Die kleine Akku-Übersicht

Übersicht:

Welche Akku-Typen sind für Heli-Piloten von Interesse ?

Technologie Leerlauf-
Zellenspannung
übliche Kapazitäten Bemerkungen Anwendungsbereich
Bleiakkumulator 2,1 Volt 1 bis >100Ah Hochstromfähig, schwer, Lebensdauer stark vom Ladezustand abhängig, giftig Starterbatterie, Glühkerzenbatterie
NiCd - Nickel Cadmium Zellen 1,29 Volt 50 bis >4000 mAh Hochstromfähig, enthält Schwermetalle (giftig), Memoryeffekt Empfängerbatterie, Antriebsakkupack, Senderbatterie
NiMH - Nickel Metallhydrid Zelle 1,24 Volt 50 bis >6000 mAh hohe Kapazität, nur begrenzt Hochstromfähig, umweltfreundlich Antriebsakkupack, Senderbatterie,
(Empfängerbatterie)
Lithium-Ionen Zellen 3,6 Volt 100 bis >5000 mAh Höchste Energiedichte, teuer, erfordert spezielle Ladegeräte In Slowflyern für extreme Langzeitflüge

Zum Vergleich der Energiedichte (Kapazität gegenüber dem Gewicht), hier eine Aufstellung für die verschiedenen Zellentypen:

Technologie Gewicht eines Akkupacks mit 7,2 V und 1700 mAh
Bleiakkumulator ca. 490 Gramm (8 Volt Akkupack)
NiCd - Nickel Cadmium Zellen ca. 300 Gramm
NiMH - Nickel Metallhydrid Zelle ca. 200 Gramm
Lithium-Ionen Zellen ca. 100 Gramm

Auch Interessant ist der Kostenvergleich der verschiedenen Akkutypen:

Technologie Kosten eines Akkupacks mit 7,2 V und 1700 mAh (Preise können stark abweichen !)
Bleiakkumulator ca. 15 € (8 Volt Akkupack)
NiCd - Nickel Cadmium Zellen ca. 30 €
NiMH - Nickel Metallhydrid Zelle ca. 40 €
Lithium-Ionen Zellen ca. 100 €

Bleibatterien

Bleiakkus haben das Beste Preis/Leistungsverhältnis bezogen auf die Ladekapazität. Man kann enorme Kapazitäten speichern, siehe Autobatterien. Ihr Nachteil ist das sehr hohe Gewicht, was den ausschließlichen Einsatz am Boden zulässt. Meist werden in Startboxen 12 Volt Akkus verwendet die Starter und Glühkerzenheizung versorgen. Dazu sind Kapazitäten um die 5 bis 7 Ah üblich.

Die Lebensdauer von Bleiakkus hat einen schlechten Ruf, was hauptsächlich durch die weite Verbreitung von superbilligen sogenannten "Ladegeräten" verursacht wird. In jedem Supermarkt bekommt man für ein paar Mark Ladegeräte für Autobatterien. Wer mit so einem Gerät seine armen Bleiakkus foltert, braucht sich über geringe Lebensdauer nicht zu wundern.

Wie bei allen anderen Akkus, finden auch bei Bleiakkus chemische Umwandlungsprozesse statt. Nur wenn diese vernünftig ablaufen können, arbeitet ein Bleiakku mit seiner vollen Kapazität und hat eine lange Lebensdauer.

Ein Bleiakku hat eine Ruhespannung von ca. 2,1 Volt pro vollgeladener Zelle, und er hat eine Ladeschlussspannung von 2,3 Volt (bis 2,4 Volt bei niedrigen Temperaturen oder manchen wartungsfreien Akkus).

Es gibt mehrere Arten wie man einen Bleiakku in die ewigen Jagdgründe schicken kann:

Wie behandelt man nun einen Bleiakku richtig, damit er lange Zeit mit voller Kapazität seinen Dienst versieht ?

Ein ideales Ladegerät für eine 12 Volt Bleibatterie hat eine konstante Ausgangsspannung von 13,8 bis 14 Volt und eine Strombegrenzung auf ca. 1/10 der Akkukapazität (z.B. für einen 7Ah Akku wird ein maximaler Ladestrom von 0,7 A verwendet). Wenn die Batterie voll wird, so sorgt die konstante Ausgangsspannung des Laders automatisch für eine Abnahme des Ladestroms.

So eine Konstantspannung lässt sich von Elektronikbastlern sehr einfach selbst herstellen (z.B. mit einem L200 Regler-IC). Diesen IC könnte man dann in eines diese Autobatterie-Foltergeräte einbauen um es zu einem guten Ladegerät zu machen.

