LiPo-Akkus haben eine hohe Energiedichte

LiPo-Akkus haben eine hohe Energiedichte

RC-Helikopter Heli Lipo Lipoly, LiFePo Akku auf heli-planet.com
 

Lipo Akkus - leichtgewichtige Energiespender

Noch vor einigen Jahren fast undenkbar und fast unbezahlbar teuer, eröffnen Lipoly- Akkus dem Modellbauer heutzutage neue Möglichkeiten beim Antrieb der Modelle.

Der Preisverfall der Lipo Akkus in jüngster Zeit auf Grund der industriellen Großserienfertigung, sowie die Weiterentwicklung leistungsstarker Elektromotore für Modellantriebe macht diese Technik auch für große Helikopter- Modelle so interessant wie nie zuvor. Dabei ist ein Elektro- Antrieb wesentlich wartungsärmer und pflegeleichter als ein Verbrennerantrieb. In der Leistung steht ein Elektroantrieb einem Verbrenner in nichts nach und dank der neuen Akkutechnik gibt's auch mehr Power bei geringerem Gewicht.

 

Aufbau von Lipo Akkus

Im Bild sehen wir einen 5-zelligen LiPo-Akku. Die Nennspannung einer einzelnen Zelle beträgt 3,7 Volt. Die Nennspannung dieses 5-zelligen Akkupacks wird folgendermaßen berechnet: 5 Zellen x 3,7 Volt je Zelle = 18,0Volt. Die Nennspannung ist nicht gleichzusetzen mit der Ladeschluss-Spannung. Ist der Akku voll geladen, beträgt die Einzel-Zellenspannung 4,2 Volt und die Gesamtspannung des Akkus demzufolge 21,5 Volt (4,2V/ Zelle x 5 Zellen = 21,5V).

Von jeder Zellenverbindung ist ein dünnes Kabel aus dem Akku zum Balancer-Stecker herausgeführt. Der Balancer-Stecker sollte beim Laden eines LiPo-Akkus immer am Ladegerät angesteckt sein, denn über diesen Balancer-Stecker werden die Spannungen und damit der Ladezustand jeder einzelnen Zelle während des Ladevorganges überwacht und bei Bedarf ausgeglichen.

RC-Helikopter Lipo Akkus 5S Aufbau

Bild: 5S (1P) Akku, bei dem 5 Zellen in Reihe geschaltet sind.

Akkufertigung in Serienschaltung und Parallelschaltung

Auf dem Bild ist der Aufbau dreier verschiedener Lipo Akkupacks zu sehen. Das "S" in der Akkubezeichnung steht für "Serielle Verschaltung" und das "P" steht für "Parallele Verschaltung". Das "(1P)" ist hier lediglich aufgeführt, um zu zeigen, dass es sich um einen Akku handelt, der keine Parallelverschaltung aufweist.

In einem Akkupack werden immer Einzelzellen mit identischer Kapazität verbaut. Alle Einzelzellen in den unten aufgeführten Beispielen besitzen eine Kapazität von 2500mAh.

Beispiel 3S

3S bedeutet, dass 3 Zellen in Serie (Reihe) verschaltet sind. Es wurden keine Zellen in Parallelschaltung verbunden. Die Spannungen der einzelnen Zellen addieren sich. Aus den Nennspannungen der Einzelzellen addiert sich so die Gesamtspannung von 11,1Volt (3,7Volt/ Zelle * 3 Zellen = 11,1Volt). Die Gesamtkapazität entspricht der Kapazität der Einzelzelle. Der Akku hat eine Gesamtkapazität von 2500mAh.

Kapazität: 2500mAh (2,5Ah)
Nennspannung: 11,1V
Nennenergie: 27,75 Wh

Beispiel 3S2P

Hier wurden zwei 3-zellige Lipo-Akkus, mit einer Kapazität von jeweils 2500mAh parallel zusammengeschaltet. durch die Parallelverschaltung addieren sich die Akkukapazitäten ( 2500mAh + 2500mAh = 5000mAh). Die Gesamtspannung ändert sich nicht. Die Zellenzahl der beiden parallel verschalteten Akkus muss immer identisch sein.

Kapazität: 5000mAh (5,0Ah)
Nennspannung: 11,1V
Nennenergie: 55,5 Wh

Beispiel 6S

6-zelliger Akku, bei dem 6 Akkuzellen in Serie verschaltet wurden.

