LiPo-Akkus...
Aufbau, Funktion und Handhabung - laden, entladen und lagern.

[12/2014] Innerhalb der Lithium-Familie haben die Lithium-Polymer-Akkus ihren Platz in den Modellflugzeugen erobert. Der Grund liegt auf der Hand: Sie liefern viel Leistung bei geringem Gewicht und kleinem Volumen = wenig Platzbedarf. Am unteren Ende der Skala rangiert der Blei-Akku: groß, mit viel Gewicht und vergleichsweise wenig Leistung.
Akku-Typen, Lipo
Einen großen und mitunter folgendschweren Nachteil haben LiPo-Akkus indes doch: bei falscher Handhabung blähen sie sich auf, gehen schnell kaputt und können sogar unter extrem heißer Flammenbildung (größer 130°C) explodieren. Die richtige Handhabung erhöht die Lebensdauer und Leistung dieser Batterie und verhindert Unfälle. Gut beraten ist, wer sich mit dieser Akku-Technologie zumindest in Grundzügen befasst.

Aufbau und Funktion
...lassen sich schematisch und vereinfacht für eine Zelle in etwa so darstellen und beschreiben:
LiPo - Aufbau  und Funktion
Beim Ladevorgang werden die positiven Lithium-Ionen zur negativen Kupfer-Elektrode bewegt und lagern sich auf ihrem Weg nach dort an die Kohlestoff-Moleküle an.
Sind alle Li-Ionen auf der anderen Seite und wird der Ladevorgang beendet, verhindert eine Trennschicht, dass sie wieder an ihren ursprünglichen Ort zurück kehren.
Wird nun ein Verbraucher an den Akku angeschlossen, bewegen sich die Li-Ionen durch den Elektrolyt und die Trennschicht wieder in ihre Ausgangslage zurück.
Der Widerstand, der sich den Li-Ionen dabei entgegenstellt, ist der Innenwiderstand des Akkus. Je geringer er ist, je höher ist die Leistung des Akkus. Je weniger also Elektrolyt und Trennschicht den Ionen-Fluß behindern, je mehr Strom kann fließen und je weniger Wärme wird dabei erzeugt. Der maximal mögliche Strom wird als C-Angabe aufgedruckt.

Kennzeichnung
Lipo-Akkus werden durch die Anzahl ihrer Zellen, ihre Stromkapazität und ihren maximalen Entladestrom gekennzeichnet. Beispielsweise bedeuten bei der Kennzeichnung 3s/1.500mAh/30C:
3s => 3 Zellen seriell = in Reihe geschaltet, für höhere Spannungen eines Akku-Packs
1.500mAh => Kapazität. Dieser Akku kann z.B. eine Stunde lang 1.500mA = 1,5A Strom liefern. Dann ist er leer (und kaputt, s.u.). Oder für 6 Minuten (= 0,1 Stunden) 15A oder, oder ...
30C => gibt den Maximalstrom an. Dem Beispiel-Akku kann das 30-fache seiner aufgedruckten Kapazität an Strom entnommen werden ohne dass seine Chemie dabei Schaden nimmt. Im Beispiel also 30 x 1,5A = 45A. Leider sind diese Angaben häufig unrealistische Marketingversprechen und man ist gut beraten, maximal nur 70% dieses Wertes zu entnehmen (also 45 x 0,7 = zirka 32A).

Laden...
Nennspannung: 3,7V - dies entspricht etwa 50% der Akku-Kapazität
Ladeschlussspannung: 4,2V (über 4,25V/Zelle besteht Explosionsgefahr, ab 4,3V definitv!)
Ladestrom: 0,8 bis 1,2C - mehr nicht. Zuviel Ladestrom schwächt den Akku. Es gibt schellladefähige LiPos mit 3 bis 5C. Doch auch hier sollte man auf hohe Ladeströme verzichten, vor allem wenn die Temperatur (des LiPos) unter 15° bzw. über 40°C liegt. Auch ein Argument: Mit hohen Ladeströmen lassen sich nur 70-80% der Akku-Kapazität "befüllen".
Ladezyklen: je nach Akku-Typ und Pflege zwischen 100 bis 500
Mit einem LiPo-fähigen Ladegerät/-programm: Das sind mikroprozessorgesteuerte Ladegeräte mit auf die Kennlinie von LiPo-Akkus eingestellten Ladeprogrammen. Falsche Ladeprogramme führen zur Explosion, einfache bzw. billige Steckerlader leider immer wieder auch...
Immer mit Balancer laden: Besteht ein Akku-Pack aus mehr als einer Zelle, prüft das Ladegerät über den Balancer-Anschluss die Spannungslage jeder einzelnen Zelle. Ist diese z.B. im Vergleich zu den andern Zellen zu hoch, leitet die Elektronik des Laders ein Stück des Stromes an dieser Zelle vorbei - solange, bis die anderen Zellen nachgezogen haben und alle wieder gleichauf liegen. Damit wird gewährleistet, dass a) keine der Zellen überladen wird und b) keine der Zellen bei Erreichen der Ladesschlussspannung den anderen in ihrer Spannungslage hinterher hinkt.

