der Gesamtspannung entscheidet. Es ist ratsam, bei einem neuen ESC und/oder Akku den Entladevorgang mit einem Lipo-Checker im Betrieb zu prüfen um die gewünschte Cutoff Einstellung zu finden. Ein Lipo-Checker gehört unbedingt zur Grundausstattung und sollte beim Fahren/Fliegen immer dabei sein. Wenn beim Entladen ein Unterschied der Zellenspannungen erkennbar ist, muss die Differenz für den Cutoff einkalkuliert werden.
Wichtig ist hier auch, dass das BEC (Battery Eliminator Circuit) nicht abgeschaltet wird, das Lenkservo und andere Komponenten die darüber gespeisst werden, können weiter Strom aus dem Akku beziehen. Lenkservo oder Beleuchtung werden weiterhin Strom verbrauchen, daher sollte ein entladener Akku unbedingt vom ESC getrennt werden. Vergisst man den ESC abzuschalten, könnte der Akku tiefentladen werden.
Zellendrift
Bei der Herstellung von Lipo Akkus werden die verwendeten Zellen selektiert, damit möglichst gleiche Zellen ein homogenes System ergeben. Jeder der Lipo Akkus verwendet, wird auf seinem Ladegerät oder dem Lipo-Checker die Spannung der einzelnen Zellen ablesen können und je nach Auflösung wird man einen Unterschied erkennen.
Bei neuen, qualitativ guten Akkus wird sich der Unterschied nach dem Laden mit Balancer im Bereich von wenigen Millivolt bewegen. Wichtig ist jedoch, wie groß der Drift nach dem Entladen der Akkus ist, je kleiner desto besser. Bei guten Akkus wird sich der Spannungsunterschied der entladenen Zellen im zweistelligen Millivolt Bereich bewegen. Je mehr ein Akku entladen wird, desto größer kann der Zellendrift werden, da kann das Delta auch über 100 mV betragen. Je größer der Drift, desto geringer ist die nutzbare Kapazität und desto problematischer die Überwachung am ESC. Achtung - der Drift ist am Ende des Entladevorganges am größten.
Wenn z.B. die niedrigste empfohlene Entladespannung von 3,3 Volt bei einem 2S Akku angewendet wird, darf der Zellendrift beim Entladen nicht größer als 600 Millivolt werden, damit die schlechtere Zelle nicht unter 3 Volt zu tief entladen wird. Je mehr Zellen ein Akku hat, desto kleiner darf der Zellendrift sein. Das Beispiel bezieht sich auf eine schlechte Zelle im Akku. Ein Batteriesystem ist nur so gut wie seine schwächste Zelle - je schlechter eine Zelle, desto geringer ist die Kapazität bzw. Entladespannung. Je schlechter eine Zelle wird, desto höher ist auch das Kurzschlussrisiko mit Brandgefahr.
Alterung
Jeder Akku hat eine begrenzte Lebensdauer, das ist die Zeit zwischen Anschaffung des Akkus und dem Zeitpunkt, an dem der Akku nicht mehr nutzbar ist. Die Alterung erfolgt je nach Nutzung und im Bereich Modellsport würde ich die Anzahl der Vollzyklen bei guter Behandlung auf 500-1500 einschätzen.
Die Alterung entsteht durch Veränderung der Zellen und man muss unterscheiden zwischen der unvermeidbaren Alterung durch Betrieb oder Lagerung und die vermeidbare Alterung durch extreme Benutzung oder unsachgemäße Behandlung.
Zyklenlebensdauer - abhängig von Lade-/Entladestrom, Temperatur (siehe Empfehlung und technische Daten)
Kalendarische Lebensdauer - Alterung in Abhängigkeit von Ladezustand und Temperatur
Lagerung
Bei Zimmertemperatur oder im Kühlschrank mit ca. 40-50% Ladezustand oder 3,6-3,8 Volt/Zelle. Bei 1% Selbstentladung der Zellen im Monat, sollten diese alle 3 Monate geprüft und nachgeladen werden. Von Lagerung bei Minus Graden würde ich eher abraten, da diverse Tests schon gezeigt haben, dass die Kapazität dadurch abnehmen kann.
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