Kleiner Leitfaden – LiPo Akkus für RC Anwendungen

Kleiner Leitfaden – LiPo Akkus für RC Anwendungen

Einleitung LiPo Akku

Lithium-Polymer-Batterien („LiPo“) sind ein Batterietyp, der heute in vielen Geräten der Unterhaltungselektronik verwendet wird. Diese Akkus haben in den letzten Jahren in der Funksteuerungsbranche an Popularität gewonnen und sind jetzt die beliebteste Wahl für alle, die lange Laufzeiten und eine hohe Leistung benötigen. LiPo-Akkus bieten eine Vielzahl von Vorteilen, aber jeder Benutzer muss entscheiden, ob die Vorteile die Nachteile überwiegen. Bei LiPo-Batterien gibt es in Hinsicht auf die Sicherheit nichts zu befürchten, solange die Regeln befolgt werden und die Batterien mit dem Respekt behandelt werden, den sie verdienen.

Dieser Leitfaden wurde nach vielen Stunden Recherche geschrieben. Dennoch stellt es keine absolute Erklärung da und erhebt keine Anspruch auf Vollständigkeit. 

Zunächst gehen wir auf die Vor- und Nachteile von LiPo-Batterien ein.

Vorteile / Nachteile LiPo Akku

Vorteile

  • leicht und kann in fast jeder Größe oder Form hergestellt werden
  • hohe Kapazität
  • hohe Entladungsraten, mehr Kraft

Nachteile

  • kurze Lebensdauer (300–500 Ladezyklen)
  • auf Grund der chemischen Zusammensetzung kann zu einem Brand kommen, wenn die Batterie beschädigt wird
  • benötigen besondere Sorgfalt beim Laden, Entladen und Lagern

 

Was bedeuten die Zahlen auf dem Akku

Wie bestimme ich eigentlich den richtigen Akku? Es gibt hauptsächlich 3 Kennzahlen, die für die Bestimmung des Akkus wichtig sind. Spannung, Kapazität und Entladestrom. Dazu passend unser Schaubild. Weiter unten gehen wir dann genauer auf die einzelnen Punkte ein.

Spannung

Eine LiPo-Zelle hat eine Nennspannung von 3,7V. Für die oben genannte 11,1V-Batterie bedeutet dies, dass drei Zellen in Reihe geschaltet sind (die Spannung wird addiert). Das heißt wir sprechen über einen “3S”, einen Akku mit 3 Zellen. Ein 1-Zellen-Pack (1S) hat 3,7V, ein 2-Zellen-Pack (2S) 7,4V und so weiter.

Die Spannung eines Akkus bestimmt im Wesentlichen, wie schnell ein Fahrzeug fahren wird. Die Spannung beeinflusst direkt die Drehzahl des Elektromotors (bürstenlose Motoren werden mit kV bewertet, was “Drehzahl pro Volt” bedeutet). Wenn man also einen bürstenlosen Motor mit einer Nennleistung von 3.500 kV hat, dreht dieser Motor für jedes Volt, das man anlegt, 3.500 U/min. Bei einem 3S LiPo-Akku dreht sich dieser Motor mit 38.850 U/min. Je mehr Spannung anliegt, desto schneller die Drehzahl des Motors.

Parallelschaltung

Auf den meisten Akkus wird nach dem S noch ein P angegeben, mit einer dazugehörigen Zahl. Bei unserem Beispiel Akku ist das 1P. Das P bedeutet Parallelschaltung. Ein Parallelschaltung wird genutzt, um die Kapazität zu erhöhen. Unser Akku hat nur eine Schaltung. Es sind keine weiteren Zellen parallel geschaltet. Steht zum Beispiel auf dem Akku 3S2P bedeutet das, hier sind 3 Zellen zusammen mit 3 weiteren Zellen parallel geschaltet. Die Spannung bleibt in diesen Fall bei 11,11V, aber der Akku hat das doppelte an Kapazität.

