Akkumulatoren

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Akkus (Kurzform von Akkumulatoren) werden im Modellbau zur transportablen Stromversorgung eingesetzt. Zum Bespiel zur Senderversorgung, zur Empfängerversorgung und als Stromquelle des Antriebs bei elektrisch angetriebenen Modellen.

Einleitung

Akkus haben eine gewisse Nennspannung pro Zelle.
Um die Gewünschte Spannung zu erreichen, die meist höher ist als die Spannung einer Zelle, muss man Akkus in Serie bzw. Reihe also hintereinander schalten.

Um die Gesamtkapazität zu verändern muss man sie Parallel also nebeneinander schalten.

Sign13.gif Siehe dazu: Reihen-/Parallelschaltung

Blei

Bleiakkus sind die wohl einfachste und pflegeleichteste Art unter den wiederaufladbaren Energiespendern. Sie vertragen im Vergleich zu Lithium-Polymerakkus eine deutlich unsanftere Behandlung.

  • Abkürzung: Pb
  • Nennspannung: 2V
  • Entladeschlussspannung: 1,75V
  • Ladeschlussspannung pro Zelle: 2,4V
  • Ladestrom: 1/10C

Ihr hohes Gewicht hindert sie zwar am Einsatz in Modellhubschraubern, trotzdem haben sie ihren Platz im Modellbau gefunden. Sie werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo es nur kurze Zeit um hohe Ströme geht, z.B. für die Elektrostarter der mit Verbrennungsmotor angetriebenen Modelle, oder als Energiequelle der Ladegeräte für andere Akkutypen.

Zur Herstellung von Bleiakkus werden, vereinfacht dargestellt, zwei Bleiplatten in verdünnte Schwefelsäure (dem Elektrolyten) getaucht. An beiden Platten entsteht Bleisulfat (PbSO4). Durch das Anlegen einer Gleichspannung wird der Akku geladen. Das an einer Platte entstandene Bleisulfat wird in Bleidioxid (PbO2) umgewandelt, das an der anderen in mehr oder weniger reines Blei. Der Sulfatrest geht wieder in den Elektrolyten über und erhöht damit die Konzentration der verdünnten Schwefelsäure.

Nickel-Cadmium

  • Abkürzung: NiCd
  • Nennspannung: 1,2V
  • Entladeschlussspannung: 0,8 - 0,9V
  • Ladeschlussspannung pro Zelle: 1,4V
  • Ladestrom: max. 1-3C

Nickel-Cadmium-Akkus sind heutzutage noch die am meisten eingesetzte Akkutechnologie. Sie zeichnen sich aus durch günstige Kosten, einfache Handhabung und hohe Belastbarkeit.

Dieser Akkutyp zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Innenwiderstand aus, weshalb er relativ hohe Ströme liefern kann ohne dass dabei die Spannung allzu sehr in die Knie geht. Ein weiterer Vorteil ist die relative Temperaturunempfindlichkeit und die Möglichkeit sie schnellladen zu können.

Nachteil des NiCd-Akkus ist seine relativ hohe Selbstentladung von bis zu 20% pro Monat sowie der Memoryeffekt bei falscher Handhabung. Dieser Effekt stellt sich ein, wenn die Zelle nicht komplett entladen wurde und dann wieder aufgeladen wird, was sie mit nachlassender Kapazität quittiert. Ebenso wenig mögen es die Zellen, tiefentladen oder überladen zu werden.

Aus diesem Grund sollten nur Ladegeräte mit Delta-U-Abschaltung verwendet werden, hierbei erkennt das Ladegerät, wann der Akku vollgeladen ist, denn dann sinkt die Ladespannung um einige mV.

Durch einen EU-Ratsbeschluss (Ende 2004) wird die Verfügbarkeit von Nickel-Cadmium-Akkus in den nächsten Jahren zurückgehen, so daß auf Alternativquellen (z.B. Nickel Metallhydrid) ausgewichen werden sollte. Quelle: heise.de

Nickel-MetallHydrid

  • Abkürzung: NiMH
  • Nennspannung: 1,2V
  • Entladeschlussspannung: 0,8 - 0,9V
  • Ladeschlussspannung pro Zelle: 1,4V
  • Ladestrom: max. 1-(2)C

NiMH-Akkus sind im Prinzip genauso aufgebraut wie NiCd-Akkus. Sie haben allerdings einen höheren Innenwiderstand, weshalb sie gegenüber den NiCd-Zellen einen geringeren Strom liefern können.

