LiPo:
Lithium-Polymer AKKUS

Funktionsweise:

LiPo : Lithium Polymer Akkus (oder ganz genau ausgesprochen "Lithium-Ionen Polymer Akkus") unterscheiden sich von anderen Akkus im wesentlichen durch den verwendeten Elektrolyten. 

Herkömmliche Akkus haben zwischen den + und - Polen einen porösen Separator welcher mit Elektrolyt durchtränkt ist.

LiPo Akkus haben einen Polymer Elektrolyt, welcher aus einem plastikartigem Film  besteht, der elektrisch isoliert, jedoch Ionen durchlässt. (Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Gruppen von Atomen, also Atome, wo Elektronen zuviel oder zuwenig vorhanden sind). Dieser Film ist nur 1/10000 mm dick !

Hier hat man schon den ersten wesentlichen Unterschied und Vorteil: Da herkömmliche Akkus "nass" sind, also einen feuchten Elektrolyten haben der im Separator aufgesaugt ist, kann dieser bei falscher Behandlung austreten oder sogar explodieren. LiPo Zellen haben nur diesen trockenen Plastikfilm. Das macht sie leichter herstellbar und hat Vorteile für die Robustheit und Sicherheit bei der Benutzung.

Im oberen Bild die LiPo Zellen im Größenvergleich zu einer normalen Sub-C Zelle Sanyo RC2000. Die LiPo Zellen haben eine größere Fläche, sind aber wesentlich dünner.

Das Bild links zeigt die minimale Dicke der Zellen. Ganz links wieder die normale Sub-C Zelle und danaben die 2000 mAh Zelle mit nur 3,9mm, in der Mitte zwei 1500 mAh Zellen als Pack verschaltet und rechts drei 1200 mAh Zellen als Dreierpack.

Die kleineren Zellen mit  700 oder 350 mAh sind so dünn wie eine Scheckkarte. Man könnte sie in der Fläche eines Slowflyers locker verstecken.

Übrigens: dieser Größenvergleich ist nicht ganz fair, denn die LiPo Zelle hat die dreifache Spannung einer NiCd Zelle. Man müsste die 2000mAh Zelle also richtig mit DREI Sanyos RC2000 vergleichen !

Tatsächlich erkennt man eine LiPo Zellen sofort an ihrem eigenartigem Aussehen. Solange wir uns erinnern können waren Akkus und Batterien runde stabförmige Zellen. LiPos sind da völlig anders, sie sehen aus wie ein Säckchen Puddingpulver aus dem zwei Anschlüsse herausragen. Diese extrem dünne Bauform ist nur durch diesen trockenen Polymer-Elektrolyten möglich geworden. Diese Bauform ist ein weiterer Vorteil, da sich diese Zellen sehr einfach montieren lassen, ein geeignete Platz findet sich fast immer.

Der größte Vorteil der LiPo Zellen ist jedoch ihre sehr hohe Energiedichte.

Das folgende Diagramm zeigt das Gewicht, welches man für einen Akkupack mit 14,4 Volt und 2000 mAh benötigt:

Während man bei NiCd Zellen über 600 Gramm und bei NiMH Zellen knapp unter 600 Gramm herumschleppen muss, so begnügen sich LiPo Zellen mit dem Leichtgewicht von nur 180 Gramm (ungefähre umgerechnete Vergleichswerte). 

Die Energieausbeute ist also mehr als 3x so hoch wie bei herkömmlichen Zellen. Das spart enorm Gewicht wodurch die Modelle wiederum weniger Energie benötigen. Flugzeiten von Elektromodellen übertreffen damit erstmals die Flugzeiten von Verbrennern, ein Traum wird wahr.

Wo Vorteile sind gibt es aber leider immer auch Nachteile. LiPos haben einen deutlich höheren Innenwiderstand als NiCd oder moderne NiMH Zellen, und können daher bei weitem keine so hohen Ströme liefern. Obwohl die Hersteller in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht haben, können LiPo Zellen (Stand 2003) nur ungefähr einen Strom liefern, der dem zehnfachen ihrer Kapazität entspricht (10C). Eine Zellen mit LiPo 1500 mAh kann daher maximal 15 A liefern. Wenn man bedenkt dass eine RC2400 NiCd Zelle schon mal 100A abgeben kann, so ist das nicht gerade viel.

