Lithium Akkus im Modellbau

Allgemeine Informationen zu Lithium-Ionen Akkus

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 Verbrenner- Antrieb. In der Leistung steht ein Elektroantrieb einem Verbrenner in nichts nach und dank der neuen Akkutechnik gibt's auch mehr Power bei geringerem Gewicht.

Li-Ionen-Akkumulatoren (kurz: Akku) zeichnen sich gegenüber NiMH- und NiCD- Akkus durch eine sehr hohe Energiedichte aus. Sie sind thermisch weitestgehend stabil und sie haben fast keinen Memory- Effekt.

    Im Modellbau finden überwiegend Lithium-Polymer-Akkus (kurz: LiPo) und Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus (kurz: LiFePo) Anwendung.

    Lithium Akkus sind bei sachgemäßer Verwendung und Lagerung wenig gefährlich. Behandelt man ihn pfleglich, dann hat man mit einem Lipo- Akku einen treuen und leistungswilligen Stromspender, der einem viele schöne Flugstunden beschert.

    Starke Überladung, Überhitzung, Kurzschlüsse der Anschlusskabel sowie mechanische Beschädigung – auch unsichtbare innere Beschädigung - durch Crash oder Herunterfallen, sind häufige Brandursachen.

    Lithium als chemisches Element brennt bei Berührung mit Wasser! Lithium ist in seiner elementaren Form normalerweise nicht in den Akkus vorhanden. Es kann sich bei unsachgemäßer Verwendung der Akkus, vor allem bei Überladung im Lithium- Akku bilden - jedoch nur in geringen Mengen.  Bei unsachgemäßer Verwendung oder Beschädigung solcher Akkus besteht daher die Gefahr, dass die Zellen Feuer fangen, unter Umständen sogar explodieren.

    Unterscheidungsmerkmale zischen LiIon-, Lipo- und LiFePo Akkus

    Technisch wird im Wesentlichen zwischen 3 Arten von Lithium- Akkus unterschieden:

      LiIon – Lithium-Ionen-Akkus sind meistens in zylindrischer Bauform im Metallgehäuse erhältlich, die Ladeschlussspannung beträgt 4.1V und die Nennspannung 3.6V. LiIo-Zellen sind für geringe bis allenfalls mittlere Stromstärken ausgelegt und finden daher keine Anwendung im Hochstrom RC Bereich.

      LiPo (LiPoly) – Lithium- Polymer Akkus sind Akkus, die chemisch gesehen den LiIon-Akkus sehr ähnlich sind, jedoch aus beschichteten Folien aus Kupfer und Aluminium, mit einer Polymer- Folie dazwischen, aufgebaut sind. Es sind viele Bauformen möglich. Alle im Moment erhältlichen Zellen haben eine Ladeschluss- Spannung von 4.2V und Nennspannung von 3.7V. Lipo- Akku’s finden Einsatz im Hochstrombereich, aber auch in anderen Bereichen wie Empfängerstromversorgung.

      LiFePO4 – Lithium- Eisen- Phosphat Akkus sind Akkus die ähnlich wie Lipo Akku’s eingesetzt werden können. Der amerikanische Hersteller A123 hat LiFePO4 durch Nanotechnologie erst für Hochstromanwendungen verwendbar gemacht. LiFePO4 Zellen besitzen eine Ladeschluss- Spannung von 3.6V. Die Nennspannung ist mit 3.2-3.3V angegeben. LiFePO4 Akku’s haben Vorteile gegenüber Lipo’s bezüglich Sicherheit, sind aber im Moment noch sehr teuer in der Anschaffung.

