Grundlagen

Der Lithium-Ionen POlymer-Akku, auch LiPo oder LiPoly genannt, ist eine Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkus.

Beide Technologien verwenden als Anode das Leichtmetall Lithium und als Kathode Kohlenstoff, weswegen sich damit leichte Akkus mit hohem Leistungsgewichts bauen lassen.

Auf Grund seines besonderen Aufbaues erreicht er eine höhere Ionenleitfähigkeit als sein technologischer Vorgänger und dies prädestiniert ihn zum Einsatz als Energiequelle im Modellbau, wo hohe Ströme geliefert werden müssen. Von eher untergeordneter Bedeutung im Modellbau ist die geringe Selbstentladung.

Im Inneren besteht er aus metallischem Lithium und einem Elektrolytgel, zusammen liegt beides als eine Art "Folie" vor, welche in beliebiger Form aufgewickelt werden kann. Der aufgewickelte Akku wird dann in Folie luftdicht eingeschweißt; eine direkte Verpackung in ein festes Gehäuse ist nicht möglich, da während der Lade-/Entladevorgänge eine Volumenänderung stattfindet. Auch sind LiPos, die für höhere Entladeströme ausgelegt sind, immer auch ein wenig schwerer.

Die Preise sind in den letzten Jahren deutlich moderater geworden - als Richtwert im Internethandel kann man bei dreizelligen Akkupacks 10-15 Euro/Ah ansetzen (Stand: 2008). Einen 3S-LiPo mit 3200 mAh/15C bekommt man also für ca. 40 Euro, das ist allerdings sehr stark vom Bezugsland und von der Marke abhängig.

Wobei ein Akku mit 4000mAh die sinnvolle obere Grenze des Gewichtstechnischen beim Standard-MikroKopter darstellt, er würde zwar auch mit einem 5200mAh 500g Akku fliegen, dann aber wie das sprichwörtliche "Eisenschwein"...

Siehe auch Fliegen mit 4s statt 3s.

Ein sehr detaillierter Artikel mit Querverweisen findet sich hier (auf Englisch):

http://www.mpoweruk.com/lithium_failures.htm

Handhabung

Lithium-Polymer-Akkus sind elektrisch, mechanisch und thermisch empfindlich: Überladen, Tiefentladen, zu hohe Ströme, Betrieb bei zu hohen (> 60 °C) oder zu niedrigen Temperaturen (< 0 °C), Lagern in entladenem Zustand, mechanische Belastungen und Beschädigung der Folienverpackung schädigen oder zerstören die Zelle in den meisten Fällen. Man sollte ihn daher auf alle Fälle sicher in Schaum-/Moosgummi etc. im MikroKopter verpacken.

Bei Überladung kann sich der Akku sogar entzünden - dies kann leider auch auf Grund von Fehlern in der Produktion bei 'richtiger' Behandlung geschehen, wie die diversen Fälle explodierter oder abgebrannter Notebooks und Handys gezeigt haben.

Um dieses Risiko zu minimieren, sollte man daher zur Ladung unbedingt einen speziellen Lipo-Lader mit Balancer verwenden. Entsprechende Geräte sind egal ob modular oder in einem Gerät ab ca. 30 Euro erhältlich.

Interessante Videos zur "Falschbehandlung" und allgemeine Tips zur Handhabung und Ladung

Lebensdauer

Vorneweg: LiPos erreichen momentan bei weitem nicht die Langzeitstabilität und die Zyklenzahl von NiMh- oder NiCd-Akkus. Ab dem Tag der Herstellung setzt bei ihnen ein wesentlich schnellerer Verfallsprozess ein als bei anderen gängigen Akkutypen. Die Hersteller geben gerne 600 Zyklen in 2-3 Jahren als Lebensdauer an, das gilt natürlich wie immer nur unter optimalen Bedingungen und bei notebooktypischen niedrigen Entladeströmen. Aber 200-300 Zyklen in zwei Jahren sollten bei sehr guter Behandlung schon drin sein.

