Neue Hochkapazitäts-LiPos

Wer bislang mit den verfügbaren Akkukapazitäten nicht ausreichend bedient war, musste mehrere davon parallel schalten. Das war nicht immer einfach, erhöhte den ladetechnischen Aufwand und leider auch das individuelle Fehlerrisiko. Seit einiger Zeit kommen nun LiPos mit deutlich höheren Kapazitäten auf den Markt. Die Nachfrage danach, ohne die in einer Marktwirtschaft nun mal nichts geht, kommt aus dem Bereich der großen Multikopter, wo Flugzeit und Tragkraft mehr zählen als Flugdynamik.

Ein Mehr an Akkukapazität stand beim klassischen Modellflug bislang hauptsächlich im Schleppbetrieb auf der Wunschliste. Doch der Massenmarkt begnügte sich bis vor Kurzem mit Zellen von nur wenigen (1 … 6) Amperestunden (Ah). Für Großverbraucher – kommerziell genutzte Multikopter bis hin zu E-Autos – fehlte noch der Markt. So hat ein Tesla S mehr als 8.000 Laptop-Zellen im Fahrzeugboden verbaut – größenordnungsmäßig etwa 100 Stück in Reihe sowie 80 oder mehr davon jeweils parallel. Das ist nötig, denn jede einzelne Zelle speichert nur 2 bis 3 Ah und somit 8 bis 12 Wattstunden (Wh) an elektrischer Energie. Und da Zuverlässigkeit und Preiswürdigkeit ganz oben auf der Agenda stehen, gab es bislang keine andere Wahl, als Zellen der Dimension 18650 (18 mm Durchmesser, 65 mm lang) zu verbauen. Baumuster, die sich ­anderweitig schon millionenfach bewährt hatten.

Hersteller und Nutzer von Lithium-Polymer-Batterien haben es leichter. Die Technik Pouch-Zellen erlaubt ein flexibles Batteriedesign – nach Maß. Denn ihre Foliengehäuse unterliegen keiner starren Norm. So bietet der Modellzubehörmarkt inzwischen Zellen von 8, 10, 12, 16 und sogar 21 Amperestunden (Ah) an. Die ganz dicken, genau betrachtet eher superflachen 21-Ah-Zellen von Stefans LiPo Shop (SLS) wurden hier mal etwas genauer unter die Lupe genommen.

Angemessen
Die 6s-Batterien tragen die Aufschrift 22,2 V, 21.000 mAh. Das ergibt, ebenfalls aufgedruckt, 466,2 Wh Energie-Inhalt. Das ist deutlich mehr als eine klassische Pedelec-Batterie (300 bis 400 Wh). Doch wie steht es mit der Belastbarkeit. Freunde des batterietechnischen hohen C‘ werden spontan etwas enttäuscht sein, wenn sie nur 15 / 30 C lesen. Doch rechnen wir mal: Das wären dann 315 / 630 A, welche über das AWG 10-Kabel und die XT 90-Stecker herausfließen müssten. Berücksichtigt man, dass die ganze Einheit damit ganze 2,46 Kilogramm (kg) auf die Waage bringt, so liegt man bei der spezifischen Energie bei fast 190 Wh/kg. Das weist den XXL-LiPo klar als energieoptimiertes Produkt aus, denn herkömmliche LiPos bringen es hier nur auf 120 bis 150 Wh/kg. Soweit die Labelaufdrucke.

Sie sind eine Sache, Produkteigenschaften oftmals eine andere. Daher müssen auch solche Energiebomben zeigen, was sie wirklich drin haben. Messmittel der Wahl ist hierbei die altbewährte Stromsenke, ein elektronisch geregelter Widerstand, mit dem man dem Akku einen angemessen hohen konstanten Strom entlockt, ihn mit der Entladedauer verrechnet und dabei den Spannungsverlauf aufzeichnet. Soweit die Theorie. In der Praxis ergeben sich bei solchen Akkugrößen dann doch einige Herausforderungen, denn mit der Leistung einer 6-zelligen-LiPo-Batterie und nur 10 C könnte man locker einen Dreiplattenherd beheizen. Der Test beschränkte sich daher auf einen Kapazitätstest mit konstant 25 A (1,2 C) bei vollständiger Entladung und einer Pulsstrommessung von 21 / 91 A (1 / 4,3 C) bei Teilentladung – ehe die Stromsenke kocht.

Die Messung – siehe Diagramm – lässt dann auch bald erkennen, dass das Produkt zumindest bei dieser moderaten Last hält, was es verspricht. 21,2 Ah ließ sich die Batterie bei einer mittleren Entladeschlussspannung von 3,4 V / Zelle abzapfen. Die Energiemenge wurde dabei auf 478 Wh bilanziert, was aus einer mittleren Entladespannung von 22,6 V (3,77 V / Zelle) resultiert. Die am Schrumpfschlauch gemessene Batterietemperatur stieg dabei von 22 auf 37 Grad Celsius, wobei der Spannungsverlauf der Einzelzellen auf eine etwas höhere Temperatur der Innenzellen schließen ließ.

Nicht der Alleskönner, diese Hochenergiezellen, sondern stark im Ausdauerfach bei eher moderater Belastung. Dies bestätigte auch die (Gleichstrom-) Innenwiderstandsmessung, bei der die Zellen – je nach Temperatur – mit 4 bis 7 Milliohm (mΩ) im Bereich der Erwartung liegen. Hochleistungs-LiPos, wie sie bei Hotlinern gerne eingesetzt werden, weisen solche Widerstandswerte indes schon bei deutlich kleineren Kapazitäten auf. Die Auswertung der Impulsmessungen lässt den Schluss zu, dass die Energiebilanz bis etwa 180 A noch im positiven Bereich verbleibt. Danach sinkt die Spannungslage soweit ab, dass die tatsächlich entnehmbare Energie auf das herkömmliche LiPo-Niveau absinkt. Es wird dann wieder interessanter, Zellen mit höherer C-Rate parallel zu schalten. Doch ganz so einfach, wie zuweilen dargestellt, ist das mit der Parallelschaltung auch wieder nicht.

