Performance - Batterie

Spannungsversorgung / Akkutechnik

Batterien (auch Akku oder Akkumulator) sind Speicher für elektrische Energie und funktionieren auf elektro-chemischer Basis. Man unterscheidet zwischen Primärzellen (nicht wiederaufladbar) und Sekundärzellen (wiederaufladbar). Batterien liefern stets Gleichstrom bzw. Gleichspannung!

Da Batterien umweltschädliche und zudem recycelbare Rohstoffe enthalten, ist die Rücknahme-Entsorgung in Deutschland über die Batterieverordnung geregelt. Batterien für UAS werden dabei als Gerätebatterien deklariert.

Aufbau einer Batterie

Eine Batterie besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die auch als Batteriepole bezeichnet werden. Ein Elektrolyt ermöglicht einen Ionentransport zwischen den Elektroden. Bei sog. LiPo Akkus sorgen die Lithium-Ionen für den Stromfluss zwischen den beiden Elektroden. Bei Lithium-Ionen Akkus ist der Elektrolyt flüssig, bei Lithium-Polymer Akkus fest oder gelförmig. Damit sich die beiden Pole einer Batterie nicht verbinden können und es nicht zu einem Kurzschluss kommen kann, befindet sich zwischen Anode und Kathode ein sogenannter Separator (meist besteht dieser aus einem Vlies oder mikroporösen Kunststoff).

Beim Anschluss eines Verbrauchers an eine Batterie ist zwingend darauf zu achten, dass der Pluspol Primär-Batterien (Rot) an den positiven Anschluss und der Minuspol (Schwarz) an den negativen Anschluss angeschlossen wird!

Je nach Materialkombination der Elektroden ergeben sich unterschiedliche Nennspannungen. Die üblichen Batterietypen sind Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NiMH) mit einer Nennspannung von ca. 1,2 V pro Zelle.

Im Anwendungsbereich der UAS kommen insbesondere Lithium-Polymer-Batte- rien (LiPo) mit einer Nennspannung von ca. 3,7 V zum Einsatz.

Aufgrund des erhöhten Sicherheitsrisikos müssen LiPo- und LiIo-Batterien nach UN- und IEC-Norm zertifiziert werden.

Zur effizienten Raumausnutzung sind LiPo- und LiIo-Zellen im Gegensatz zu Rundzellen, (NiCd- und NiMH-Zellen), üblicherweise als sogenannte Pouch-Zellen rechteckig und flach ausgeführt. Die Betriebsbatterie eines UAS besteht dann aus einer Zusammenschaltung mehrerer LiPo-Zellen.

Vorteile von LiPos gegenüber herkömmlichen Akkus

Die Hauptvorteile sind:

• LiPo-Akkus sind leicht und können in fast jeder Form und Größe hergestellt werden.
• LiPo-Akkus haben große Kapazitäten, d.h. sie speichern viel Energie in ei- nem kleinen Paket (hohe Energiedichte) und können vergleichsweise hohe Ströme bereitstellen
• LiPos sind sehr gut in der Lage, eine konsistente Spannung / Ausgangsleis- tung aufrechtzuerhalten, wenn sie entladen werden. Der Spannungs- / Leis- tungsabfall, wenn sie jedoch einen vollständig entladenen Zustand errei- chen, ist im Vergleich zu NiCd, NiMh oder PB sehr schnell.
• LiPo-Akkus haben hohe Entladungsraten, um die anspruchsvollsten elektri- schen Projekte mit Strom zu versorgen. LiPos ermöglichen auch hohe Lade- stromraten, so dass das Aufladen in kurzer Zeit möglich ist.
• Im Gegensatz zu NiCad oder NiMh haben LiPos keinen "Memory-Effekt".