Die Lebensdauer hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab:

• Maximale Stromentnahme aus dem LiPo während des Fluges

• Qualität der Akkus
• Ladegerät und Balancer
• Tiefentladung
• Innenwiderstand

Entladestrom

LiPos haben eine Kenngröße 'C' für die maximal zulässige Dauerstromentnahme. Der max. zul. Dauerstrom ergibt sich aus 'C'-Wert x 'C'apazität. Also: 10C LiPo mit 1500mAh Kapazität = 10 x 1500mA = 15 Ampere Dauerstrom. Man kann auch höhere Ströme entnehmen, das verkürzt die Lebensdauer jedoch drastisch und kann u.U. auch zum Aufblähen oder schlimmstenfalls zu Entzündung führen (z.B. bei Kurzschluss).

Bevor man für seinen MikroKopter Akkus kauft, sollte man einmal kurz überschlagen, was die vier Motoren zusammen dem LiPo abverlangen.

Üblicherweise liefert der Motorhersteller ein Faltblatt mit der wichtigen Angabe: maximaler Laststrom. Das Vierfache dieses Laststromes sollte der LiPo schon verkraften können. Ein MK mit vier Roxxy 2827-34 + EPP1045 Propellern (max. 10A pro Motor) sollte also mindestens von einem C30 LiPo mit 1200mAh versorgt werden.

MKs mit kleineren Motoren und Luftschrauben brauchen entsprechend kleinere oder 10C/15C/20C Akkus, welche auch weniger kosten. Sollte jedoch nach beendetem Flug der LiPo heiß sein, war wahrscheinlich der Entladestrom zu hoch...

Die empfohlenen maximalen Entladeströme gelten nur für die Idealtemperatur (etwas höher als Zimmertemperatur). LiPos sollten vor starker Belastung auf 30-40° Celsius vorgewärmt werden, das gilt insbesondere für den Betrieb im Winter und für Mikrokopter mit schweren Lasten. Kleine Heizkoffer für den Betrieb an der Autobatterie oder tragbare Minikühlschränke mit Heizfunktion (ca. 20€) leisten zum Vorwärmen der Akkus gute Dienste. Alternativ kann man die LiPos auch in der Innentasche der Daunenjacke lagern...

Akkuqualität

Wie die Vergangenheit mit großangelegten Akkuaustauschaktionen von Handy- und Laptopherstellern gezeigt hat, ist Qualität gerade bei LiPos wichtig. Bekannte Hersteller sind u.a. Sony, Kokam, Wanma, etc., hier hat man halbwegs die Sicherheit, dass die Angaben der Akkus und die Qualität auch stimmen. Andere Produktnamen sind meist nur Labels, die auf Zellen dieser wenigen Hersteller geklebt wurden. So stellt z.B. Graupner keine Akkus selber her, sondern verwendet z.B. Kokam.

Im Internet werden viele NoName-Akkus angeboten. Ob man damit glücklich wird, muss man leider selbst herausfinden. Wenn man einen 'kleinen' MikroKopter mit geringer Leistungsaufnahme hat, ist es evtl. nicht so kritisch (siehe auch: Entladestrom).

Tiefentladung

Tiefentladungen sind für LiPos sehr schlecht und können den Akku in leichten Fällen 'nur' 5% seiner Kapazität kosten, in schweren Fällen ihn aber auch zerstören. Der MikroKopter besitzt wie jedes vernünftige Gerät mit LiPos eine konfigurierbare Tiefentladewarnung, d.h. wenn der Pieper während des Fluges ertönt, sollte man sofort landen. Ebenfalls sollte man den LiPo sofort vom MK trennen, weil evtl. noch aktive Komponenten (Regler, Servos, Empfänger) ihn sonst weiter entladen.

Circa 15 min nach dem Flug hat sich die "Chemie" im Akku wieder "beruhigt", und er sollte wieder aufgeladen werden. Da LiPos keinen Memoryeffekt kennen, braucht bzw. soll man sie auch nicht komplett leer fliegen.