Sicherheitsaspekte bei Parallelschaltung
Der Vorzug, mit 4 V eine hohe Spannung aufzuweisen, eröffnete den Lithium-Ionen-Zellen – zu denen natürlich auch unsere LiPos zählen – ungeahnte Einsatzmöglichkeiten. Smartphones, Fotoapparate, kleine Powertools und auch Fernsteuersender neuer Machart kommen gut mit einer einzelnen Zelle als Energieversorger klar. Das vereinfacht nicht nur die Ladetechnik ungemein. Man benötigt kein Balancing und das Spannungsfenster, in dem sich ein Lithium-Akku gesund fühlt, ist leicht zu überwachen. Dass dies auch der Anwendungssicherheit zugutekommt, lässt sich leicht daraus ableiten, dass inzwischen praktisch nichts mehr von Brandunfällen bei derartigen Verbrauchern, die in einem geschlossenen System arbeiten, zu lesen ist. Von einem solchen geschlossenen System spricht man dann, wenn Ladegerät, Akku und Verbraucher eine fest zugeordnete Einheit bilden. Wie gelegentlich verlautbart, hat das Sicherheitsniveau bei Modellbauakkus, die in einem offenen System – Lader und Verbraucher sind frei und beliebig kombinierbar – betrieben werden, noch etwas mehr Luft nach oben hin.

Batterien, wie sie in der Antriebstechnik zum Einsatz kommen, bestehen fast ausschließlich aus mehreren in Serie geschalteten Zellen. Diese heißen dann ­beispielsweise 3s1p, was bedeutet, dass 3 Zellen in Serie geschaltet sind, aber nur eine davon parallel. Letztere Aussage hat natürlich ein Logikproblem, denn parallel kann man nicht zu sich selbst sein. Aber warum begegnen wir eigentlich so selten ­Batterien aus zwei, drei, vier fest parallelgeschalteter Zellen? Nun, Parallelschaltungen von Hochstromzellen sind auch sicherheitstechnisch anders zu behandeln als Serienbatterien. Die Gretchenfrage dabei lautet stets: Welche Vorsorge ist zu treffen, damit das Zeug nicht in Brand geraten kann.

Warum eigentlich, so ließe sich erst mal ganz naiv fragen, haben frühere Batterietechnologien auf der Basis von Blei, Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid so gut wie nie gebrannt, obwohl sie in keiner Weise besser vor unsachgemäßer Behandlung geschützt waren? Die Antwort ist einfach: Sie konnten nicht genügend Energie speichern, um sich selbst so weit zu erhitzen, dass sie dabei in Brand gerieten. Erschwerend kommt noch hinzu, dass bisher in Akkus fast ausschließlich wässrige Elektrolyte zum Einsatz kamen, während die bei der Lithium-Technik notwendigen organischen Elektrolyte eher zur Klasse der Brandbeschleuniger zählen. Leider wird man in absehbarer Zeit nicht auf diese Ingredenzien verzichten können. Zudem stellt eine noch höhere Energiedichte das erklärte Ziel der Akkuentwicklung dar, was rasch schnell klarstellt, dass auch von dieser Seite in nächster Zukunft erst mal wenig Entlastung kommen wird.

Macht man sich obige Selbstentzündungstheorie zu eigen, wird sehr schnell klar, dass die höchst Brandgefahr stets von vollgeladenen Akkus ausgeht, was die bekannte Forderung unterstreicht, Lithium-Ionen-Akkus nie in vollgeladenem Zustand zu lagern. Ist so ein Akku erst mal halb leer, reicht die gespeicherte Energie mit großer Sicherheit für den Prozess der Selbstverbrennung nicht mehr aus. Bei einem SOC (State Of Charge) von 30 % ist man endgültig auf der sicheren Seite.

Weniger ist sicherer
Soweit, so klar. Was aber passiert, wenn mehrere Zellen parallel liegen und nur eine davon beispielsweise durch einen internen Kurzschluss zum Problemfall wird. Jetzt ist es nicht mehr allein die Eigenenergie, welche am Zündrädchen dreht, sondern die gesamte parallel liegende Community lässt ihre Energie in die plötzlich aufgetane Senke stürzen. Damit ist klar: Mit „Alle für Einen“ bedarf es nicht mehr proppenvoller Zellen, um ein munteres Feuerchen zu entfachen. Die Sicherheitsbarriere ist abgesunken. Sinnvollerweise wählt man daher bei Modellantrieben den Weg, die Zellen nicht fest parallel zu verschalten, sondern erst im Bedarfsfall parallel zu stecken, was natürlich gleichen Ladezustand voraussetzt. Die Kapazität der parallelen Packs darf dabei ruhig voneinander abweichen.

Und wie geht man das Problem bei der Industrie, zum Beispiel bei der Nobelkarosse Tesla an? Nun, da sind die Parallelzellen nur einseitig fest verbunden. Der andere Pol ist durch ein feines Sicherungsdrähtchen an die Stromsammelschiene herangeführt; siehe Abbildung. Wenn eine Zelle kollabieren sollte, brennt die entsprechende Sicherung durch. Die gute Nachricht: Manche Probleme sind im Modellbau eben doch noch einfacher zu lösen.