Bei LiPo-Akkus taucht immer wieder die Frage auf, warum plötzlich eine Zelle von den übrigen abweicht, warum ein Akku auf einmal nicht mehr "solange hält", oder warum sich eine Zelle jäh verabschiedet.
Das könnte etwas damit zu tun haben, dass der LiPo-Akku nicht richtig geladen wird, bzw. das Ladegerät nicht so zuverlässig funktioniert (ausbalanciert) oder man hat schlicht einen Akku mit einer schwächelnden Zelle erwischt. Was ist aber das Geheimnis mit dem Balancieren und der Zellendrift, wozu ist das gut?
LiPo-Akkus haben pro Zelle eine Nennspannung von 3,7V. Benötigt man für seine Anwendung eine höhere Spannung, müssen mehrere Zellen hintereinander geschaltet werden (Reihenschaltung). Die Spannung addiert sich dann je nach der Anzahl der verschalteten Zellen. Entsprechend der in Reihe geschalteten Zellen werden die Akkus dann auch mit 2s, 3s, 4s usw. bezeichnet. Die Spannung errechnet sich dann aus 3,7V multipliziert mit der Zahl vor dem s.
Das Laden von LiPo-Akkus erfolgt dann mit einer Spannung, die über der Ladeschlußspannung liegt und einem begrenzten Strom. Anfangs fließt ein höherer Strom, der je mehr sich der Akku der Ladeschlußspannung nähert, immer kleiner wird.
Zur Klärung der Problematik betrachte ich einen 1000mAh, 2s LiPo-Akku und gehe von exakt gleichen Bauteilen aus, also zwei Akkus, die identische, elektrische Werte haben.
Nehmen wir also an, der 2s Akku ist voll geladen und hat dabei eine Ladespannung von 8,4V, also 4,2V pro Zelle. Wenn ich den Akku in einem Modell einsetze und Strom fließen lasse, wird von beiden Zellen der selbe Strom abgegeben und diese gleichmäßig entladen. Dabei soll die Spannung bei beiden Zellen gleichmäßig sinken; beispielsweise bis auf 3,6V pro Zelle. Nachdem ich 500mAh Ladekapazität entnommen habe, lade ich den 2s Akku wieder.
Weil die Zellen (gemäß meiner Annahme) exakt identische Werte haben sollen, könnte ich ein Ladegerät direkt an den zwei Hauptstromkabeln anschließen und den Ladestrom fließen lassen, bis die entnommenen 500mAh wieder aufgefüllt sind. Jede Zelle hätte wieder seine 4,2V Ladeschlußspannung und am Hauptanschluß des Akkus (zwischen "+ Pol" LiPo-Zelle 1 und "- Pol" LiPo-Zelle 2) liegen 8,4V an.
Theoretisch!
Praktisch sind LiPo-Zellen nie exakt gleich. Durch gutes Aussortieren im Werk können LiPo-Zellen sich in ihren elektrischen Werten ziemlich ähnlich sein, sind aber trotzdem nicht identisch. Bei preiswerteren LiPo-Akkus sind diese Unterschiede einstweilen etwas größer, nicht dramatisch, aber trotzdem so groß, dass man ihnen noch mehr Beachtung schenken muß.
Was passiert also, wenn die zwei Zellen Unterschiede aufweisen?
Nehmen wir an, dass Zelle 2 etwas "schlechter" als Zelle 1 ist.
Ich entlade den Akku also wieder um 500 mAh. Am Ende hat Zelle 1 noch eine Spannung von 3,6V, Zelle 2 aber nur noch 3,5V.
Wenn ich nur über die zwei Hauptkabel auflade, dann darf ich nur solange Strom fließen lassen, bis eine der Zellen die maximale Spannung von 4,2V erreicht hat, das wäre in unserem Fall Zelle 1. Die schlechtere Zelle 2 schafft es in dieser Zeit nur auf 4,1 V.
Wiederhole ich den Vorgang des Entladens und "einfachen" Ladens nur über die Hauptanschlüsse mehrmals, dann würde Zelle 2 immer weiter in seiner Spannung sinken, bis sie bei einem Entladevorgang von 500 mAh bis in die Tiefentladung käme und damit zerstört würde.
Würde im anderen Fall das Ladegerät immer versuchen die 8,4V Ladeschlußspannung zu erreichen, würde Zelle 1 immer stärker überladen, was dann zur Zerstörung von Zelle 1 führt, was durchaus mit spektakulären Randerscheinungen einher gehen kann.
