LiPo-Akkus
LiPo steht für Lithium Polymer.
Nur eine Auswahl
Die hier vorgestellten LiPo-Akkus beschränken sich auf
- einzelne LiPo-Akku-Zellen
- mit Kapazitäten bis zu 3500mA
- im Gehäuse Typ 18550
- im flachen Gehäuse
Nicht behandelt werden
- Akku-Packs mit mehreren Zellen,
- Li-Ion-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus,
- LiFePO4-Akkus,
- Li-NMC usw.
- sowie Zellen für hohe Entladeströme.
Symbol
Wirkung von Akkumulatoren
- Wenn ein Akku aufgeladen wird, nimmt er Strom auf.
- Wenn ein Akku belastet wird, gibt er Strom ab.
- Ein Akku stellt eine bestimmte Ladung zur Verfügung.
- Die verfügbare Ladung wird in mAh oder Ah angegeben.
- Die Ladung gibt an, wie lange ein bestimmter Strom geliefert werden kann.
- L = I * t mit Ladung L in mAh, Strom I in mA, Zeit t in Stunden h
- Z.B. bedeuten 500mAh 1 Stunde lang 500mA oder 10 Stunden lang 50mA oder ½ Stunde lang 1000mA
- Die maximale Ladung eines voll geladenen Akkus wird seine Kapazität genannt.
- Eine Akku-Zelle hat eine typische, mittlere Zellenspannung.
- Wird ein Akku geladen, steigt seine Zellenspannung.
- Wird ein Akku belastet, entladen, sinkt seine Zellenspannung.
- Für einen Akku gibt es eine maximale Zellenspannung, die Ladeschlussspannung, die nicht überschritten werden darf.
- Für einen Akku gibt es eine minimale Zellenspannung, die Entladeschlussspannung, die nicht unterschritten werden darf.
Wirkung eines Lipo-Akkus
- Die Zellenspannung eines Lipo-Akkus beträgt durchschnittlich 3,6V.
- Ein LiPo-Akku wird mit einem speziellen LiPo-Ladegerät geladen.
- Ein Lipo-Akku darf nicht überladen werden.
- Die maximal erlaubte Ladespannung eines Lipo-Akkus beträgt 4,2V
- Ein Lipo-Akku darf nicht tiefentladen werden.
- Ein Lipo-Akku sollte nur bis zu einer Zellenspannung von 3V entladen werden.
- Die minimal zulässige Zellenspannung eines Lipo-Akkus ist je nach Typ 2,7V oder 2,5V.
- Wird ein Lipo-Akku unter 3V entladen oder über 4,2V geladen, sinkt seine Lebensdauer.
Nur einzelne LiPo-Akku-Zellen
Hier werden nur einzelne LiPo-Akku-Zellen mit einer Spannung um 3,6V behandelt
- LiPo-Akkus mit mehreren Zellen - Spannungen um 7,2V oder höher - werden hier nicht behandelt.
- Dafür sind spezielle Ladegeräte mit Balancer erforderlich.
Gehäuse
LiPo-Akkus gibt es verschiedenen Gehäusen.
- Zylindrische Zelle
- z.B. Typ 18650
- flache Gehäuse
- prismatische Gehäuse
Bild 1 von links
- LiPo-Akku mit Schutzschaltung im Gehäuse 14500
- LiPo-Akku ohne Schutzschaltung im Gehäuse 18650,
- LiPo-Akku mit Schutzschaltung im flachen Gehäusen,
- LiPo-Akku ohne Schutzschaltung im flachen Gehäusen.
18650 Gehäuse
- Das typische 18650 Gehäuse hat Kontakte wie AA Batterien.
- Es gibt auch LiPo-Akkus im 18650 Gehäuse mit
- Anschlussdrähten und Steckanschluss
- oder Lötfahnen.
- 18.5mm Durchmesser 70mm Länge
- Kapazität von 1500mAh bis 3500mAh
- Verwendung in Geräten und z.B. in E-Bikes.
- Sie werden mit und ohne Schutzschaltung geliefert.
Flache Gehäuse
- Die Gehäuse sind meistens mit einer Klarsichtfolie umhüllt.
- Die LiPo-Akkus sind meistens mit einem Steckanschluss versehen.
- Kapazität unter 100mAh bis über 2000mAh
- Maße sind z.B.
- 12mm x 30mm x 4mm oder
- 36mm x 47mm x 11mm
- Sie werden mit und ohne Schutzschaltung geliefert.
LiPo-Akkus im flachen Gehäuse werden fest in Geräte eingebaut.
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.
-
Vorsicht C-Rating
Hohe C-Ratings werden oft für unrealistische Marketingzwecke verwendet.
