V1.3

DIESE SEITE WIRD NACH BEDARF IMMER WEITER AKTUALISIERT (Stand 01/08)!

Inhalt:

1. Vorwort
2. Akkudaten & Informationsquellen
3. Akkutypen
4. Schaltungen
5. Bau & Stecker
6. Ladetechniken

1. Vorwort

Im RCL-Forum tauchen oft sehr ähnliche Fragen immer wieder auf, wenn Einsteiger versuchen sich die Grundlagen zum sicheren und richtigen Umgang mit Akkus zu erarbeiten, dabei aber meist von der Fülle an Informationen erschlagen werden. Aus diesem Grund sind hier alle Informationen möglichst kompakt gesammelt und werden bei Bedarf aktualisiert. Hierbei geht es bewusst NUR um die absoluten Grundlagen, ansonsten käme ich aus dem Schreiben nicht mehr raus und die Anfänger wären derart erschlagen, dass diese Hilfe ihr Ziel verfehlt, weil sie nicht gelesen wird. Trotzdem sind Hinweise und Anmerkungen sehr erwünscht und werden bei Bedarf verarbeitet.

2. Akkudaten & Informationsquellen

Jeder Akku ist durch seine Daten bestimmt, an denen man erkennen kann, ob er bei der zu verrichtenden Aufgabe gefoltert wird, sich langweilt oder den Motor quält. Folgende Daten sollten beim Kauf von Akkus beachtet werden:

- Der Akkutyp: Es gibt hauptsächlich NickelCadmium (NiCd), NickelMetallhydrid (NiMH), Bleiakkus (Pb), Lithiumionen- (Liion) und Lithiumpolymerakkus (Lipoly), zur Erklärung siehe Kap. 3

- Die Nennspannung einer Zelle liegt bei den Nickeltypen bei 1,2 V, bei den Bleiakkus bei 2 V, bei Liions bei 3,6 V und bei Lipolys bei 3,7 V.

- Die Kapazität gibt an, wie viel Energie gespeichert werden kann. Sie wird in dem Produkt aus Strom mal Zeit angegeben, also z.B. 2400 mA*h. Solch ein Akku kann eine Stunde lang 2,4 A abgeben oder 2 Stunden lang 1,2 A, oder eine halbe Stunde 4,8 A. Danach ist der Akku leer und muss wieder geladen werden.

- Der maximale Entladestrom ist begrenzt, er gibt in Verbindung mit der Kapazität an, wie schnell ein Akku entladen werden darf. Dieses Kriterium ist sehr wichtig bei der Akkuauswahl, ansonsten könnte man ja die preiswerten Akkus aus dem Supermarkt kaufen. Diese halten aber die hohen Ströme, die im Modellbau fließen müssen nicht aus, der Akku wird heiß, die Spannung und der Strom brechen zusammen und eventuell wird auch der Akku zerstört oder nach und nach beschädigt.
Ströme werden oft als Vielfaches der Kapazität in C (Das h in der Einheit mAh entfällt) angegeben, dies ermöglicht unter anderem eine Pauschalisierung und Vergleichsmöglichkeiten von verschiedenen Akkus. 1 C ist die Kapazität ohne das h, also der Einstundenstrom. Bei obigem Beispiel (Kapazität) sind noch die 0,5 C und 2 C Ströme angegeben.

- Der maximale Ladestrom ist meist auch nicht frei wählbar und sollte bei der Akkuwahl beachtet werden.

- Die Masse eines Akkus ist auch ein wichtiges Kriterium, was bringt ein Akku mit einer riesigen Kapazität, wenn er aber einfach zu schwer ist? Aus Masse und Kapazität werden auch oft Quotienten gebildet, um die Energie pro Masse für Vergleiche zu bestimmen.

- Auch das Volumen eines Akkus ist nicht unrelevant, schließlich sollte er in das Modell passen.

Bei der Wahl des Akkus sucht man an sich immer den leichtesten und kleinsten Akku, der die geforderten Ströme aushält, möglichst viel Kapazität hat und dabei noch schnell zu laden ist.