Einsatzbereich:

Startboxen zur Versorgung des Elektrostarters, der Glühkerzenheizung und der Treibstoffpumpe.


NiCd - Nickel Cadmium Akkus

NiCd Akkus sind die altbewährten Arbeitspferde im Modellbau. Ihre positive Sinterelektrode besteht aus Nickel-Hydroxid mit Graphitzusatz sowie etwas Cadmiumhydroxid und die negative Elektrodeposit-Elektrode überwiegend aus Cadmium und Graphitpartikel. Bei der industriellen Fertigung  werden diese Stoffe gepresst und in einem feinmaschigen Nickelnetz verankert. Nicht gerade umweltverträgliche Materialien. Aus diesem Grund müssen sie auch richtig entsorgt werden. Aber keine Angst, wenn man sie dem Recycling zuführt, können diese Stoffe ebenfalls umweltbewusst verarbeitet werden. Die Elektroden sind meist spiralförmig aufgewickelt und befinden sich in einem Stahlgehäuse mit Überdruckventil. Der Elektrolyt ist Kalilauge.

NiCd Akkus haben den Vorteil, dass sie schlampige Behandlung wesentlich robuster wegstecken als alle anderen Zellen. Das heißt nicht, dass man sie nicht zerstören könnte, es geht nur schwerer als bei den anderen. Außerdem sind sie (je nach Bauform) äußerst Hochstromfest, man kann mit einem kleinen NiCd Pack durchaus ein Auto starten wofür über 100A benötigt werden. 

Dafür muss man den unangenehmen Memoryeffekt in Kauf nehmen. "Schnell mal nachladen" und dann fliegen gehen, so funktioniert es bei NiCd Akkus leider nicht. Der Memoryeffekt kann einen NiCd Akku sehr schnell unbrauchbar machen. Wenn man diesen Akku mit niedrigen Strömen dauerlädt (hängt dauernd am Ladegerät) oder wenn man einen halbleeren NiCd Akku nachlädt, so lagern sich auf der negativen Elektrode chemische Verbindungen ab, welche die nutzbare Kapazität verringern. Macht man das öfters, so lagern sich immer mehr Verbindungen ab und die Kapazität nimmt rapide ab. Das kann nach mehreren Ladungen soweit gehen, dass der volle Akku nur noch für sehr kurze Zeit Strom liefern kann. Der Memoryeffekt ist eine unangenehme Eigenschaft der Cadmium Elektrode und tritt daher nur bei NiCd Akkus auf.

Zum Glück kann man einen, auf diese Weise lahmgelegten, Akku wieder reparieren. Dazu muss er tiefentladen und wieder vollgeladen werden. Die meisten Modellbau-Ladegeräte haben zu diesem Zweck eine automatische Refresh-Funktion. Auch bei NiCd Akkus gibt es viele Billiglader in Supermärkten zu kaufen. Es sind das sogenannte "Ladegeräte" in welche die Zellen eingelegt werden. Diese werden dann mit geringsten Strömen über 1 oder 2 Tage geladen. Bevor man ein solches Ladegerät benutzt, muss der Akku auf jeden Fall völlig leer sein, sonst wäre ein Memoryeffekt vorprogrammiert.

Die Ladeschlussspannung bei NiCd Akkus ist ca. 1,5 Volt. Die Entladeschlussspannung ist 0,85 Volt. Eigentlich könnte man NiCd Akkus auch tiefer entladen. Allerdings werden Akkuzellen meist zu einem Akkupack zusammengefasst. Entlädt man diesen Akkupack zu tief, so können die stärkeren Zellen  die schwächeren Umpolen, was das schnelle Aus für diese Zellen wäre. Wenn man nur bis 0,85 Volt entlädt, geht man dieses Risiko nicht ein. 

Hier einige typische Daten für NiCd Zellen:

Was kann man tun, um eine NiCd Zelle in die ewigen Jagdgründe zu befördern:

Wie behandelt man nun einen NiCd Akku richtig, damit er lange Zeit mit voller Kapazität seinen Dienst versieht ?

bei guter Behandlung kann es ein NiCd Akkupack leicht bis zu 1000 Lade-/Entladezyklen bringen.

Nach ein paar Anmerkungen zu Ladegeräten:

Beim Laden eines Akkus stellt sich die große Frage: wann ist er eigentlich voll ?
Das exakteste Kriterium ist die Temperatur. Ein voller Akku erwärmt sich bei Überladung. Wenn ein NiCd Akku eine Temperatur von ca. 35 Grad erreicht hat, so ist er wirklich voll. Die Messung der Temperatur ist leider etwas umständlich, daher versuchen moderne Ladegeräte den Spannungsverlauf zu beobachten und daraus auf den Voll-Zustand zu schließen. Diese Methode heißt Delta-Peak-Abschaltung und funktioniert in der Regel recht zuverlässig.

