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Grundlagen zum LiPo-Akku und dessen Laderegler
 


Die Lithium Polymer Akkus, oft genannt als LiPo-Akku oder auch bekannt als die Weiterentwicklung der Lithium Ionen Akkus, werden im Modellbau wegen ihrer hohen Energiedichte im Verhältnis zum Volumen und Gewicht immer öfters eingesetzt. Es kommt kein flüssiges Elektrolyt zum Einsatz sondern ein Feststoffelektrolyt auf Polymerbasis, welches eine gelartige Konsistenz besitzt, das kein weiteres Gehäuse um den Akku fordert. Mit der kleinen Baugröße kann man trotzdem eine große Energieleistung abgeben und somit Fahrzeuge, Hubschrauber und Flugzeuge für eine beachtliche Zeit bewegen. Im industriellen Bereich gewinnen die Akkus immer mehr an Bedeutung. Aktuelle Einsatzorte neben der Weltraumtechnik sind Energiespeicher für erneuerbare Energien und die Werkzeugtechnik. Nachteilig ist die geringe Ionenleitfähigkeit des Polymers bei niedriger Temperatur, dadurch steigt der Innenwiderstand noch stärker als bei konventionellen Akkus an, wodurch der LiPo-Akku unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr genug Strom liefern kann. Beim Laden von LiPo-Akkus ist größere Sorgfalt erforderlich als bei normalen Zellen. Eine Zelle darf niemals über die maximale Ladespannung geladen werden, eine Überladung führt zur Entzündung der Zelle. Eine Tiefentladung unterhalb der zulässigen mind. Spannung führt ebenfalls zum Sterben der Zelle. Werden diese beiden Grenzen auch nur einmalig über bzw. unterschritten, wird der Akku irreparabel beschädigt und sollte dringend ausgetauscht werden. Diese Akkus sind günstig und mit ihren Abmessungen ideal geeignet für den Betrieb in unseren kleinen Fahrzeugen. Sie haben im Vergleich zu den älteren Nickel Metall Hybrid (NiMh) eine größere Akkuspannung und Kapazität. Ihre Lebensdauer ist bei sorgfältigem Umgang auch deutlich länger als die der NiMh Akkus.

Vorteile gegenüber NiCd- oder NiMH-Akkus:

  • 3,7V Zellenspannung
  • 50% mehr Kapazität als ein normaler NiCd- oder NiMH-Akku
  • preiswert wegen Massenproduktion
  • verfügbar in flachen und vielen Bauformen
  • geringe Selbstentladung

Nachteile gegenüber NiCd- oder NiMH-Akkus:

  • spezielle Ladetechnik
  • hohe Ladezeiten
  • 600-800 Zyklen - geringe Lebensdauer
  • Kapazitätsverlust bei Kälte
  • hohe Empfindlichkeit gegen mechanische und elektrische Einwirkung
  • Brandgefahr bei Überladung

Nenndaten:

  • Betriebstemperatur: -10°C bis 60°C
  • Lagertemperatur: 0°C bis 30°C
  • erlaubte Zellenspannung: 2,8Vmin bis 4,1Vmax
 

Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus, manchmal auch als LiFePo- oder LiFePO4-Akku abgekürzt, ist eine weitere Abwandlung der LiIon-Akkus mit flüssigem Elektrolyten. Bei Ihnen besteht die positive Elektrode aus Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4). Der Akku besitzt einen sehr niedrigeren Innenwiderstand, der speziell für Hochstromanwendungen prädestiniert ist. Zusätzlich kann man den Akku, in wenigen Minuten nahezu Vollladen; für die letzten paar Prozent zur tatsächlichen Vollendung, wird erheblich mehr Zeit benötigt.