Die Selbstentladung ist bei diesem Akkutyp ebenfalls größer als bei NiCd-Akkus, hier beträgt er je nach Akkuqualität bis zu 30%. Ebenfalls sensibler reagieren sie auf Tiefentladung oder Überladung, die Lebensdauer ist ebenfalls geringer als dies bei NiCd-Typen der Fall ist.

Der Vorteil der NiMH-Akkus ist die größere Kapazität bei gleicher Bauform.

Lithium-Ionen

Lithium-Ionen-Akkus gibt es mit Kohle oder Graphit als Anodenmaterial. Die angegebenen Werte beziehen sich auf Kohle/Graphit.

  • Abkürzung: LiIo
  • Nennspannung: 3,6V / 3,7V
  • Entladeschlussspannung: 3V
  • Ladeschlussspannung pro Zelle: 4,1V / 4,2V
  • Ladestrom: max. 1C

Lithium-Eisen-Phosphat

Entwicklung der Firma A123 Systems mit Elektroden aus Eisenphosphat-Nanopartikeln. Alternative (falsche) Bezeichnungen: LiFe oder FePo

  • Abkürzung: LiFePO (LiFePO4) / A123
  • Nennspannung: 3,3 V
  • Entladeschlussspannung: 2,0 V
  • Ladeschlussspannung pro Zelle: 3,6 V (bis 4,2 V bei reduzierter Lebensdauer)
  • Ladestrom: max. 4C

Vorteil der LeFePo-Akkus sind die relative Eigensicherheit, da eine Selbstentzündung wie bei LiPos-Akkus durch Überlastung oder mechanische Beschädigung quasi ausgeschlossen sein soll, sowie die die Schnellladefähigkeit mit 4C, womit der Akku ohne Balancen in 15. Minuten wieder voll ist. Außerdem sollen die Zellen ihre volle Kapazität auch nach vielen Zyklen noch innehaben. Nachteil (gegenüber LiPo-Akkus) ist das etwas größere Volumen und Gewicht. Preislich sind die A123-Zellen mit billigen Lipos vergleichbar.

Ladegeräte

Mittlerweile unterstützen viele Ladegeräte die LiFePo-Akkus, u.a.:

Lithium-Polymer

Allgemeines

  • Abkürzung: LiPo
  • Nennspannung: 3,7V
  • Entladeschlussspannung: 3,2V
  • Ladeschlussspannung pro Zelle: 4,2V
  • Ladestrom: meist 1C (bei manchen sind bis zu 8C möglich)
  • Ladezustand für Lagerung: 3,8V (~40%), kühle Lagerung

LiPo-Akkus (LiPos) ermöglichen aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte sehr leistungsfähige Antriebe und lange Flugzeiten, die die bisherigen Akkutechnologien weit übertreffen. Allerdings sind sie auch etwas aufwendiger in der Handhabung und bedürfen sorgfältiger Behandlung. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich der Begriff "Lithium-Polymer" eingebürgert, obwohl es eigentlich "Lithium-Ionen-Polymer" heißen müsste.

Im Gegensatz zu NiCd/NiMH-Akkus können LiPos ohne Probleme parallel geschaltet werden. Die Konfiguration wird normalerweise im Format "XsYp" angegeben, wobei "X" für die Anzahl der in Reihe (seriell) geschalteten und "Y" für die Anzahl der parallel geschalteten Zellen steht. Beim Konfektionieren werden die Zellen zunächst zu Parallel-Packs zusammengestellt, die dann wiederum seriell verschaltet werden. Es ist ratsam, pro Parallel-Pack Anschlüsse für Balancer, bzw. zur Spannungsmessung anzubringen.

Folgendes ist zu beachten:

  • Entladeschlussspannung - Tiefentladung verkürzt die Lebensdauer der Zellen
  • Ladeschlussspannung - Bei Überladung besteht die Gefahr des "Aufblähens" und im schlimmsten Fall Abbrennen der Zellen
  • Mechanische Beanspruchung vermeiden
  • Zu hohe thermische Belastung vermeiden
Zwei unbeschädigte LiPos
Eine aufgeblähte, defekte LiPos-Zelle

Die äussere Haut von LiPos ist sehr dünn. Deshalb müssen mechanische Belastungen durch scharfe oder spitze Gegenstände unter allen Umständen vermieden werden. Auch die Belastung, die durch Klettband entstehen kann, muss auf ein Minimum reduziert werden. Deshalb sollten die Zellen vor dem Aufbringen von Klett- bzw. Klebebändern eingeschrumpft werden.

