Lipo-Akkus richtig behandeln [Update]

Der Lipo-Akku hat in Rekordzeit alle anderen Akkutypen bei den Flugmodellen abgelöst. Aufgrund des unterschiedlichen Aufbaues im Vergleich zu NiCd- und NiMh-Akkus muss allerdings der Akku anders behandelt werden als gewohnt, damit dieser seine volle Leistung entfalten kann und ein langes Leben hat.

Warum überhaupt Lipo-Akkus?

Der entscheidende Vorteil von modernen Lipo-Akkus ist das Gewicht. Lipo-Akkus sind erheblich leichter als die bis dato gebräuchlichen NiCd oder NiMh-Akkus. Ein 3-Zellen Lipo-Akku (z.B. KOKAM 3200) wiegt nur 300g – hat aber die gleiche Leistung wie ein 10-Zellen SubD-Akku (z.B. GP3200NiMH) der nahezu 700g wiegt. Im Flugmodellbau sind daher heutzutage (Stand August 2010) die NiCad oder NIMH-Zellen praktisch nicht mehr im Einsatz, von „historischen“ Modellen einmal abgesehen.

Technische Grundlagen

Beim Lithium-Polymer-Akku besteht die Kathode (negative Elektrode) aus Graphit, die Anode aus Lithium-Metalloxid- Als Elektrolyt wird eine Substanz auf Polymerbasis, das als feste bis gelartige Folie vorliegt, verwendet. Die Komponenten des Akkus – Stromzuführung, negative Elektrode, Elektrolyt, positive Elektrode – werden in der Regel als Schichtfolien mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer hergestellt. Die typische Bauform der Lithium-Polymer-Akkus für den Modellbau sind flache Riegel mit einer Hülle aus Aluminumfolie.

Lithium-Polymer-Akkus sind elektrisch und thermisch empfindlich: Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (größer 60 °C) oder zu niedrigen Temperaturen (kleiner 0 °C) und längeres Lagern in entladenem Zustand schädigen oder zerstören die Zelle in den meisten Fällen.

Lithium-Polymer-Akkus können sich bei Überladung entzünden oder auch verpuffen – daher ist zur Ladung unbedingt ein für diesen Akku konstruiertes beziehungsweise ein spezielles Li-Akku-Ladegerät (I/U-Verfahren) zu verwenden. Die meisten Ladegeräte für den Modellbau, die heute verkauft werden, haben einen Modus für LIPO und teilweise auch Lithium-Ionen-Akkus.

Bei der Handhabung sind Kurzschlüsse unbedingt zu vermeiden – selbst wenn die nur ganz kurz sind können diese den Akku nachhaltig schädigen. Ebenso ist es für den Akku sehr schädlich, diesen im Sommer im Auto in der prallen Sonne zu lagern. Ein Nachmittag kann genügen, den Akku ins jenseits zu befördern. Kälte ist zwar nicht so kritisch, aber dennoch sollte man extreme Minus-Temperaturen (-10 Grad und tiefer) vermeiden.

Weitere Lithium-Akkutypen

Neben den Lithium-Polymer-Akkus (LiPO) gibt es auch Lithium-Ionen-Akkus (LION). Diese werden in der Regel in einem runden Metallgehäuse geliefert und sind auch unter dem Begriff „Konion“-Zellen bekannt. Diese Akkus brauchen nicht unbedingt einen Balancer, wobei dieser nicht schaden kann. Wichtigster Unterschied zum Lithium-Polymer-Akku ist aber die um 0,1 Volt geringere Zellenspannung von hier nur 3,6 Volt. Diese Akkus sollten daher mit einem Ladegerät geladen werden, das auch eine LION-Modus hat.

Ganz neu sind Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren (LIFe). Diese sind eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators. Als Kathodenmaterial wird LiFePO4 verwendet. Auch hier wird in der Regel ein rundes Metallgehäuse verwendet. Die Akkus werden z.B. unter dem Namen „A123“-Zellen angeboten. Inzwischen gibt es allerdings diese Akkus auch in Riegelform – z.B. als Hacker TopFuel Akkus. Auch hier sollte idealerweise ein Ladegerät mit LIFe-Modus eingesetzt werden – z.B. Schulze Next oder ORBIT Lader.