Es sind sich folgende Ladegeräte am Markt verfügbar:

Moderne Computerlader sind inzwischen schon recht preisgünstig zu bekommen. Schnellladung mit Delta-Peak gesteuerter Abschaltung hat sich zum Standard im Modellbau durchgesetzt weil damit eine schonende Schnellladung möglich ist. Akku-Foltergeräte aus dem Supermarkt oder Billiggeräte von Elektronikversendern sollte man lieber der Entsorgung zuführen.

Einsatzbereich:

  1. Senderakku, meist werden 1700 mAh Packs mit 8 Zellen verwendet, was für eine durchschnittliche Betriebszeit von 2-4 Stunden ausreicht.
  2. Empfängerakkus mit 4 oder 5 Zellen. Je nach Modell können Typen von 0,5 bis 2,5 Ah zum Einsatz kommen.
  3. Antriebsakkus mit Hochstromzellen. Es werden meist die Sanyo RC2000 und RC2400 verwendet.

NiMH - Nickel Metall Hydrid Akkus

NiMH Zellen haben einen etwas anderen Aufbau als NiCd Zellen und funktionieren grundsätzlich anders. Die bei NiCd Akkus giftige Cadmium Elektrode wurde durch eine Metalllegierung ersetzt, welche Wasserstoff speichern kann. Diese Speicherung erfolgt drucklos, wodurch die Gefahr eines Überdrucks relativ gering ist. Durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Nickel wird der Strom gespeichert.

NiMH Zellen haben eine relativ gute Energiedichte, d.h. bei gleichem Gewicht haben sie mehr nutzbare Kapazität als NiCd Zellen. Ein weiterer Vorteil ist der fast nicht vorhandene Memoryeffekt. Es genügt ein sehr seltenes Entladen um immer frische und volle Zellen zu haben. "Schnell mal nachladen und fliegen gehen", das ist bei NiMH Zellen möglich.

Wie alles auf der Welt haben leider auch NiMH Zellen ihre Tücken und Nachteile. Das gravierendste Problem ist die hohe Empfindlichkeit gegen Überladung. Selbst kurzzeitige Überladung kann die Zellen nachhaltig schädigen. Dieses Problem wird noch dadurch verstärkt, dass das beliebte Delta-Peak Prinzip zur Abschaltung von Ladegeräten bei NiMH Zellen nicht zuverlässig funktioniert. Es bleibt nur die temperaturgesteuerte Abschaltung, was aber kaum gemacht wird.

Weiters haben NiMH Zellen eine relativ hohe Selbstentladung, was die Lagerfähigkeit verschlechtert. NiMH Akkus müssen (im Gegensatz zu NiCD Zellen) immer randvoll geladen gelagert werden. Da sie diese Ladung allerdings verlieren, müssen sie in regelmäßigen Abständen geprüft und nachgeladen werden. Ein weiterer Nachteil ist der höhere Innenwiderstand, weshalb sich NiMH Akkus für Motorantriebe nur bedingt eignen.

Wie kann man nun eine NiMH Zelle am sichersten zerstören :

So muss man NiMH Zellen behandeln um lange Zeit Freude an ihnen zu haben:

Geladen werden NiMH Akkus nach dem gleichem Prinzip wie NiCd Akkus.

Da ich davon ausgehe, dass niemand seine teuren NiMH Akkus einem Supermarktlader anvertrauen wird, kommen eigentlich nur moderne Computerlader mit Delta-Peak Abschaltung in Frage. So haben z.B. die Ladegeräte von Fa. Schulze eine Umschaltmöglichkeit von NiCd auf NiMH Akkus. Leider ist der Spannungsverlauf bei NiMH Akkus so flach, dass die Delta-Peak Erkennung oft zum Glücksspiel wird. Man sollte daher neue Akkus während der ersten Ladevorgänge immer genau beobachten und die Temperatur fühlen. Erwärmt sich der Akku auf über 40 Grad (beginnt sich unangenehm anzufühlen) ohne dass die Delta-Peak Abschaltung anspricht, so muss der Ladevorgang manuell unterbrochen werden. Dieses Problem ist leider weit verbreitet und es hat schon etliche Defekte und abgefackelte Modelle und Fernsteueranlagen aus diesem Grund gegeben. Funktioniert die Delta-Peak Abschaltung einige Male zuverlässig, so kann man bei diesem speziellen Akkupack normalerweise darauf vertrauen. Andere Packs müssen aber wiederum Anfangs genau beobachtet werden.