Nach einem Absturz oder sonstigen mechanischen Belastungen sollte der Pack genauestens geprüft werden (Kurzschlüsse können auch erst zu einem späteren Zeitpunkt eintreten). Sollten irgendwelche Unsicherheiten bleiben, ist es besser den Pack zu entsorgen, als einen Brand zu riskieren.

LiPo-Akkus dürfen nicht über 60°C warm werden und eine Einzelzelle darf nicht unter 3,0V entladen werden, da ansonsten die Zelle irreparabel beschädigt wird. Für eine bedarfsgerechte Ladung sollten nur LiPo-Fähige Ladegeräte eingesetzt werden (LiPos niemals ohne Aufsicht laden). Im Zweifel bietet sich deshalb auch die Blumentopf-Lademethode an.

Sollte doch einmal der Fall eintreten, dass ein LiPo brennt, sollte man den Brand mit Sand ersticken oder mit einem Pulverfeuerlöscher löschen. Auf keinen Fall anderes Löschmittel einsetzen, v.a. kein Wasser, da Lithium hiermit sehr stark reagiert.

Falls ein LiPo-Akku nicht mehr die ursprüngliche Kapazität erreicht, kann es sein, dass eine oder mehrere Zellen "gedriftet" sind, d.h. ihr Spannungsniveau weicht von den anderen Zellen im Pack ab. Spätestens dann sollte man die in Reihe geschalteten LiPo-Zellen eines Akkupacks mit einem geeigneten Equalizer angleichen. Aus Sicherheitsgründen empfiehlt sich der Einsatz von Balancern oder Equalizern sowieso bei jedem Ladevorgang.

Einpflegen

Ein LiPo-Pack sollte "eingepflegt" werden, d.h. zwischen 5 und 10 Zyklen nur bis maximal 7 bis 10C belastet werden.

Der Grund dafür ist der Zusatz zur Verbesserung der Lagerfähigkeit bis Verwendung, dieser wird während der ersten Zyklen gewissermaßen aus dem Substrat gelöst. Sind die Ströme von Anfang an sehr hoch kommt es dazu, das dieser Prozess nicht vollständig ablaufen kann. Pflegt man ein LiPo-Pack nicht ein, kann es unter Umständen zu einem frühzeitigen Aufblähen des LiPo's kommen.


Strombelastbarkeit

Die Belastbarkeit wird in C angegeben, eine Belastbarkeit von 10C entspricht bei einem 1500mAh Akku also 15 Ampere. Werden drei dieser Zellen parallel geschaltet, erhöht sich neben der Kapazität des Packs auch die Belastbarkeit auf den dreifachen Wert, da jede Einzelzelle nur noch ein Drittel des Stroms verkraften muss. Neben der Dauerbelastbarkeit wird meist auch die Impulsbelastbarkeit angegeben, die von einer Zelle für einen kurzen Zeitraum verkraftet werden kann.

Die Dauerbelastbarkeit muss mindestens der durchschnittlichen Stromaufnahme im Flug entsprechen. Die Spitzenbelastbarkeit muss der Stromaufnahme bei Höchstdrehzahl und Vollpitch entsprechen.

Konfektionierung

Bei der Konfektionierung von LiPo-Packs wird folgende Vorgehensweise angewandt. Dabei sollten alle Anschlussfahnen, an denen gerade nicht gearbeitet wird, sicherheitshalber isoliert werden, um Kurzschlüssen vorzubeugen.