Kapazität

Die Kapazität einer Batterie, ist im Grunde das Maß dafür, wie viel Leistung die Batterie aufnehmen/abgeben kann. Man kann das vergleichen mit einem Kraftstofftank, hier geht es um die Menge, die der Tank fassen kann. Beim Akku stellt das die im Akku gespeicherte Menge an Energie dar. Die Maßeinheit wird in Milliamperestunden (mAh) angegeben. Dies bedeutet, wie viel Strom der Akku verbrauchen kann, wenn er eine Stunde lang entladen wird bzw. wie lange das Fahrzeug läuft, bevor man wieder aufladen muss. Je höher die Zahl, desto länger die Laufzeit. Flugzeuge und Hubschrauber haben nicht wirklich eine Standardkapazität, da sie in vielen verschiedenen Größen erhältlich sind. Für RC-Autos liegt der Durchschnitt jedoch bei 5000mAh.

Entladestrom

Spannung und Kapazität hatten direkten Einfluss auf bestimmte Aspekte des Fahrzeugs, unabhängig davon, ob es sich um die Geschwindigkeit oder die Laufzeit handelt. Die Entladungsbewertung (C-Bewertung) ist etwas schwieriger zu verstehen. Die nachfolgende Erklärung sollte aber Licht ins Dunkel bringen.

Die C-Bewertung ist lediglich ein Maß dafür, wie schnell die Batterie sicher und ohne Beschädigung der Batterie entladen werden kann. Man muss die Kapazität des Akkus kennen, um letztendlich den sicheren Stromverbrauch zu ermitteln (das “C” in der C-Bewertung steht tatsächlich für Kapazität). Sobald man die Kapazität kennt, ist es so ziemlich einfach diese Kennzahl zu berechnen.

50C = 50 x Kapazität (in Ampere)

Berechnung der C-Bewertung unserer Beispielbatterie: 25 x 2,3 = 57,5A

Die resultierende Zahl ist die maximale Dauerlast, die man sicher auf die Batterie anlegen kann. Ein höherer Wert führt bestenfalls zu einer schnellen Verschlechterung des Akkus. Im schlimmsten Fall könnte der Akku in Flammen aufgehen. Unsere Beispielbatterie kann also eine maximale Dauerlast von 57,5A bewältigen.

Beispiel. Nehmen wir an, wir haben einen RC Auto. Der verbaute Motor hat laut Hersteller eine Dauerstromaufnahme von 40A und bei Volllast bis zu 60A. Wenn wir uns für den oben genannten 3S 2300mAh 25C LiPo entscheiden, würde der vollkommen ausreichen. Die errechnete maximale Dauerstrombelastbarkeit dieses Akkus liegt bei 57,5A (25 x 2,3A), das ist sogar mehr als genug, um die 40A zu bewältigen, die der Motor verbraucht. In ähnlicher Weise deckt die Burst-Rate von 69A (30C) leicht die 60A ab, die der Motor unter Volllast benötigt.

Die meisten Batterien haben heute zwei C-Werte: einen kontinuierlichen Wert (den wir besprochen haben) und einen Burst-Wert. Die Burst-Bewertung funktioniert auf die gleiche Weise, außer dass sie nur in Bursts von 10 Sekunden und nicht kontinuierlich angewendet wird. Zum Beispiel würde die Burst-Bewertung beim Beschleunigen eines Fahrzeugs ins Spiel kommen, aber nicht, wenn Sie mit einer konstanten Geschwindigkeit fahren. Die Burst-Bewertung ist fast immer höher als die kontinuierliche Bewertung.

Tip: Wenn man einen LiPo-Akku für eine Anwendung sucht, sollte man zuerst heraus finden, welchen maximalen Strom die gesamte Anwendung verbraucht. Dafür ist nicht nur der Motor maßgeblich, sondern auch andere Stromverbraucher, weil diese auch die Batterie belasten.

