GET STARTED - Wissenswertes zum Beginnen

Grundlagen Akkus – Auswahl des richtigen LiIon oder LiPo Akkus, Laden, Entladen und Akku-Pflege

Was es im Umgang mit Akkus zu beachten gibt

Grundlagen Akkus - Auswahl des richtigen LiIon oder LiPo Akkus, Laden, Entladen und Akku-Pflege

Die gängigen Drohnen im hobby- wie im professionellen Bereich werden großteils mit Strom betrieben. Als Energiespeicher sind in der Regel Lithium Polymer (LiPo) oder Lithium Ionen (LiIon) Akkus im Einsatz. Sie weisen eine relativ hohe Energiedichte auf. Um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der mitunter recht teuren Akkus möglichst zu erhalten, gilt es ein paar Themen zu beachten. Dieser Artikel gibt einen Überblick auf die wichtigsten Grundlagen in der Auswahl, beim Kauf und beim Umgang mit den Akkus wie das Laden, Entladen und Lagern.

Den richtigen Akku kaufen

Viele professionelle Drohnen benötigen einen herstellerspezifischen Akku. In den meisten Fällen handelt es sich um LiPo Akkus, wie beispielsweise bei der DJI Mavic Air oder Pro. Das zugehörige Ladegerät und der Ladevorgang ist sehr simpel gehalten. Es gibt dann kaum mehr zu beachten als in der Beschreibung des Herstellers steht. Das verleitet allerdings, sich nicht um die Grundlagen zu kümmern, was den Hersteller freut. Denn die Akkus werden dann relativ rasch zu tauschen sein.

Informieren lohne sich besonders, wenn die Wahl des Akkus auf den Betreiber fällt. Der Akku muss zur jeweiligen Drohne passen. Je nachdem, welche Spannung die Elektronik bzw. die Motoren benötigen, welche maximalen Ströme fließen und wie lange die Drohne in der Luft bleiben soll, ist der jeweilige Akku auszuwählen.

Kapazität – Capacity (C)

Die Kapazität (C) wird in Milli-Amplere (mA) pro Stunde (h) oder in Watt (W) pro Stunde angegeben. „C“ sagt somit aus, wie viel Energie in dem Akku gespeichert ist. Je höher die Ah bzw. Wh, desto schwerer ist der Akku. Mehr Gewicht reduziert die Flugzeit. Die Rechnung, Akkus mit höherer Kapazität ist gleich längere Flugzeit, geht also nur bedingt auf. Wichtig zu wissen ist auch, dass der Akku niemals Tiefentladen werden darf. Der Sicherheitspuffer zur Tiefentladung geht auf Kosten der Kapazität bzw. Flugzeit (im Falle eines UAV). In der Regel bleiben 20 – 10% der Kapazität ungenutzt. Die DJI Mavic Air setzt sogar zur automatischen Landung an, wenn die 10% Marke erreicht ist. Was teurer kommen kann als ein beleidigter Akku.

Auch bestimmt das C die mögliche Lade- und Entlade-Rate. Dabei ist auf dem Akku in der Regel sowohl die maximale Dauerlast, als auch eine maximale Spitzen-Belastung angegeben. Der Akku im Titelbild ist mit 50/100C angeschrieben. Das bedeutet er verkraftet 80 A Dauerlast und für ein paar Sekunden 160 A Spitzenlast.

Nenn-Spannung – Volt (V) bzw. Zellen (S)

Bei den Akkus ist die Angabe eines Multiplikatos von „S“ üblich. Damit ist die Anzahle Zellen gemeint. Eine Zelle bei einem Lipo Akku hat einen Nennspannung von 3,7 Volt. Die Nennspannung ist somit ein Multiplikator der in Serie geschaltenen Zellen. Ein 3S LiPo hat somit eine Nennspannung von 11,1 V. Die Zellen weisen dabei eine Spannungskurve auf, in der Regel relativ linear abfallend. Voll geladen haben LiPo Zellen eine Spannung von 4,2 V. Leer sind sie, je nach Type, bei 3,5 bis 3,0 V. Aufgrund dieses kontinuierlichen Spannungsabfalles während des Entladens ist auch eine Vorhersage der verbleibenden Restkapazität im Ah oder Prozent möglich.