Bei der Suche nach den Daten sollte man zuerst beim Hersteller nach den entsprechenden Datenblättern suchen. Auch die Zwischenhändler können meist mit diesen Daten dienen. Zusätzlich werden die neuen Akkus von Anwendern vermessen, diese Daten sind dann im RCL Forum zu finden. Gerd Giese hat auf seiner Homepage sehr viele Messdaten, Hilfen und Vergleiche publiziert, die einem Anfänger helfen können.

3. Akkutypen

a) NickelCadmiumakkus (NiCd)
Diese ´Technologie ist schon etwas älter, deshalb ausgereift und robust, aber auch schwerer bei vergleichbarer Kapazität. Sie halten hohe Ströme aus, je nach Zelltyp bis zu 30 C und sind sehr gut schnellladbar, so dass sie meist nach 30 Minuten wieder einsetzbar sind. Auch eine falsche Handhabung (Tiefentladung/zu hoher Strom) wirkt sich nicht so schädlich aus wie bei anderen Akkutypen Bei falscher Handhabung stellt sich ein Memoryeffekt ein, die Zellen verlieren nutzbare Kapazität. Dies wird verhindert, indem die Zellen immer konsequent 100 % voll- oder leergeladen werden, anstatt halbentladene Akkus zu laden oder nicht vollgeladene Akkus zu entladen. Zusätzlich scheinen viele sporadische Teilentladungen und Lagerungen im teilgeladenen Zustand diesen Effekt zu fördern. Deshalb sollten die NiCd-Akkus vor einer Lagerung entladen werden, bis 0,9 V/Zelle. Zum Löschen dieses Effekts muss ein Pack mehrfach entladen und wieder formiert (s.u.) werden, dies ist ein sehr aufwendiger Prozeß. Aufgrund der unterschiedlichen Einsätze tritt der Memoryeffekt eher bei Sender- und Empfängerakkus (viele Teilentladungen, sporadische Ladungen) auf als bei Antriebsakkus.
Beim Entladen liegt die Spannung zunächst kurz über der Nennspannung, verweilt dann ewig bei dieser und erst am Ende der Kapazität bricht die Spannung ein.

b) NickelMetallhydrid (NiMH)
Diese Zellen übertrafen die NiCd vor einigen Jahren durch ihre geringe Masse, plötzlich war es möglich, die gleiche Energie leichter zu "verpacken". Dies brachte bei den älteren NiMH auch Nachteile mit sich, die Zellen konnten nur mit 1 C (eine Stunde) geladen werden, waren nicht so hochstromfähig und brauchten Ruhepausen zwischen den Flügen.
Die neueren NiMH können inzwischen recht hohe Ladeströme und Entladeströme aushalten. Ein Problem stellt immer noch die hohe Selbstentladung der Zellen dar. Viele User lagern die Zellen voll, damit sich die einzelnen Zellen nicht komplett selbstentladen. Durch diese unterschiedliche Selbstentladung der Zellen driften die Ladungszustände der Zellen eines Packs bei langer Lagerung auseinander, dies sollte durch Formieren rückgängig gemacht werden.
Zusätzlich brechen auch die neueren Akkus bei Kälte (Winter) in der Spannung ein, hier hilft ein "Warmladen" der Zellen mit direkt anschließendem Einsatz, um die Zellen warm zu halten.
Die Entladelkennlinie sieht ähnlich aus wie bei NiCd.

c) Bleiakkus (Pb)
Das beste Beispiel ist die Autobatterie, sechs Zellen in Reihe ergeben 12 V. Aber dieser Einsatz zeigt auch die Stärken und Schwächen eines Bleiakkus: Maximal 30 % entladen und sofort wieder vollladen, ansonsten schadet man dem Akku. Im Auto ist dies durch einen kurzen Anlassstrom und die anschließende Fahrt gewährleistet. Aufgrund seiner hohen Masse ist dieser Akkutyp eher schlecht für den Modellflug geeignet, wird aber teilweise bei Schiffen eingesetzt. Im Gegensatz zu den bisherigen Akkus wird eine Ladung hier durch eine maximale Ladespannung begrenzt, ca. 2,3V pro Zelle.