      Hinweise zum sachgemäßen Umgang mit Lithium Akkus

      • LiPo- Akkus dürfen weder überladen noch tiefentladen werden. Die Zellen sind in einem Spannungs- Fenster von 3.30V bis 4.23V Leerlaufspannung zu betreiben.
      • Die Anschlüsse sind unbedingt vor Kurzschluss zu schützen, da bei einem Kurzschluss gefährlich hohe Ströme fließen.
      • LiPo- Akkus sind ausschließlich in dazu geeigneten Behältnissen zu transportieren und zu lagern. Dies kann entweder ein hitzebeständiger, abschließbarer Transport- / Lagerkoffer oder ein sogenanntes LiPo- Bag sein.
      • Die Lagerung der LiPo- Zellen soll bei einer Zellenspannung von ca. 3.6V - 3.8V erfolgen.
      • Es dürfen nur für LiPo- Akkus geeignete Ladegeräte mit Balancer verwendet werden.
      • Lipo-Akkus dürfen nur auf einer feuerfesten Unterlage, mindestens 3 m entfernt von brennbaren Gegenständen geladen und gelagert werden.
      • Für Ladegeräte welche die Zellenzahl nicht automatisch erkennen, ist vor jedem Ladevorgang die korrekte Einstellung der Zellenzahl erforderlich. Fehlerhafte Lade- Einstellungen sind zum Teil gefährlich!
      • Es wird empfohlen, Ladegeräte mit integriertem Balancer und Ladeunterbrechungs- Funktion zu verwenden.
      • Die Zellen müssen in dem vom Hersteller angegeben Temperaturfenster betrieben werden! Üblicherweise ist eine Maximaltemperatur von 60°C angegeben. Diese sollten im Betrieb jedoch nicht erreicht werden.
      • LiPo- Akkus verändern ihren Innenwiderstand mit der Temperatur, da die Ionenleitfähigkeit des Polymers mit der Temperatur ansteigt. Für hohe Stromstärken ist daher eine Mindesttemperatur des Akkus von 25°C -35°C empfohlen. Bei geringeren Temperaturen besteht Gefahr, dass die Zellen beschädigt werden und sich sogar aufblähen.
      • Eine Tiefentladung schädigt LiPo- Zellen irreparabel. Bei Weiterverwendung besteht hier sogar erhöhtes Risiko. Die Leerlaufspannung nach der Benutzung sollte daher nie unter 3.3V betragen. Die automatische Strombegrenzung des Reglers (CutOff) bei Unterschreiten der Minimalspannung zum Schutz des Akkus ist unbedingt zu verwenden.
      • Aufgeblähte Akkus enthalten brennbare Gase. Diese Gase können bei weiterer Verwendung solcher Akkus zu Verpuffungen und Bränden führen.
      • Sollte ein Akku brennen, dann kann dieser mit Sand, oder am besten mit einem Feuerlöscher gelöscht werden. Die Verbrennungsgase sind giftig!
      • Beschädigte oder verbrauchte Akkus sind fachgerecht zu entsorgen. Dazu müssen die Zellen vorher mit einem geringen Strom von max. 1A völlig entladen werden. Die Entladung muss auf einer feuerfesten Unterlage erfolgen und solange andauern bis die Leerlaufspannung dauerhaft unter 3,6Volt, oder besser 3,0Volt bleibt. Bei dieser Zellenspannung kann der Akku gefahrlos entsorgt werden. Entsprechend der Gesetzeslage geschieht die Entsorgung bei der örtlichen Entsorgungsstelle für Batterien bzw. über den Fachhandel.
      • Voll aufgeladene Li- Zellen unterliegen einer erhöhten Alterung, die zu dauerhaftem Kapazitätsverlust und dauerhafter Zunahme des Innenwiderstands führt. Li-Akkus sollten deshalb nicht vollgeladen über Tage oder gar Wochen gelagert werden. Ideal ist eine Lagerspannung zwischen 3,6 und 3,8 Volt je Zelle.
      • Auch bei Li- Zellen gibt es einen von Ni- Zellen bekannten Effekt – eine vor längerer Zeit eingebrachte (Teil-) Ladung besitzt eine reduzierte „Stromabgabe- Willigkeit“. Es kommt zu einer temporären Erhöhung des Innenwiderstands für diesen Teil der Ladung. Solche Zellen sind dann weniger belastbar, sie liefern weniger Spannung und sie können gar unter hoher Last aufblähen. Und das unter Lasten, die sie frisch geladen problemlos verkraften würden. Bei halbvoll gelagerten und dann nur nachgeladenen Zellen ist dieser Effekt deutlich feststellbar – nach Entnahme der Menge der frisch nachgeladenen Kapazität bricht die Spannung merklich ein. Teilgeladene Akkus sollten daher nach einer längeren Lagerung (länger als einige Tage) vor einer erneuten Ladung und anschließenden Benutzung mit moderaten Strömen entladen werden, aber nicht unter die Tiefentladungsgrenze.
      • Der Innenwiderstand von Li- Zellen sinkt bei steigender Temperatur, bis etwa 60°C. Dort wird das Minimum erreicht. Allerdings hat eine erhöhte Temperatur auch sehr negative Effekte. Die Alterung der Zellen wird dadurch deutlich beschleunigt. Lagert man volle Li- Zellen für mehrere Stunden unter erhöhter Temperatur, so forciert dies einen dauerhaften Kapazitäts- Verlust. Des Weiteren wird durch eine solche Lagerung aber auch der Innenwiderstand vorübergehend erhöht. Dadurch ist eine solche Zelle trotz erhöhter Temperatur weniger belastbar. Li- Zellen sollten also erst unmittelbar vor der Benutzung geladen und auf Temperatur (1,5 Stunden im Thermokoffer) gebracht werden und nur so kurz wie möglich einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden.
      • Li- Akkus lagert man am besten kühl, wenn möglich bei Kühlschranktemperaturen.