Vorteile gegenüber der LiPo-Zellen:

  • weiter Temperaturbereich
    Betriebstemperatur: -30°C bis +60°C
    Lagertemperatur:-45°C bis +80°C
  • hohe Ladeströme von 0,5C bis 3C (Pulsladeströme bis 6C/10s)
  • bis zu 4000 Ladezyklen möglich – höhere Lebensdauer
  • hohe Dauerstromentnahme
  • Impulsbelastbarkeit bis max. 40C
  • hohe Sicherheit durch chemischer Eigensicherung
  • geringe Selbstentladung 3-5% im Monat

Nachteile gegenüber der LiPo-Zellen:

  • hoher Preis je Zelle
  • geringe Auswahl und meist in fester Rundform
  • geringere Energiedichte
  • geringere Zellenspannung von 3,2V

Kenndaten:

  • erlaubte Zellenspannung: 2,2Vmin bis 3,8Vmax
  • optimale Ladespannung: 3,5V
  • Betriebstemperatur: -30°C bis +60°C
  • Lagertemperatur:-45°C bis +80°C

Betriebs und Umgebungstemperatur

Da bei Kälte die chemischen Prozesse (auch die Zersetzung des Akkus bei der Alterung) langsamer ablaufen und die Viskosität der in LiPo-Zellen verwendeten Elektrolyte stark zunimmt, erhöht sich auch beim LiPo-Akku bei Kälte der Innenwiderstand, womit die abgebbare Leistung sinkt. Zudem können die verwendeten Elektrolyte bei Temperaturen um −25 °C einfrieren. Manche Hersteller geben den Arbeitsbereich mit 0–40 °C an. Unter 5 °C kann durch den erhöhten Innenwiderstand die Leistung so stark nachlassen, dass sie nicht lange für den Betrieb ausreicht, ein plötzliches Akkuversagen -je nach Qualität der Akkuzellen- kann die Folge sein. Bei den LiFePo-Akkus ist die chemische Zusammensetzung anders, deshalb ist diese Art von Akku für den Kältebereich besser geeignet.