Typische Ladekurve einer Lipo-Zelle
Akku-Typen, Lipo
Anfangs wird mit konstantem Strom geladen
Sind zirka 85% der Kapazität eingeladen, schaltet das Ladegerät auf konstante Spannung um und reduziert den Strom
Fällt der Strom auf 3% des eingestellten Stromwertes, schaltet das Ladegerät ab.
Gibt man sich mit 4,15V als Ladeschlussspannung zurfrieden, verzichtet man auf nur 5-10% der Gesamtkapazität der Zelle, spart sich indes aber etwa ein Viertel der Ladezeit und die Zelle wird wesentlich weniger gestresst, was ihre Lebensdauer spürbar erhöht!

Entladen...
Die Entlade-Schlussspannung liegt bei 3.0V pro Zelle. Bei Spannungen unter 2,5V nimmt die LiPo-Zelle definitiv Schaden. Es bildet sich eine Isolationsschicht um die Elektrode und die Zelle ist "tot" (s.u.).
Maximaler Entladestrom: Der aufgedruckte C-Wert gibt den Hinweis. Weil er meist aus verkaufstechnischen Gründen zu hoch ist, vorsichtshalber reduzieren. Als praktikabel hat sich erwiesen: Kapazität (in A) x C-Wert x 70%. Einen Akku mit 2.200mAh und 30C also mit 2,2 x 30 x 0,7 = zirka 45A dauerhaft belasten.
Zu hohe Entladeströme zerstören jeden Lipo-Akku. Im Betrieb und im Falle eines Kurzschlusses erst recht. Selbst kurze Kurzschlüsse (wenn’s mal kurz funkt) sind schädlich und zu vermeiden. Dauert ein Kurzschluss nur einen Augenblick länger, läuft der Akku innen heiß und entwickelt sich zum Selbstläufer (s.u.).
Nie ganz entladen: Bei etwa 70 bis 80% entnommener Kapazität "nach Hause fliegen" und mit der Entladung aufhören. Die Zellen fallen sonst unter die ungünstige 3V-Schwelle und bei der kleinsten Belastung sofort unter die kritischen 2,5V = Zerstörung der Zelle. Ein "leerer" Akku hat nach dem Flug in unbelastetem Zustand noch etwa 3,4 bis 3,6V pro Zelle.
Wenn's kalt wird... und die Außentemperaturen unter 10°C fallen, verdirbt dies dem LiPo den Spaß! Sein Innenwiderstand steigt, seine Stromfähigkeit geht runter. Es ist sinnvoll, den Akku vorzuwärmen (z.B. in einem thermisch geschützten Behälter, zusammen mit einem Taschenwärmer).

Typische Entladekurven von Lipo-Zellen
Akku-Typen, Lipo
schon nach kurzer Zeit fällt die Spannung einer auf 4,2V voll geladenen Zelle unter 4V => eine Ladung auf 4,1V schont den Akku, erhöht seine Lebenszeit und man verliert kaum an Flugzeit.
die stromstärkere 40C-Zelle verweilt sehr lange zwischen 3,9 und 3,7V und fällt dann sehr schnell und rapide ab!
die 20C-Zelle hingegen hat eine "weichere" Kennlinie: sie gibt schneller nach und geht langsamer "zu Ende"
Eine 40C-Zelle kann also deutlich stärker belastet werden und liefert dabei mehr Spannung - dann aber gehts so schnell zu Ende, dass ein "nach Hause fliegen" kaum noch möglich ist. Es gilt die Spannungsschwellen einer Einzelzellenüberwachung entsprechend einzustellen (s.u.).