d) Lithiumionen- (Liion) und Lithiumpolymerakkus (Lipoly)
Diese (neuen) Pausenbrote übertreffen selbst die NiMH in der Masse bei gleicher Kapazität. Auch hier sind die Ströme begrenzt (Ladung ca. 1 C, Entladung bis 20 C), aber die Technologie entwickelt sich ständig weiter. Die heutigen Werte waren vor ca. einem Jahr undenkbar.
Da diese Akkus eine andere Nennspannung haben, werden sie im Verhältnis 3:1 zu den NiXX eingesetzt. Die Lithiumakkus reagieren recht sensibel auf falsche Behandlung. Andere Akkus platzen/explodieren eventuell bei einer falschen Behandlung, diese Li-Akkus brennen zusätzlich lichterloh ab. Man sollte sie also, wie alle Akkus, sicher und mit Vorsicht handhaben.
Im Gegensatz zu den NiXX ist die Spannungslage hier nicht mehr konstant, volle Lipolys haben 4,2 V (Liion 4,1 V) dies sinkt beim entladen auf 3,0 V (Liion ca. 2,6 V)

e) Lithiumeisenphosphatakkus (LiFePO4)
Wiederum eine Neuerung: Sie sind etwas schwerer als die Lipolys, dafür aber durch einen Becher besser geschützt und besser verlötbar. Diese Akkus werden von der Firma A123 produziert und kommen in Dewalt-Akkumaschinen, evtl. auch bei Bosch vor. Die Zellen haben eine Kapazität von 2,3 Ah und einen Spannungsbereich von 2 V (leer) bis 3,6 V (voll). Nun wirds interessant: Nach den Herstellerangaben können die Zellen mit 70 A dauerhaft und für 10 Sec. mit bis zu 120 A belastet werden. Damit könnte man eine solche Zelle in 2 / 1,15 Minuten leersaugen.Auch beim Laden kanns schnell gehen: Erlaubt sind 10 A, so dass die Zellen nach ca 15 Minuten voll sind und die meisten Ladegeräte an ihre Grenzen stoßen. Das Ladeverhalten ist ähnlich dem der Blei- und der anderen Li-Akkus. Der große Vorteil dieser Akkus ist die abartige Hochstromfähigkeit im Vergleich zu anderen Akkutypen.

4. Schaltungen

Die Grundlagen der Physik: Schaltet man die Zellen seriell in Reihe (plus an den nächsten minus), addiert sich die Spannung, aber die Kapazität bleibt gleich. Schaltet man sie parallel (Jeweils alle plus und alle minus zusammen) addiert sich die Kapazität, aber die Spannung bleibt gleich. Gerade im Lipoly-Bereich werden hier komplexe Gebilde gebaut, z.B. ein 3s2p Pack aus 2100 mAh Zellen. Dieser Pack hat nun 3 Zweierpäckchen (parallel), die seriell verschaltet sind, eine Kapazität von 2*2100mAh= 4200 mAh und eine Nennspannung von 3*3,7 V= 11,1 V

5. Bau & Stecker

Es gibt bei den NiXX Zellen neben den ausgefallenen Varianten 2 bevorzugte Bauweisen:
1. Die Zellen werden mit einer Hammerlötkolbenspitze direkt aneinander gelötet, dazu werden die beiden Pole erst verzinnt, denn mit den beiden Hammerseiten KURZ erhitzt und aufeinander gepresst. Hierbei ergeben sich lange Stangen. Eine recht gute Hilfe ist bei Battman zu finden.
2. Die Zellen werden stehend nebeneinander mit Verbindern verlötet. Verbinder sind hier z.B. Kupferkabel / -blech oder ähnliches. Man muss darauf achten, dass die Verbinder einen ausreichend großen Querschnitt haben um auch den Strom leiten zu können.
Als grobe Richtlinie: 1 mm^2 Querschnitt pro 10 A
Anschließend werden die Stecker mit kurzem Kabel angelötet. Es gibt verschiedene Steckerarten diese sind hier auf der Seite von Gerd Giese schön verglichen. Man kann Männchen und Weibchen für Plus und Minus vergeben, somit ist ein Verpolen ausgeschlossen.
Schließlich wird der Akku noch mit Schrumpfschlauch umhüllt und mit einem Heißluftföhn oder einer Herdplatte geschrumpft, die Stecker genauso.