Ist in der Bezeichnung auch ein „P“, dann steht es für die parallel geschalteren Zellen. Diese haben zwar keinen Einfluss auf die Spannung, aber auf die entnehmbare Stromstärke. Beispielsweise steht 3S2P  für je zwei parallel geschalte Zellen von denen drei in Serie geschalten sind. P und C sind letztendlich verantwortlich, wie viel Strom dem Akku entnommen werden kann, und S bestimmt die Spannung.

LiPo oder LiIon

Derzeit sind LiPo oder LiIon Akkus die beste Wahl als Antriebsakku für die Drohne. Der LiIon Akku ist aufgrund seiner höheren Energiedichte und längeren Lebenserwartung zwar besser, hat jedoch einen höheren inneren Widerstand als ein LiPo. Folglich ist der maximale Entladestrom geringer. Wer mit einer geringeren Last auskommt, für den empfiehlt sich aufgrund der höheren Energiedichte der LiIon Akku. Die „Chemie“ ist dabei für die Charakteristik des jeweiligen Akkutyps verantwortlich. Das Lithium enthalten ist, liegt nahe. Die anderen chemischen Elemente können beispielsweise Nickel, Cobalt und Mangan sein. Die negative Elektrode (Anode) ist aus Kohlenstoff in unterschiedlicher Modifikation, wobei sich derzeit Graphit bewährt hat. Die verwendete Technologie bestimmt Energiedichte, Robustheit und Lebensdauer.

Umgang mit den Akkus

Akkus laden

Akku Ladestrom Kurve Grundlagen Akkus - Auswahl des richtigen LiIon oder LiPo Akkus, Laden, Entladen und Akku-Pflege

Akku Ladestrom Kurve

Wer Akkus und Ladegerät mit der Dohne im Lieferumfang hat, braucht sich keine Gedanken machen. Allerdings wer sie selbst mit einem eigenen Ladegerät laden sollte Folgendes wissen: für LiPos und LiIon gibt es ein dezidiertes Ladeprogramm. Es darf keinesfalls ein Ladeprogramm für NiMH, NiCd oder Bleiakkus genutzt werden da der Ladevorgang unterschiedlich abläuft. Das falsche Ladeprogramm schadet nicht nur dem Akku, er kann zu brennen beginnen oder gar explodieren. Defekte Akkus blähen sich auf. Diese dürfen keinesfalls mehr geladen werden.

Das Ladeprogramm lädt LiPo und LiIon zuerst mit einer fixen Stromstärke. Empfohlen ist dabei die gleiche Stromstärke wie die Kapazität. Der Ladestrom hat eine Laderate von ein Mal die Kapaziät: „1C“. Hat der Akku 1.500 mAh liegt der Ladestrom bei einer Laderate von 1 bei 1,5 A. Weniger ist zwar besser für den Akku, erhöht jedoch die benötigte Zeit. Manche Akkus können auch mit 5 C oder mehr geladen werden. Hohe Ladeströme erzeugen mehr Wärme und reduzieren wiederum die Lebensdauer. Die idealen Ladeströme für den jeweiligen Akku gibt der Hersteller an. Grundsätzlich ist weniger Laden, vor allem unnötiges nachladen bei einer hohen Restkapazität, besser für den Akku.

Beim Ladevorgang steigt die Spannung je voller der Akku wird. Ist die maximale Spannung erreicht (beim LiPo 4,2 V), wird diese konstant gehalten und die Stromstärke reduziert. Das ist auch der Grund, weshalb Akkus relativ schnell auf ca. 80% der Nennkapazität geladen sind, aber relativ lange auf 100% benötigen. Ein Balancen Anschluss sorgt dafür, dass die einzelnen Zellen stets annähernd die gleiche Spannung aufweisen. Das verhindert ein „Auseinanderlaufen“ der Zellen, was sich auf die entnehmbare Kapazität auswirken würde.

Akkus entladen

Akku Entlade Kurve Grundlagen Akkus - Auswahl des richtigen LiIon oder LiPo Akkus, Laden, Entladen und Akku-Pflege

Akku Entlade Kurve

Akkus können sorglos nach den Herstellerangaben entladen werden. Aufgrund des geringen inneren Widerstandes, halten sie auch kurzzeitig sehr hohe Ströme aus, also auch Kurzschlüsse. Die LiIon sind diesbezüglich etwas robuster, das sie einen höheren inneren Widerstand haben. LiPos geben nahezu ungebremst ihren Strom ab. Zu hohe Entladeströme führen zu Überhitzung.

