SEGOR-electronics GmbH, Berlin-Charlottenburg

LiIon Akku TypenIn letzter Zeit werden Lithium-Polymer-Akkus (kurz: LiPos) und Lithium-Ionen-Akkus, (kurz: Li-Ions) für die Versorgung mobiler Projekte immer beliebter. Ihre hohe Einzelzellenspannung von 3,6 - 3,7 V macht klobige Reihenschaltungen teilweise überflüssig, sie sind in hunderten verschiedenen (auch recht flachen) Bauformen (siehe Bild) mittlerweile preiswert verfügbar, sie sind extrem leicht bei gleichzeitig hohem Energieinhalt.

Ihr früher gefürchtetes "prinzessinnenhaftes" Verhalten wird durch elektronische "Helferlein" für jederman leicht beherrschbar. Es gibt also kaum Argumente, die noch für die Anwendung der althergebrachten NiMH-Akkus sprechen. Man sollte aber trotzdem einige Dinge beachten, um frustfrei damit arbeiten zu können. Am wichtigsten ist: Protection Board

  1. nicht überladen !
  2. nicht tiefentladen !

Gegen diese akkuschädigenden Dinge werden sehr viele der flachen LiPos mit einer integrierten Schutzplatine (protection board, siehe Bild rechts) ausgeliefert, diese trennt den Akku durch einen integrierten Lowside-MOSFET ab, wenn er überladen (U >4,1...4,2V) oder tiefentladen (U< 2,7...3,0V) zu werden droht.

Dieser Vorgang ist reversibel: das Board schaltet wieder ein, wenn der Akku wieder im "gesunden" Spannungsbereich ist, respektive der Ladevorgang extern abgebrochen wird. Dann ist der Akku wieder voll einsatzfähig, dauerhafte Schädigung wurde so vermieden! Die runden LiIon-Zellen (wie z.B. die bekannten "18650"-Zellen, verfügen häufig nicht über eine solche Schutztechnik, sie muß also extern vorgesehen werden. Dafür bieten wir ein solches Protection Board einzeln (ohne Akku) an:

Protection Board

Es hat 4 Lötanschlüsse, sie müssen in der hier gezeigten Weise mit Akku und Last verbunden werden. Das Board ist nur für eine einzelne LiPo-/ LiIon-Zelle gedacht (1S = 3,7V), auch darf der Entladestrom nicht über 3A gehen, da sonst der MOSFET auf dem Board überlastet werden kann.

Die Aufladung solcherart geschützter Zellen kann notfalls mit einem auf ca. 5V eingestellten Labornetzteil erfolgen, dessen Strombegrenzung auf einen nicht allzuhohen Strom eingestellt wurde (z.B. auf C/4, also ein 1000mAh-Akku sollte so mit 100...300mA geladen werden), erreicht der (volle) Akku die Abschaltschwelle des Protection Boards, wird der Ladestrom zu Null: der Akku ist voll!

Besser, sicherer und eleganter kann dies unser kleines LiPo-Lademodul:

LiPo-Lademodul

Es enthält den Lade-IC "TP 4056" und hat das Protection-Board (Schutz-IC "DW01A") bereits integriert (!). Es bezieht seine Versorgung (5V) z.B. aus einem handelsüblichen Micro-USB-Netzteil, wie es für Smartphones oder Tablets üblich ist. Alternativ kann man die 5V auch über zwei Lötpads zuführen (links und rechts der Micro-USB-Buchse). Oder Laptop- oder Rechner-USB-Ports heranziehen. Zwei verschiedenfarbige SMD-LEDs zeigen an, ob die Ladung noch läuft oder ob der Akku schon voll ist, der Ladestrom liegt (maximal) um ein Ampere herum...

Es ist unter bestimmten Bedingungen möglich, zwei (=2P) oder drei (=3P) oder noch mehr gleichartige LiPo- (oder LiIon-Akkus) parallel zu schalten, um mehr Maximalstrom und Kapazität zu erhalten, bei (nach wie vor) 3,7V. Die Einzelkapazitäten addieren sich. Wichtig: Das erste Parallelschalten sollte bei ähnlichem Ladezustand über einen passenden Ausgleichswiderstand erfolgen, um die entstehenden Querströme zu begrenzen. Nach Ausgleich kann der Widerstand entfernt und durch eine direkte Verbindung ersetzt werden.