Innenwiderstand

Der Innenwiderstand ist sozusagen ein Maß für die noch vorhandene Qualität eines Akkus bzw. dessen Alterung. Um den Innenwiderstand von Akkus zu messen, benötigt man eine definierte Entladung (z.B. via Ladestation oder Autolampe) mit z.B. 4 Ampere.

Nach dem Laden misst man die Gesamtspannung des Akkus = Leerlaufspannung.

Danach belastet man den Akku mit der Glühbirne 4 Amp = Lastspannung.

Mit dieser Formel berechnet man den Innenwiderstand:

Ri =-dU/dI = (20,91V-20,83V)/4A = 20mOhm (Beispiel für einen 5 S Akku)

Rechnung: (20,91-20,83)=0,08:4=0,02 X 1000 = 20 mOhm

Der Akku mit 5 Zellen hat einen Innenwiderstand von 20 mOhm, eine Zelle demnach 4 mOhm. Nun sind 4 mOhm für eine Zelle ein sehr guter Wert und dieser entspricht einem neuen Akku.

Ein brauchbarer Akku hat einen Ri zwischen 4 u 50 mOhm. Ab 100 mOhm macht es dann keinen Spaß mehr, geringe FlugZeit, weniger Dampf, längere Aufladezeiten (Balancen).

Um schwache Zellen zu ermitteln, greift man über den Balancerstecker die einzelnen Zellen ab und errechnet mit der Formel den Ri einer Zelle. Unbrauchbare Zellen sollte man nicht gegen bessere Zellen austauschen, die noch guten Zellen kann man freilich für andere Zwecke weiter verwenden.

Rettung bei tiefentladenen LiPos

Achtung: Auf eigene Gefahr!

Wenn ein LiPo mal tiefentladen wurde, wollen viele Ladegeräte den Akku nicht mehr laden oder die automatische Zellenanzahlerkennung funktioniert nicht mehr.

In solch einem Fall kann man den LiPo an ein Labornetzteil mit Strombegrenzung anschließen. Man sollte nach Möglichkeit jede Zelle einzeln laden, d.h. über den Balancer-Anschluss mit dem Netzgerät verbinden. Die Ladespannung liegt bei 3,7V pro Zelle bei einem Ladestrom vom 1/10 C. Sollte innerhalb einer Stunde die Spannung der Zelle nicht über 3,3V kommen, so ist diese defekt!

Auf jeden Fall den Akku während dieser Zeit beaufsichtigen oder im Freien laden! Danach sollten das Ladegerät und der Balancer den Akku wieder annehmen und normal laden. Wie viel Kapazität er verloren hat, wird sich an Hand der Flugzeit nach 2-3 weiteren Zyklen zeigen oder man hängt ihn an einen Entlader mit Kapazitätsanzeige.

Alternativ gibt es auch Ladegeräte, die das Laden von tiefentladenen Zellen nicht verweigern, sondern das oben beschriebene Vorgehen praktisch automatisch machen. Ein Beispiel sind die Lader von Cellpro.

Lagerung

Akkus niemals entladen lagern! Damit schädigt man die Zellen. Das führt schnell zu Tiefentladung (durch Selbstentladung), wodurch es beim erneuten Laden zum Aufblähen der Akkus kommen kann.

Kritisch ist eine zu warme Lagerung. Empfohlen sind kühle und trockene Kellerräume. Vergleiche http://www.batteryuniversity.com/partone-19-german.htm

Bei der Langzeitlagerung (> 14 Tage) gehen die Meinungen auseinander, allen gemein ist, dass man Akkus nicht voll oder leer geladen lagern soll. Ansonsten wird empfohlen, die Akkus bei 30% bis 50% der Kapazität zu lagern, also bei Spannungen von 3,6-3,8V pro Zelle. Eine Lagerung weit darunter führt bei der hohen Selbstentladungsrate schnell zu schädlicher Tiefentladung. Ein Kauf von LiPos vor einer längeren Winterpause wird nicht angeraten.
Ebenso sollte man den Akkuverkäufer fragen, wie lange der Akku schon im Regal liegt.

Fazit also: 60% und einmal im Monat nachladen, wenn die Zellspannung auf ca. 3,6V gefallen ist.