Die Spannung sollte zu keiner Zeit unter 3,0 V fallen. Ab einer Unterschreitung von 2,7 V gelten die Akkus als Tiefentladen und sind in der Regel irreparabel beschädigt. Zu beachten ist, dass eine Belastung des Akkus immer die Spannung reduziert. Es kann also ein Akku, der noch bei 3,7 V steht, bei einem energie-hungrigen Flugmanöver unter den Schwellwert fallen. Graphit Akkus wird nachgesagt, etwas robuster gegenüber Tiefentladung zu sein. Trotzdem wirkt sich eine Tiefentladung immer negativ auf die Kapazität und Lebensdauer aus. Alte Akkus haben eine geringere Kapazität als neue.

Akkus lagern

Am wohlsten fühlt sich ein Akku zwischen 20% und 80% Kapazität. Die Lagerung bei 100% Kapazität kürzt die Lebensdauer signifikant. Bei der Lagerung ist also darauf zu achten, das die Akkus nicht zu voll sind. Trotzdem sollten sie aufgrund der Selbstentladung nicht unter den Schwellwert der Tiefentladung fallen. Bei rund 1-4% pro Monat Selbstentladung ist die Gefahr allerdings eher gering. Die generelle Empfehlung liegt bei 3,7 V pro Zelle bzw. 40- 50% der Nennkapazität. Bitte letztendlich die Herstellerangaben beachten.

Wissenswertes zu den Akkus

LiPo und LiIon Akkus haben keinen Memory Effekt und nahezu keine Selbstentladung. Allerdings beginnen Sie mit dem Tag ihrer Herstellung zu altern. Das Altern wird beschleunigt durch die Anzahl der Ladezyklen, Hitze und ungünstige Spannung. Mechanische Belastung sollte grundsätzlich vermieden werden. Defekte Akkus blähen sich auf und sollten entsorgt werden. Akkus sollten stets bei Zimmertemperatur (um die 20°C) geladen werden. Laden bei hohen wie niedrigen Temperaturen schaden dem Akku.

Vorbehandlung

LiPo und LiIon Akkus müssen in der Regel nicht vorbehandelt werden, sie können sofort zum Einsatz kommen. Trotzdem zeigt die Erfahrung, dass sie erst nach 2-3 Ladezyklen die volle Kapazität erreichen.

Stromleitungen und Stecker

Auch die Kabel müssen den Strömen entsprechend ausgelegt sein. Für maximale Ströme von 60 A empfiehlt sich ein XT60 Stecker und zumindest eine AWG14 Leitung. Ansonsten kann es zu Überhitzung der Stecker und Leitungen bzw. zu einem störenden Spannungsabfall kommen.

Temperatur

Das es sich bei der Freigabe der Energie um eine chemische Reaktion handelt, ist die Temperatur ein wichtiger Faktor. Je höher die Temperatur, desto schneller laufen die Reaktionen ab. Ein Akku unterhalb der empfohlenen Temperatur, kann eventuell die benötigte Stromstärke nicht bereitstellen. Der Akku wirkt leer, obwohl noch ausreichend Kapazität vorhanden wäre. Auf der anderen Seite sind hohe Temperaturen ebenso schädlich für den Akku. Das kann so weit gehen, dass die Hitze auch die Isolation zerschmiltz, was dann zu einer Kettenreaktion führt. Der Akku geht in Flammen auf.

Lebensdauer

Die Lebensdauer ist sowohl in Jahren als auch Ladezyklen angegeben. Alle negativen Einwirkungen haben Einfluss auf die Lebensdauer. Die Herstellerangaben sind im besten Falle unter Idealbedingungen erreichbar. Beispielsweise zählt jeder Ladezyklus, ungeachtet, ob der Akku Teil oder Vollentladen wurde. Ein häufiges Anstecken wirkt sich also auf die Lebenszeit aus. Das ist inbesondere lästig, wenn schon bereits beim Anstecken z.B. um Daten herunterzuladen, auch der Akku geladen wird.

Entsorgung

Wie wir nun wissen, sind in einem Akku unterschiedliche mitunter hochgiftige Substanzen enthalten. Auch kann die Restladung zu Feuer oder Explosionen führen, wenn der Akku unsachgemäß entsorgt wird. Entsorgen sie daher alte oder defekte Akkus möglichst entladen bei einer Müll Sammelstelle, und keinesfalls im Restmüll.

Anbei ein Produkt Review zu den Akkus im Titelbild.

Drohnenexperte - FPV Drohnenpilot

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

 

Passwort vergessen