Einflüsse auf Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit

Die nutzbare Lebensdauer beträgt mehrere Jahre, allerdings ist dies stark von der Nutzung und den Lagerungsbedingungen abhängig. Meist wird eine Lebensdauer beim LiPo-Akku von ca. 600-800 Ladezyklen angegeben. Die Alterung eines LiPo-Akkus hängt mehr von seinem Produktionsdatum als von der Anzahl der Lade-/Entladezyklen ab. Ein älterer Akku wird daher – im Gegensatz zu anderen Akkutypen – allein aufgrund seines Alters eine geringere Kapazität als ein neuerer Akku aufweisen. Hohe Lager-/Betriebstemperaturen, hohe Lade-/Entladeströme und häufige Tiefentladungen verkürzen die Lebensdauer. Der LiFePo-Akku verfügt über eine höhere Zyklenzahl die bis 5000 Zyklen pro Zelle erreichen kann, das auf die Eigenschaften von einer geringeren Selbstentladung, tieferen Lager- und Betriebstemperatur und einer höheren Strombelastbarkeit rückzuführen ist.
Bei Untersuchungen wurde festgestellt, dass die Alterung die Leistungsfähigkeit und Einsetzbarkeit von LiPo-Akkus vor allem bei tiefen Temperaturen überproportional verschlechtert (Journal of Power Sources 196, 2011). „Die Kapazitätsabnahme nach 600 Zyklen beträgt 14,3% bei 45°C und 25,8% bei −10°C. Es gibt nur eine geringe Abnahme der Strombelastbarkeit bei 45°C nach 600 Zyklen, während die Leistungsabnahme nach 600 Zyklen 61,6% und 77,2 % bei 0°C und −10°C beträgt. Kapazität und Strombelastbarkeit lassen bei niedrigen Temperaturen stärker nach.
Die regelmäßig genutzte Entladetiefe hat einen großen Einfluss auf die zyklische Lebensdauer. Bei tiefem Spannungsniveau setzen irreversible Prozesse in den Zellen ein. Auch eine Lagerung in entladenem Zustand ist daher schädlich. Geringe Entladetiefen vervielfachen die erreichbare Zyklenzahl, den möglichen Energieumsatz und erhöhen damit die Lebensdauer gegenüber einem Betrieb mit Vollzyklen. Es ist empfehlenswert die Li-Akkus „flach“ zu Zyklen, wodurch sich deren Lebensdauer verlängert. Das Entladen unter 50% sollte vermieden werden. Die untere Spannungsgrenze wird dabei in der Regel durch ein Kontrollsystem mit Begrenzung der entnehmbaren Leistung und Abschaltung überwacht. Viele Hersteller empfehlen die Kapazität eines Akkus so auszulegen, dass regelmäßig nur eine Entladung von weniger als 70% erforderlich ist.
Auch im Bereich der vom Hersteller angegebenen oberen Spannungsgrenze der Zellen setzen irreversible chemische Prozesse ein, die auf Dauer eine Kapazitätsabnahme und damit Zellverschleiß nach sich ziehen. Der Akku altert schneller, je höher seine Zellenspannung ist, daher ist es zu vermeiden, einen Li-Akku ständig 100% geladen zu halten, idealer Lagerladezustand ist zwischen 50-80%. Optimale Ladeergebnisse erreicht man bei Raumtemperatur. Eine Überladung über diese Spannungsgrenze schädigt die Zelle irreversibel. Die obere Ladespannung wird in aktuellen Anwendungen beim Ausbalancieren oft hoch angesetzt, da sich so die Ladezustände der Einzelzellen besser ermitteln und die gesamte Kapazität ausnutzen lassen, zu Lasten der Lebensdauer. Erhaltungs- oder Dauerladen mit konstanter Spannung ist aufgrund der geringen Selbstentladung nicht notwendig und der Lebensdauer abträglich. Nach Erreichen des Vollladekriteriums wird daher die Abschaltung des Ladestroms empfohlen. Die Strombelastung sollte möglichst gleichmäßig erfolgen, extreme Strombelastungsspitzen erhöhen den Verschleiß. Die Grenzangaben der Hersteller verstehen sich als technische Maximalwerte, die der Akku leisten kann, deren regelmäßige Ausnutzung jedoch die Lebensdauer verkürzt.

Verhalten einer Li-Zelle

Die Li-Akkus werden bei der Herstellung mit einer speziellen Chemikalie versehen, die als Reaktionsbremse dient. Das bedeutet, die Chemie im Akku wird ruhig gestellt, dadurch ist ein neuer Li-Akku länger lagerfähig. Dieser Zusatz bewirkt auch, dass die Zellen anfangs hochohmiger sind, also nicht ihre volle Leistung bringen. Bei den ersten 3-5 Zyklen wird dieser Zusatz restlos abgebaut und der Akku erreicht erst dann seine volle Leistungsfähigkeit. Durch eine langsame Energieentnahme mit niedrigen Strömen, wird nicht nur der Reaktioshämmer abgebaut, sondern auch die anfängliche Zellendrift stark reduziert. Solange man den Akku nicht restlos leer saugt, driften die Zellen nur noch ganz wenig, was jede Ladeelektronik für Li-Zellen schnell und zuverlässig ausgleichen kann und zu einer höheren Lebensdauer führt.
Gegenüber den Lithium-Polymer-Akkus bieten LiFePo-Akkus eine bessere Einsatzmöglichkeit, wenn große Entladeströme, kurze Ladezeiten, Anwendung im Kältebereich und Zyklenfestigkeit bei etwas geringerer Energiedichte gefordert ist. Im Modellbau und bei hochwertigen Elektrowerkzeugen wird immer öfter auf LiFePo-Akkus gesetzt, da sie innerhalb von 15–20 Minuten fast vollständig aufgeladen werden können und eine höhere Zyklenfestigkeit besitzen. Gewöhnliche LiPo-Akkus benötigen oft über eine Stunde Ladezeit, wenn man keine Einbußen bei der Lebensdauer und Kapazität in Kauf nehmen möchte.