Diesen Nachteil kann die LiPo Zelle aber mit einer weiteren besonderen Eigenschaft kompensieren: Man kann LiPo Zellen Parallelschalten um den Maximalstrom zu erhöhen. Brauche ich 45 A anstelle der oben erwähnten 15 A, so nehme ich einfach drei Zellen und schließe sie parallel. Man kann sie sogar gleichzeitig laden, kann diese parallelen Zellen also wie eine einzelne Zelle behandeln. Durch die sehr flache Bauform lassen sie sich mit doppelseitigem Klebeband einfach zusammenkleben, fertig ist die 45 A Zelle. Natürlich kostet diese dann 3x soviel wie die Einzelzelle, aber was investieren wir nicht alles in unser Hobby.

Ein weiterer Unterschied zu herkömmlichen Zellen ist die Spannung. Während wir uns bei NiCd und NiMH an die üblichen 1,2 Volt/Zellen gewöhnt hatten, bringen diese Zellen ca. 3,7 Volt. Dadurch benötigt man entsprechend weniger Zellen um eine gewünschte Spannung zu erhalten, was wiederum Kosten spart.

Hier noch eine Übersicht über Vor und Nachteile:

Vorteile:
Sehr dünne Bauform: ermöglicht einfaches Stapeln der Zellen. Neue Ideen zum Einbau werden möglich.
Geringes Gewicht: Nur 1/3 bis 1/4 des Gewichts herkömmlicher NiCd und NiMH Zellen, dadurch längere Flugzeiten, agilere Modelle.
Höhere Sicherheit: die Zellen können bei falscher Behandlung zwar auslaufen und u.U. brennen, eine Explosionsgefahr wie bei NiCd und NiMH wurde bisher aber nicht beobachtet.
Kein Memoryeffekt: einfaches Nachladen möglich. Entladen nicht erforderlich
Kaum Selbstentladung: Heute Laden, morgen Fliegen, und das ohne Energieverlust (verliert nur ca. 1% pro Monat !)
Parallelschalten möglich: Packs mit hohen Strömen selbst herstellen durch Parallelschaltung. Kostet mehr, bringt aber auch enorme Kapazitäten.
Umwelt: LiPo Zellen sind laut Kokam aus umweltfreundlichen Materialen hergestellt
 

Nachteile:

Höherer Innenwiderstand : Einzelzellen können derzeit nur maximal 10C
Teuer: Die Massenfertigung läuft erst an, man muss derzeit bis über 20 Eur für eine Zelle ausgeben (je nach Kapazität)

 


Akkutypen

Der wichtigste Hersteller von hochstromfähigen LiPo Zellen für den Modellbau ist KOKAM. Gute Zellen werden auch von Thunder-Power geliefert, diese sind aber so extrem teuer, dass ich sie hier nicht weiter anführe.

Die folgende Liste gibt einen Überblick über ausgewählte und verfügbare LiPo Zellen von Kokam und zeigt Abmessungen und Gewicht:

Kapazität Maximalstrom Gewicht Abmessungen
350 mAh  20C = 7 A  10,0 g  52,0x33,5x3,0 mm
700 mAh  10C = 7 A  16,0 g  58,5x33,5x3,0 mm
1500 mAh  10C = 15 A  33,0 g  70,5x37,5x6,4 mm
2000 mAh  10C = 20 A  46,0 g  95,0x64,0x3,9 mm

Alle diese Zellen haben 3,7 Volt.


Auslegung von Akkupacks als Antriebsakku

Bei der Auslegung von Akkupacks muss man etwas umdenken, da die andere Spannung sowie die Strombelastbarkeit berücksichtigt werden muss. Hier folgen ein paar praktische Beispiele:

LiPo Akkupack für einen Standard ECO-8 E-Hubi:

Normale (wenig getunte) ECO-8 Hubis werden für Schweben, normalen Rundflug und einfachen Kunstflug verwendet. Man fliegt üblicherweise mit 10 bis 12 Zellen NiCd oder NiMH und hat eine Schwebestromaufnahme von 15 A und eine Maximalstromaufnahme von 30 bis 40 A. Die weitere Rechnung wird für einen 12 Zellenpack durchgeführt, da sich das mit LiPo Akkus einfach und direkt vergleichen lässt.

Der 12er Pack NiCd oder NiMH wiegt ungefähr 740 Gramm (inkl. Kabel). Er bringt ca. 2400 bis 3300 mAh und lässt Flugzeiten um die 10 Minuten zu. Die Spannung eines 12er Packs ist 12x1,2 = 14,4 Volt.

Wenn ich dieses Modell mit LiPo Zellen ausrüsten will, so brauche ich um die gleiche Spannung von ca. 14,4 Volt zu erreichen vier LiPo Zellen (4x 3,7 = 14,8). Diese bringen aber nur 20A (wenn ich die 2000mAh Zellen nehme). Um die benötigten 40A Spitzenstrom zu erhalten, muss ich je zwei Zellen parallel schalten. Ich benötige also 8 Zellen.