  1. Alle Zellen werden auf Spannung kontrolliert, starke "Ausreißer" sollten aussortiert werden
  2. Bei leichten Spannungsunterschieden werden alle Zellen mit den gleichen Einstellungen des gleichen Ladegerätes vollgeladen, so dass am Ende alle Zellen eine exakt gleiche Spannung aufweisen. Alternativ kann auch ein Equalizer (kein Balancer) verwendet werden
  3. Die Zellen werden parallel verschaltet (alle Minuspole miteinander verbinden, alle Pluspole miteinander verbinden) und mit Klebeband umklebt
  4. Je Parallel-Pack werden Einzelabgriffe zum Anschluss von Balancern und zur Spannungskontrolle angebracht
  5. Die Parallel-Packs werden in Serie verschaltet
  6. Das fertige Pack wird mit einem Sperrholz- oder CFK-Träger, woran die Anschlusskabel zugentlastet werden, eingeschrumpft

Teilweise wird empfohlen, zwischen den Zellen eines Parallel-Packs Spalten als Luftkanäle zur Kühlung zu lassen. Gerade unter der Haube, wo wenig Luftzirkulation herrscht, führt dies aber eher dazu, dass die mittleren Zellen wärmer als die äußeren Zellen werden, worunter die Lebensdauer der Zellen leidet. Ohne Spalt wird die Wärme der mittleren Zellen dagegen auf alle Zellen verteilt.

Ladeverfahren

LiPo-Akkus werden im Konstantstrom-Konstantspannung-Verfahren geladen, d.h. bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung wird mit konstantem Strom geladen und anschliessend mit konstanter Spannung bei kontinuierlich nachlassendem Ladestrom. Bei Erreichen der Ladeschlussspannung (bei 1C nach ungefähr 45min) ist der Akku zu etwa 80% voll, für die letzten 20% wird noch einmal die gleiche Zeit benötigt. Ein Erhöhen des Ladestroms bringt wenig, da die ersten 80% zwar schneller erreicht werden, dafür aber für die letzten 20% mehr Zeit benötigt wird. Zudem schadet es der Lebensdauer der Zellen.

rechter Lipo wurde mit NC-Ladeprogramm geladen -> defekt

Bei gealterten Packs wird die Ladeschlussspannung schneller erreicht und somit die Konstantstromphase kürzer, die Konstantspannungsphase dagegen länger.

Die Ladeschlussspannung muss bei Li-Po Zellen genauestens eingehalten werden, da LiPo-Akkus im Gegensatz zu NiCD- und NiMH-Akkus keine Überladereserve haben. Neben entsprechenden LiPo-Ladegeräten ist es empfehlenswert Balancer oder Equalizer einzusetzen.


Siehe: Ladegeräte


Auszugsweise einige LiPo-Fähige Ladegeräte

Logview Datenlogger für den PC

Akku-Pflege

Für NC und NiMh

Nach Zusammenlöten oder Kauf eines fertig konfektionierten Akkus, sollte die erste Ladung eine Formierungsladung sein. D.h., dass mit 1/10C Ladestrom 14-16 Stunden lang geladen wird. Durch die schonende Überladung werden alle Zellen aneinander angeglichen. Bei der Formierung sollte die Temperatur den Zellen bei etwa 30°C liegen.

Alle 20-25 Zyklen ist es ratsam, die Akkus wieder einer Formierung zu unterziehen. Dies fördert die Langlebigkeit und Power der Akkus.

Nach Leerfliegen oder Fahren des Akkus, sollte möglichst immer bis auf eine Spannung von 0,8V/Zelle entladen werden und dann erst wieder mit Reflex- oder DeltaPeak geladen werden. Durch diese Maßnahme kann der Memory-Effekt verkleinert werden.

Für die Lagerung wird eine Spannung von 1,2V pro Zelle empfohlen. Jedoch muss nach jeder längeren Lagerung der Akku wieder formiert werden.


Für Lithium-Polymer

Nach Kauf oder Konfektionierung sollte die erste Ladung mit wenig Strom erfolgen. Etwa 0,6C bis 0,8C sind ratsam. Schon bei der ersten Ladung einen Balancer nehmen, damit ein zeitig eintreffendes Driften der Zellen vermieden werden kann.

Der Lebensdauer und des Geldbeutels zu liebe, sollten die Lipos nicht mit mehr als 1C geladen werden. Ein zu hoher Ladestrom schädigt die Zellen dauerhaft. Dadurch resultiert eine geringere Kapazitätsaufnahme. Auch beim normalen Laden immer möglichst einen Balancer mit anschließen, um Zellendrift zu vermeiden. Ebenfalls muss ein Balancer auch einen mindesten Ausgleichstrom liefern, um auch sehr verdriftete Zellen ausgleichen zu können.