Spannungsbereiche von Lithium-Polymer-Zellen

Zur Bewertung des Ladezustands der Batteriezellen sind folgende Spannungs- bereiche einer LiPo-Zelle relevant:

• 3,0 - 3,5 V - Drohende Tiefentladung. Bei Smart-Batteries schaltet die Elek- tronik zum Schutz bei dieser Spannung ab.
• 3,7 V - Nennspannung einer LiPo-Zelle
• 3,9 V - optimale Lagerspannung (ca. 50-60% der Kapazität)
• 4,2 V – Ladeschlussspannung

Batterie-Management-Systeme

Zum Schutz und Überwachung von Batterien (dann auch als smart battery be- zeichnet) kommt bei integrierten Batterielösungen ein Batterie-Management-System (BMS) zum Einsatz. Diese den Zellen vorgeschaltete Elektronik überwacht dauerhaft die Einzelzell- spannung, Innenwiderstand, Entladeströme und Temperatur der Zellen (Cell- Monitoring).

Die primäre Funktion ist der Ladungsausgleich zwischen den Einzelzellen (auch als Balancing bezeichnet). Weitere Schutzfunktionen wie der Abschaltung bei Betrieb außerhalb der Spezifikationen sind typischerweise auch integriert, wo- durch sich die Betriebssicherheit der Batterien deutlich erhöht. Das Batte- rie-Management-System mit dem integrierten Balancer ist nicht Bestandteil ei- ner Batteriezelle (diese besteht aus den beiden Elektroden, einem Elektrolyt und dem Separator) und ist außerhalb der Batteriezellen angebracht.

Temperaturempfindlichkeit

Batterien, insbesondere die LiIo- und LiPo-Typen, sind aufgrund der chemischen Zusammensetzung temperaturempfindlich. Bei geringen Temperaturen sind die inneren Diffusionsvorgänge deutlich langsamer, was zu höheren Innen- widerständen und einer geringeren maximalen Leistungsabgabe der Batterie führt:

• -10 - 0°C – Schädlicher unterer Temperaturbereich: Hoher Innenwider- stand, geringe Maximalleistungsabgabe, geringe nutzbare Kapazität
• 15 - 20°C – Optimaler Temperaturbereich (Batterie sollte bei niedrigen Temperaturen auf mindestens +15°C vorgewärmt werden)
• Ab 60°C – Schädlicher oberer Temperaturbereich: Hohe innere Verluste, beschleunigte kalendarische Zellalterung

Bezeichnungen auf Batterien

Auf den meisten Batterien findest du eine Beschriftung die dieser ähnelt:

5000mAh 6S1P 22,2V 20C

Hierbei bezeichnet der erste Teil die Kapazität, also die speicherbare Menge an elektrischer Ladung an. Hat dein Akku eine große Kapazität, dann kannst du länger fliegen. Hat er hingegen eine geringere Kapazität, dann kannst du weniger lang fliegen. 5000 mAh bedeuten, dass wir aus dem Akku über 1 Stunde lang dauerhaft 5000 mA ziehen können, was ziemlich genau 5 A entspricht. Dabei nehmen wir an, dass deine Drohne konstant 5 A Strom zieht während sie fliegt. Ampere ist dabei die Einheit für den elektrischen Strom und gibt an wie viel Strom deine Drohne aktuell verbraucht. Wenn du also weißt, wie hoch dein durchschnittlicher Stromverbrauch ist, dann kannst du mit Hilfe der Kapazität berechnen wie lange du ungefähr fliegen kannst. Solche Aufgaben können durchaus in der Prüfung vorkommen, also übe sie am besten gut ein.

Serien- & Parallelschaltungen

Die Angabe 6S1P gibt dir an, wie viele Zellen der Batterie in Serie, beziehungsweise parallel geschaltet sind. Konkret heißt das bei diesem Beispiel, dass sechs Zellen, deshalb 6S, in Serie geschaltet sind. Eine Zelle ist parallel, beziehungsweise gar keine Zelle ist parallel geschaltet, dafür steht das 1P. Diese Bezeichnung ist etwas seltsam, wird aber klarer, sobald dort 2P stehen würde. Dann sind nämlich zwei Zellen parallel geschaltet. Damit du dir besser vorstellen kannst, was eine Serien-, beziehungsweise eine Parallelschaltung konkret ist, hier sind verschiedene Beispiele:

Bei einer Serienschaltung werden die Zellen hintereinander zusammen ge- schaltet, d.h. der Minuspol einer Zelle wird mit dem Pluspol der nächsten Zelle, und der Minuspol der jeweils folgenden Pluspol verbunden, so wie es im Bild dargestellt ist.