Kapazität: 2500mAh (2,5Ah)
Nennspannung: 22,2V
Nennenergie: 55,5 Wh

Wie man am Rechenbeispiel sehen kann, haben der zweite und der dritte Akku mit jeweils gleicher Zellenzahl zwar unterschiedliche Nennspannungen und unterschiedliche Kapazitäten, aber den gleichen Energieinhalt.

RC-Helikopter Heli Lipo Lipoly Akku Pack 3S2P 3S1P 6S

Spannungswerte

Akku-Typ sichere Tiefentladegrenze (Volt) Nennspannung (Volt) Spannung vollgeladen (Volt)
1S 3 3,7 4,2
2S 6 7,4 8,4
3S 9 11,1 12,6
6S 18 22,2 25,2
12S 36 44,4 50,4

Lipo Packs unterscheiden sich in der Nennspannung, welche durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelzellen bestimmt wird, aber auch in der Kapazität.

 

Entladeströme, C-Klassen

Qualitativ gibt es bei der industriellen Akkuzellen-Fertigung Schwankungen. So kommt es auch, dass nicht alle gefertigten Einzelzellen den gleichen Innenwiderstand aufweisen.

Eine gute Einzelzelle hat immer einen möglichst geringeren Innenwiderstand, denn dieser erlaubt höhere Ströme bei geringerer Erwärmung des Akkus.

Die Hersteller der Einzelzellen bzw. die Hersteller der Akkupacks selektieren die Einzelzellen, so dass immer möglichst gleiche Zellen in einem Lipo-Akku verbaut sind. Möglichst identische Einzelzellen mit möglichst geringem Innenwiderstand zu verwenden, ist die Grundvoraussetzung für qualitativ hochwertige und langlebige Akkupacks.

Der maximal zulässige Entladestrom wird in einem Vielfachen der Kapazität (C) angegeben. Die Angabe 20C bedeutet, dass dieser Akku mit dem 20-fachen seiner Nennkapazität entladen werden darf. Ein Akku mit einer Nennkapazität von 1000mAh und einer C-Rate von 20C ist für einen Dauerstrom von 20A ausgelegt. Auf Lipo-Akkus sind in der Regel zwei C-Werte angegeben, zum Beispiel 20/30C. Der erste Wert (20C) beziffert den zulässigen Dauerentladestrom. Der zweite Wert (30C) beziffert den kurzzeitigen Maximal-Entladestrom (Peakstrom).

Rechnung Beispiel 1, Lipo 1000mAh, 20/30C:
1000mAh (1Ah) * 20C = 20A (Dauerstrom)
1000mAh (1Ah) * 30C = 30A (Peakstrom)

Rechnung Beispiel 2, Lipo 5000mAh, 30/60C:
5000mAh (5Ah) * 30C = 150A (Dauerstrom)
5000mAh (5Ah) * 60C = 300A (Peakstrom)

Leider nehmen es manche Akkupack-Hersteller nicht so genau mit der Qualität der Einzelzellen, bzw. mit der Klassifizierung der C-Raten. Bei billigen Akkus unbekannter Marken ist daher immer Vorsicht geboten. Selbst wenn in einem Akkupack nur eine Einzelzelle qualitativ minderwertiger ist als die restlichen Zellen, reduziert das die Qualität des gesamten Akkupacks auf das Niveau der schlechtesten Zelle.

Achte bitte immer auf die Temperatur der Lipo s nach dem Flug. Wird der Lipo zu warm, dann solltest du entweder Deinen Flugstil etwas zahmer wählen, oder den Akku aussortieren. Nimm im Zweifelsfall lieber einen Lipo mit höherer C-Rate!

Mit Hilfe unseres Antriebsrechner kannst du einfach die nötige Motor- und Akkugröße, sowie Akkukapazität für Dein Modell berechnen.

 

Zellenspannung / Energiegehalt

Die Zellenspannung jeder einzelnen Zelle darf nach dem Laden 4,2 Volt nicht überschreiten.
Daher bitte Ladegeräte mit Balancer bzw. Equalizer zum Laden verwenden.

Als Richtwert für die Zellenspannung nach dem Flug gilt die Untergrenze von 3,3Volt je Zelle. Fällt die Zellenspannung unter 2,7 Volt, dann wird die Zelle irreparabel beschädigt! Nach dem Flug und einer Ruhepause für den Akku von 10 Minuten, sollte der Spannungsunterschied zwischen den einzelnen Zellen so gering wie möglich sein. Daher solltest du neue Lipo s immer etwas genauer unter die Lupe nehmen. Neue Akkus daher bitte wie unten beschrieben genauer untersuchen und direkt nach Erhalt durchmessen, laden, leerfliegen und wieder durchmessen. Am besten gleich mehrmals. Nach zwei Wochen wird kein Hersteller mehr einen schlechten Akku umtauschen, es sei denn, du kannst beweisen, dass der Akku von Anfang an einen Mangel hatte.