Aus dem Grund benötigt man ein Ladegerät, was nicht nur den Gesamtstrom und die Gesamtspannung des LiPo-Akkus überwacht und einstellt, sondern gleichzeitig die Spannung der Einzelzellen überwacht und balanciert.
Was nun im Einzelnen genau in der Elektronik vorgeht weiß ich nicht, könnte mir an den Beobachtungen beim Laden mit meinem Ladegerät folgendes vorstellen, was der Wirklichkeit wahrscheinlich sehr nahe kommt.
Man Verbindet den LiPo-Akku einmal mit seinen dickeren Hauptstromkabeln an den dafür vorgesehenen Kontakten des Ladegerätes. Dann wird das Balancerkabel angeschlossen. Bei einem 2s Akku sind das 3 dünnere Leitungen. Eine Leitung geht zum Pluspol Zelle 1, die zweite Leitung zum Minuspol Zelle 2 und das dritte, mittlere Kabel, geht zu der Verbindungsstelle der beiden Zellen, also Minuspol Zelle 1, was zugleich Pluspol Zelle 2 ist. Mit den drei Kabeln kann jederzeit die Spannung jeder einzelnen Zelle überprüft werden.
Wenn jetzt der Ladevorgang gestartet wird, schiebt das Ladegerät einen größeren Strom über die Hauptleitung gleichzeitig in beide Zellen. Mit zunehmender Ladespannung des Akkus wird der Strom gedrosselt, fließt aber immer noch gleichzeitig durch beide Zellen. Sobald eine der Zellen in die Nähe der Ladeschlußspannung kommt, wird diese Zelle wieder etwas entladen. Das Ladegerät schiebt durch die Hauptleitung erneut Strom, wodurch die schwächere Zelle auch wieder weiter geladen wird.
Dieses Wechselspiel des Ladens über die Hauptleitung und das Entladen der volleren Zellen über den Balanceranschluß, wiederholt sich solange, bis auch die letzte Zelle die Ladeschlußspannung von 4,2 V erreicht hat.
Weil beim Laden bis auf 4,2V, sich die "guten" Zellen ziemlich häufig an der Grenze zum Überschreiten der maximalen Ladeschlußspannung bewegen, gibt es Ladegeräte, die die Einzelzellen nur bis auf 4,15V aufladen. Das soll nach Angaben des Herstellers des Ladegrätes schonender sein und die Lebensdauer der LiPo-Akus verlängern.
Das könnte etwas damit zu tun haben, dass der LiPo-Akku nicht richtig geladen wird, bzw. das Ladegerät nicht so zuverlässig funktioniert (ausbalanciert) oder man hat schlicht einen Akku mit einer schwächelnden Zelle erwischt. Was ist aber das Geheimnis mit dem Balancieren und der Zellendrift, wozu ist das gut?
LiPo-Akkus haben pro Zelle eine Nennspannung von 3,7V. Benötigt man für seine Anwendung eine höhere Spannung, müssen mehrere Zellen hintereinander geschaltet werden (Reihenschaltung). Die Spannung addiert sich dann je nach der Anzahl der verschalteten Zellen. Entsprechend der in Reihe geschalteten Zellen werden die Akkus dann auch mit 2s, 3s, 4s usw. bezeichnet. Die Spannung errechnet sich dann aus 3,7V multipliziert mit der Zahl vor dem s.
Das Laden von LiPo-Akkus erfolgt dann mit einer Spannung, die über der Ladeschlußspannung liegt und einem begrenzten Strom. Anfangs fließt ein höherer Strom, der je mehr sich der Akku der Ladeschlußspannung nähert, immer kleiner wird.
Zur Klärung der Problematik betrachte ich einen 1000mAh, 2s LiPo-Akku und gehe von exakt gleichen Bauteilen aus, also zwei Akkus, die identische, elektrische Werte haben.
Nehmen wir also an, der 2s Akku ist voll geladen und hat dabei eine Ladespannung von 8,4V, also 4,2V pro Zelle. Wenn ich den Akku in einem Modell einsetze und Strom fließen lasse, wird von beiden Zellen der selbe Strom abgegeben und diese gleichmäßig entladen. Dabei soll die Spannung bei beiden Zellen gleichmäßig sinken; beispielsweise bis auf 3,6V pro Zelle. Nachdem ich 500mAh Ladekapazität entnommen habe, lade ich den 2s Akku wieder.