Wenn man diese einzelnen Zellen in Serie schaltet, dann addieren sich die Einzelzellspannungen auf. Da jede der 6 einzelnen Zellen eine Spannung von 3,7 Volt hat, bedeutet das, dass wir insgesamt eine Spannung von 6 × 3,7 Volt gleich 22,2 Volt haben. Merke dir al so, das s in einer Serienschaltung die Einzelzellspannungen einfach aufaddiert werden, was dann am Ende die Gesamts- pannung der Batterie ergibt. Nehmen wir nun an, dass jede Zelle eine Kapazität von 5.000 mAh hat. Schalten wir diese sechs Zellen, wie vorher auch, in Reihe, dann ergibt sich daraus eine Gesamtkapazität von 5.000 mAh. Wir stellen also fest, dass sich die Kapazität in einer Serienschaltung nicht aufaddiert. Die Gesamtkapazität der Batterie entspricht also der Kapazität einer einzelnen Zelle der Batterie. Wir merken uns, dass die Einzelzellspannungen aufaddiert werden und die Kapazität einer Einzelzelle der Gesamtkapazität der Batterie entspricht.

Jetzt ein Beispiel zur Parallelschaltung. Wir nehmen jetzt eine 6S2P-Batterie mit exakt den gleichen Werten der Einzelzellen wie zuvor. Das bedeutet, dass die Einzelzelle wie immer eine Spannung von 3,7 Volt und eine Kapazität von 5.000 mAh hat. Wenn man die Zellen jetzt parallel schaltet, dann müssen die Pluspole der einzelnen Zellen miteinander verbunden werden und das Gleiche passiert mit den Minuspolen. Diese beiden Zellen sind dann parallel verschal- tet. Damit noch weitere Zellen in Serie geschaltet werden können, muss der gemeinsame Minuspol der parallel verschalteten Zellen an den gemeinsamen Pluspol der nächsten parallel verschaltet Zellen angeschlossen werden. Das macht man so, damit die Batterie insgesamt am Ende nur einen Plus- und einen Minuspol hat.

Schauen wir einmal, was jetzt mit der Spannung, beziehungsweise mit der Kapazität bei einer Parallelschaltung passiert. Dazu betrachten wir uns zunächst ein einzelnes Zellenpaar. Wenn man zwei Batteriezellen miteinander parallel verschaltet bleibt die Spannung insgesamt gleich, also bei 3,7 Volt. Die Kapazitäten hingegen addieren sich.
Das sind dann zweimal 5.000 mAh, somit ergibt die Parallelschaltung eine Ge- samtkapazität von 10.000 mAh. Wenn wir nun sechs weitere Zellenpaare in Serie schalten, dann addieren sich die Spannungen von 3,7 Volt. Die Kapazität eines jeden Zellenpaares liegt bei 10.000 mAh, und da wir die Zellenpaare in Serie schalten bleibt die Gesamtkapazität der Batterie ebenfalls bei 10.000 mAh. Wenn diese Batterie nun richtig verschaltet ist, dann hat sie am Ende eine Spannung von 6 x 3,7 Volt, also 22,2 Volt, und eine Gesamtkapazität von 10.000 mAh, was 2 x 5.000 mAh entspricht.

Maximale Flugzeit anhand der Akkukapazität berechnen

Wenn wir wieder unser Beispiel betrachten, die 5.000 mAh, dann bedeutet das, dass wir aus dem Akku über 1 Stunde lang dauerhaft 5000 mA ziehen können, was ziemlich genau 5 A entspricht. Dabei haben wir angenommen, dass deine Drohne konstant 5 A Strom zieht während sie fliegt. Ampere ist dabei die Einheit für den elektrischen Strom und gibt an wie viel Strom deine Drohne aktu- ell verbraucht. Damit es noch ein bisschen klarer wird, ein weiteres Beispiel. Wir nehmen wieder einen Akku mit 5.000 mAh oder 5 Ah Kapazität. Diesmal verbraucht deine Drohne aber konstant 10 A, also doppelt so viel wie zuvor. Was meinst du, wie lange kannst du nun mit deiner Drohne fliegen?