Desweiteren sollte man die Akkus so lagern, dass sie im Falle einer Selbstentzündung nicht andere Gegenstände in Brand setzen können (Metallkiste (kein Alu!) mit Löschdecke, Lipo-Sack etc.). Keinesfalls einen Lipo in einem (meist gut brennbaren) Modell aufbewahren! Ein brennender Lipo verrusst rasch ein ganzes Haus und richtet selbst ohne weiteren Brand großen Schaden an!

Ladeverfahren

Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkumulatoren werden mit dem Strom-Spannung-Verfahren geladen. Dieses Ladeverfahren verbindet das Konstantstrom- und Konstantspannungladeverfahren. In der ersten Phase des Ladevorganges werden die Akkus mit Konstantstrom geladen, in der zweiten wird die Spannung konstant gehalten, wobei der Ladestrom reduziert wird.

Als Umschaltkriterium von der ersten Phase zur zweiten wird eine bestimmte Ladeschlussspannung gewählt. Diese Spannung liegt in der Regel zwischen 4,1V und 4,2 V, teilweise auch etwas darüber (bis 0,05V), abhängig vom Typ und Hersteller des Ladegerätes. Die Ladeschlusspannung von Lipo-Akkus liegt technisch bei 4,23 - 4,25V, je nach Hersteller und Typ. Für derzeit erhältliche Akkus sollte der Ladestrom maximal 1C betragen (C entspricht der Kapazität. Ein Akku mit 1000mAh sollte demnach mit 1A geladen werden). Seit 2008 gibt es Zellen mit einem Ladestrom von mehr als 1C.
Ein gutes Ladegerät erkennt dies und regelt den Ladestrom selbstständig auf den vom Akku vertragenen Wert.

Zur Ladeschlusserkennung wird der Ladestrom während der Konstantspannungsphase gemessen. Unterschreitet dieser einen festgelegten Wert, wird der Akku als voll betrachtet. In der Regel beträgt die Ladestromabschaltschwelle je nach Ladegerätetyp und Akkukapazität weniger als 100mA bzw. 1/20 C.

Balancer

Wie bereits erwähnt, mögen Lipos es nicht, wenn sie außerhalb ihrer elektrischen Parameter betrieben oder gelagert werden. Dazu gehört auch das Über- oder Unterladen. In einem Pack müssen daher alle Zellen die gleiche Spannung haben. Ist z.B. eine Zelle stärker entladen als die anderen, hat der ganze Pack eine niedrigere Spannung, wodurch das Ladegerät weiter versucht, den Pack zu laden. Sind die ersten Zellen bereits voll, ist immer noch nicht die Gesamt-Voll-Spannung erreicht, und die bereits vollen Zellen werden überladen. Daher sollte ein Ladegerät in der Lage sein, die einzelnen Zellenspannungen zu überwachen. Das ist aber nur dann sinnvoll, wenn das Ladegerät auch etwas gegen unterschiedliche Ladezustände tun kann - also "Balancen". Dabei wird der Gesamtladestrom, der durch alle Zellen fließt, an den volleren Zellen teilweise vorbeigeleitet. Dieser Teilstrom nennt sich "Ausgleichstrom" oder "Bypass-Amperage". Wie hoch der sein kann, hängt vom Lader (bzw. der verwendeten Balancerschaltung) ab. Einen stark gedrifteten 5000mAh-Akku wird man mit einem 100mA-Balancer nie ausgeglichen bekommen! Außer man lädt ihn mit sehr geringem Ladestrom. Da dieser Ausgleichstrom über den Balancerstecker läuft, müssen dessen Kabel auch dafür geeignet sein! 4A Ausgleichstrom ist über 0,14mm² Käbelchen keine gute Idee. Optimal ist hier, den Akku direkt an den Balanceranschluss zu stecken, und nicht noch über zwei Adapter.

Ein guter Balancer (ob eingebaut im Lader oder extern) erfüllt zwei Merkmale:

• hinreichend genaue Messung der Zellenspannungen. Die Toleranz liegt bei 0,005V, oder besser.
• hinreichend hoher Ausgleichstrom.