      Lithium Akkus und davon ausgehende Gefahren

      LiPo- Zellen bestehen aus mehreren, abwechselnd übereinander gelegten und beidseitig beschichteten Folien aus dünnem Kupfer und Aluminium. Zwischen den einzelnen Schichten befindet sich als Trennlage eine Polymer- Folie. Diese Polymer- Folie bewirkt eine elektrische Isolation zwischen den Schichten. Diese Folie ist jedoch durchlässig für Lithium- Ionen. Die Kupfer- und Aluminiumfolien dienen als Leiter und Trägermaterial. Die Metallfolien an sich sind nicht an der chem. Reaktion im Akku beteiligt, jedoch besitzen sie eine chemisch reaktive Beschichtung. Als Anoden- Schicht dient derzeit meistens eine gitterähnliche Struktur aus Graphit oder Kohle, denn diese kann Lithium- Ionen aufnehmen. Als Kathoden- Schicht kommen Metalloxide auf Kobalt-, Nickel- und Manganbasis zum Einsatz. Zwischen Anoden- und Kathoden- Schicht können Lithium- Ionen ausgetauscht werden. Die Ionen diffundieren (durchwandern) durch die Polymer- Folie. Um eine Ionen- Leitfähigkeit der Polymer- Folie zu erreichen, ist diese mit einem Lösungsmittel auf Alkoholbasis getränkt.

      Außen ist dieser Stapel aus Folien von einer luftdicht abschließenden Kunststoff- Folie umgeben. Brennbar in den Zellen ist das Lösungsmittel (Alkohol), sowie die enthaltenen Kunststoffanteile. Bei sehr hohen Temperaturen kann auch die Beschichtung der Metall- Folien brennen. 

      • Ein LiPo- Akku entzündet sich fast ausnahmslos durch einen inneren oder äußeren Kurzschluss einer geladenen Zelle oder eines ganzen Zellen- Packs. Meistens wird solch ein Kurzschluss durch eine äußere, mechanische Beschädigung verursacht oder durch Kurzschließen der Anschlusskabel. Durch den eingetretenen Kurzschluss erhöht sich die Temperatur in der Zelle binnen sehr kurzer Zeit enorm. Bei Temperaturen über 90°C wird das Lösungsmittel gasförmig und die Zelle bläht sich auf. Dieses Gas kann sich dann leicht entzünden und die Zelle fängt an zu brennen.  Die beim Brand der Zelle entstehende Hitze kann leicht benachbarte Zellen entzünden.
      • Die Brandgefahr geht also nicht von der normalen elektrochemischen Reaktion aus, sondern vom enorm hohen Energiegehalt vollgeladener Zellen. Um das Brandrisiko zu minimieren, sollten LiPo- Zellen nicht voll gelagert oder transportiert werden. Nicht vollgeladene Zellen beinhalten weniger elektrische Energie und dadurch minimiert sich das Risiko eines Brandes erheblich.
      • Lithium in elementarer Form, welches bei Berührung mit Wasser brennt, ist nur in geringen Mengen in den Li-Zellen vorhanden. Der typische Gesamtgehalt an Lithium (Lithium-Ionen) beträgt etwa 1,5g/ 5000mAh Kapazität. Mit Wasser reagierendes Lithium (Metallform) kann sich allerdings bei einer Überladung des Akkus in kleinen Mengen ausbilden (Zellen- Spannungen größer 4.2V). Bei massiver, permanenter Überladung kann es daher zu einer Selbstentzündung bei Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit kommen. Aus diesem Grund ist die Einhaltung der max. Ladeschluss- Spannung wichtig.
      • Wenn eine LiPo- Zelle brennt, dann brennt zuerst das organische Lösungsmittel und später, als Folge dessen, der Kunststoff der Umhüllung bzw. die Polymer- Folie. Dabei entstehen dann giftige Gase.
      • Sollte ein Akku- Pack in einer brennbaren Umgebung (Auto, Wohnung) zu brennen beginnen, dann sollte man zunächst versuchen, den brennenden Akku so schnell wie möglich aus der brennbaren Umgebung zu entfernen. Ein Lipo- Brand kann auch mit Wasser oder Schaum- Feuerlöschern bekämpft werden, die entsprechende Vorsicht natürlich vorausgesetzt.

      Das Bild wurde zur Verfügung gestellt von meinem Freund Uwe Neff. Es zeigt einen abgebrannten, äußerlich unbeschädigten "Absturz- Lipo", der gleich noch drei weitere völlig intakte Lipos beim Brand im Koffer zerstört hat. Der Brandschutz- Koffer hat hier mit Sicherheit einen Wohnungsbrand verhindert. Der Brand passierte unbemerkt in der Nacht und wurde erst am nächsten Morgen entdeckt. Auch wenn es um die anderen durch den Brand beschädigten Akkus schade ist - nicht auszudenken, was ohne Lipo- Tresor passiert wäre!