Einbau im Modell

Beim Einbau in das Modell gelten grundsätzlich die gleichen Regeln wie bei „normalen“ Akkus. Immer auf sichere Befestigung und ausreichende Lüftung achten. Die die meisten Akkus als „Alutüte“ geliefert werden, sollte man darauf achten, dass im Falle eines Absturzes der Akku nicht von spitzen Bauteilen durchlöchert wird. Sollte die Hülle des Akkus beschädigt werden, sodaß Elektrolyt austritt kann man den AKku danach getrost wegwerfen.

Einsatz und Lebensdauer

Es ist zu empfehlen, einen Lipo-Akku immer immer nur zu maximal 70%-80% zu entladen, weil dies die Lebensdauer des Akkus verlängert. Als minimale Entladeschlußspannung geben die Hersteller Werte zwischen 3,6 und 3,4 Volt an – spätestens dann sollte der Regler abschalten um den Akku nicht sofort zu ruinieren. Allerdings sind das schon sehr niedere Endwerte. Wenn man hier auf 3,8 Volt hochgeht, dankt es der Lipo-Akku mit deutlich längerer Lebensdauer.

Daher sollte man Akkus, die für den Antrieb eingesetzt werden, nicht gnadenlos leer fliegen bis der Regler abschaltet. So behandelte Zellen sind aus den oben genannten Gründen oft schon nach nur 10 Zyklen in ihrer Kapazität halbiert. Wenn man nun die Zellen nur zu 80% entlädt, tritt eine Halbierung der Kapazität nach meiner Erfahrung erst nach ca. 60-80 Zyklen ein – vorausgesetzt die maximale Dauerbelastung wird nicht überschritten.

Die Lebensdauer einer Lipo-Zelle ist z.B. vom Hersteller KOKAM so spezifiziert: „Die Lebensdauer der Zelle ist erreicht, wenn sie nur noch 80% ihrer ursprünglichen Kapazität hat“. Das ist die Ansicht des Herstellers – benutzen kann man die Zelle länger. Allerdings steigt mit sinkender Kapazität auch der Innenwiderstand, sodaß die Zelle weniger Maximal-Strom abgegeben kann.

Unter Bedingungen mit relativ geringer Last wie z.B, beim Einsatz als Empfängerstromversorgung, sind wohl 400 bis 500 Lade/Entladezyklen vom Hersteller angegeben. Bei Hochstrombelastung, also bei Verwendung als Antriebsakku, sieht die Sache anders aus. Die meisten Hersteller, auch Kokam, verweigern hier klare Aussagen. Offiziell sind die meisten Lipo-Akkus von den Herstellern der Zellen (die nicht mit den Herstellern der fertigen Akkus identisch sind!) mit allerhöchstens 10 C (also ein Strom in Höhe der 10fachen Kapazität) freigegeben.

Temperaturen

Ein Lipo-Akku möchte es ein bischen warm haben, sonst ist sein Innenwiderstand zu hoch und der Akku kann nicht den vollen Strom abgeben. Ideal sind Tempoeraturen von ca. 30°-35° Celsius. Daher empfiehlt sich im Winter auf jden Fall der Einsatz einer Wärmebox. Hier kann der Akku schön mollig warm bei 30° transportiert werden und ist dann beim Einsetzen in das Modell in vollem Umfang leistungsbereit. Eine genaue Bauanleitung für eine solche Wäremebox findet man auf der Seite „Der LIPO-Koffer“.

Zu warm mögen es die Akkus aber auch nicht: Ein geladener Akku im Auto in der prallen Sonne kann sich schon mal über 70 Grad aufheizen. Die Folge ist ein Aufblähen und er wird dann unbrauchbar. Auch beim Entladen(also beim EInsatz im Modell) sollte der Akku nicht wärmer als 55°-60° Celsius werden, sonst kommt es früher oder später zum Aufblähen des Akkus. Dabei kann das Modell zerstört werden, wenn der Akku eng im Modell sitzt (sogar Voll-Gfk-Rumpfe werden dabei problemlos „geknackt“). Und aufgeblähte Akkus kann man getrost entsorgen – für irgendwelche „seriösen“ Anwendungen sind diese nämlich nicht mehr zu gebrauchen.