Der nötige Ausgleichstrom ist vom Ladestrom abhängig. Geht man davon aus, dass eine Lipo-Zelle bei 4,25V voll und bei 3,00V als leer anzusehen ist, beträgt die Differenz nur 1,25V. Also entsprechen 0,13V bereits 10% der Zellen-Kapazität. Bei einem 5000mAh-Akku sind das schon 500mA, die an Ausgleichstrom fließen müssen, damit der Akku bei einer Ladezeit von einer Stunde ausgeglichen werden kann. Schafft der Balancer nur 250mA, muss man in diesem Beispiel den Akku schon mindestens zwei Stunden am Balancer hängen lassen. Also einen leeren Akku mit 5000mAh nur mit ½C laden!

Als Balancerstecker sind üblich:

JST-EH

JST-XH

Hier sind nur die weißen Kunststoffgehäuse anders - die Kontakte sind gleich! Daher kann man bei Bedarf einfach die Gehäuse tauschen (gibt es einzeln, z.B. bei www.nessel-elektronik.de). Aber bitte am "lebenden Lipo" jeden Kontakt einzeln entriegeln und auflegen, und die Reihenfolge einhalten!

Der Lipo-Blitz

Beim Anstecken des Akkus mit Größen ab 3 oder 4 Lipo-Zellen an RC-Modelle mit Brushless-Reglern gibt es einen deutlich sichtbaren Blitz, der bei noch mehr Zellen auch entsprechend knallt. Diesen Blitz gilt es auf längere Sicht zu vermeiden, da er die Stecker bzw. den Schalter und den Akku schädigt. Der Grund für den Blitz sind die extrem hohen Ströme (in der Größenordnung von größer 100A), die die Kondensatoren auf den Reglern beim Einschalten ziehen. Die Stromhöhe bzw. Blitzintensität ist unabhängig von den verwendeten Motoren, Fets etc., wohl aber von Größe der Kondensatoren und Anzahl der BL-Regler.

Beim Mikrokopter mit Standard-Verkabelung und –Schalter findet der Blitz im Schalter beim Einschalten unsichtbar statt, ist aber dennoch schädlich und kann den Schalter schnell zerstören.

Abhilfe schafft man mit einem Widerstand mit beispielsweise 12 Ohm (der genaue Wert ist völlig unkritisch) und einem halben Watt, mit dem man unmittelbar vor dem Herstellen der eigentlichen Stromverbindung zum Akku eine Verbindung herstellt, damit die Elkos an den Reglern aufgeladen werden (was in wenigen Sekunden geschieht), bevor man den Akku ganz ansteckt. Hierzu muß der Schalter bereits geschlossen sein! Kosten: nur 10-20 Cents.

Abb.: Pilotstecker mit Widerstand

Vorsicht, bei Elektroniksystemen und Brushless Reglern anderer Hersteller kann es zu Programmfehlern kommen bei der Verwendung solch eines Pilotsteckers mit Symptomen wie etwa einer falschen Erkennung der Zellenzahl des Akkus und einer daraus resultierenden verwirrten Unterspannungsabschaltung, was zum Totalabsturz des Modells führen kann.

Siehe auch ElektronischerHauptschalter

Spannungskurve

LiPos zeichnen sich durch eine während der Entladung im Flug sehr konstante Spannungslage aus, wobei die Spannung zum Schluss bei einigen Akkutypen besonders rasch einbricht, was im Extremfall nicht nur einen bloßen Leistungsverlust zur Folge hat, der dringend zur Landung auffordert, sondern auch ein Abschalten aller Motoren durch einen Reset der Flight Control wegen Unterspannung bewirkt. Der Unterspannungspiepser muss schon sehr genau eingestellt sein, um nicht zu spät und nicht zu früh zu piepsen, was im Wechsel von unterschiedlichen Akkus und Lastgewichten (Kamera) vom Piloten oft vernachlässigt wird.