Ein solcher LiPo Akkupack aus 8 Zellen hat folgende Eigenschaften:

Spannung: 14,8 Volt das passt optimal als Ersatz für den 12-Zellen NiCd oder NiMH Akkupack
Maximalstrom: 40 A 2x 20A = 40A durch parallel schalten von je 2 Zellen
Gewicht: 400g 8x 46 Gramm plus Kabel
Kapazität: 4000 mAh doppelte Kapazität durch parallel schalten von je 2 Zellen
Abmessungen: 95 x 64 x 31 mm nur als Beispiel, je nach Konfektion des Akkupacks, hier alle Zellen aufeinandergestapelt.
Preis: ca. 190 € Stand Herbst 2003

Die Flugzeit von 10 Minuten mit NiCds wird mit diesem LiPo Pack bei weitem überschritten. Zum einen haben wir die enorme Kapazität von 4000 mAh zum anderen wiegt unser Hubi um 350g weniger, wodurch er agiler wird und weniger Strom braucht. Wir können also mit Flugzeiten um die 20 bis 25 Minuten rechnen.

LiPo Akkupack für einen großen 30-Zellen Hubschrauber :

ja, liebe Modellbaufreunde, hier wird es sehr interessant, aber auch richtig teuer, also lasst Euch von den Preisen bitte nicht schockieren.

Ein E-Hubi für 30 Zellen fliegt mit 30 x 1,2 = 36 Volt. Üblicherweise mit RC2400 NiCd Akkus mit 2400 mAh Kapazität. Die Flugzeiten betragen ca. 8 bis 10 Minuten. Das Gewicht eines 30er Akkupacks ca. 1740g

Für so einen großen E-Hubi braucht man 10 Zellen in Reihe, was 10x3,7 = 37 Volt ergibt. Um die maximale Strombelastung von 60 A zu erreichen, muss man jedoch mehrere Zellen parallel schalten. In diesem Fall ist die beste Lösung die LiPo Zelle mit 1500 mAh. Sie kann 15A, mit vier Stück parallel also 60A. Ein kompletter Akkupack hat daher 40 Zellen (je 4 parallel und davon 10 in Reihe).

Ein solcher LiPo Akkupack aus 40 Zellen hat folgende Eigenschaften:

Spannung: 37 Volt das passt optimal als Ersatz für den 30-Zellen NiCd oder NiMH Akkupack
Maximalstrom: 60 A 4x 15A = 60A durch parallel schalten von je 4 Zellen (1500 mAh Zellen)
Gewicht: 1400g 40x 33 Gramm plus Kabel
Kapazität: 6000 mAh vierfache Kapazität durch parallel schalten von je 4 Zellen
Abmessungen: viele verschiedene Arten des Zusammenbaus sind hier möglich
Preis: ca. 650 € Stand Herbst 2003

dieser E-Hubi hat weniger Gewicht zu tragen (ca. 300g) und zusätzlich die 3 fache Akkukapazität ! Das lässt Flugzeiten zwischen 25 und 30 Minuten erwarten !

Achtung: Beim Bau von Antriebs-Akkupacks müssen die einzelnen Zellen ca. 1-2mm Abstand haben, damit die ausreichend gekühlt werden.


Auslegung von Akkupacks als Empfängerakku

Auch als Empfängerstromversorgung ist LiPo sehr interessant da es einige Vorteile bringt:

Hauptgrund für den Einbau von LiPo Zellen als Empfängerstromversorgung wird das Gewicht sein. Jedes Gramm das man seinem Modell sparen kann, dankt es mit mehr Flugzeit und besseren Flugeigenschaften. Die einfache Handhabung der Zellen (ein passendes Ladegerät vorausgesetzt) ist ein sehr angenehmer Nebeneffekt.

Normale Fernsteuerempfänger arbeiten mit 4 NiCd Zellen, also mit 4,8 Volt. Die Obergrenze liegt z.B. bei Graupnerservos bei 6 Volt. Es gibt zwar Produkte (z.B. Robbe) die mehr Spannung vertragen, aber die Spannung von zwei LiPo Zellen 2x 3,7 = 7,4 Volt ist immer zuviel. Eine einzelne LiPo Zelle mit nur 3,7 Volt ist hingegen zuwenig. Die benötigte Spannung ist mit LiPo Zellen nicht zu erreichen. 