Bei 3,6 Volt Leerlaufspannung hat der Akku einen relativ geringen Energiegehalt. Bei 3,3 Volt je Zelle ist er als leer zu betrachten.

Bei Zellenspannungen über 3,8V je Zelle ist der Energiegehalt/ Energiedichte sehr hoch. Bei 4,2 Volt hat er das Maximum erreicht. Um Akkuschädigung und erhöhtes Brandrisiko zu vermeiden, sollten 4,2 Volt Zellenspannung niemals überschritten werden. Das CC-CV -Ladeverfahren ist unbedingt anzuwenden. CC = constant current; CV= constant voltage.

Energiegehalt von Lipo- Akkus

Die Tabelle zeigt die Spannung in Volt und die entsprechende Restkapazität von Lipo Akkus

Restkapazität Lipo Akkus, Ladezustand
 

Qualitätskriterium Innenwiderstand

Ein höherer Innenwiderstand der Akkuzellen verursacht eine stärkere Erwärmung der Zelle. Leider wird der Innenwiderstand nicht auf den Akku gedruckt, denn er wäre ein sehr gutes Unterscheidungsmerkmal.

Auch die Lebensdauer von Lipozellen und des gesamten Akkupacks wird maßgeblich vom Innenwiderstand der einzelnen Zellen beeinflusst. Im Laufe der Lebensdauer von Lipo-Akkus steigt der Innenwiderstand der Zellen stetig an, und die Stromabgabewilligkeit fällt einhergehend damit kontinuierlich ab.

Wärmeentwicklung in der LiPo-Zelle in Abhängigkeit vom Innenwiderstand

Die Verlustleistung in der Akkuzelle steigt im Quadrat zur Stromstärke!

Ein höherer Innenwiderstand verursacht eine stärkere Erwärmung des Akkus. Eine einfache Rechnung verdeutlicht die Zusammenhänge:

P (Leistung) = R (Widerstand) * I² (Stromstärke)² .

Der Innenwiderstand führt nach der Formel P (Leistung) = U (Spannung) * I (Stromstärke) (bzw. U = P / I ) gleichzeitig zu einem Spannungsabfall an der Akkuzelle.

Verlustleistung und Erwärmung Lipo-Akku in Abhängigkeit vom Innenwiderstand

 

Richtige Akkuwahl

Um herauszufinden welchen Akku man benötigt, muss man zunächst wissen, welchen Leistungsanforderungen dieser gewachsen sein muss. Motor, Regler und Akku müssen aufeinander abgestimmt sein.

Bei einem Motor für einen 600er Helikopter ist mit einer Leistungsaufnahme von etwa 2000 Watt zu rechnen. Diese Angabe entnimmt man dem Datenblatt des Motors. Des Weiteren ist der Motor nur in einem begrenzten Spannungsbereich einsetzbar. In der Regel ist im Datenblatt des Motors schon der zulässige Bereich der Akkuspannung bzw. die Zellenzahl ( 5S, 6S, 12S) angegeben. Ist die Betriebsspannung und die Leistung des Motors gegeben, dann ist der Rest schnell gerechnet:

Gegeben:
Motor Betriebsspannung 22,2Volt (6S), Motorleistung 2000Watt (VA), Spitzenleistung kurzzeitig 3000W

Gesucht:
Dauerstromstärke und Maximalstromstärke zur Bestimmung des Akkus

Rechnung:
2000W / 22,2V = 90A (Dauerstrom)
3000W / 22,2V = 135A (Spitzenstrom)

Wir brauchen also einen Akku (und natürlich auch einen Flugregler) der dem Motor 90A Dauerstrom und kurzzeitig 135A liefern kann. Jetzt muss man nur noch einen Kompromiss finden, denn der Akku soll ja auch gewichts- und größenmäßig in den Helikopter passen.

Ein 6S 5000 mit 20-30C reicht also normalerweise aus. Dieser kann, wie schon im oberen Kapitel "Entladeströme" errechnet und erläutert, 100A Dauer- und 150A Spitzenstrom liefern. Wer aber gern mehr Geld für einen 40-60C ausgeben will, der kann das tun. Der Akku wird dann weniger warm bei Belastung.