Entladestrom

LiPos haben eine Kenngröße „C“, für die maximal zulässige Dauerstromentnahme. Der maximale zulässige Dauerstrom ergibt sich aus „C-Wert“ x Kapazität.
Beispiel:
Ein 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 zur Entzündung der Zelle führen.

Maßnahmen und Anzeige am CarDecoder

Das Entladen unter den minimalen Spannungswert, wird von der CarDecoder Firmware durch ein ständiges Warnblinken aller Blinker angezeigt. Dies macht der CarDecoder, wenn die Akkukapazität unter 20% sinkt. Der Decoder arbeitet dann noch solange weiter, bis die Akku interne Schutzschaltung den Akku abschaltet. In der Regel sollte hier noch genug Zeit vorhanden sein, um das Fahrzeug zum Aufladen in den Service zu fahren. (automatische Ladestelle unter der Anlage)
Problematischer ist das überladen eines LiPo-Akkus! Der Cardecoder merkt zwar, wenn der Akku 100% voll ist und kann das auch zurückmelden, er hat aber keine Möglichkeit selbst den Ladevorgang abzubrechen. Dies würde in letzter Instanz auch nur wieder die interne Schutzschaltung des Akkus übernehmen. Auf die sollte man sich aber nicht als einzige Sicherheitsmaßnahme verlassen, denn schon ein sehr kleines Überladen, beschädigt den Akku. Die interne Schutzschaltung ist eher als letzte Maßnahme vor dem "Supergau" zu verstehen! Es sollte auch nie ein LiPo-Akku ohne einer internen Schutzschaltung zum Einsatz kommen. Diese Schutzschaltung wird oft auch als PCM-Schutz in den Beschreibungen angegeben.

Laderegler zum Akku laden

Für das exakten und sichere aufladen eines LiPo Akkus ist eine externe Hilfe notwendig. Für diesen Einsatzzweck haben wir eine fertige Laderegler-Platine im Fichtelbahn-Shop bereitgestellt.
Mit diesem Laderegler können LiPo Akkus mit einer Zelle geladen werden. Für den Betrieb sind keine weiteren Bauteile notwendig und die Baugruppe ist vollständig SMD bestückt. Zwei LEDs zeigen an, ob sich der Akku in der Ladung befindet oder der Ladevorgang abgeschlossen ist. Der maximale Ladestrom des Reglers kann über den Widerstand (3K) zwischen 50mA und 500mA eingestellt werden. Im Auslieferungszustand ist ein 3K-Widerstand verbaut und somit ein Ladestrom von 300mA festeingestellt. Mit Änderung dieses Widerstandes erhalten Sie einen anderen Ladestrom.
Bitte verwenden Sie den richtigen Ladestrom für Ihren Akku! Diese Angabe finden Sie beim Hersteller des Akkus oder in dessen Beschreibung bzw. Datenblatt.

Das Ladeverfahren bei Li-Zellen

Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkumulatoren werden mit dem Strom-Spannung-Verfahren geladen. Dieses Ladeverfahren verbindet das Konstantstrom- und Konstantspannungsladeverfahren. 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. Die Ladeschlussspannung von LiPo-Akkus liegt technisch bei 4,23V - 4,25V, je nach Hersteller und Typ. Für Akkus sollte der Ladestrom maximal xC betragen (C entspricht der Kapazität. Ein Akku mit 1000mAh sollte maximal mit 1A geladen werden).
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.

Was ist ein 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 ausgleichen können! 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 Leitung keine gute Idee. Optimal ist hier, den Akku direkt an den Balanceranschluss zu stecken, und nicht noch über zwei Adapter.
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!
Ein Balancer wird nur notwendig, wenn mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden.

Bei unserem CarDecoder Projekt ist das nicht der Fall, weil hier eine maximale Zellenspannung von 3,7V erlaubt ist. Parallel geschaltete Zellen müssen nicht Balanced werden, weil diese gleichen sich selbst aus.

 

CarDecoder V3

   
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