      Vergleich von Lipo Akkus mit NiMH und NiCD

      Vorteile:

      Power, Power und nochmals Power - Mehr Kapazität bei geringerem Gewicht. Ein Lipo-Akku wiegt etwa nur halb so viel wie ein vergleichbarer NiMH- Akku. Dieser Vorteil ist sehr gewichtig. Die wesentlichen Nachteile sind eigentlich nur beschränkt auf die Einhaltung besonderer Regeln und Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Beschädigungen der Akkus und Unfällen. Wer sich stets an diese Regeln hält, der wird seine Freude mit diesen Akkus haben. Lipo Akkus haben keinen Memoryeffekt.

      Nachteile:

      Ein Lipo- Akkus ist brennbar. Im Brandfall entstehen giftige Gase und man benötigt zum Laden spezielle Lipo- Ladegeräte. Lipo- Akkus können durch Tiefentladung irreparabel geschädigt werden. Eine Lipo- Zelle darf niemals über 4,2 Volt Zellspannung geladen werden und nach etwa 100 bis 200 Ladezyklen ist es statistisch gesehen vorbei mit dem Akku.

      Aufbau eines Lipo Akkupacks

      Die Nennspannung des Akkupacks wird folgendermaßen gerechnet: 5Zellen x 3,7Volt je Zelle = 18,0Volt. Wenn der Akku vollgeladen ist, dann beträgt die Zellenspannung 4,2Volt und die Gesamtspannung demzufolge 21,5Volt. Von jeder Zellenverbindung ist ein dünnes Kabel aus dem Akku zum Balancer- Stecker herausgeführt. Über diesen Stecker werden die Zellenspannungen beim Laden überwacht und bei Bedarf mit Balancer oder Equalizer ausgeglichen.

      Mögliche Zellenverschaltungen

      Man kann die Einzelzellen bei der Fertigung in Serie, aber auch parallel zusammenschalten. Auf dem Bild ist der Aufbau dreier verschiedener Lipo Akkupacks zu sehen. Ganz links ist ein aus drei in Serie verschalteten Einzelzellen bestehender Lipo zu sehen. 3S bedeutet, dass 3 Zellen in Serie (Reihe) verschaltet sind. In der Mitte ist ein Akku- Pack dargestellt, bei dem zwei Stück dreizellige Lipos parallel zusammengeschaltet sind. 3S2P bedeutet also, dass je 3 seriell geschaltete Zellen 2-mal parallel zusammengeschaltet wurden. Ganz rechts ein Akku- Pack bestehend aus 6 Einzelzellen. Das 1P wird einfach weggelassen!

      Schaltet man 3 Einzelzellen zusammen in Reihe, hat man einen 3S Lipo.

      Bilderklärung

      Lipo Packs unterscheiden sich in der Nennspannung, welche durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Einzelzellen bestimmt wird. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Kapazität. Im obigen Bild sind Unterschiede in der Nennpannung und der Kapazität dargestellt. Links zu sehen ist ein 3S Lipo, der aus drei in Reihe geschalteten Einzelzellen besteht. In der Mitte sehen wir einen 3S2P, also eigentlich 6 zelligen Lipo pack, bei dem zwei 3S Lipo parallel geschaltet sind. Dieser Akku hat die doppelte Kapazität, aber auch das doppelte Gewicht wie der linke 3S. Rechts sehen wir einen 6S Lipo mit der gleichen Kapazität wie sein kleiner Bruder ganz links, aber mit der doppelten Spannung von 22,2Volt statt nur 11,1 Volt.

      Der mittlere und der rechte Akku im oberen Bild sind gleich groß und haben trotz unterschiedlicher Nennspannungen den gleichen Energieinhalt.

      Akku 3S2P:  11,1 Volt * 5000mAh = 55500mAh = 55,5 Wh

      Akku 6S1P:  22,2 Volt * 2500mAh = 55500mAh = 55,5 Wh

      Akku Klassifizierung in C- Klassen, Entladeströme

      Der industrielle Fertigungsprozess der Akkuzellen unterliegt qualitativen Schwankungen. So kommt es, dass nicht alle Lipozellen den gleichen Innenwiderstand und exakt die gleiche Kapazität aufweisen. Gewissenhafte Hersteller selektieren die Zellen nach verschiedenen Kriterien, so dass immer möglichst gleiche Zellen in einem Lipo Akku verbaut sind. Das ist die Grundvoraussetzung für ein langes Akkuleben. Selektiert man dann noch die Zellen mit einem geringen Innenwiderstand, kann man daraus Akkupacks mit höherer maximaler Entladestromstärke bauen.