Lagerung...
Auf Lagerspannung bringen: den Akku auf 3,6 bis 3,7V pro Zelle laden bzw. entladen. Viele Ladegeräte haben ein Entladeprogramm - die meisten leider nur mit wenig Leistung. Denn die im Akku steckende Leistung muss ja irgendwohin - und das möglichst schnell. Wer einen vollen 3s/2.200mAh-Akku mit 10A entladen möchte, müsste dafür in seinem Ladegerät 12,6V*10A = 126W vernichten. Die meisten können aber nur um die 10W, dies entspräche dann einem Entladestrom von 0,8A und bei einem 2.200mA-Akku einer Entladezeit von zirka einer Stunde. Kein guter Plan, wenn das Wetter schlecht war oder am Abend vor dem Urlaub schnell noch 4 oder 5 Akkus entleert werden sollen... Was tun? Eine H4-Birne als Halbentladungsgerät kann helfen.
Die Lagertemperatur liegt idealerweise zwischen 15°C und 25°C, nicht unter 0°C und nicht über 45°C.
Geeigneter Lagerort: Eine Umgebung wählen, wo eine eventuelle Explosion keine größeren Schäden anrichten kann. Zum Beispiel in Hohlblock-Betonsteinen aus der Baustoffhandlung (für 1-2 EUR das Stück) auf einem Natur- oder Betonboden im Keller. Ein solcher Stein hat neun Löcher und in jedem Loch lässt sich ein Akku verstauen. So sind sie von einander getrennt und können sich im Fall des Falles nicht gegenseitig hochjagen. Oben drüber eine Steinfliese, damit der Rauch nicht die Umgebung einäschert. Besonders geschickt ist eine im Netz gezeigte Lösung mit einem Sandsack in Form eines Kunstsoffbeutels oben drüber gelegt: Geht ein Akku hoch, schmilzt der Kunststoffbeutel, der Sand rieselt auf den Akku und das Feuer wird erstickt.
Selbstentladung kommt bei LiPos nur in sehr geringem Umfang vor, ist aber vorhanden. Deshalb alle 5-6 Monate mal die Spannung jeder einzelnen Zelle überprüfen und gegebenenfalls nachladen oder ausbalancieren.