Zur Erzielung höherer Spannungen kann man mehrere gleichartige LiPos (oder LiIon- Akkus) in Reihe schalten (zwei Stück in Reihe (=2S) ergeben 7,4V; drei in Reihe (=3S) sogar 11,1 V u.s.w.). Ein Beispiel eines bei uns käuflich erwerbbaren 2S-LiPos mit 7,4V und 1000mAh wird im Bild gezeigt:

2S-Beispiel

Es ist aber nicht möglich, solche Reihenschaltungen einfach "in Reihe" zu laden, ohne besondere Maßnahmen zu ergreifen: es droht Zellenzerstörung durch Überladung einzelner Zellen! Abhilfe schafft sogenanntes "Balancing": ein zusätzlicher Stecker am Akku führt Minuspol, Pluspol und alle Verbindungspunkte zwischen den Zellen heraus, dieser Stecker erlaubt dem (dafür geeigneten) Ladegerät, voll werdende Zellen vom Ladeprozeß auszuklammern (balancing). Erst wenn wirklich alle Zellen voll sind, wird der Ladevorgang vom Ladegerät mit "voll!"-Meldung beendet. In der Praxis haben sich 2 Typen von Steckverbindern allgemein durchgesetzt: "XH" und "EH" -Stecker:

2S XH/EH

Der ambitionierte Modellbaufachhandel führt auch fertige Adapter von XH <-> EH, wir bieten die XH- und EH- Konnektoren einzeln lose (oder teilweise sogar mit Kabel) zum Selberkonfektionieren an. Manche Ladegeräte haben beide Arten Anschlüsse, andere (wie unser hier beispielhaft gezeigtes RC B3) hat nur eine Art : "XH"

Hot RC Lader 2S/3S

Dieses Gerät ist von Hause für 2S und 3S - Packs ausgelegt (mit ein klein wenig Bastelei auch für 1S !) und lädt mit 800mA.

Auch bei der Entladung sollten LiPo-/ LiIon- Reihenschaltungen überwacht werden, da (aufgrund der immer vorhandenen Zellendifferenzen) sonst einzelne Zellen tiefenladen werden, ohne daß man es merkt! Dazu müssen die Einzelzellenspannungen jeweils separat gemessen und bewertet werden. Diese Aufgabe kann für Akkupacks von 1S bis 8S (!) sehr einfach und bequem unser LiPo-Tester 1-8S übernehmen, der z.B. einfach an den Balancerstecker angesteckt werden kann:

LiPo-Tester 1-8S

Dieses kleine Modul versorgt sich aus dem Akkupack, zeigt Einzelzellenspannungen und Gesamtspannung an und warnt optisch und akustisch, wenn eine Zelle im Pack unter die (einstellbare) Tiefentladeschwelle fällt. Es ist für verschiedene Akkutypen geeignet (nicht nur für LiPos und LiIon-Zellen). Ein ausführlicher Text über dieses Teil (und seine Bedienung und Programmierung) findet sich in dem PDF bei (LiPo-Tester 1-8S).

Häufig ist es sinnvoller und einfacher, statt Reihenschaltungen sog. Aufwärtsschaltwandler (step up-Module) zu verwenden, um die benötigten höheren Spannungen zu erlangen. Hier zum Beispiel (mit 5V fixed output via USB, max. 0,6A) unser StepUp-Modul (USB):

StepUp Modul USB

Spezielle Ladetechnik (oder Balancieren) fällt dann weg! Der Vorteil liegt neben der Einfachheit insbesondere in der Konstanz (und je nach gewähltem Modul, Einstellbarkeit) der erzeugten Spannung unabhängig vom Zustand des Akkus. Es sollte in jedem Falle ein Protectionboard verwendet werden, um Tiefentladung des Akkus zu vermeiden. So lassen sich aus 3,7V leicht 5V, 12V (oder andere Spannungen) erzeugen. Bei längerem Nichtverwenden: mechanischen Ausschalter verwenden wegen der Ruhestromaufnahme der Konverter, der Akku leert sich sonst irgendwann "von selbst"!

Es ist natürlich verlockend, datentechnische Komponenten mit der geläufigen Versorgungsspannug von 3,3V direkt an den Akku anzuschließen, aber Achtung: am voll geladenen Akku liegen u.U. über 4V! Das muß die Hardware erst mal aushalten: aufpassen! In manchen (einfachen) Fällen kann man eine (Schottky-) Diode (in Flußrichtung) einschleifen, diese reduziert die Akkuspannung etwas (um den Betrag der Flußspannung).