C-Koeffizient
Der C-Koeffizient beschreibt eigentlich die Lade- bzw. Entladezeit t aus.
Leider nicht unmittelbar, sondern über C=1/t oder t=1/C
1C bedeutet also in einer Stunde, t=1/1.
2C bedeutet in einer halben Stunde, t=1/2.
20C bedeutet im zwanzigstel einer Stunde, t=1/20 also 3 Minuten.
0,1C bedeutet in 10 Stunden, t=1/0,1=10.
Daten
In der folgenden Tabelle sind beispielhaft die Daten einiger LiPo-Akkus aufgelistet.
Vorsicht: Daten
Bei manchen Daten von LiPo-Akkus ist Vorsicht geboten.
- Bei der Lebensdauer (Lebenszyklen) darauf achten, bei wie viel Prozent der Akku als verbraucht gilt.
- Eine Entladeschlussspannung (min Entladespannung) unter 2,7V kritisch hinterfragen.
- Hohe Ströme 10C (C-Rating) kritisch hinterfragen.
- Ströme über 30C nicht glauben.
| Typ Hersteller |
LP601125 ±LiPol Battery |
ICP651321PA Renata |
LG 18650 B3 2600mAh LG |
US14500VR2 Sony |
US18560VTC6 Sony |
NL1834 Nitecore |
| Kapazität | 140mAh | 120mAh | 2600mAh | 715mAh | 3120mAh | 3400mAh |
| normale Spannung | 3,7V | 3,7V | 3,65V | 3,7V | 3,6V | 3,7V |
| max Ladespannung | 4,2V | 4,2V | 4,2V | 4,2V | 4,2V | 4,2V |
| max Ladestrom | 55mA | 120mA | 1C 2,6A |
2A | ||
| max Entladestrom | 110mA | (240mA) | 1.5C 3,9A |
2C 1430mA |
20A | 3A |
| min Entladespannung | 2,75V | (2,8V) | 2,0V2,5V | 2,5V | ||
| Standard Ladestrom | 60mA | 0,5C 1300mA |
680mA | 3A | 0,2C 680mA |
|
| Standard Entladestrom | 120mA | 0.2C 520mA |
1C 715mA |
0,2C 624mA |
0,2C 680mA |
|
| Standard min Entladespannung |
3,0V | 3,0V | 3,0V | 2,5V | 2,75V | |
| Innenwiderstand | 200mΩ | 350mΩ | 75mΩ | 75mΩ | 13mΩ | 150mΩ |
| Temperatur Laden | 0°C bis 45°C | 0°C bis 45°C | 0°C bis 45°C | 0°C bis 50°C | 0°C bis +45°C | 0°C bis 45°C |
| Temperatur Entladen | -20°C bis 60°C | -20°C bis 60°C | -20°C bis 60°C | -20°C bis 60°C | -20°C bis +65°C | -20°C bis 60°C |
| mit Schutzschaltung |  |
 |
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| Erkennung Überladung | 4,275V | 4,325V | ||||
| Erkennung Unterspannung | 2,75V | 2,5V | ||||
| Erkennung Überstrom | 2A bis 4A | 3,5A bis 8,5A | ||||
| Maße mm | 25x11x6 | 23x13x6 | 18.5∅65,2 | 14,2∅49,1 | 18.5∅65,2 | 18.8∅69 |
| Lebenszyklen | 500 | 500 | 300 | 300 | 300 | 500 |
| bis auf % der Kapazität | 80% | 80% | 75% | 75% | 53% | 60% |
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
- Weitere Informationen zu Kurven und Kennlinien bieten die Praktika Kennlinien, Arbeiten mit Kennlinien und Kennlinien messen und darstellen.
Bild 2 zeigt den Einfluss der Ladeschlussspannung eines LiPo-Akkus. Dargestellt sind die typischen Spannungsverläufe am Akku für eine moderate Entladung mit 0,1C. Die Darstellung bezieht sich auf 100% Kapazität bei 4,2V Ladeschlussspannung und 3,0V Entladespannung (blaue Kurve).
Die Kurve zeigt 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 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).
Bild 3 zeigt, dass Standard-Ladeschlussspannung von 4,2V optimal für Ladung eines LiPo-Akkus ist.
Ladekurven von Lipo-Akkus
LiPo-Akkus sollen nach einer bestimmten Ladekurve geladen werden. Diese wird als CCCV Constant Current - Constant Voltage, Konstantstrom - Konstantspannung genannt.
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.
Ladegeräte
Ladegeräte für Lipo-Akkus, die nach CCCV laden, gibt es für wenig Geld zu kaufen.