Für die Antriebsauslegung bei einem Elektromodell gibt es auf dieser Homepage ein Antriebsrechner . Mit Hilfe dieses Tools kannst du einfach die nötige Motor- und Akkugröße für Dein Modell berechnen.

  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es durchaus Lipo Akku Packs auf dem Markt gibt, die die aufgedruckten Spezifikationen nicht erfüllen. Das bedeutet aber keinesfalls, das dies immer nur die "billigen" Lipos sind.
  • Erwärmt sich ein Lipo während des Betriebes auf über 60°C, so wird der Akku beschädigt!
  • Ein wenig Überdimensionierung, was die "C"- Angabe betrifft ist also durchaus sicher !
 

Anschlüsse an Akku anlöten

Neue Lipos werden oft komplett mitsamt fertig verlöteten Anschlüsse geliefert. Wenn doch einmal das Anlöten von Steckverbindern notwendig sein sollte, dann ist Vorsicht geboten.

Dazu einige Tipps:

Löte immer nur an einem der beiden Kabel und halte das andere Kabel stets elektrisch isoliert. Am besten du steckst ein passendes Stück Schrumpfschlauch über das Kabel, so dass es richtig fest sitzt und nicht abfallen kann. Ein Kurzschluss könnte nämlich schlimme Folgen haben - nicht nur für den Akku!

Ist der erste Steckkontakt angelötet, wird dieser zunächst gut mit Schrumpfschlauch isoliert, bevor man den Schrumpfschlauch vom zweiten Kabelende entfernt.

Eines der beiden Kabel sollte etwa 1-2 cm kürzer sein. Das gibt zusätzliche Sicherheit, falls doch mal beide Anschlüsse frei liegen sollten. Haben beide Kabel die gleiche Länge, dann können die Steckkontakte an den Enden leichter zusammenkommen.

Beide Steckkontakte sind mit einem Schrumpfschlauch abzudecken. Dazu wird ein wenige Zentimeter langes Stück Schrumpfschlauch so auf den Kontakt gesteckt, dass es sich nach dem Schrumpfen mit Heißluft gerade noch vom Kontakt abziehen lässt.

PS: Zum Laden oder Anschließen des Akkus am Regler wird zunächst IMMER nur eine der beiden Kontakt- Abdeckungen abgezogen und am Regler oder am Ladegerät angeschlossen. Erst danach wird der zweite Kontakt abgezogen und angesteckt. Wer die Schutzkappen zuerst entfernt und dann den Akku im Heli oder am Ladegerät platziert, der riskiert einen Kurzschluss.

 

Prüfen von neuen Lipos

Ist der neue Lipo einmal geliefert, dann vergeude keine Zeit und teste ihn nach einer visuellen Kontrolle im praktischen Einsatz unter Belastung um qualitative Mängel rechtzeitig festzustellen und Dir das Reklamationsrecht zu bewahren. Checke die folgenden Punkte ab:

1. Kontrolliere am neuen Akku die Spannung der einzelnen Zellen mit einem geeichten Voltmeter. Alternativ kannst du den Akku am Ladegerät mit Balancer und Zellenspannungsanzeige anschließen und die Werte für die Einzelzellen direkt im Display des Ladegerätes ablesen. Ist eine der Zellen tiefentladen? Dann solltest du den Akku sofort zurücksenden und reklamieren.
Wie groß ist der Spannungsunterschied zwischen der Zelle mit der höchsten Spannung und der Zelle mit der geringsten Spannung? Notiere zunächst um welche Zelle(n) es sich handelt und wie groß der Spannungsunterschied ist.

2. Lade den Akku mit einem geeigneten Lader und Balancer/Equalizer voll. Achte dabei auf Einzelzellen die "aus der Reihe tanzen". Ist eine Zelle schneller geladen als die anderen oder braucht eine Zelle besonders lange um die Ladeschlussspannung von 4,2 Volt zu erreichen? Notiere wieder um welche Zelle(n) es sich handelt. Lade den Lipo ganz voll!