Der ATMega-Prozessor resettet sich, wenn seine Spannung unter ca. 4 - 4,5V geht. Jetzt noch die Drop Out-Spannung des Reglers von 2 - 2,5V dazu genommen, dann gibt es im ungünstigsten Fall einen Reset schon bei knapp 7 Volt Akkuspannung. Das ist die sehr wahrscheinliche Fehlerursache einiger im Forum diskutierter Abstürze von MK-Newbies.

Besonders, wenn man Nickel-Akkus mit ihrem sanften Spannungsgefälle gewöhnt ist, ist in dieser Hinsicht Vorsicht geboten. Gegen Flugende hin sollten deshalb Vollgasschübe nur mehr bedingt gegeben werden.

Energiedichte

Die Angaben Wh/kg ergeben sich aus der Rechnung 3,7V x S x mAh/g = Wh/kg. Werte über 140 können momentan als gut bezeichnet werden.

Sicherheit

Bei falscher Behandlung von Akkus, insbesondere Lipos besteht Brand- und Explosionsgefahr

• Lipos und andere Akkus dürfen nicht in Kinderhände
• Lipos, Akkus und Batterien enthalten giftige Stoffe, die auch auf der Haut Verätzungen verursachen können
• Beachten Sie immer die richtige Polung (Plus und Minus)
• Niemals tief entladen. Nach dem Gebrauch abklemmen und sicher lagern
• Lipos, Akkus und Batterien dürfen nicht kurzgeschlossen werden
• Prüfen Sie die Lipos auf Beschädigung. Besonders nach Abstürzen - es besteht unter Umständen Brand- und Explosionsgefahr
• Lipos, Akkus und Batterien müssen vor Feuchtigkeit und Hitze geschützt werden
• Laden Sie nur intakte und unbeschädigte Lipos. Aufgeblähte und beschädigte Lipos müssen fachgerecht entsorgt werden
• Laden Sie nur mit geeigneten Ladegeräten mit integrierten Balancern
• Niemals den maximalen Lade- und Entladestrom überschreiten
• Beim Laden und beim Lagern(!) Abstand zu brennbaren Gegenständen halten und den Lipo auf eine feuerfeste Unterlage legen
• Niemals unbeaufsichtigt laden

• Beachten Sie, dass der giftige Rauch bei einem LiPo-Brand oft die viel größeren Schäden am Haus verursacht als das Feuer!

Entsorgung

Es wird immer wieder nach der sachgerechten Entsorgung alter Lipo-Packs gefragt, dabei ist das ganz einfach: Entladene Akkus kann man bedenkenlos in jedem Altbatterie-Sammelbehälter (bei den meisten Supermärkten an der Kasse) entsorgen. Hierzu entfernt man bei Bedarf noch brauchbare Stecker (beim Durchknipsen der Kabel nicht beide Leitungen gleichzeitig trennen!), isoliert die Enden und fertig.

Um sicherzugehen, dass auch wirklich alle Zellen im Pack entladen sind, sollte man jede Zelle einzeln entladen. Dies macht man am besten über eine LED mit Vorwiderstand oder eine fertige Blink-LED, die die Zellenspannung ohne sonstige Beschaltung verträgt. Diese steckt man polungsrichtig in zwei benachbarte Buchsen des Balancer-Steckers, und "lässt sie sich totblinken". Das wiederholt man dann mit allen Zellen.

Was man nicht tun sollte: Es existieren immer noch irgendwelche "Spezialrezepte" im Internet, was man mit zu entsorgenden Akkus machen sollte, z.B. in Wasser legen, in feuchten Sand legen, Tiefkühlen...

Das ist etwa so sinnvoll, wie den Akku bei Vollmond auf dem Friedhof über die linke Schulter zu werfen. Außer Ärger mit der Friedhofsverwaltung bringt das gar nichts! Also bitte ganz schnell vergessen!

Vergleichsliste

Hier eine kurze Aufstellung aktueller 4S-LiPos aus bekannten Webshops. Die Preise in Euro sind teilweise von Dollarpreisen abgeleitet. Stand: 18.09.2009

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