Also für Kühlung sorgen oder die Strombelastung des Akkus reduzieren.

Eine Lagerung der Lipo-Akkus bei tiefen Minus-Temperaturen – z.B. nachts im Auto bei winterlichen Wetterverhältnissen – kann die Akkus ebenfalls sofort nachhaltig schädigen. Der Akku quittiert so etwas in der Regel mit dauerhaften Kapazitätsverlust.

 

Akku-Kontrolle

Wer LiPo-Akkus oder die Abarten einsetzt, sollte sich unbedingt einen Akku-Checker leisten. Die Geräte gibt es in verschiedenen Ausführungen und zu Preisen zwischen 20 und 30 EUR.

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Damit kann man schnell den Ladezustand eines Akkus prüfen, aber auch die Spannungslage einzelner Zellen und die Spannungsunterschiede. Nach dem Flug kann man gleich mal prüfen, wie sehr der Akku gelitten hat. Wenn man einen Ladezustand kleiner 10% hat, dann wurde der Akku definitiv zu heftig entladen und die Halbierung der Kapazität ist dann meist schon nach 10-20 Zyklen erreicht.

Ladetechnik

Die Ladeschlußspannung einer Lipo-Zelle liegt bei 4,2 Volt. Wird diese überschritten, kann es zum aufblähen der Zellen, ja sogar zum Entzünden des Akkus kommen.

Daher muß auf jeden Fall ein geeignetes Ladegerät benutzt werden. Die Auswahl ist hierbei mittlerweile groß. Ein zeitgemäßes Lipo-fähiges Ladegerät hat einen Balancer und kann damit während des Ladevorganges jede einzelnen Zelle eines Akkupacks überwachen.Trotzdem sollte man hier nicht unbedingt das „billigste“ Angebot wählen. Ein höherwertiges Ladegerät schont den Geldbeutel – wenn die Lebensdauer der Akkus um nur 10% steigt, hat es sich schnell bezahlt gemacht.

Achtung bei Li-Ion- und Li-Fe-Akkus: Diese haben eine 0,1 Volt geringere Zellenspannung. Gute Ladegeräte können daher zwischen Lipo und Li-Ion, ggf. auch LiFe umgeschaltet werden. Sparen Sie nicht beim Ladegerät. Hier empfiehlt es sich, lieber ein paar Euro mehr für ein hochwertiges Markenprodukt auszugeben, das in der Regel alle Akkutypen laden kann und ggf. auch per Software-Update an die Parameter neuer Akkutypen angepasst werden kann.

Balancer-Stecker

Das dauerhafte Laden von Lipo Akkus ohne Balancer sollte vermieden werden, denn es reduziert die Lebensdauer des Akkus nachhaltig. Eine schnelle „Zwischendurchladun“ auf dem Platz geht auch mal ohne Balancer, aber dananch sollte wieder mit Balancer geladen werden.

Zum Anschluß des Balancers haben sich In Europa folgende Steckertypen etabliert:

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Bild: Der HS-Stecker – auch Molex-Stecker genannt – in Europa das sicherlich gebräuchlichste System. Es wird z.B. von Graupner, Robbe, Jamara, KOKAM, Pichler und vielen anderen verwendet. Vorteile: Kleiner Stecker, Kontakte im 2,54mm Raster und daher fast überall passend, lineare Verdrahtung, d.h. es können beliebig viele Zellen angeschlossen werden – der Stecker wirdpro Zelle um einen Kontakt länger.

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Bild: Balancerstecker nach dem System Thundertiger. Dieses wird z.B. von Thundertiger, Hyperion und diversen China-Herstellern verwendet. In USA weit verbreitet. Der Vorteil: Es hat eine Verriegelung, d.h. der Stecker steckt richtig fest! Der große Nachteil ist aber ein nicht lineare Verkabelung. Es gibt je nach Zellenzahl verschiedene Grundstecker, bei denen aber nicht alle Kontakte belegt sind. Daher werden dann Adapterkabel nötig, die zwar bei den meisten Ladegeräten aus Fernost beiliegen, die aber die Angewohnheit haben, im entscheidenden Moment nicht auffindbar zu sein.