3. Fliege den Lipo im Modell unter Belastung für eine normale Flugdauer. Bitte auf die Flugzeit achten um den Lipo nicht zu tief zu entladen. Nach dem Flug kontrollierst du die Temperatur des Lipo - Akkus. Wird der Akku trotz Einhaltung der maximalen Ströme (C-Klasse) übermäßig warm, dann deutet dies darauf hin, dass der Akku nicht den aufgedruckten Spezifikationen entspricht - das ist das ein Reklamationsgrund. Mehr als 65°C sind hier nicht zulässig!
Ein neuer Lipo darf keinerlei "Aufblähungen" nach einem Flug zeigen, sondern er muss sich fest anfühlen. Aufblähungen sind ein Reklamationsgrund. Oft gehen diese Blähungen einher mit übermäßiger Wärmeentwicklung in der betroffenen Zelle. Aufblähungen sind meistens nur an den außen liegenden Zellen zu erkennen. Daher ist es wichtig, Dir anhand von Spannungsmessungen ein Bild von den innen liegenden Zellen zu machen. Dazu lässt du den Lipo nach dem Flug für mindestens 10 Minuten liegen, bevor du die Zellenspannung kontrollierst.

4. Nach dieser Ruhepause kontrollierst du die Spannungen der Einzelzellen erneut. Es gibt zwar keinen Wert, ab dem du einen Lipo reklamieren kannst, aber mehr als 0,15 Volt Spannungsunterschied sollte zwischen zwei Zellen nicht vorhanden sein. Ist der Spannungsunterschied größer, dann versuche, diesen Lipo zu reklamieren. Früher oder später wird der Fehler spürbar schlimmer und der Akku wird unbrauchbar bzw. geht früher als nötig ins Nirwana.

5. Ist der Lipo soweit zumindest scheinbar o.k., dann mach am besten noch ein paar weitere Flüge damit. Ist der Lipo nach zwei bis drei Einsätzen noch immer einwandfrei, dann kannst du davon ausgehen, dass er qualitativ einwandfrei ist auch lange hält.

Markenakku vs Billigakku

Viele scheuen sich davor, viel Geld für teure Markenakkus auszugeben. Doch wie die oben gemachte Beispielrechnung zeigt, ist bei den Markenakkus lediglich der Anschaffungspreis höher. Das hat auch seinen Grund. Alle Akkus haben eine mehr oder minder begrenzte Lebensdauer. Auch die hochwertigen Akkus gehen irgendwann den Weg alles Vergänglichen! Die Firmen hinter den laufend neu auf dem Markt erscheinenden, und nach relativ kurzer Zeit wieder verschwindenden Akku-Marken mit tollen, vielversprechenden Namen, haben nur eines im Sinn: Schnell und billig so viel wie möglich zu verkaufen. Kundenservice und -zufriedenheit haben hier keine Priorität. Das sieht bei den etablierten deutschen Marken wie z.Bsp. SLS oder Hacker, um nur zwei von ihnen zu nennen, ganz anders aus. Diese Firmen haben einen "guten Ruf" zu verlieren. Daher können sie es sich nicht leisten, minderwertige Akkus an den Mann zu bringen - denn man würde diese Kunden als spätere Wiederkäufer vergraulen und das Markenimage beschädigen.

Das soll sebstverständlich keine Ermunterung sein, wahllos jeden beliebigen offensichtlichen Markenakku zu kaufen, denn längs nicht jeder Akku, auf dem ein Markenschild prangert, ist auch ein guter Akku! Doch wie erkennt man diese nicht zu empfehlenden Marken?

In der Regel werden weniger wertige Akkus oft von Firmen vertrieben, die Akkus als Systembestandteil entweder in einem Bausatz oder Fertigmodell verkaufen und diese Akkus dann auch als Ersatzteil anbieten. Im Klartext: Flieger, bei denen auf den Servos, den Motoren und den Akkus der gleiche Markenname erscheint, verkaufen Akkus anderer Hersteller auf Lizenz unter eigenem Markennamen. Das ist kein Problem, solange der Lizenznehmer die Qualität der gelieferten Akkus regelmäßig überprüft. Doch das scheinen sich manche Weiterverkäufer schlicht zu sparen. Welche Qualität dann beim Kunden landet ist oft bloßer Zufall.

Nun ist es so, dass auch deutsche Markenakkus im asiatischen Ausland produziert werden. Aber Firmen wie SLS oder Hacker setzen auf Qualität und prüfen gelieferte Akkuchargen auf ihre Qualitätsmerkmale. Ist eine Charge nicht in Ordnung, bzw. erfüllt diese nicht die vorgegebenen Qualitätskriterien, so geht die gesamte Lieferung zurück nach Fernost, oder wird runtergestuft und billiger verkauft.