LiPo:
Lithium-Polymer AKKUS

der Hochlast-Test

Um für sein Modell die richtigen LiPo Akkus auswählen zu können, muss man zwei Dinge wissen:

1. Welche Strom, Spannung und Leistung benötige ich für mein Modell bei meinem Flugstil

2. Welche Daten haben LiPo Akkus, passen diese zu meinem Modell ?

Die erste Frage kann man (relativ) einfach beantworten. Man könnte die Stromaufnahme messen, den Motorhersteller fragen oder normale NiCd Akkus zum Vergleich verwenden.

Die zweite Frage ist schon erheblich schwieriger zu beantworten, eigentlich ist sie gar nicht zu beantworten. Warum ist das so ? Weil die Hersteller LiPo Akkus nur bei ziemlich niedrigen Ströme beschreiben. Bei der im Modellbau üblichen Hochstrombelastung bleiben Sie vernünftige Antworten schuldig und schieben die Verantwortung auf den Anwender.

Als typisches Beispiel nehmen wir hier den Kokam 1500 mAh Akku zur Hand. Großhändler und Importeure spezifizieren ihn mit 10C, also 15 Ampere. Woher dieser Wert kommt hat eher mit Marketing als mit Technik zu tun. Aber das kennen wir ja schon von NiCd und NiMH AKkus, bei denen die lustigsten Angaben gemacht werden. Der Hersteller würde sich zu solch gewagten Angaben nicht hinreißen lassen, zumindest habe ich nichts entsprechendes in den Datenblättern gefunden.

So ganz falsch ist diese Angabe aber dennoch nicht. Man muss nur die im Modellbau üblichen Belastungen berücksichtigen. Und genau hier liegt der springende Punkt:

Übliche Belastung bedeutet in der Regel, dass die durchschnittliche Last ca. 1/4 bis 1/3 beträgt. Nur in den höchsten und kurzen Spitzen kann die Last den vollen Wert erreichen. Es gibt aber auch andere Piloten, die mit kleinen Modellen fast immer Vollgas fliegen. Hier ist die übliche Belastung eben die maximale Dauerlast.

Man sieht schon, so kommt man auf keinen grünen Zweig. Mit Glauben und Vermutungen kann man keinen Antriebsakku auswählen. Aus diesem Grund habe ich mir einen Kokam 1500 mAh vorgenommen und bis zur Zerstörung gequält. Die Ergebnisse dieser Versuche und Schlussfolgerungen findet ihr in diesem Bericht.


Als praktische Anwendung für diese Tests sollte ein 1500 mAh Akku für ein kleines Flächenflugzeug zum Einsatz kommen. Dieses braucht 16A Dauerlast bei Vollgas und wird praktisch nur mit Vollgas geflogen.

Bei ersten vorsichtigen Versuchen mit einem 1500er Pack zeigte sich schnell, dass die Spannungslage viel zu schlecht war. Diese Dauerlast konnte man dem Akku nicht zumuten. Um herauszufinden wie viele Packs man parallel schalten muss um den benötigten Strom bereitstellen zu können, habe ich einen Pack mit 3 Stück Kokam 1500 mAh vermessen. Das folgende Diagramm zeigt die Ergebnisse, die alle bei 20 Grad Raumtemperatur gemacht wurden:

 

Lastwiderstand: 8,7 5,3 2 1,2 0,8  Ohm
Kurvenfarbe: orange blau grün rosa braun  
mittlerer Strom: 1,27 2,1 5,3 8,5 12,0 A mittel
Entladezeit: 3342 2018 989 603 384 Sekunden
entnommene Kapazität: 1179 1158 1464 1418 1275 mAh

1. Test, grüne Kurve:

ich wollte nicht gleich mit den Extremen beginnen und wählte als ersten Test eine Last von ca. 5 Ampere. Die grüne Kurve zeigt einen ordentlichen Verlauf mit einer Spannung um die 10,5 Volt (3,5 Volt/Zelle). Nach über 16 Minuten und 1464 mAh entnommener Kapazität war dann der Akku leer und handwarm. Diese Last scheint also kein Problem darzustellen.

2. Test, rosa Kurve:

es sollte herausgefunden werden, ob zwei parallel geschaltete LiPo Packs den für das Modell benötigten Strom von 16 A liefern können. Daher wurde ein Pack mit 8,5 A belastet (für zwei Packs würde das das doppelte, also 17A bedeuten).

Die Spannungslage war mit 10 Volt recht ordentlich. Auch die entnommene Kapazität von 1418 mAh ist brauchbar. Der Akkupack wurde ca. 45 Grad warm. Die Kurve zeigt ein paar Höcker, da ich den Lastwiderstand mit Wasser kühlen musste und sich je nach Wasserströmung die Last geringfügig geändert hat, was aber für den Test ohne Bedeutung ist. Der Akku hat auch diesen Lasttest gut überstanden.