6. Ladetechnik

a) Formieren bei NiXX
Bei nagelneuen NiXX-Zellen ist ungewiss, ob sie alle gleichvoll sind. Lädt man einen Pack nun, könnte folgendes passieren: Einigen Zellen (die volleren) werden überladen, nehmen Schaden, die anderen werden nicht richtig voll und werden bei der nächsten Entladung zu tief entladen und werden auch beschädigt.
Es ist bekannt, dass diese Zellen eine Überladung mit 1/10 C ohne Schaden aushalten. Also werden neue NiXX Zellen zunächst formiert, indem sie mit 1/10 C 14 Stunden geladen werden. Rein rechnerisch ist nach 10 Stunden jede Zelle voll, mit 40 % mehr sind diese garantiert alle gleich randvoll. Nun sind sie alle auf demselben Level und variieren nicht. Diese Formierung sollte man in einigen Abständen und nach Lagerungen wiederholen, um die Zellen aneinander anzugleichen und der unterschiedlichen Selbstentladung der einzelnen Zellen entgegenzuwirken.

b) Schnellladung bei NiXX
Sind die Packs formiert können sie je nach den maximal erlaubten Strömen schnellgeladen werden (bei nagelneuen Akkus empfiehlt es sich, den Ladestrom in mehreren Stufen zu erhöhen). Hierbei ist es wichtig, dass das Ladegerät das Ende des Ladevorgangs zuverlässig erkennt. Mehr Ladestrom als 2C mach wenig Sinn, als Indiz sollte die Endtemperatur dienen. Sie sollte nicht höher als 47°C sein beim Ladeschluss. Ein hoher Ladestrom und hohe deltaPeak-Werte erhöhen die Temperatur und verkürzen die Lebensdauer des Akkus. Als erster Richtwert wird für Hochstromakkus ein Strom von 1,5 C empfohlen. Bei vielen Geräten funktioniert diese Diagnose über das Deltapeakverfahren, näheres siehe im nächsten Kapitel. Von Abschaltungen mit einer Zeit- oder Kapazitätsvorgabe möchte ich dringend abraten, diese sind einfach zu ungenau und die Akkus können beschädigt werden.
Bei neuen Akkus sollten die ersten Schnellladungen genau beobachtet werden, um festzustellen, ob die Abschaltung zuverlässig funktioniert.

c) Deltapeakverfahren bei NiXX
Solange eine Zelle noch nicht vollgeladen ist, wird der Ladestrom in der Zelle als Kapazität gespeichert. Hierbei erwärmt sich die Zelle kaum, solange passende Ströme gewählt wurden. Wird diese Zelle nun voll, so kann die Energie nicht mehr gespeichert werden und die Zelle wird durch den Strom, der immer noch durch sie hindurchfließt erwärmt. Die Leitfähigkeit der Zellen steigt aber mit der Temperatur, so dass der Widerstand durch die Erwärmung sinkt. Dies äußert sich für das Ladegerät in einer minimal absinkenden Ladespannung, welche ansonsten während der Ladung immer gestiegen oder gleich geblieben ist. Wird dies erkannt, schaltet das Ladegerät ab. Für die oben erwähnten 1,5 C Ladestrom wird eine dP-Einstellung von ca. 0,5% (ca. 6mV) empfohlen. Ein höherer Ladestrom (= kürzere Ladezeit) sollte einen niedrigeren dP-Wert und umgekehrt erhalten! Die Vorgabe von dP-Werten ist aber bei Einsteigerladern selten möglich, hier wählt meistens das Gerät selbstständig einen Wert aufgrund des angegebenen Zelltyps.