      Der maximal zulässige Entladestrom wird in einem Vielfachen der Kapazität (C) angegeben. Die Angabe 20C würde bedeuten, dass dieser Akku mit dem 20fachen seiner Kapazität entladen werden darf. Auf den meisten Akkus sind heute 2 Werte für den Entladestrom angegeben. Also zum Beispiel 20-30C. Der erste Wert besagt, wie hoch der Dauerentladestrom sein darf. Der zweite Wert besagt, wie hoch der maximal zulässige kurzzeitige Entladestrom (wenige Sekunden) sein darf. Bei einem 20-30C - 5000mAh Akku, dann ist der zulässige Dauerentladestrom 20 * 5000 = 100.000mA = 100Ampere! Kurzzeitig darf der Entladestrom 150A betragen. Diese Ströme muss der Akku aushalten, ohne die maximal zulässige Temperatur von 65°C zu erreichen. Mal kurz nachgerechnet: Bei 100A Dauerstrom ist solch ein Akku nach bereits 3 Minuten völlig leergesaugt!

      Wird der Lipo beim Fliegen zu warm, dann muss entweder der Flug- Stil etwas zahmer gewählt, oder der Akku durch einen Lipo mit höherem C-Wert ersetzt werden!

      Lipo Akku Zellenspannung / Energiegehalt

      Die Zellenspannung jeder einzelnen Zelle eines Akkus darf niemals (auch während des Ladens) den Wert von 4,2 Volt überschreiten.
      Als Richtwert für die Zellenspannung nach dem Flug sind 3,3 Volt als Minimum zu empfehlen. Fällt die Zellenspannung einmal unter 2,7 Volt, dann wird die Zelle dadurch bereits irreparabel beschädigt!

      Bei etwa 3,6 Volt Leerlaufspannung hat der Akku nur noch einen Energiegehalt von weniger als 10%. Bei 3,3 Volt je Zelle ist er leer.

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

      Abhängigkeit der Restkapazität von der Zellenspannung bei Lipo Akkus

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

      Einfluss des Innenwiderstandes auf Erwärmung und Stromabgabe von Lipo Akkus

      Der Innenwiderstand ist maßgeblich verantwortlich für die Strom- Belastbarkeit eines Akkus und somit ein ganz wichtiges Merkmal! Leider halten sich die meisten Hersteller mit der Angabe des Innenwiderstandes sehr zurück.

      Ein hoher Innenwiderstand ist gleichzusetzen mit einer verminderten Stromabgabe und stärkerer Erwärmung des Akkus bei Belastung!

      Die C-Entladerate ist zwar ein Indikator für den Innenwiderstand eines Akkus, denn eine höhere C-Entladerate bedeutet in der Regel einen niedrigeren Innenwiderstand. Da es zur Ermittlung des C- Wertes jedoch keine eindeutig vorgeschriebene Norm gibt, können die C- Werte unterschiedlicher Hersteller nicht direkt miteinander verglichen werden.

      Im Laufe der Lebensdauer von Lipo- Akkus steigt der Innenwiderstand stetig an und die Leistungsfähigkeit fällt einhergehend damit ab. Ein Akku mit niedrigem Innenwiderstand erwärmt sich weniger bei Belastung und kann die Zellenspannung bei Belastung besser halten! Die Lebensdauer von Lipo- Akkus wird daher maßgeblich vom Innenwiderstand der Zellen beeinflusst.

      Ein hoher Innenwiderstand macht sich vor allem bei hohen Stromstärken negativ bemerkbar. Bereits die Formel zur Berechnung der Leistung (Verlustleistung) macht dies deutlich:

      P (Verlustleistung) = R (Innenwiderstand) * I² (Stromstärke)².

      Die Stromstärke I fließt im Quadrat in die Berechnung ein. Eine Verdopplung der Stromstärke bedeutet eine Vervierfachung der Verlustleistung! Daher ist für hohe Stromstärken ein niedriger Innenwiderstand erforderlich!

      Der Innenwiderstand eines Akkus führt bei Belastung gleichzeitig zu einem Spannungsabfall!

      U (Spannungsabfall) = R (Innenwiderstand) * I² (Stromstärke)² / I (Stromstärke)

      Ein hochwertiger Akku hat einen Innenwiderstand von weniger als 3mΩ (3 Milliohm) je Zelle! Leider werden oft selbst teure Marken Akkus mit Innenwiderständen von mehr als 10mΩ pro Zelle verkauft. Der Akku- Kauf wird unter solchen Gegebenheiten ganz schnell zum Glücksspiel. Uns selbst ist eine Marke besonders negativ aufgefallen, allerdings ist es uns untersagt, den Namen hier zu nennen!

      Berechnungsbeispiele zum Innenwiderstand von Lipo Akkus

      Wir zeigen hier eine Beispielrechnung für einen guten und einen schlechten 6S Lipo Akku, einmal bei 10A und bei 60A Stromabgabe.