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Leider gibt es dann noch einen dritten Typ eines Balancer-Steckers. Dieser wird von Hacker für die TOP-FUEL Akkus und auch von Multiplex für seine PERMA-Batt Lipos benutzt.

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Dieser ist recht klein, aus robustem Material und er hat eine Verriegelung, um einen Regler mit Einzelzellenüberwachtung sicher anschließen zu können. ABER Warum in aller Welt hat man hier einen Stecker mit Rastermaß 2,0 mm gewählt? Alle sonstigen Balancer etc. haben ein zölliges Raster von 2,54mm. Also braucht man auch hier wieder ein Adapterkabel. Die Belegung ist ansonsten mit dem HS-System identisch.

ACHTUNG: Bei LiFe-Akkus ist ein billiger Balancer eher kontraproduktiv,. Wenn man sich die Ladekurve anschaut, stellt man fest, dass sich 80% der Ladung in einem Zellenspannungsbereich von ca. 100mV abspielt. Insbesondere die einfachen China-Lader mit eingebautem Balancer beginnen aber direkt zu Ladebeginn an zu balancieren. Sie sehen 10mV Differenz zwischen den Zellen und beginnen sofort heftig zu balancieren um die Zellen in der Spannungslage anzugleichen. Das schaffen sie aber nicht, weil die einzelnen Zellen unterschiedliche Ladekurven haben. Am Ladeende über 3,5V steigt die Spannungslage der Li-Fe-Zellen jedoch sehr schnell an. Die Zellen die der Balancer zuvor entladen hat, haben nun u.U. eine niedrigere Spannungslage als die Anderen und der Pack beginnt extrem auseinanderzudriften. Lädt man jedoch ohne Balancer, treffen sich alle Zellen bei ziemlich exakt 3,6V, egal wie weit sie vorher auseinander gedriftet waren. Allerdings sollte man ca. alle 20 Ladezyklen die Spannungslage mit einem Akkuchecker kontrollieren.

Lagerung von Akkus

Alle Arten von LIxx-Akkus sollte man über lange Zeit – d.h. mehr als 4 Wochen – nicht in voll geladenem Zustand lagern, weil dies die Akkus schädigen kann. (Die intere Zersetzung der Zellenchemie läuft in vollem Zustand beschleunigt ab) Moderne Ladegeräte (z.B. Schulze Next-Serie) haben einen LIPO-Lager-Modus, mit dem man die Spannung des Akkus auf lagertaugliche 3,8 bis 3,9 Volt je Zelle entladen kann. Idealerweise lädt am den Akku auf ca. 40% seiner Kapazität und lagert dann den Akku an einem kühlen, trockenen Ort. Hier ist ein Akkuchecker zur Prüfung hilfreich.

Auf keinen Fall so lagern, dass die Akkus in der Sonne oder neben der Heizung liegen, das beschleunigt die Alterung ganz erheblich. Idealerweise lagert man die Akkus bei Temperaturen zwischen 5 und 15 Grad Celsius (Angabe von SUNSHINE Batteries)

Die Akkus regelmäßig kontrollieren, denn es kann durchaus passieren, dass sich Akkus plötzlich aufblähen. Diese aufgeblähten Akkus nicht mehr verwenden sondern entsorgen. Wird ein aufgeblähter Akku geladen kann dieser platzen und in Brand geraten.

Entsorgung von Akkus

Nur entladene Akkus entsorgen, aber keinesfalls einfach in den Hausmüll werfen! Unbedingt korrekt entsorgen, d.h. beim Händler wieder abgeben oder in die örtliche Schadstoffsammelstelle bringen. Vor der Rückgabe die Kontakte des Akkus isolieren oder abkneifen, damit es keinen Kurzschluß geben kann und der Akku in Brand gerät.

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