Ein Selbstbau ist nicht zu empfehlen, da die Ladeendspannung von 4,2V auf ±50mV genau eingehalten werden muss.
Lebensdauer von Lipo-Akkus
Die Lebensdauer von Lipo-Akkus wird 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
Eine Faustregel besagt, 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.
Lipo-Akkus -
sichere maximale und minimale Spannung
| 4,2V | voll geladen, nicht über schreiten |
| 3,7V | Nennspannung, normalerweise bei der Nenn-Kapazität des Akkus |
| 3,0V | Bei dieser Spannung ist nur noch wenig nutzbarer Strom vorhanden. |
| 2,5V | Beschädigung. Manche Ladegeräte können einen LiPo-Akku unter 2,5V nicht wiederherstellen. |
| Unter 2,5V | beginnt man, den LiPo-Akku zu beschädigen . |
| Unter 3,0V | wird die Lebensdauer verkürzt. |
Außerdem sind nicht alle LiPo-Akkus gleich. Sie unterscheiden sich stark in ihrer Qualität, was auch damit zusammenhängt, wie gut sie mit niedrigen Spannungen zurechtkommen.
3,8V wird als optimale Spannung für die Lagerung der LiPo-Akkus angesehen, Für die beste Wirkung zwischen Ladevorgängen, ist es besser, die Spannung auf 4V bis 4,2V zu erhöhen.
Regeln für LiPo-Akkus
Keine LiPo-Akkus
mit bis 200mAh
- Mit 0,1C betreiben,
- nicht über 1C.
- Die Ladeschlussspannung beträgt 4,2V ± 50mV.
- Die Entladeschlussspannung beträgt 3,0V +- 0,1V.
- Lipo-Zellen nicht in Reihe schalten.
Bei kleinen LiPo-Akkus kann die Schutzschaltung ausgenutzt werden,
- wenn der Akku sehr selten tiefentladen wird,
- mit sehr kleinen Strömen, d.h.über lange Zeit (Tage, Wochen) entladen wird,
- der Akku sehr selten geladen wird.
- und eine kürzere Lebensdauer in Kauf genommen wird.
Große LiPo-Akkus
- Das Datenblatt des Lipo-Akkus beachten.
- Laden mit 0,5C (etwa 2 Stunden).
- Lipo-Akkus halten wesentlich länger, wenn sie unter 0,2C entladen werden.
- Nicht über 1C entladen.
- Entladen mit hohen Strömen über 5C ist möglich, verkürzt aber die Lebensdauer.
- Entladen über 10C ist problematisch.
- Ein Hersteller, der angibt, dass ein LiPo-Akku über 30C entladen werden kann, ist nicht vertrauenswürdig.
- Die Ladeschlussspannung beträgt 4,2V ± 50mV.
- Eine Entladeschlussspannung unter 2,5V ist problematisch.
- Bei einer Entladeschlussspannung unter 2,7V und hohen Strömen, ist zu beachten, dass am Innenwiderstand des Akkus eine Spannung von etwa 0,2V abfällt.
- Auch bei großen LiPo-Akkus trägt eine Entladeschlussspannung von 3,0V zu einer höheren Lebensdauer bei.
- Dieses gilt insbesondere dann, wenn der Akku nur mit c.a. 0,1C belastet wird.
- Die Schutzschaltung darf nicht für den normalen Betrieb verwendet werden.
Vorsicht bei LiPo-Akkus
- LiPo-Akkus werden durch Tiefentladung beschädigt.
- LiPo-Akkus werden durch Überladung (4,20V ± 0,5%) beschädigt und
- können brennen.
- LiPo-Akkus können bei zu hohen Strömen brennen.
- LiPo-Akkus dürfen keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden: brennen.
- Brennen LiPo-Akkus,
- entstehen hoch giftige Gase,
- hohe Temperaturen,
- können sie nicht mit Wasser gelöscht werden,
- weil dabei noch mehr giftige Gase entstehen,
- sondern am besten mit trockenem Löschsand.
- LiPo-Akkus dürfen nicht einfach parallel geschaltet werden.
- LiPo-Akkus können nicht einfach in Reihe geschaltet werden.
- Für jede einzelne Zelle ist ein Überlastschutz beim Laden und Entladen erforderlich: Balancer.
- Es gibt LiPo-Akkus mit eingebauter Schutzschaltung (PCB) für Spannung und Strom.
- LiPo-Akkus sind sicherer als Li-Ion-Akkus
- LiPo-Akkus gehören nicht in den Hausmüll.
- LiPo-Akkus enthalten hochwertige Materialien, die recycelt werden müssen.
- Hierfür gibt es spezielle Sammelstellen.
