LiPo-Akkus

Der C-Koeffizient

Mit dem C-Koeffizient können Ströme unabhängig von der Kapazität eines Akku beschrieben werden.

• Damit wird allgemein beschrieben,

• mit welchem Strom ein Akku geladen werden kann und

• mit welchem Strom ein Akku entladen wird kann.

• Damit kann die Leistungsfähigkeit von Akkus verglichen werden.

Multipliziert man die Kapazität eines Akkus mit dem C-Koeffizienten, so erhält man einen Strom.

Wird beispielsweise ein Akku mit 0,5C geladen, bedeutet es,

• dass ein Akku von 100mAh mit 0,5*100mAh = 50mA geladen wird.

• Ein Akku mit 450mAh wird dann mit 0,5*450mAh = 225mA geladen.

• Einen leeren Akku mit 0,5C zu laden bedeutet, ihn in 2 Stunden vollzuladen.

Wenn ein 100mAh Akku mit 2C entladen wird,

• wird er mit 2*100mAh=200mA entladen.

• Ein voller Akku hält dann t=1/2 Stunde.

• Diese halbe Stunde gilt auch für einen vollen Akku mit 450mAh, der mit 2*450mAh also 900mA entladen wird.

C-Rating

Das C-Rating sagt etwas darüber aus, wie schnell ein Akku entladen werden kann, bzw. mit welchem Strom er maximal belastet werden kann.

• Normale LiPo-Akkus können mit 2C belastet werden,

• Hochstrom-LiPo-Akkus z.B. mit bis zu 20C.

• Hohe C-Ratings sind problematisch, da sehr hohe Ströme fließen, sich die Akkus erhitzen, zerstört werden und brennen können.

• Hohe C-Ratings werden oft für unrealistische Marketingzwecke verwendet.

Daten

In der folgenden Tabelle sind beispielhaft die Daten von zwei LiPo-Akkus aufgelistet.

Typ     Hersteller	LP601125  ±LiPol Battery	LG 18650 B3  2600mAh  LG
Kapazität	140mAh	2600mAh
normale Spannung	3,7V	3,65V
max Ladespannung	4,2V	4,2V
max Ladestrom	55mA	1C  2,6A
max Entladestrom	110mA	1.5C  3,9A
min Entladespannung	2,75V	(2,8V)
Standard Ladestrom		0,5C  1300mA
Standard Entladestrom		0.2C  520mA
Standard  min Entladespannung		3,0V
Innenwiderstand	200mΩ	75mΩ
Temperatur Laden	0°C bis 45°C	0°C bis 45°C
Temperatur Entladen	-20°C bis 60°C	-20°C bis 60°C
mit Schutzschaltung
Erkennung Überladung	4,275V
Erkennung Unterspannung	2,75V
Erkennung Überstrom	2A .. 4A
Maße mm	25x11x6	18.5∅65,2
Lebenszyklen	500	300
bis auf % der Kapazität	80%	75%

Tabelle 1: Daten ausgewählter LiPo-Akkus

• Die Werte in Klammern dürfen nur kurzzeitig über- bzw. unterschritten werden.

• Die maximale Ladespannung muss auf ±50mV eingehalten werden.

• Unter Lebenszyklen ist die Anzahl der Ladezyklen zu verstehen, bis die Kapazität des Akkus auf den angegebenen Prozentsatz seiner Nennkapazität abgesunken ist.

• Die maximale Ladespannung wird auch als Ladeschlussspannung bezeichnet.

• Die minimale Entladespannung wird auch als Entladeschlussspannung bezeichnet.

Laden und Entlade-Kurven

Bild 2 zeigt den Einfluss der Ladeschlussspannung eines LiPo-Akkus. Dargestellt sind die typischen Spannungsverläufe am Akku bei verschiedenen Ladeschlussspannungen für eine moderate Entladung mit 0,1C. Die Darstellung bezieht sich auf 100% Kapazität bei 4,2V Ladeschlussspannung und 3,0V Entladespannung (blaue Kurve). Bei einer Ladeschlussspannung von 4,3V wird eine um einige % höhere Ladung erreicht (grün). Bei einer Ladeschlussspannung von 4,1V sinkt die Ladung um mehr als 10% (rot). Bei 4,0V werden noch etwa 75% erreicht (orange).

Die Kurven bei moderater Entladung zeigen zum Ende hin einen relativ steilen Spannungsabfall. Unter 3V wird nur noch wenig Strom geliefert.

Die braune Kurve zeigt den typischen Verlauf der Akku-Spannung bei stärkerer Entladung mit 3C. Die Ladeschlussspannung beträgt 4,2V. Die Spannung fällt mit zunehmender Entladung steiler ab als bei 0,1C, zeigt allerdings zum Schluss einen flacheren Verlauf. Bei 3V werden nicht ganz 90% der Akku-Kapazität ausgenutzt. Eine Ausnutzung von 100% wird erst bei einer Akku-Spannung von 2,6V erreicht.

Die Spannungsverläufe zeigen, dass die Akku-Spannung wenig über die Ladung des Akkus aussagen. Insbesondere verlaufen die Kurven bei einer Entladung mit 0,1C (blau) völlig anders als bei einer Entladung mit 3C (braun).

Bei hohen Strömen fällt an dem Innenwiderstand des Akkus eine Spannung ab, die eine Verschiebung der Kurven nach unten bewirkt. Bei 3C oder höher können am Innenwiderstand 0,1V auftreten.

Bild 3 fasst die Ergebnisse von Bild 2 zusammen. Die Standard-Ladeschlussspannung von 4,2V bietet eine optimale Ladung eines LiPo-Akkus.