      Akku A:
      6 Zellen x 3 mΩ Innenwiderstand =18 mΩ

      Akku B:
      6 Zellen x 10 mΩ Innenwiderstand =60 mΩ

      Vergleich Wärmeentwicklung und Spannungsabfall bei 10A Stromabgabe

      Akku A:

      18 mΩ * 10²A = 1,8 Watt Verlustleistung

      1,8W / 22,2V = 0,08 Volt Spannungsabfall

      Akku B:

      60 mΩ * 10²A = 6 Watt Verlustleistung

      60W / 22,2V = 0,27 Volt Spannungsabfall

       

      Vergleich Wärmeentwicklung und Spannungsabfall bei 60A Stromabgabe

      Akku A:

      18 mΩ * 60²A = 64,8 Watt Verlustleistung

      64,8W / 22,2V = 2,92 Volt Spannungsabfall

      Akku B:

      60 mΩ * 60²A = 216 Watt Verlustleistung

      216W / 22,2V = 9,73 Volt Spannungsabfall

      Erklärung: Während sich Akku A (niedriger Innenwiderstand) hervorragend in unserem Test schlägt, ist Akku B nicht in der Lage 60A Stromstärke abgeben, denn die Akkuspannung würde bereits bei weit weniger als 60A zusammenbrechen. Die Wärmeentwicklung im Akku B mit hohem Innenwiderstand ist über 3 mal so hoch, wie mit Akku A!

      Gerade bei hohen Strömen zeigt sich der negative Einfluss des Innenwiderstandes auf die Akku- Erwärmung und den Spannungsabfall unter Last! Ein Innenwiderstand von 0 Ohm wäre ideal, aber das ist und bleibt leider eine Wunschvorstellung.

      Die richtige Akkuwahl

      So verschieden die Anwendungsfälle sind, so verschieden sind auch die Anforderungen an die verwendeten Akkus. Es gibt für jeden Anwendungsfall einen optimal passenden Akku.

      Bei der Wahl des Akkus stehen zunächst einmal die Leistungsanforderungen des Antriebes an erster Stelle.  Motor, Regler und Akku müssen aufeinander abgestimmt sein. Da Motor und Regler nur in einem eingegrenzten Spannungsbereich betrieben werden dürfen, ist die Wahl der Zellenzahl des Akkus dadurch schon vorgegeben. Diese Angaben entnimmt man dem Datenblatt des Motors bzw. des Reglers.

      Beispielrechnung:

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

      So bestimmt man die Dauerstromstärke und Maximalstromstärke zur Bestimmung des Akkus

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

      Unsere Beispielrechnung verlangt nach einem Akku mit 90A Dauerstrombelastbarkeit und 135A Spitzenstrom. Die Kapazität des Akkus wird durch andere Faktoren bestimmt, denn der Akku muss gewichts- und größenmäßig in den Helikopter passen. Ein Lipo 6S 5000mAh mit 20C/30C reicht für unser Beispiel zum Einsatz in einem 600er Helikopter aus. Der gewählte Akku kann 100A Dauer- und 150A Spitzenstrom liefern. Gegen die Wahl eines Akkus mit höherer C-Klasse ist nichts einzuwenden, weniger darf es allerdings nicht sein.

      Praxis: Anschlüsse an den Lipo Akku anlöten

      Neue Lipos werden oft komplett mit fertig verlöteten Anschlusssteckern geliefert, oder komplett ohne Stecker. Falls das An- oder Umlöten von Steckverbindern notwendig sein sollte, dann ist Vorsicht geboten und folgende Vorgehensweise anzuraten:

      • Falls der Akku bereits geladen ist, muss dieser bis auf Lagerspannung entladen werden.
      • Falls die Kabel gekürzt werden müssen, dann niemals beide Kabel gleichzeitig durchschneiden. Das würde einen Kurzschluss verursachen.
      • Löte immer nur an einem der beiden Kabel und halte das andere Kabel stets elektrisch isoliert. Am besten steckt man ein passendes Stück Schrumpfschlauch über das Kabel, so dass es richtig festsitzt und nicht abfallen kann. Ein Kurzschluss kann schlimme Folgen haben.
      • Vorsicht bei Verwendung einer „Dritten Hand“ aus Metall. Halteklammern aus Metall können Kurzschlüsse verursachen. Das gilt auch für die Spitze des Lötkolbens oder Lötzinn!
      • Wenn der erste Steckkontakt angelötet ist, wird dieser wiederum zunächst gut mit Schrumpfschlauch isoliert, bevor man den Schrumpfschlauch vom anderen Kabelende entfernt.
      • Bei Verwendung von Rundsteckern kann eines der beiden Kabel 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.