Für die Lagerung von Lithium-Polymer-Akkus ist es ratsam, den Akku mit einer Spannung von 3,7V pro Zelle zu lagern. Nach Lagerende sollte der Akku mit weniger als 1C wieder vollgeladen und ein Balancer verwendet werden.

Kapazität

Die Kapazität eines Akkus wird in Amperestunden [Ah] oder in Milliamperestunden [mAh] angegeben. Eine Milliamperestunde ist ein Tausendstel einer Amperestunde: 1000 mAh = 1 Ah, 1 mAh = 0,001Ah. Hat ein Akku eine Kapazität von 1 Ah (1000 mAh), so kann man diesem Akku theoretisch eine Stunde lang einen Strom von einem Ampere entnehmen, bis er leer ist. Praktisch wird der Akku aber durch den entladebedingten Spannungsrückgang zum Ende hin nicht mehr genügend Spannung abgeben können.

Energiedichte

Die Energiedichte gibt an, wieviel Energie ein Akku, bezogen auf sein Gewicht, speichern kann. Sie wird bei Akkumulatoren in Wattstunden pro Kilogramm angegeben [Wh/kg].

Leistungsdichte

Die Leistungsdichte gibt an, welche elektrische Leistung ein Akku, bezogen auf sein Gewicht, abgeben kann. Sie wird bei Akkumulatoren in Watt pro Kilogramm angegeben [W/kg]. Die Leistungsdichte wird bestimmt durch die Klemmenspannung, die Strombelastbarkeit und die Akkumasse.

Ladestrom

Ladestrom bezeichnet die Stromstärke, mit der ein Akku geladen wird. Er wird oftmals in "C" als Bezug auf die Kapazität des Akkus angeben.

Wie kommt man nun von "1C" auf den tatsächlichen Ladesstrom und auch auf die benötigte Ladezeit? Man entfernt einfach die Zeit aus der Kapazitätsangabe und multipliziert den Wert mit der Zahl vor dem "C"!

Beispielrechnung:

Kapazität: C = 2200 mAh
Ladestrom: Ilade = 0,5C
Ilade = 0,5 * 2200 mA Ilade = 1100 mA
Ladezeit: t = C / Ilade t = 2200 mAh / 1100 mA t = 2 h

Für das gewählte Beispiel ergibt sich so rechnerisch ein Ladestrom von 1100 mA und eine Ladedauer von 2 Stunden. In der Realität liegt die Ladedauer etwas höher, da Verluste auftreten, die sich in Form einer Erwärmung der Zellen bemerkbar machen.

Balancer

Vor einem Jahr gab es Balancer, die dann arbeiteten, wenn die einzelne Zelle schon über 4,2 V war. Jetzt gibt es Equalizer, die schon vor den 4,2 V versuchen die Zellen anzugleichen. Eine klare Empfehlung ist der LipoCheckerPro von Orbitronic, da dieser eine sehr hohe Spannungsmessgenauigkeit hat und mit einem 1 A pro Zelle sogar sehr driftige Akkus in nur einem Ladevorgang angleichen kann. Ein weiterer Vorteil dieses Balancers sind die vielen Anschlussmöglichkeiten für Akkus von unterschiedlichen Herstellern.
Zur Zeit von Orbit verfügbare Systeme:

- Graupner/robbe  2s-5s
- Thunder/Fligthpower  2s-5s
- JST/BEC  2s-5s
- Polyquest 2s-5s

Mittlerweile setzen sich aber Balancer durch, die ein Datenkabel bieten, dass in das Ladegerät eingesteckt wird. Dies ist ein erheblicher Sicherheitszuwachs, da der Lader bei einer Fehlermeldung vom Balancer sofort den Ladevorgang abbrechen kann. Somit ist bei richtiger Funktionsweise beider Geräte ein Überladen von Lipos fast unmöglich.

Literatur

  • Jochen Guther: Lithium-Polymer Akku-Technologie, Teil 1: Hintergrund und besondere Merkmale, Rotor 2/2004, Seite 50
  • Jochen Guther: Lithium-Polymer Akku-Technologie, Teil 2: Ladetechnik und Schutzschaltungen, Rotor 3/2004, Seite 52
  • Jochen Guther: Lithium-Polymer Akku-Technologie, Teil 3: Spannungscontroller und Überladeschutz, Rotor 4/2004, Seite 44

Siehe auch

Weblinks