3. Test, braune Kurve:

Diesmal ging ich schon nahe an die vom Importeur spezifizierten 15 Ampere und ließ einen Dauerstrom von ca. 12 A fließen. Abgesehen von den kleinen Höckern durch die Wasserkühlung zeigt die Kurve gleich am Anfang einen starken Einbruch, und dann nach 2 Minuten wieder einen Spannungsanstieg. Das war eigenartig und so nicht zu erwarten. Meine Erklärung für dieses Verhalten ist die Zellentemperatur. Bei diesem Test erwärmte sich der LiPo Akkupack auf 70 Grad und war kaum noch anzufassen. Lithium reagiert bei hohen Temperaturen viel besser als bei niedrigen. Vermutlich hat die hohe Temperatur zu besserer Leistung der Zelle geführt, wodurch die Spannung zwischen der 1 und 2 Minute wieder anstieg.

Danach fiel die Spannungskurve wie gewohnt ab und nach entnommenen 1275 mAh war der Akku leer und brennheiß.

4. Test, blaue Kurve:

Nachdem der Akku abgekühlt und wieder aufgeladen war, wollte ich noch ein paar Tests bei geringen Strömen machen.

Ich wählte einen Strom von 2,1 Ampere. Die Spannungslage war mit 11 Volt erwartungsgemäß gut, die Kurve zeigt das normale Verhalten. Seltsamerweise war der Akku nach 1158 mAh leer und zeigte dabei keine nennenswerte Erwärmung.

5. Test, orange Kurve:

Als letzten Test verwendete ich einen geringen Entladestrom von 1,27 Ampere. Wieder war die Spannung als auch die Kurve ordentlich und erwartungsgemäß. Der Akku erwärmte sich nicht merkbar. Allerdings war nach 1179 mAh Schluss und der Akkupack leer.

die detaillierten Messwerte können in dieser EXCEL Tabelle heruntergeladen werden.


Zusammenfassung:

wie aus obigen Tests leicht zu erkennen ist, hat Test 3 (braun) mit 12 Ampere den LiPo Akku durch Überhitzung teilweise zerstört. Er läuft zwar noch mit guter Spannungslage und Belastbarkeit, aber die Kapazität hat von den ursprünglichen 1500 mAh auf jetzt 1200 mAh abgenommen.

Hingegen hat er den Test 2 (rosa) mit 8,5 A noch schadlos überstanden. Daraus kann man schließen, dass man mit der Dauerbelastung von LiPo Zellen vorsichtig sein muss. Die vom Importeur spezifizierten 10 C (15 Ampere) dürfen keinesfalls dauernd gezogen werden. Maximal würde ich die Hälfte an Strom ziehen, was der Testakku auch gut ausgehalten hat. Natürlich hängt es auch von der Belüftung ab. Vermutlich ist die Belüftung in einem Modell schlechter als bei mir am Arbeitstisch und man muss die Akkutemperatur kontrollieren.

Kleinere Ströme in der Größenordnung von 5 Ampere waren für diesen Akkupack kein Problem mehr was auch an der geringen Erwärmung zu sehen war.

Die hohen Ströme von bis zu 10C (15 Ampere) können sicher gezogen werden, aber eben nur sehr kurz (wenige Sekunden, 10 Sekunden können schon zuviel sein). Man muss sich daher überlegen wie viel Strom das Modell dauernd braucht und wie viele und wie lange der Spitzenbedarf ist.


für die Praxis:

das ursprüngliche Ziel des Tests war es einen LiPo Akku für ein Flugmodell auszuwählen, welches 16 A Dauerstrom benötigt.

Wie man an Test 2 (rosa) sieht, hat der Akku 8,5 A ohne sichtbare Probleme abgeben können. Zwei parallelgeschaltete Akkupacks könnten also 17 Ampere abgeben, sofern die Kühlung ausreichend ist und kein Wärmestau entsteht. Mit dieser Bestückung ist man aber sicher schon knapp am Maximum das man den Zellen zumuten kann. Wie sich das auf die Lebensdauer auswirkt kann im Moment noch nicht beantwortet werden.

Da die meisten Leser hier Hubschrauberpiloten sind, lassen wir obige Ergebnisse auch in eine mögliche Bestückung eines Eco8 einfließen:

Ein typischer Eco8 benötigt ca. 15 Ampere Dauerstrom und Spitzen bis zu 30 Ampere. Schwerere getunte Modelle entsprechend vielleicht 20 A Dauer und 45 A Spitze.

Wenn wir diesen Eco8 mit 1500er Kokam Zellen ausrüsten wollen, nehmen wir einmal drei parallelgeschaltete Packs. Diese würden theoretisch 3x15 = 45 A Spitzenstrom liefern können. Nach obigen Test ca. 3x8,5 = 25,5A Dauerstrom. Diese drei parallelen Packs müssten also reichen, wenn man mit nur geringer Reserve fliegen will.

Um die Lebensdauer und Betriebssicherheit zu erhöhen, würde ich nach obigen Erfahrungen jedoch lieber 4 Packs parallel schalten. Damit hätte ein Pack nur mehr 1/4 des Stroms zu liefern, im Schweben also ca. 4-5 Ampere, was die Zellen gut können. In den Spitzen ca. 10-11 Ampere, was bei ausreichender Kühlung auch geht.

Von der Spannung her könnte man mit 3 in Reihe geschalteten Zellen gerade knapp einen 10er NiCd Pack ersetzen. Etwas weniger Dampf wird der Hubi aber haben, was für ruhiges Fliegen vermutlich nichts ausmacht. Das wären also 12 Zellen mit insgesamt ca. 400 Gramm und fast 6000 mAh Kapazität für derzeit (Ende 2003) ca. 200 Eur.