Andererseits kann die Delta-Peak Abschaltung aber auch zu früh abschalten, lange bevor der Akku voll ist. In diesem Fall kann eine Umschaltung des Ladegerätes auf die NiCd Ladung Abhilfe bringen. Auch hier muss der Ladevorgang und die Akkutemperatur unbedingt beobachtet werden.

Ein häufiger Streitpunkt ist der Memoryeffekt. NiMH Zellen haben keinen Memoryeffekt, sagen die Hersteller und können daher jederzeit problemlos nachgeladen werden. In der Praxis kann man nach einer gewissen Betriebszeit aber schon eine Art Memoryeffekt feststellen, wenngleich auch bei weitem nicht so stark wie bei NiCd Akkus. Daher empfiehlt sich auch bei NiMH Akkus diese alle paar Monate zu Entladen und wieder neu Aufzuladen.

Einsatzbereich:

  1. Senderakku, meist werden 3000 mAh Packs mit 8 Zellen verwendet, was für eine durchschnittliche Betriebszeit von 4-6 Stunden ausreicht.
  2. Empfängerakkus mit 4 oder 5 Zellen. Wobei noch Bedenken hinsichtlich der Vibrationsbelastbarkeit in Verbrennermodellen vorherrschen.
  3. Antriebsakkus mit Hochstromzellen. Diese bieten sehr lange Flugzeiten haben aber nicht ganz die Spannungslage wie moderne NiCd Zellen. Sie reichen für Modelle mit einem Strombedarf bis max. 30 A. Sehr populär sind die 3000mAh Hochstromzellen von Panasonic.

Lithium Ionen Akkus

Über Lithium Ionen Zellen sind noch keine wirklich zufriedenstellenden Informationen zu finden. Das mag daran liegen, dass viele Hersteller immer noch mit verschiedensten Materialen experimentieren.

Sie benutzen eine Kohlenstoffelektrode, welche in einem Elektrolyt aus Lithium Salz eingebettet ist. Die Kohlenstoffelektrode kann Lithium-Ionen aufnehmen als auch abgeben und bildet damit den Stromspeicher.

Das interessante ist die enorme Energiedichte, die dreimal so groß ist wie bei vergleichbaren NiCd Akkus. Wie schön wäre doch ein E-Heli, der eine halbe Stunde ununterbrochen fliegen kann ! Zudem kennen Li-Ion Zellen keinerlei Memoryeffekt, weshalb sie jederzeit nachgeladen werden können.

So schön diese Zellen auch sind, die Nachteile sind beträchtlich. Der Ladevorgang muss äußerst präzise ablaufen, sonst beschädigt man die Zelle permanent. Außerdem ist die Strombelastbarkeit mit wenigen Ampere nicht gerade hoch. Es sind zwar schon Entwicklungen für die Autoindustrie im Gange, was für den Modellbau derzeit aber noch nicht nutzbar ist. Dazu kommt noch der ziemlich hohe Preis. Eine weitere eventuelle Einschränkung ist die Zellenspannung von 3,6 Volt. Damit ist eine Zelle zuwenig für einen Empfängerakku und zwei Zellen sind zuviel.

Der Temperaturbereich ist auf ca. 5 bis 30 Grad C eingeschränkt.

Es gibt vielfältige Möglichkeiten um Li-Ion Zellen den Garaus zu machen:

Geladen werden Li-Ion Zellen ähnlich wie Bleiakkus, nämlich mit Konstantspannung von ca. 4,1 Volt. Diese Spannung darf keinesfalls Überschritten werden. Obwohl hartgesottene Modellbauer ihre Li-Ion Zellen an einem Labornetzgerät laden, ist für die meisten doch die Benutzung eines guten Computerladers mit Li-Ion Programm empfehlenswert. Auf jeden Fall müssen während der Ladung von Akkupacks die Einzelzellen auch einzeln überwacht werden. Keine Zelle darf eine höhere Spannung als 4,1 Volt bekommen. Aus diesem Grund sind in Camcorder Packs bereits elektronische Komponenten zur korrekten Ladung integriert.

Inzwischen werden von namhaften Firmen (Tadiran) auch Lithium-Metall Akkus angeboten. Diese haben eine Spannung von nur 3 Volt, sind kurzzeitig bis zu 10A belastbar. Diese Zellen müssen im Gegensatz zu den Li-Ion Zellen mit konstantem Strom bis zu einer Abschaltspannung von 3,4 Volt geladen werden.

Einsatzbereich:

  1. Slowflyer: geringstes Gewicht bei guter Stromausbeute versprechen sehr lange Flugzeiten
  2. Der Einsatz als Empfängerakku wird diskutiert, führt aber wegen der ungünstigen Zellenspannung und der komplexen Handhabung nur ein Schattendasein.