Damit man die Vorteile der LiPo Akkus auch bei der Versorgung von Empfängern ausnutzen kann, habe ich eine spezielle Elektronik entwickelt, welche bei www.helitron.de erhältlich ist. Normale Spannungsregler-ICs sind für diese Anwendung leider nicht brauchbar, da sie viel zu hohe Verluste haben. Es wurde also eine spezielle Schaltungstechnik konstruiert, welche die Vorteile der LiPo Zellen zur Geltung kommen lässt aber auch die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz der Zellen und des Modells enthält. Details hierzu sind bei www.helitron.de zu finden.

An dieser Stelle wollen wir uns mit dem praktischen Einsatz beschäftigen:

Hier ein Millennium Hubschrauber, der mit zwei LiPo Zellen mit 2000 mAh bestückt ist. Diese Zellen wiegen nicht einmal 100 g. Die benötigte Elektronik enthält bereits FET Sicherheitsschalter, die LiPo-Spannunsganpassung, sowie einen uP-Akkuwächter. Das Gewicht dieser Elektronik spart man an herkömmlichem Schalter und Akuwächter ein, wodurch eine erhelbliche Gewichtsersparnis zustande kommt.

Links mit detaillierten Beschreibungen dieses Projekts befinden sich am Ende dieser Seite.


Ladetechnik

Die guten alten NiCd Akkus waren noch sehr robust und haben schlechte Behandlung meist gut weggesteckt. Die neueren MiMH Akkus sind da schon empfindlicher und können beim Überladen oder tiefentladen auch mal kaputt gehen.

LiPos sind noch um einiges sensibler. Überladen, zu hohe Ströme, oder tiefentladen und schon ist die Zelle defekt und kann nicht mehr gerettet werden. Bei den Kosten für diese Zellen muss man daher alles notwendige tun um sie wirklich gut zu behandeln ! Das Laden mit einem herkömmlichen Ladegerät würde zu schnellen Zerstörung des teuren Akkupacks führen.

LiPo Zellen werden mit der CC/CV (Constant Current, Constant Voltage) Methode geladen. Das bedeutet:

Constant Current: Während des Ladevorgangs muss für einen konstanten Ladestrom gesorgt werden, der 1C nie überschreiten sollte und üblicherweise bei 0,5 C bis 1 C liegen sollte. Bei leeren Zellen, die unter 2,9 Volt haben, sollte der Strom 0,1 A nicht überschreiten.
Constant Voltage: Die Ladespannung muss laufend überwacht werden und darf 4,235 Volt niemals überschreiten.

Am Anfang der Ladung wird der Strom langsam von 0 bis zum Maximalstrom hinaufgefahren. Erst wenn die Zelle ca. 3,6 Volt hat, sollte sie mit vollem Strom geladen werden. 

Am Ende der Ladung wird der Strom langsam zurückgenommen, um auch den letzten Rest an Kapazität auszunutzen. Dabei wartet man bis die Maximalspannung von 4,235 Volt erreicht ist und nimmt dann den Strom soweit zurück, dass diese Spannung nicht überschritten wird. Man wird immer weniger Strom brauchen, bis man bei ca. 0,1 A die Ladung beenden kann.

Die namhaften Hersteller von Ladegeräten bieten inzwischen Software-Updates an, welche diese LiPo Programm enthalten. Eine Aufrüstung der Ladegeräte ist unbedingt erforderlich.

Übrigens: Laden von großen LiPo Akkupacks ist nichts für Eilige. Beispiel: Wer einen Pack mit 3000 mAh Laden will, und dazu 3 A fließen lässt braucht 1 Stunde für den Ladevorgang mit vollem Strom. Danach braucht man noch fast dieselbe Zeit um mit reduziertem Strom den Akku ganz voll zu bekommen. Darum kümmern sich natürlich die Ladegeräte automatisch, aber man muss (bei 1C Ladestrom) gut 1,5 bis 2 Stunden warten bis er voll ist.  Der Vorteil ist aber, man muss nicht am Flugplatz laden sondern kann es gemütlich zuhause machen, da die Zellen so gut wie keine Selbstentladung haben.

Ein weiterer Vorteil ist, dass man jederzeit nachladen kann, wenn man nicht genug Zeit hat, lädt man halt nur die Hälfte ein. Dem LiPo Akku macht das nichts, mit den guten alten NiCd Akkus hätte man das nicht machen können.

Wichtiger Hinweis: Damit Computerladegeräte die Maximalspannung pro Zelle von 4,235 Volt zuverlässig erkennen können, müssen ausreichend dicke und sauber gelötete Ladekabel benutzt werden. Kabelquerschnitte von 2,5qmm bei einer maximalen Länge von 1,5m sind empfehlenswert.


