LiPo:
Lithium-Polymer AKKUS

der Kältetest

Auf der LiPo-Seite sind die Grundlagen dieser Akkutechnologie beschrieben.

Lithium Polymer Akkus haben bis vor kurzem nur bei höheren Temperaturen funktioniert und wurden geheizt (bis 65 Grad). Die modernen LiPo Zellen sollen dieses Problem inzwischen gelöst haben. Aber gerade beim Einsatz als Empfängerakku in den Wintermonaten ist Zuverlässigkeit gefragt. Um nichts dem Zufall zu überlassen, habe ich diese Zellen bei verschiedenen Temperaturen getestet.


Als typischen Vertreter der KOKAM LiPo Zellen wählte ich die 1500 mAh Zelle aus. Ein 2er Pack hat durchschnittlich 7,3 Volt.

Um eine ausreichende Empfängerstromversorgung zu gewährleisten, muss der Akkupack mehr als 6 Volt bei einer Last von ein paar Ampere haben. Das folgende Diagramm zeigt die Spannungslage des Akkupacks bei einer Last von 2 A.

Der LiPo-Controler VS-3 hat eine maximale Verlustspannung von ca. 0,1 Volt. Damit ein handelsüblicher Empfänger und Servos funktionieren, muss die Versorgungsspannung ca. 4,8 Volt betragen. Der Akkupack dürfte also bis zu 4,9 Volt zusammenbrechen damit es noch funktioniert.

Wie man auf den ersten Blick im Diagramm sehen kann, ist diese Forderung bei jeder Temperatur mehr als erfüllt.

Die erste Messung führte ich bei Zimmertemperatur von +20 Grad durch. Der vollgeladene Akkupack beginnt bei ca. 8 Volt und sinkt dann langsam bis 7 Volt ab. Unter 7 Volt geht die Spannung schnell hinunter, der Akku wird leer.

Die zweite Messung erfolgte im Kühlschrank bei +10 Grad. Eigentlich hat unser Kühlschrank nur 4 Grad. Durch die Entladung mit 2 A erwärmt sich der Akku aber leicht und bekommt somit eine höhere Temperatur. Bei +10 Grad ist die Spannungslage nur minimal kleiner als bei 20 Grad.

Im Kältefach erreichte ich eine Akkutemperatur von fast genau 0 Grad. Hier sank die Spannung bereits um ca. 0,25 Volt ab. Trotzdem blieb sie bis zum Ende deutlich über 6,5 Volt.

Die weiteren Tests wurden im Gefrierschrank durchgeführt (meine Frau war gerade mit dem Hund unterwegs, sonst hätte es Ärger gegeben...).

lipo_kalttest.jpg (20700 Byte) Dieses Bild (anklicken) zeigt den LiPo Akkupack mit dem Speicher-Thermometer, welches normalerweise für Modellmotoren benutzt wird. Da es bis -20 Grad funktioniert, war es ideal für diesen Test.

In den Wintermonaten kann es schon mal -10 Grad und weniger haben. Es ist extrem wichtig zu wissen, ob der LiPo Akkupack dann überhaupt noch zuverlässig funktioniert. Daher war diese Messung sehr spannend.

Wie das Diagramm zeigt, sank die Spannungslage weiter ab. Im Vergleich zu +20 Grad fehlen fast 0,6 Volt, am Ende waren es noch ca. 6,3 Volt. Die Kapazität des 1500 mAh Akkus sank dabei auf 1380 mAh.

Diese Werte sind mehr als akzeptabel. Ich habe zwar noch keinen NiCd oder NiMH Akku im Gefrierschrank gemessen, aber ich bin sicher dass dieser auch nicht besser ist. Der LiPo Controller VS-3 kann für eine Ausgangsspannung von 4,8 bis 6 Volt eingestellt werden um alle handelsüblichen Empfänger versorgen zu können. Da er nur 0,1 V Verlustspannung hat, reichen die 6,3 Volt bei -10 Grad vollkommen aus um eine zuverlässige Empfängerstromversorgung sicherzustellen.

Hochlast-Verhalten:

Beim Einsatz von vielen Digitalservos kann es zu kurzzeitigen relativ hohen Lasten kommen. Daher ist es wichtig das Verhalten der LiPo Akkus im Winter unter hohen Spitzenlasten zu ermitteln.

Als ersten Test habe ich mitten während des Entladevorgangs die Last von 2A auf 4 A erhöht, und zwar bei einer Temperatur von -10 Grad :

Man sieht deutlich, wie die Spannung um ca. 0,3 Volt abgesunken ist. Lustigerweise steigt die Spannung danach wieder langsam an. Das kommt daher, weil sich der Akkupack durch den höheren Entladestrom erwärmt. Ein deutlicher Beweis, dass Leistung von LiPo Zellen temperaturabhängig ist.

Um dem realen Betrieb näher zu kommen, habe ich während des Entladevorgangs bei -10 Grad unterschiedliche Lasten immer nur kurzfristig angeschlossen. So konnte sich der Akku nicht erwärmen und wurde trotzdem voll belastet. Dabei zeigt sich, dass man mit parallelgeschalteten Akkupacks eine erheblich bessere Spannungslage hat als mit einzelnen Akkupacks. Dieser Sachverhalt wird in den nächsten Bildern gezeigt:

Obiges Bild zeigt den Vergleich zwischen 1 und 2 Akkupacks. Bei einer Last von 6,5 A bricht ein einzelner Akkupack um gut 1 Volt ein. Dahinter die gleiche Last aber mit zwei parallelgeschalteten Akkus. Die Spannung bricht nur mehr um 0,4 Volt ein, eine deutliche Verbesserung. Das Bild gilt nur für einen relativ voll geladenen Akku und bei -10 Grad.