      Überprüfung neuer Lipo- Akkus

      Ist der neue Lipo- Akku geliefert, dann kannst du folgende Punkte checken:

      1. Kontrolliere 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 reklamieren.
      2. Vergleiche dabei die Spannungen der einzelnen Zellen. 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. Mehr als 0,15 Volt sollten es nicht sein.
      3. Lade den Akku mit einem geeigneten Lader und Balancer/Equalizer. 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 um welche Zelle(n) es sich handelt. Lade den Lipo unbedingt ganz voll und lass die Zellen vollkommen ausbalancieren.
      4. Fliege den Lipo im Modell unter Belastung für eine normale Flugdauer. Direkt nach dem Flug kontrollierst Du die Temperatur des 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 ein möglicher 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.
      5. Dann lässt Du den Akku nach dem Flug für mindestens 10 Minuten liegen, bevor Du die Zellenspannungen kontrollierst. Mehr als 0,15 Volt Spannungsunterschied sollte zwischen zwei Zellen nicht vorhanden sein. Ist der Spannungsunterschied größer, dann versuche, diesen Lipo zu reklamieren.

      Lipo Akkus richtig laden

      Die maximale Lade- Endspannung je Zelle beträgt 4,2Volt. Um diese maximale Spannung an jeder Zelle des Akkus zu erreichen bzw. nicht zu überschreiten, benutzt man zum Laden immer Balancer oder Equalizer. In einem lipotauglichen Ladegerät sind Balancer oder Equalizer schon eingebaut, es gibt jedoch auch externe Balancer.

      Lipo´s sollten generell nur mit 1C (das einfache der Kapazität) Ladestrom geladen werden, es gibt jedoch auch Akkus die mit wesentlich höheren Strömen geladen werden dürfen. Es gelten dabei immer die Vorschriften und Hinweise der Hersteller.

      Lipo´s müssen immer an Orten geladen werden, wo ein potentieller Lipobrand keinen weiteren Schaden anrichten kann. Im Umkreis von mindestens 3 Metern sollte sich kein brennbarer Gegenstand befinden. Um die Gefahr eines Wohnungs- bzw. Gebäudebrandes zu minimieren, kann man Lipo´s beim Laden in einen größeren Keramik- Blumentopf legen, oder noch besser in einem brandsicheren Lipo Behälter laden.

      Akkus sollten immer bei normaler Zimmertemperatur geladen werden. Ist es kälter als 15°C, muss der Ladestrom drastisch reduziert werden. In der Regel sollte dann nicht mit mehr als 1C Ladestrom geladen werden, sonst nimmt der Akku bereits Schaden. Äußerlich sichtbar beschädigte oder aufgeblähte Lipos dürfen nicht mehr verwenden oder auch nur geladen werden. Hier droht Gefahr! Solche Lipos sind sofort auszutauschen!

      Mit einem Lipo- Tester kann man sich vor dem Flug Klarheit über den Ladezustand des eingesetzten Akkus verschaffen. Der Lipo -Tester wird dazu auf den Balancer- Anschluss des Akkus gesteckt und zeigt an, ob der Akku voll- und alle Zellen gleichmäßig geladen ist.

      Ein Akku- Logbuch in Tabellenform erfordert zwar Disziplin beim Eintragen der notwendigen Daten, verschafft jedoch stets einen guten Überblick über den "Gesundheitszustand" jedes einzelnen Akkus. Eingetragen werden in ein solches Logbuch sinnvoller Weise Daten wie:

      • Flugzeiten
      • Spannung der Einzelzellen nach dem Flug
      • in den Akku geladene Kapazität

      Die einzelnen Zellen eines Lipo s können sich unterschiedlich stark entladen. Gerade bei den qualitativ weniger wertigen Akkus ist das öfter zu beobachten. Beim Entladen entstandene Unterschiede in der Zellenspannung müssen beim Aufladen durch einen Balancer ausgeglichen werden. Der Balancer überwacht die Ladeschlussspannung jeder einzelnen Zelle und sorgt dafür, dass jede Zelle bis auf 4,2 Volt geladen wird. Dazu wird der Akku mit dem Balancer- Stecker zusätzlich zu den Hauptkabeln des Akkus angeschlossen. Über den Balancer- Stecker werden die einzelnen Zellenspannungen kontrolliert und geregelt.

      Das Bild zeigt ein Balancerladegerät mit angeschlossenem 6S 5000mAh Lipo Akku auf einer feuerfesten Unterlage, fern von brennbaren Gegenständen.

      Im Prinzip hat ein Equalizer die gleichen Aufgaben, wie ein Balancer. Er wird genau wie ein Balancer angeschlossen, seine Funktionsweise ist jedoch geringfügig anders. In der Praxis weiter verbreitet sind jedoch Balancer.

      Wer ohne Balancer/ Equalizer lädt, der riskiert eine Überladung von einzelnen Zellen.

      Anzeichen dafür, dass der Lipo Akku stirbt

      Auch bei bester Pflege halten Lipo Akkus zwar lange, aber dennoch nicht ewig. Irgendwann lässt die Leistung bei jedem Lipo nach. Normalerweise stirbt ein Lipo Akku nicht plötzlich, sondern sein Tod kündigt sich im Vorfeld an.