Lebensdauer

Die voraussichtliche Lebensdauer ist vom Hersteller KOKAM so spezifiziert: "Die Lebensdauer der Zelle ist vorbei, wenn sie nur mehr 80% ihrer ursprünglichen Kapazität hat".

Unter Bedingungen mit relativ geringer Last wie sie bei der Empfängerstromversorgung auftritt, sind 500 bis 600 Lade/Entladezyklen vom Hersteller geschätzt worden. Bei Hochstrombelastung bei Verwendung als Antriebsakku, verweigert Kokam weitere Aussagen und schreibt: "Bei Hochstrombelastung benutzt der Anwender diese Zellen ausschließlich auf eigenes Risiko". Wie lange die LiPo Zellen als Antriebsakku für E-Modelle also halten, steht derzeit noch in den Sternen. 

Sicher ist aber eins: Wenn man durch Parallelschaltung von Zellen die Strombelastung der Einzelzelle reduziert, steigt die Lebensdauer beträchtlich. (Leider aber auch der Preis). Ich würde daher Antriebsakkus immer so auslegen, dass die einzelne Zelle mit allerhöchstens 10 C (Strom in Höhe der 10fachen Kapazität) belastet wird.


Risiken

Neue Technologien bringen erstaunliche Leistungen, aber zwingen durch neue Risiken auch zum Umdenken. Wer LiPo Akkus benutzen will, sollte sich mit dieser Technik vertraut machen, um lange Freude an diesen tollen Zellen zu haben.

Hier eine (unvollständige) Liste mit erwähnenswerten Fakten:

Gehäuse: Das Gehäuse der Kokam Zellen besteht aus einer Aluminium-Plastikfolie. Diese Folie darf unter keinen Umständen verletzt werden da die Zelle sonst defekt ist. Für einen ausreichenden Schutz (Vibrationen) im Modell ist zu sorgen. Bei Beschädigung kann Elektrolyt austreten, Berührung unbedingt vermeiden.
Überladung: Falls das Ladegerät durch einen Defekt nicht abschaltet, kann die Zelle zu brennen beginnen. Daher beim Laden immer anwesend sein (das gilt übrigens für alle Akkutypen).
Schnellladung: Schnellladung ist nicht möglich. Die Ladeströme für eine Zelle müssen eingehalten werden. Wegen der hohen Kapazitäten der LiPo Akkupacks und der verhältnismäßig niedrigen Ladeströme, sollte man genügend Zeit zum Laden mitbringen.
Tiefentladung: Fliegt man solange bis die LiPo Zelle unter 2,3 Volt hat, so geht sie unweigerlich kaputt und ist nicht mehr zu retten. Mein LiPo Controller für die Empfängerstromversorgung hat daher eine entsprechende Unterspannungswarnung.
Hochstromentladung: Speziell beim Einsatz als Antriebsakku muss man so viele Zellen parallel schalten, dass auch maximale Spitzenströme abgedeckt werden. Macht man das nicht und überfordert die Zelle auch nur kurzzeitig, so leidet zumindest die Lebensdauer erheblich.
Lade-Temperatur: 0 bis +45 Grad. Ein Laden der Zellen im Winter unter freiem Himmel ist daher nicht möglich.
Entladetemperatur: -20 bis +60 Grad: Ein Fliegen im Winter ist daher möglich. Allerdings sollte bei Minustemperaturen mit reduzierter Kapazität von mindestens -20% und geringeren Entladeströmen gerechnet werden. Ich würde LiPo Zellen unter -10 Grad nicht mehr benutzen.
Lebensdauer: ca. 600 Lade/Entladezyklen
Lagerung: Die Zellen müssen zwischen Halbvoll und Voll gelagert werden. Das Lagern leerer Zellen führt zu deren Zerstörung. Neue Zellen sind daher immer halbvoll. Erhalten Sie von Ihrem Lieferanten eine leere Zelle, tauschen Sie diese unbenutzt um.
Parallelschaltung: alle Zellen müssen von der gleichen Type sein

Anwendungen

(Dieser Abschnitt wird erweitert, sowie neue Anwendungen getestet wurden)

  1. Empfängerstromversorgung von RC-Hubschraubern mit LiPo Zellen. Hier im Beispiel an einem Millennium (und Futura ganz allgemein) Verbrennerhubi.
  2. Empfängerstromversorgung von RC-Hubschraubern mit LiPo Zellen. Hier im Beispiel an einem 3D-NT Verbrennerhubi.