Gedanken zu LiPo Akkus

Im Folgenden fasse ich einige gesammelte Erfahrungen und Empfehlungen zusammen.

Vorausschicken möchte ich Folgendes: Akkus sind im Modellbau Verbrauchsmaterial. Egal wie pfleglich wir mit ihnen umgehen, ihre Lebensdauer ist begrenzt. Im Alltag geht es also darum, eine vernünftige Balance zwischen unseren Anforderungen wie möglichst lange Flugdauer, viel Leistung, kurze Ladezeiten und der Schonung der Akkus zu finden. Einzig bei der Sicherheit darf es keine Kompromisse geben: Wer sich nicht konsequent an die Sicherheitshinweise der Hersteller hält, riskiert im Brandfall eine Kürzung der Versicherungsleistung wegen Fahrlässigkeit. Dass diese Möglichkeit nicht nur theoretisch ist, dokumentierte der Aero Club erst kürzlich wieder.

Sicherheit

Grundsätzlich gelten die Vorschriften der Hersteller. In jedem Fall gehört dazu, dass die Akkus ausschliesslich mit geeigneten Ladegeräten mit LiPo Programm geladen werden dürfen. Das sicherste Rezept zur Katastrophe ist das Laden von LiPo Akkus mit NiCd oder NiMH Ladeprogrammen: Letztere bestimmen den Ladezustand über die Spannungsdifferenz zwischen Leerlauf und Ladestrom. Überschreitet diese eine bestimmt Schwelle, gilt der Akku also voll. Beim LiPo ist das nie der Fall - es wird geladen bis es zur Explosion kommt. Einheitlich wird darauf hingewiesen, dass Akkus auf einer feuerfesten Unterlage und nur unter Aufsicht geladen werden dürfen - also sicher nie im Modell drin. Ebenso gehören defekte Akkus fachgerecht entsorgt - das gilt besonders für mechanisch geschädigte Akkus, aber auch für stark geblähte.

Bei uns auf dem Platz sind wir bestens mit Strom ausgerüstet. Wer seine Akkus erst kurz vor dem Flug lädt, riskiert keinen Brand infolge Fehlladung bei sich zuhause.

Lagerung

Dass Akkus für den Winter auf Lagerspannung gebracht werden sollten, hat sich inzwischen herumgesprochen. Das gilt aber genauso auch für die Lagerung während der Saison. LiPo Akkus mögen es überhaupt nicht, bei voller Spannung gelagert zu werden. Dokumentiert ist ein Kapazitätsverlust auf ca. 80% pro Jahr bei vollen Akkus und einer Umgebungstemperatur von ca. 25°. Daher sollten Akkus erst kurz (Stunden oder Minuten, nicht Tage) vor dem Flug vollgeladen werden. Ideal ist eine Lagerung bei ca. 40% der Kapazität, der exakte Wert ist wohl eher zweitrangig, solange der Akku nicht ganz leer gelagert wird. Die Selbstentladung ist bei LiPos praktisch vernachlässigbar. Die Gefahr, dass ein vernünftig leer geflogener Akkus (das heisst, mit mindestens 20% Restkapazität) von selbst unter die kritische Lagerspannung fällt, ist gering.

Sicherheit ist auch bei der Lagerung wichtig. Durch chemische Prozesse können vor allem bei vorgeschädigten Akkus interne Kurzschlüsse entstehen. Je weniger Ladung der Akku dabei hat, desto kleiner ist die Chance, dass er bei einem Kurzschluss die kritische Temperatur erreicht und abbrennt. Ein Grund mehr, nie Akkus voll zu lagern. Sinnvollerweise lagert man die Akkus in einem Gefäss, welches vor Bränden schützt. Bewährt haben sich die Dokumentenkassetten z.B. vom Bauhaus - die sind zwar gebaut, um Dokumente gegen Brände von aussen zu schützen, können aber auch ein Feuer innen drin recht gut unter Kontrolle halten. Mit Rauchschäden ist aber trotzdem zu rechnen - im Zweifelsfall also auch hier: Defekte oder zweifelhafte Akkus entsorgen.

Fliegen

Bei der Dimensionierung der Akkus sollte auf den zu erwarteten Strom geachtet werden. Die C-Rate gibt an, für welche Leistung der Akku gebaut ist. Hier lohnt es sich, grosszügig Reserven zu planen: Meist wird die Leistung nur unter Idealbedingungen (Temperatur ca. 35°, frischer Akku, Rückenwind...) erreicht. Idealerweise sollten Akkus vor dem Flug auf Betriebstemperatur (ca. 35°) gebracht werden - und weil das kaum einer macht, müssen Reserven geplant werden.