Weil die Zellen (gemäß meiner Annahme) exakt identische Werte haben sollen, könnte ich ein Ladegerät direkt an den zwei Hauptstromkabeln anschließen und den Ladestrom fließen lassen, bis die entnommenen 500mAh wieder aufgefüllt sind. Jede Zelle hätte wieder seine 4,2V Ladeschlußspannung und am Hauptanschluß des Akkus (zwischen "+ Pol" LiPo-Zelle 1 und "- Pol" LiPo-Zelle 2) liegen 8,4V an.
Theoretisch!
Praktisch sind LiPo-Zellen nie exakt gleich. Durch gutes Aussortieren im Werk können LiPo-Zellen sich in ihren elektrischen Werten ziemlich ähnlich sein, sind aber trotzdem nicht identisch. Bei preiswerteren LiPo-Akkus sind diese Unterschiede einstweilen etwas größer, nicht dramatisch, aber trotzdem so groß, dass man ihnen noch mehr Beachtung schenken muß.
Was passiert also, wenn die zwei Zellen Unterschiede aufweisen?
Nehmen wir an, dass Zelle 2 etwas "schlechter" als Zelle 1 ist.
Ich entlade den Akku also wieder um 500 mAh. Am Ende hat Zelle 1 noch eine Spannung von 3,6V, Zelle 2 aber nur noch 3,5V.
Wenn ich nur über die zwei Hauptkabel auflade, dann darf ich nur solange Strom fließen lassen, bis eine der Zellen die maximale Spannung von 4,2V erreicht hat, das wäre in unserem Fall Zelle 1. Die schlechtere Zelle 2 schafft es in dieser Zeit nur auf 4,1 V.
Wiederhole ich den Vorgang des Entladens und "einfachen" Ladens nur über die Hauptanschlüsse mehrmals, dann würde Zelle 2 immer weiter in seiner Spannung sinken, bis sie bei einem Entladevorgang von 500 mAh bis in die Tiefentladung käme und damit zerstört würde.
Würde im anderen Fall das Ladegerät immer versuchen die 8,4V Ladeschlußspannung zu erreichen, würde Zelle 1 immer stärker überladen, was dann zur Zerstörung von Zelle 1 führt, was durchaus mit spektakulären Randerscheinungen einher gehen kann.
Aus dem Grund benötigt man ein Ladegerät, was nicht nur den Gesamtstrom und die Gesamtspannung des LiPo-Akkus überwacht und einstellt, sondern gleichzeitig die Spannung der Einzelzellen überwacht und balanciert.
Was nun im Einzelnen genau in der Elektronik vorgeht weiß ich nicht, könnte mir an den Beobachtungen beim Laden mit meinem Ladegerät folgendes vorstellen, was der Wirklichkeit wahrscheinlich sehr nahe kommt.
Man Verbindet den LiPo-Akku einmal mit seinen dickeren Hauptstromkabeln an den dafür vorgesehenen Kontakten des Ladegerätes. Dann wird das Balancerkabel angeschlossen. Bei einem 2s Akku sind das 3 dünnere Leitungen. Eine Leitung geht zum Pluspol Zelle 1, die zweite Leitung zum Minuspol Zelle 2 und das dritte, mittlere Kabel, geht zu der Verbindungsstelle der beiden Zellen, also Minuspol Zelle 1, was zugleich Pluspol Zelle 2 ist. Mit den drei Kabeln kann jederzeit die Spannung jeder einzelnen Zelle überprüft werden.
Wenn jetzt der Ladevorgang gestartet wird, schiebt das Ladegerät einen größeren Strom über die Hauptleitung gleichzeitig in beide Zellen. Mit zunehmender Ladespannung des Akkus wird der Strom gedrosselt, fließt aber immer noch gleichzeitig durch beide Zellen. Sobald eine der Zellen in die Nähe der Ladeschlußspannung kommt, wird diese Zelle wieder etwas entladen. Das Ladegerät schiebt durch die Hauptleitung erneut Strom, wodurch die schwächere Zelle auch wieder weiter geladen wird.
Dieses Wechselspiel des Ladens über die Hauptleitung und das Entladen der volleren Zellen über den Balanceranschluß, wiederholt sich solange, bis auch die letzte Zelle die Ladeschlußspannung von 4,2 V erreicht hat.
Weil beim Laden bis auf 4,2V, sich die "guten" Zellen ziemlich häufig an der Grenze zum Überschreiten der maximalen Ladeschlußspannung bewegen, gibt es Ladegeräte, die die Einzelzellen nur bis auf 4,15V aufladen. Das soll nach Angaben des Herstellers des Ladegrätes schonender sein und die Lebensdauer der LiPo-Akus verlängern.