Das richtige Laden

Es ist wichtig, ein LiPo-kompatibles Ladegerät für LiPo Akkus zu verwenden. Wie in der Einführung erwähnt, erfordern LiPo-Akkus spezielle Pflege. Sie werden mit einem System namens CCCV (constant current constant voltage) aufgeladen. Grundsätzlich hält das Ladegerät den Strom oder die Laderate konstant, bis der Akku seine Spitzenspannung erreicht. Dann wird diese Spannung beibehalten und gleichzeitig der Strom reduziert. Auf der anderen Seite laden sich NiMH- und NiCd-Akkus am besten mit einer Impulslademethode auf. Das Laden eines LiPo-Akkus auf diese Weise kann schädliche Auswirkungen haben. Daher ist es wichtig, ein LiPo-kompatibles Ladegerät zu haben.

constant current – In dieser Phase wird der Akku mit einem konstanten, durch das Ladegerät begrenzten Strom geladen. Dieser Strom entspricht dem maximalen Ladestrom des Akkus.

constant voltage – Nachdem die Ladeschlussspannung erreicht wurde, schaltet das Ladegerät auf das Konstantspannungsverfahren um und lädt den Akku nun solange bis der Ladestrom auf fast 0A zurückgeht oder auf einen vorher eingestellten Wert

Der zweite Grund, warum man ein LiPo-kompatibles Ladegerät benötigt, ist das Ausgleichen. Balancing ist ein Begriff, den man verwendet, um den Vorgang des Ausgleichs der Spannung jeder Zelle in einem Batteriepack zu beschreiben. Man muss LiPo-Batterien ausgleichen, um sicherzustellen, dass jede Zelle die gleiche Spannung besitzen.

Die meisten LiPo-Akkus müssen im Vergleich zu NiMH- oder NiCd-Akkus relativ langsam aufgeladen werden. Während man einen 3000-mAh-NiMH-Akku routinemäßig mit vier oder fünf Ampere aufladen würde, sollte ein LiPo-Akku, mit derselben Kapazität, mit nicht mehr als drei Ampere aufgeladen werden. So wie die C-Bewertung einer Batterie die sichere kontinuierliche Entladung der Batterie bestimmt, gibt es auch eine C-Bewertung zum Laden. Für die überwiegende Mehrheit der LiPos beträgt die Laderate 1C. Die Gleichung funktioniert genauso wie die vorherige Entladungsbewertung, wobei 1000 mAh = 1A ist. Den oben genannten Akku mit 2300mAh würden man also mit maximal 2,3A aufladen, einen 5000mAh LiPo lädt man mit maximal 5A auf. Die Laderate von 1C stellt die maximale Laderate dar. Es empfiehlt sich aber den Akku mit einer geringeren Laderate zu laden, das sorgt für eine längere Lebensdauer des Akkus.

1C = 1 x Kapazität (in Ampere)

Berechnung der C-Bewertung unserer Beispielbatterie: 1 x 2,3 = 2,3A

Noch ein paar Tipps zum Umgang mit LiPos

Hitzeentwicklung

1* Umso näher die Gesamtleistung eines Fahrzeuges an die Grenze der C-Rate/Entladerate stößt, desto heißer wird die Batterie. Durch die Hitze wird die Batterie schneller abgenutzt, was die Lebensdauer verkürzt. Es lohnt sich also, in LiPos mit höherer C-Rate zu investieren. Der Akku sollte nach der Verwendung idealerweise nicht mehr als 35° – 40° haben.

2* Der Akku sollte noch nicht nachgeladen werden, solange er warm ist.

3* Auch externe Wärme, wie direkte Sonneneinstrahlung (zum Beispiel im Auto) setzen einen Akku zu.

Anzahl Ersatzakkus / Lagerung

1* Der Nutzen einer LiPo-Batterie ist optimal, wenn diese möglichst oft verwendet wird. Wir empfehlen deshalb: besser weniger LiPos öfter verwenden, anstatt viele LiPos zu besitzen, welche man nur selten verwendet.

2* Für eine optimale Batterie-Lebenszeit empfiehlt es sich, die LiPo-Batterie bei einem Ladezustand zwischen 50%-80% der Kapazität, in einem möglichst kaltem Raum, zu lagern. Die Kälte verlangsamt die chemische Reaktion. Man sollte alle 3 bis 4 Monate nachladen. Eine LiPo-Batterie welche 50% geladen ist, besitzt eine Zellspannung von ~ 3.85V.

Entsorgung

1* Ein Akku oder eine Batterie werden bei der örtlichen Entsorgungsstelle oder bei geeigneten Sammelstellen entsorgt.

2* Vor der Entsorgung sollte der Akku vollständig entladen werden.