Ladekurven von Lipo-Akkus

LiPo-Akkus sollen nach einer bestimmten Ladekurve geladen werden. Diese wird als CCCV Constant Current - Constant Voltage, Konstantstrom - Konstantspannung genannt.

Bild 4 zeigt den Verlauf des Ladestroms in den LiPo-Akku über die Ladezeit. Die zugehörige Spannung am Akku und dessen Ladung sind ebenso dargestellt.

Zu Beginn wird der Akku mit einem konstanten Strom geladen. Wenn die Spannung von 4,2V erreicht ist, wird mit einer konstanten Spannung von 4,2V geladen. Während des Ladens mit Konstantstrom steigt die Ladespannung kontinuierlich an. Wird auf die Konstantspannung umgeschaltet, sinkt der Ladestrom mit der Zeit ab. Wenn der Ladestrom einen bestimmten Wert unterschreitet, gilt der Ladevorgang als beendet.

Für dieses Ladeverfahren sind in der Regel spezielle Ladegeräte erforderlich.

Die Ladung im Akku nimmt vor allem beim Laden mit konstantem Strom zu. Beim Laden mit konstanter Spannung nimmt der Akku nur wenig Ladung auf.

• Wird der Ladevorgang während der Konstantspannungsphase frühzeitig unterbrochen, kann die Ladezeit erheblich verkürzt werden, ohne auf viel Ladung zu verzichten.

Laden und Entladen

Lebensdauer von Lipo-Akkus

Die Lebensdauer von Lipo-Akkus wird in den Datenblättern durch die Anzahl der Ladezyklen beschrieben. Ein Lipo-Akku gilt als verbraucht, wenn seine Kapazität unter 68% (80% bis 53%) der Nennkapazität gefallen ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Lipo-Akkus immer nach einem Standardverfahren betrieben werden.

• Manche Hersteller tricksen, indem sie einen Akku erst dann als verbraucht ansehen, wenn die aktuelle Kapazität weniger als 60 % beträgt.

In den meisten Fällen wird von einer Ladung auf 4,2 V und einem Ladestrom von weniger als 1 C ausgegangen. Ebenso wird von Entladeströmen unter 1C und einer Entladeschlussspannung von 3V ausgegangen.

Beispiele finden sich in Tabelle 1.

Die Lebensdauer hängt wesentlich davon ab, wie der Lipo-Akku betrieben wird:

• Laden über 4,2v verkürzt die Lebensdauer.

• Laden unter 3V verkürzt die Lebensdauer.

• Laden oder Entladen mit hohen Strömen verkürzt die Lebensdauer.

• Betrieb bei hohen oder geringen Temperaturen (nicht bei 20°C) verkürzt die Lebensdauer.

• Laden unter 7°C verkürzt die Lebensdauer.

• Entladen um 80% (auf 20%) erhöht die Lebensdauer.

Temperatur

• Lipo-Akkus sollten möglichst bei Raumtemperatur geladen werden,

nicht unter 0°C und nicht über 45°C geladen werden.

• Laden unter 7°C verkürzt die Lebensdauer.

Laden und Entladen mit hohen Strömen erhitzt die Lipo-Akkus und verkürzt die Lebensdauer.

Ladeschlussspannung

Die Anzahl der möglichen Ladezyklen hängt insbesondere von der Ladeschlussspannung ab.

Ladeschlussspannung	Ladezyklen
4.30V	150–250
4.25V	200–350
4.20V	300–500
4.00V	850–1,500

Tabelle 2: Entladezyklen bei verschiedenen Ladeschlussspannungen

Man kann davon ausgehen, dass

• ein Lipo-Akku bei einer Überladung auf 4,3 V nur noch die halbe Lebensdauer hat.

Dem steht eine etwas höhere Ladung gegenüber. Diese geht nach wenigen Ladezyklen wieder verloren.

Entladeschlussspannung

Über den Einfluss der Entladeschlussspannung auf die Lebensdauer von Lipo-Akkus gibt es keine validen Daten. Es gibt jedoch Faustregeln, die besagen, dass die Lebensdauer eines Lipo-Akkus deutlich höher ist, wenn er nur zu 80% entladen wird. Die Frage ist jedoch, wann ein Akku zu 80% entladen ist. Nach den Kurven in Bild 2 ist ein Lipo-Akku bei einer Spannung von 3,55V zu 80% entladen.

Für Standard-Lipo-Akkus, die nicht stark belastet werden (unter 1C), ist es sinnvoll, sie nicht unter 3V zu entladen, wenn die Lebensdauer nicht verkürzt werden soll.

Schutzschaltung

Einige LiPo-Akkus sind mit einer integrierten Schutzschaltung versehen (PCB/IC-Protection).

• Diese Schutzschaltungen haben die Funktion einer Sicherung.

• Sie schützen den LiPo-Akku vor Zerstörung durch Überladung:

• Sie schalten bei Spannungen über 4,25V bis 4,35V ab.

• Sie schützen den LiPo-Akku vor Zerstörung durch Tiefentladung:

• Sie schalten bei Spannungen unter 2,3V bis 2,5V ab.

• Sie schützen den LiPo-Akku vor Zerstörung durch zu hohe Ströme.

• Sie sollen im Extremfall eine Explosion und einen Brand der LiPo-Zellen verhindern.

• Sie sind nicht für den normalen Betrieb vorgesehen:

• als Ersatz für ein Ladegerät, das die Ladeschlussspannung sicherstellt und

• als Ersatz für die Einhaltung der Entladeschlussspannung.