Wenn der Akku weiter entladen ist, dann bricht auch die Spannung weiter zusammen, hier wieder mit den beiden parallelen Akkus:

Hier eine Grundlast von 2 A und einige kurzzeitige Belastungen mit 6,5 A. Anfangs bricht die Spannung nur um ca. 0,6 V ein, gegen Ende dann schon um 1 Volt. Wie gesagt, alles bei den extremen -10 Grad. Bei höheren Temperaturen ist die Spannungslage deutlich höher und unkritischer, aber wir wollten ja wissen wie es im Winter aussieht. Diesen Effekt sieht man bei Sekunde 800, hier steigt die Spannung wieder an, da der Akku durch die längere Belastung warm wurde.

Aus dem Spannungseinbruch kann man den Innenwiderstand des Akkupacks abschätzen. Dazu benötigt man Spannung und Strom von zwei verschiedenen Belastungen, in diesem Fall 2A und 6,5 A. Dieses trägt man in die Formel Ri = (U2-U1)/(I1-I2) ein. Daraus ergibt sich für den 1-Zellen Pack ein Innenwiderstand Ri von 0,22 Ohm und für den 2-Zellen Pack von 0,18 Ohm. Hier hat man natürlich Fehler durch verschiedene Temperaturen und Messfehler. Die Wahrheit dürfte aber ungefähr in dieser Größenordnung liegen.

Bei einem 2er Pack mit 1200mAh Kokam Zellen habe ich 0,17 Ohm bei -10 Grad gemessen, also ebenfalls in diesem Bereich. Zum Vergleich, bei 20 Grad habe ich einen Innenwiderstand von 0,08 Ohm gemessen, also weniger als die Hälfte.

Diese Innenwiderstände sind keinesfalls vernachlässigbar, wenn man ein Modell mit hohem Stromverbrauch (Digitalservos) hat. Man muss dann von kurzzeitigen Spitzenströmen von z.B. 5A ausgehen. Im Sommer würde das zu einem Spannungsabfall von 0,4 Volt führen, im Winter aber zu 1 Volt. 

Bei der Untersuchung von Analog- und Digitalservos hat sich herausgestellt, dass dieser hohe Strom immer nur sehr kurz benötigt wird. Es ist daher gar nicht notwendig die LiPo Zellen mit diesem Strom zu belasten, da man diese hohen aber kurzen Energien anderweitig bereitstellen kann. Aus diesem Grund enthält der LiPo-Controler VS-3 entsprechende Speicher. Damit kann die Versorgung von Digitalservos auch bei niedrigeren Temperaturen konstant gehalten werden.

Zusammenfassung:

Aus den obigen Messungen kann man einige interessante Schlüsse für den Betrieb bei Minustemperaturen ziehen:

bei kleinen bis mittleren Belastungen haben die vermessenen LiPo Zellen immer eine ausreichende Spannungslage zur Versorgung von Empfänger und Servos.
Bei hohen Lasten (viele Digitalservos) sollte man um sicherzugehen eine Abschätzung des Strombedarfs und des Spannungsabfalls machen.
Bei sehr niedrigen Temperaturen sinkt die Kapazität (hier um ca. 20%) und ebenfalls die Spannungslage
Die Spannungslage kann durch Parallelschaltung von LiPo Akkus deutlich verbessert werden

Mit dem hier vermessenen 1500 mAh KOKAM LiPo Akkupack aus Einzelzellen und einem VS-3 LiPo Controller würde ich auch im Winter normale Modellflugzeuge ohne Bedenken fliegen.

Habe ich aber einen Modellhubschrauber mit Digitalservos oder ein größeres und schweres Flächenmodell, so kann die Spannung im Winter schon an die kritische Grenze gehen. Die Lösung ist das Parallelschalten von je 2 Akkuzellen. Dadurch verdoppelt sich natürlich auch die Kapazität und man erhält einen Akku mit 3000 mAh der eine gute Spannungslage und Belastbarkeit bietet und trotzdem klein und leicht ist.

Die verfügbare Kapazität sollte im Winter allerdings nicht ausgenutzt werden, da die Akkus etwas weniger abgeben (ca. 20%) und zusätzlich einen höheren Innenwiderstand haben. Mit einem 3000 mAh Pack hat man allerdings soviel Reserven, dass man leicht die Hälfte verfliegen kann bevor man nachlädt. Sobald die Temperaturen bei +10 Grad oder darüber liegen, steht wieder die volle Kapazität zur Verfügung. Diese Aussagen gelten übrigens sinngemäß auch für NiMH Akkus. Am besten lädt man im Winter einfach in den Flugpausen nach, das ist einer der großen Vorteile von LiPo Zellen. Bei NiCd oder NiMH durfte man das wegen des Memoryeffektes nie machen.

Falls nicht genug Platz zur Verfügung steht, können auch die 1200 mAh Zellen genommen werden. Sie sind nur geringfügig schwächer als die 1500er Zellen. Durch Parallelschaltung von je 2 Zellen erhält man einen Akkupack mit 2400 mAh mit geringer Größe und Gewicht.

Das Laden sollte bei warmem Akku erfolgen. Ein -10 Grad kalter Akku kann nicht mehr ganz voll geladen werden.

Für den Betrieb mit LiPo Zellen als Empfängerstromversorgung ergeben sich somit einige Regeln für die Praxis:

Nur mit einem für LiPo Zellen geeigneten Akku-Monitor fliegen
möglichst immer je 2 Zellen Parallelschalten (vor allem bei Digitalservos)
Im Winter am besten in den Flugpausen gleich wieder nachladen (das geht problemlos, da diese Zellen keinen Memoryeffekt haben).
LiPo-Controller verwenden, die den Strombedarf von Digitalservos puffern können.