Genau, 30 Minuten, denn dein Stromverbrauch hat sich verdoppelt, und deshalb kannst du auch nur die Hälfte der Zeit fliegen. Wenn du also weißt, wie hoch dein durchschnittlicher Stromverbrauch ist, dann kannst du mit Hilfe der Kapazität berechnen wie lange du ungefähr fliegen kannst. Solche Aufgaben können durchaus in der Prüfung vorkommen, also übe sie am besten gut ein.

Jetzt noch eine Rechnung mit einem anderen Akku, welche 10.000 mAh, also ca. 10A hat. Wie lange kannst du mit deiner Drohne fliegen, wenn deine Droh- ne konstant 15 A verbraucht? Genau, es sind 40 Minuten.

Noch ein Hinweis zum Schluss: Die Berechnungen haben wir sehr theoretisch betrachtet. Du wirst in der Praxis selten die maximale Kapazität aus dem Akku holen können, ohne ihn zu schädigen.

Gesamtspannung

Der nächste Parameter des Batterielabels, die 22,2 Volt, steht für die Gesamtspannung der Batterie. Diese setzt sich aus den Spannungen der Einzel- zellen zusammen. Für unsere Ausbildung gehen wir immer von 3,7 Volt pro Zelle aus!

Maximale Entladerate

Der Parameter 20 C steht für die maximale Entladerate, also mit welchem Maximalstrom du deine Batterie entladen kannst, ohne diese zu überlasten. In diesem Fall sind es nicht 20 A. Das C steht für ein Vielfaches der Kapazität (Capacity). Um die maximale Entladerate dieser Batterie zu bestimmen, rechnest du einfach 20 C × 5.000 mAh und das ergibt 100 A.

Du kannst diese Batterie also mit 100 A entladen oder belasten.
Meistens werden die 20 C als C-Rate oder C-Faktor genannt.

C = Akkukapazität / Stunde

Angenommen dein Akku hat eine Kapazität von 2.100mAh (2,1 A) und einen C-Faktor von 25C. Wie hoch ist deine maximale Entladerate?

25C bedeutet nun: 25 mal C.
in dem Falle: 25 mal 2,1A = 52,5A.
Egal wie viel viele Zellen, egal welche Spannung.

Das Marketing-Problem des C-Ratings

Wie auch bei anderen Leistungswerte entdeckten früher oder später auch die Marketing-Abteilungen der Akkuhersteller das C-Rating als Das neuen Schlagwort, das Käufer überzeugen musste. Dies führte in vielen Fällen dazu, dass die Hersteller und Händler anfingen möglichst hohe C-Ratings abzudrucken, um ihre Produkte besser zu verkaufen.

Billige LiPo-Akkus mit 120C-Rating Dauerbelastung findet man mit wenigen Mi- nuten Suchaufwand. Natürlich halten diese Akkus nicht was sie versprechen. Es wäre sehr wahrscheinlich sogar mehr als gefährlich, einen solchen Akku mit 120C dauerhaft zu belasten.

Kann ich ein falsches LiPo C-Rating erkennen?

Die kurze Antwort: Ja und Nein. Zunächst gilt die einfache Faustformel: Zu hohe Werte sollten skeptisch machen. Dauerbelastungen über 50 bis 60 C wür- den uns bereits sehr genau hinschauen lassen.

Peak-C-Ratings bis 120 C sind glaubwürdig. Das ist aber nur ein Anhaltspunkt.

Ein wenig technisches Verständnis hilft aber dabei, die vollkommen überbewerteten Akkus zu identifizieren. Denn: Der Strom muss auch irgendwie aus dem Akku „raus“. Es ist also immer sinnvoll sich die verwendeten Stecker und Ka- beldurchmesser genau anzusehen.