d) Ladung von Li-Akkus/ Bleiakkus
Im Gegensatz zu den NiXX steigt die Zellspannung der Li-Akkus bei der Ladung kontinuierlich an. Hier wird die Abschaltung an einer festen Abschaltspannung festgemacht, ca. 4,2 V (Lipolys, 4,1 V Liions, 3,6 V LiFePO4). Zunächst lädt das Ladegerät mit maximal erlaubtem Strom. Erreicht die Ladespannung die 4,2 V, wird der Strom reduziert (Spannung fällt etwas) und lädt wieder bis 4,2 V. So wird der Strom immer weiter runtergefahren, bis der Akku auch beim kleinst möglichen Strom die 4,2 V hat, dann schaltet der Lader ab. Ähnlich funktioniert auch die Ladung von Bleiakkus, nur mit anderen Spannungen (s.o.)

e) Driften von Lipolys & Balancer
Sind mehrere Lipolys seriell verschaltet, so addiert sich die Spannung. Gehen wie von einem 3s1p-Pack aus, so hat dieser eine maximale Spannung von 12,6 V. Werden die Zellen stark belastet, so kann es aufgrund von Temperaturunterschieden passieren, dass die Zellen leicht unterschiedlich entladen werden. Zusätzlich kann es zu unterschiedlichen Ladezuständen aufgrund von Kapazitätstoleranzen kommen.
Dies können aber die meisten Lader nicht wahrnehmen, da sie nur die Gesamtspannung messen. Wenn bei dem 3s-Pack nun 2 Zellen etwas leerer sind, ist ihre Spannung auch etwas niedriger (Beispiel: je 0,1 V).
Da der Lader bis 12,6 V lädt, wird nun die dritte (vollere) Zelle bis 4,4 V geladen und nimmt Schaden.
Als Abhilfe kann man die seriell verschalteten Zellen oder Packs (bei mehr als 1p) jeweils nacheinander einzeln laden, hierzu muss man die Zwischenkontakte am Akku abgreifen. Auf diese Weise kann der Fehler durch die Spannungssummierung nicht geschehen. Leider kann man meist nicht alle Zellen parallel schalten, weil sie ja noch seriell verlötet sind (--> Kurzschluss), so dass die Ladedauer dieses Vorgangs größer ist. Dieses Verfahren entspricht dem Formieren von NiXX-Akkus, alle Akkus werden wieder auf denselben Ladezustand gebracht.
Eine andere Möglichkeit stellen Balancer dar. Wie der Name schon sagt, gleichen diese die Zellen untereinander ab. Hierzu sind natürlich auch getrennte Zuleitungen zu allen Polen notwendig (pro Zelle 2 Zuleitungen). Der Anschluss kann sehr gut über Stiftleisten realisiert werden, damit der Balancer auch beim Betrieb abgenommen werden kann. Der Balancer überprüft nun während einer normalen Ladung durchgehend die Einzelzellen auf ihre Spannung. Sollte eine Zelle die Maximalspannung von 4,2 V überschreiten, so wird diese kurz über den Balancer entladen, die Zelle gleicht sich den anderen an. Die Balancer sind aber in ihren Entladefähigkeiten begrenzt. Kann ein Balancer als Beispiel maximal 500 mA entladen, der Lader lädt den ganzen Pack aber noch mit einem Ampere so wird die betreffende Zelle immer noch mit 500 mA überladen und auch der Balancer kann durch Überhitzung beschädigt werden.
Neuere Konzepte, z.B. von Orbit, verfügen über einen Rückmeldungskontakt zum Ladegerät, um diesem mitzuteilen, wie es um die Einzelzellen bestellt ist, damit mittels des Ladestroms korrigierend eingegriffen werden kann. Dadurch genügen sogar Balancer mit sehr kleiner Verlustleitung, weil ja das Ladegerät korrigierend eingreift und nicht der Balancer, der sonst den Ladestrom abführen müsste.

Soweit die ganz groben Grundlagen, die alleine aus Gründen der Sicherheit und als Gesprächsgrundlage vorhanden sein müssen. Nun kann man sich in die "Feinheiten" vorarbeiten.