Nichts schädigt die Akkus mehr als Unterspannung unter Belastung. Nicht umsonst haben alle Fahrtregler eine Abschaltautomatik bei zu kleiner Akkuspannung. Ein Problem hier ist allerdings, dass diese in der üblichen Einstellung bei 3.0 oder 3.2V eigentlich bereits zu spät eingreifen und dabei auch gleich das Modell gefährden. Gerade moderne, leistungsfähige Akkus mögen bereits Spannungen unter 3.4 oder 3.3V nicht sonderlich und tendieren zu Blähungen. Wer mit Telemetrie fliegt, programmiert sinnvollerweise eine relativ hohe Schwelle für eine Warnung (ich fliege mit 3.4V), welche deutlich vor der Reglerabschaltung greift. Damit bleibt genug Zeit, für eine sichere Landung.

Bei jedem Akku bricht die Spannung unter Last zusammen. Je höher der Strom, desto höher der Einbruch. Je höher das C-Rating, desto geringer dieser Einbruch. Der Spannungseinbruch ist abhängig vom Innenwiderstand des Akkus, ebenso die Erwärmung. Gealterte Akkus weisen einen höheren Innenwiderstand auf, was wiederum dazu führt, dass sie noch schneller unter die kritische Spannung fallen und heiss werden - eine negative Spirale, irgendwann geht es rapide nach unten... Deswegen grundsätzlich nur noch Hochleistungsakkus zu kaufen (40C und besser), scheint mir allerdings eine zweifelhafte Strategie: Zum einen sind die Kosten doch wesentlich höher, zum anderen habe ich subjektiv den Eindruck, dass einfachere Akkus eher mal eine Misshandlung wegstecken.

Die Faustregel, Akkus nur zu 80% leer zu fliegen, ist auf jeden Fall ein guter Anhaltspunkt, zumindest für gemütliches Gelegenheitsfliegen. Bei Hochstromanwendungen sollte aber tendenziell eine grössere Reserve eingeplant werden - insbesondere dann, wenn mangels Telemetrie keine Spannungsüberwachung möglich ist. Wer mit Strom- und Spannungssensoren fliegt, sollte auch einmal Gebrauch von der Logging-Funktion machen. Der Spannungsverlauf abhängig von der Last und vom Ladezustand gibt gute Hinweise darauf, wie stark der Akku in einem typischen Flug tatsächlich gefordert wird.

Laden

Mit komplett falschen Einstellungen zu laden, ist gefährlich. Auch sonst empfiehlt sich ein gutes Studium der Bedienungsanleitung des Ladegerätes. Doch wie lädt man die Batterien nun am besten? 

Grundsätzlich gilt, dass ein Ladestrom von 1C (bei einem 4000mAh Akku wären das 4A Ladestrom) den Akku schont. Wer aber die Akkus erst auf dem Platz lädt, will kaum eine Stunde für den vollen Ladevorgang warten. Leistungsstarke Akkus können heute meist deutlich schneller geladen werden, Spezifikationen zwischen 5C bis 10C sind nicht unüblich. Der Nutzen von extrem hohen Ladeströmen ist allerdings begrenzt: Auch beim Laden darf die Spannung die 4.2V pro Zelle nicht überschreiten, so dass gegen Ende des Ladevorgangs der effektive Strom abhängig vom Innenwiderstand der Zelle massiv zurückgeht. Die letzten 5 bis 10% der Kapazität können so beim Laden eine gefühlte Ewigkeit dauern. Ein höherer Ladestrom kann diese Phase nicht verkürzen, entsprechend nimmt der Nutzen von höheren Raten ab. Ich prügle meine Akkus meist mit 3C, maximal 4C, voll, was mir persönlich ein sinnvoller Kompromiss zwischen Ladezeit und Lebensdauer scheint. Wer deutlich Zeit sparen will, verzichtet besser auf die letzten 5% Kapazität - ein gutes Ladegerät lässt sich entsprechend programmieren und kürzt damit genau die letzte, langsame constant-voltage Ladephase ab und schont nebenbei noch den Akku.

Beim Laden kann übrigens auch der Zustand des Akkus kontrolliert werden: Gute Ladegeräte geben den Innenwiderstand an. Steigt dieser an, gibt der Akku nach. Achtung aber: Das Messverfahren ist nicht standardisiert, unterschiedliche Ladegeräte geben unterschiedliche Werte aus, ebenso unterschiedliche Temperaturen.

Neue Akkus

Ein letztes Thema ist das Formieren von neuen Akkus, welches von den wenigsten Modellbauern beachtet wird. Frisch ab Werk sollten Akkus nicht gleich voll belastet werden, sondern erst in mehreren Zyklen "eingelaufen" werden. Das bedeutet einerseits schonendes Laden mit maximal 1C, gleichzeitig auch schonendes Fliegen weit unter dem Limit. Kleinere Akkus können auch problemlos mit dem Ladegerät durch ein paar Lade- und Entladezyklen geführt werden, bei grösseren wird das zum Geduldspiel.

Zusammenfassung

Weiterführende Links

• Kleines LiPo ABC von Gerd Giese
• Elektromodellflug Infos - Tests und Info von Gerd Giese
• Zur Chemie von Batterien (Englisch)