Natürlich können Hersteller auch „Schrottzellen“ mit dickem Kabel verkaufe. Das „Gute“ ist jedoch, dass Kupfer relativ teuer ist und deshalb bei billigen Ak- kus oft auch an dieser Stelle gespart wird.

Ein weiterer guter Indikator ist das Gewicht. Zellen, die in der Lage sind sehr hohe Ströme abzugeben, sind in der Regel schwerer als weniger leistungsstarke Akkus. Deswegen sind maximale Leistung und minimales Gewicht zwei sich gegenüberstehende Punkte auf der selben Skala.

Batterie Handling

Die mechanische, elektrische und thermische Empfindlichkeit von LiPos ist höher als bei anderen Batterien. Deshalb sind einige Grundregeln zu beachten:

• Bei Nichtverwendung lagere deinen Akku mit der Lagerspannung (3,9 V / Zelle) und geschützt vor Sonneneinstrahlung bzw. Feuchtigkeit (ggf. in Brandschutzkoffer)
• Um Lebensdauer des Akkupacks zu maximieren, nicht mehr als 80 - 90 % der Nennkapazität verbrauchen
• Vor dem Ladevorgang gerade genutzten Akkus abkühlen lassen
• Bei mechanischer Beschädigung Akku vollständig entladen und ordnungsgemäß entsorgen (bei stark beschädigten Akkus mit äußerster Vorsicht vorgehen)
• Maximal zulässige Lade- und Entladestromstärken nicht überschreiten
• Akkus während des Ladevorgangs nicht unbeaufsichtigt lassen und in geeignetem, geschlossenen, nicht brennbaren Behältnis laden (LiPo-Safe Schutztasche, Brandschutzkoffer)
• Bei tiefen Temperaturen Akkus vor dem Flug auf mindestens +15 °C aufwärmen
• Bei hohen Temperaturen des Akkupacks (über 60 °C) können im Betrieb Schäden auftreten
• Sollte sich ein Akku durch z.B. Kurzschluss, mechanische oder thermische Einwirkung entzünden, eignen sich folgende Löschmittel: Sand, Wasser, Feuerlöscher

Aufgeblähte LiPo Akkus

LiPo-Akkus blähen sich mit der Zeit (und bei falschem Gebrauch) auf, weil sich das chemische Gemisch im Inneren des Akkus über mehrere Lade- und Entladezyklen hinweg zersetzt.

Bei LiPo-Akkus, besteht der Elektrolyt aus einem Lithiumoxid-, also einem Lithium-Sauerstoff-Gemisch. Mit der Zeit trennt sich der Sauerstoff vom Lithium und kann so die typische LiPo-Blähung verursachen.

Sind aufgeblähte LiPo Akkus gefährlich?

Schwellungen, die zwischen den Fingern nicht komprimiert werden können, sind problematisch. Dies deutet auf irreversible Aufblähungen und einer Beschädigung der Akkus hin. Bei reversiblen Aufblähungen gehen diese nach Abkühlung des Akkus zurück.

Wie beuge ich dem Aufblähen von LiPo-Akkus vor?

LiPos können lange halten, wenn du dich an ihre (etwas pingeligen) Nutzungs- empfehlungen hältst. Hier die Tipps, mit deren Hilfe du dem Aufblähen von Li- Po-Akkus vorbeugen kannst:

• Halte den empfohlenen Temperaturbereich des LiPo-Akkus ein (normaler- weise ca. -20°C bis 60°C).
• Benutze ein entsprechendes Ladegerät (am besten mit Balancer) und stel- le (gegebenenfalls) die richtige Zellenzahl ein, um deinen LiPo zu laden.
• Achte darauf, deinen LiPo-Akku nicht zu überladen.
• Achte darauf, deinen LiPo-Akku nicht vollständig zu entladen.
• Lagere deinen LiPo-Akku bei ca. 50% Ladung.
• Falls doch etwas schief gehen sollte: Lagere deine LiPos in feuerfesten Behältnissen und nicht in der Nähe von brennbaren Materialien.