Was noch...?
Neue Akkus müssen erst "einlaufen" => ihre Trennschicht und ihr Elektrolyt müssen sich an die Ionen-Wanderung gewöhnen. Das heißt, vor der ersten großen Belastung drei- bis viermal laden (mit 0,8 bis 1C = im Beispiel des 1.500er-Akkus also mit 1,2 bis 1,5A) und wieder entladen mit maximal 10C (15A, besser nur mit 10A). So lässt sich ihre aufgedruckte Kapazität erschließen und für die Lebenszeit des Akkus auch nutzen.
Nicht gleich Vollgas fliegen: Die entnehmbare Kapazität von Lipo-Akkus im Betrieb lässt sich in Richtung 100% erhöhen, wenn man die ersten 60-90 Sekunden nur mäßig Strom (5-10C) entnimmt. Wer sofort Vollgas gibt und herumheizt wird feststellen, dass sein Lipo nur 70 bis 80% der eingeladenen Kapazität hergibt und dann leer meldet.
Innenwiderstand niedrig halten: Der Innenwiderstand ist produktionsbedingt durch die Trennschicht und den verwendeten Elektrolyt vorgegeben. Im Laufe der Zeit werden Elektrolyt und Trennschicht schlechter, beispielsweise durch zuviel Stromentnahme oder zu hohe Ladeströme. Oder die Elektroden oxidieren durch zu hohe Betriebs- und Lagertemperatur oder längeres Lagern mit zu hoher oder zu niedriger Zellenspannung.
LiPos nie lange voll oder leer liegen lassen! Länger als eine Woche sollte nicht sein. Der Innenwiderstand nimmt bereits nach 2 Wochen spürbar zu und die Akku-Kapazität ab.
Akku leer geflogen? Eine tiefere Entladung als 3V pro Zelle erhöht den Innenwiderstand und sollte vermieden werden. Problem: Regler schalten bei 3V pro Zelle ab. Hat der Regler beim Anstecken des Akkus drei Zellen erkannt, wäre dies bei 9V. Sind zwei Zellen gut und haben 3,2V und 3,3V, dann hat die schlechteste und dritte Zelle nur noch 2,5V. Womit sie Flug für Flug ihrem sicheren Tod entgegen steuert. Abhilfe: a) bei niedrigem Akkustand nur noch mit Schleppgas = wenig Strombelastung "nach Hause fliegen" und b) mithilfe einer Einzelzellenüberwachung oder per Telemetrie die Spannungslage der schwächsten Zelle anzeigen und rechtzeitig landen.
Tiefentladung passiert? Im besten Fall lässt sich die Zelle mit dem LiPo-Ladeprogram einzeln auf Nennspannung mit 0,8C Ladestrom wieder hochladen. Wenn’s blöder gelaufen ist, hat sich um ihre Elektrode eine Isolationsschicht gebildet und die Zelle ist "tot". Sind im Akku-Pack mehrere Zellen in Reihe geschaltet, lässt sich der gesamte Akku-Pack nicht mehr laden. Durch Einzelzellenmessung die defekte Zelle suchen und diese einzeln mit einem NiMH-Ladeprogramm für wenige Minuten laden (z.B. über den Balancer-Stecker und unter Aufsicht!). Wenn’s klappt, löst sich die Isolationsschicht wieder und man kann die Zelle mit dem LiPo-Ladeprogramm bis auf Lagerspannung bei etwa 1C weiter laden. Dann den gesamten Akku-Pack laden und die betroffene Zelle während der nächsten Entlade- und Ladezyklen auf Schwachheit hin beobachten. Wenns nicht klappt, die Zelle entweder heraus löten und durch eine neue ersetzen oder den ganzen Akku entsorgen (s.u.).
Akku läuft heiss / explodiert: Durch Kurzschluss, zu hohe Entladeströme oder Hitzeeinwirkung können LiPos überhitzen und zum Selbstläufer werden (ab größer 60°C). Sie heizen sich selbst weiter auf, bis ihr Innendruck soweit steigt, dass die Zelle platzt und der Elektrolyt unter Flammenbildung und meist über 130°C heiß umher fliegt. Ein rechtzeitiges schnelles Abkühlen des Akkus kann den "Platzer" verhindern (z.B. in Schnee legen, mit kaltem Wasser abkühlen, in kühle Erde eingraben etc.). Ist der Akku geplatzt, auf KEINEN FALL mit Wasser löschen wollen - der Sauerstoff im Wasser facht den Brand noch weiter an. Ersticken ist die beste Methode (mit Löschschaum/Feuerlöscher, schwer entflammbare Decke oder Sand drüber). Salzwasser soll angeblich auch helfen (doch woher so schnell nehmen?). TIPP: Wer Akkus selbst lötet, stellt am besten einen alten Kochtopf in Reichweite und macht dies in Nähe eines schnell zu öffnenden Fensters oder Türe. Wenn’s passiert, kündigt es sich erst durch warm, dann heiß werden an, dann folgt blähen und dann muss der Akku im Topf und der Topf auch schon draußen sein, denn dann knallt’s. Doch nichts wird so heiß gegessen, wie gekocht! Aus einem auf Ladespannung gebrachten und 1-2 Jahre alten Akku entweicht bestenfalls noch eine giftige und übel riechende weiße Wolke, oftmals sogar nur noch ein Wölkchen. Gefährlich - und dies auf keinen Fall zu unterschätzen - sind voll geladene und neue Akkus!
Entsorgung: Eine Methode besteht darin, den Akku im Freien vollständig zu entladen und dann einen Nagel durchzuschlagen. Sofern noch Energie drin ist, entweicht das weiße Wölkchen. Anschließend noch ein bis zwei Tage liegen lassen und ab in den Sondermüll (Wertstoffhof). So ist gewährleistet, dass er dort keinen Schaden mehr anrichtet. Wer's weniger unterhaltsam liebt und an Hammer, Nagel und Wölkchen keine Freude hat, kann die Akkus alternativ in einen Wasserbehälter mit Salzwasser legen (Kochsalz oder Geschirrspülersalz drin auflösen). Die Ionen im Wasser sorgen für eine langsame und kontrollierte Entladung. Keine Wolke, keine Abgase, Ruhe. Nach ein paar Wochen die Akkus rausholen, vorsichtshalber zuvor nochmal die Spannungslage pro Zelle nachmessen und ab zum Sondermüll.

Innenwiderstand und seine Auswirkung
Nehmen wir einmal an, der Innenwiderstand eines 20C-Akkus läge bei 45 mOhm pro Zelle und der eines guten 30C-Akkus bei 25 mOhm. Dann würde sich das nachfolgende Rechenbeispiel ergeben:
Ri-Auswirkung eines Lipos
In diesem (vereinfacht dargestellten) Beispiel würde also der 30C- im Vergleich zum 20C-Akku das Modell mit 260g Schub mehr und um 23km/h schneller bewegen. Weil ein ins Alter gekommener und schlecht gepflegter 30C-Akku von seinem Innenwiderstand zum 20C-Akku mutiert, gilt das für den 30C natürlich in gleicher Weise.

Fazit: Der richtige Umgang mit LiPo-Akkus sorgt für mehr Flugspass und entlastet das Hobby-Budget!

Wer mehr zum Thema Akkus wissen möchte => ein guter Link (von wahrscheinlich vielen) ist die Battery University

Anregungen und Verbesserungen sind gerne willkommen => kontakt(at)fly2air.com