      Aufgeblähte Akku- Zellen

      Ein sicheres Zeichen für Akkuschädigungen sind Aufblähungen der Zellen. Diese Aufblähungen sind oft begleitet von starker Erwärmung unter Belastung. Die Ursache dafür ist die verbaute elektrolytgetränkte Polymerfolie. Elektrolyte enthalten organische Lösungsmittel, welche bereits ab ca. 90°C zu sieden beginnen. Ein aufgeblähter Akku kann unter Umständen bei weiterer Benutzung platzen und das austretende Gas könnte sich entzünden.

      Verminderte nutzbare Akku- Kapazität

      Ein geschädigter Akku kündigt seinen baldigen Ausfall bereits durch frühzeitiges Abregeln der Drehzahl an, da die Spannung bereits bei geringer Belastung zusammenbricht. Wer ein Logbuch führt, der wird erkennen, dass solche Akkus in der Regel beim Laden weit weniger als 80% der Nennkapazität aufnehmen.

      Beschädigungen, auch unsichtbare

      Offensichtlich beschädigte Lipo- Akkus dürfen nicht weiter benutzt werden! Die Gefahr und das Risiko sind groß. Selbst nicht sichtbare innere Beschädigungen können jederzeit zur Zerstörung des Akkus durch Kurzschluss führen. Wer auf „Nummer Sicher“ gehen möchte, der benutzt einen "Absturz- Akku" nicht mehr, selbst wenn äußerlich keine Beschädigungen erkennbar sind.

      Lipos – eine oft unterschätzte Gefahr

      Lipo Akkus, auch wenn sie äußerlich völlig intakt aussehen, bergen immer ein gewisses Risiko in sich, was Brandgefahr angeht. Unsichtbare Beschädigungen in den Zellen können urplötzlich und ohne weiteres Zutun zu gefährlichen inneren Kurzschlüssen führen, die oft die Ursache von Wohnungsbränden sind. Deshalb muss ein Lipo- Akku immer mit einem gesunden Misstrauen, also äußerster Vorsicht gehandhabt und gelagert werden.  

      Lagerung und Transport von Lipo Akkus

      Die Lagerung der Akkus muss in brandsicheren Behältnissen erfolgen. Ein Lipo Koffer oder ein Lipo Bag, schützt den Akku vor Beschädigungen von außen, und mindert die Folgen im Falle eines Brandes.

      Lipo Akkus niemals im Flugmodell und schon gar nicht im Auto liegen lassen! Zum Zwecke des Transportes kann man die Akkus in Lipo Bags oder feuerfesten stabilen Boxen verwahren und diese gegen ein Verrutschen sichern.

      Lipo Akkus sollten nur bei Lagerspannung gelagert werden!

      Wird ein Lipo in einem Postpaket versendet, so gilt die Kennzeichnungspflicht, da es sich um ein Gefahrgut handelt. Ein Aufkleber, wie im Bild zu sehen ist gut sichtbar am Paket anzubringen! Dabei spielt es keine Rolle, ob der Akku fest in einem zu versendenden Modell verbaut ist oder nicht. 

      Entsorgung alter, defekter Lipos

      In Europa werden jährlich etwa 160.000 Tonnen Gerätebatterien verkauft. Dazu kommen etwa 190.000 Tonnen Industriebatterien und 800.000 Tonnen Fahrzeugbatterien. Die Europäische Union hat einen Gesetzestext entworfen, der das Recycling von Altbatterien vorschreibt. Von dieser Regelung betroffen sind auch Lipo- und LiFePo- Akkus. Man stelle sich diese Menge an Akkus und Batterien einmal vor! Ich appelliere hier an jeden Akkubenutzer, seine alten Batterien und Akkus fachgerecht zu entsorgen. Unsere Nachfahren werden es uns danken.

      Irgendwann stellt sich die Frage, wie man den verbrauchten Akku entsorgen soll.

      • Lipo Akkus niemals in den Hausmüll werfen, sondern immer gesondert entsorgen. Wertstoffhöfe nehmen diese Akkus meistens an.
      • Auf keinen Fall irgendwelche Experimente mit den Akkus veranstalten! Das ist zu gefährlich und kann auch sehr ungesund werden.

      Vor der Abgabe in der Sammelstelle sollte man den Akku entladen, diesmal jedoch wirklich tief und vollständig.

      Wer ein Ladegerät mit Entladefunktion besitzt, der schließt den zu entladenden Akku daran an und entlädt ihn mit diesem Programm. Anschließend kann man eine passende Lampe an den Akku anschließen und solange daran belassen bis der Akku vollständig entleert ist.

      Der Akku darf erst dann entsorgt werden, wenn er vollständig entladen ist und keine Gefahr mehr von ihm ausgeht. Wertstoffsammelhöfe nehmen die Akkus an.