Ein wichtiges Augenmerk kommt der maximalen erlaubten Entladestromstärke (angegeben meist in Vielfachen der Nennkapazität C) zu, man unterscheidet hier grob in:

High-Drain-Typen (die viel Strom liefern können, aber dafür eine kleinere Kapazität aufweisen) - diese werden für Akkuwerkzeuge, E-Zigaretten, Modellantriebe und andere Hochstromanwendungen eingesetzt (Beispiel als Rundzelle: LiIon18650/3,7V-2,0Ah+LF , diese kann bis zu 10C liefern, also maximal ca. 20A)

Low-Drain-Typen (mit hoher Kapazität, aber nur kleiner maximaler Stromabgabe) - für die meisten Zwecke (Laptopakkus, Taschenlampen, u.ä.) werden diese die beste Wahl sein - (Beispiel als Rundzelle: LiIon18650/3,7V-3,5Ah+FT, diese kann nur 3C liefern, also ca. 10A maximal)

und die eher in der "Mitte" liegenden: Medium-Drain-Typen - bei denen die beiden diametralen Parameter Kapazität und maximaler Entladestrom beide moderat ausgeprägt sind - Beispiel: (als Rundzelle: LiIon18650/3,7V-2,8Ah+LF, diese Zelle kann bis 8A liefern).

high drain/low drain

Diese Rundzellen gibt es in verschieden Maßen (und Kapazitäten), mit oder ohne Lötfahnen ("flat top"). Die Bezeichnung setzt sich sinnfällig aus den Zellenabmaßen "Durchmesser" und "Länge" (in mm)zusammen: die bekannte "18650"er hat z.B. 18 mm Durchmesser und 6,5cm Länge! Es gibt sogar das bekannte "Mignon"-Format (AA, Bez. "14500"), natürlich haben kleinere Bauformen geringere Kapazitäten ;-)

Bitte NIEMALS versuchen, an Zellen ohne Lötfahnen zu löten! Gefahr!

Besser Zellen mit Lötfahnen wählen- oder: Batteriehalter für die 18650er-Rundzellen haben wir auch im Sortiment (nicht für hohe Ströme gebaut):

Ladegeräte für solche Rundzellen sind z.B die USB-versorgte Variante MC 1, die durch einen federnd längsverschiebbaren Pol für sehr viele Zellengeometrien geeignet ist (Ladestrom ca. 0,5A):

MC1 Ladegerät

Will man mehrere Rundzellen gleichzeitig laden (auch verschiedene Größen und Kapazitäten), empfiehlt sich das Multitalent Unique X4 LCD von EFAN Unique X4 LCD;EFAN:

Unique X4 Ladegerät

Es lädt bis zu 4 Rundzellen unabhängig (auch NiCD/NiMH !), der Ladestrom ist von 0,25 bis 2 A (in Schritten) einstellbar, der Ladefortschritt (als Balkengrafik) und die Zellenspannung (in Volt, digital) wird für jeden Schacht getrennt angezeigt:

Unique X4 Anzeige

Als "Schmankerl" bietet dieses Ladegerät ein unkonventionelle Funktion: eine Powerbank-Funktion (!): Ist eine (geladene) Lithiumrundzelle (oder mehrere) in die Ladeschächte eingesetzt, so gibt das Gerät an der USB-A-Buchse an der Seite 5V ab, ganz ohne Netzteil oder andere Externversorgung!!! So können mobile Geräte wie Tablets oder Smartphones "offline" geladen werden (solange die Rundzelle(n) halten!). Genial!

"Powerbank" ist ein neues Kunstwort der Generation Smartphone, es bezeichnet eine Art Energietank, den man befüllen (= via USB, 5V laden) kann und dessen Energieinhalt man bei Bedarf später zum Aufladen oder Betreiben mobiler Geräte (meist via USB, 5V) nutzen kann. Powerbänke kombinieren eine 5V- Ladeelektronik mit einer oder mehreren (parallelgeschalteten) LiIon-Rundzellen (3,7V) und einem step-up-Konverter mit automatischer und/oder manueller Einschaltung bei Lasterkennung, der wieder 5V erzeugt und an USB-A-Buchsen bereitstellt. Auch sind Schutzschaltungen für den/die Akkus integriert, ebenso wie eine automatische Abschaltung, wenn längere Zeit kein Strom aus den USB-Buchsen entnommen wird. Luxuriöse Varianten bieten noch eine einfache Akkuzustandsanzeige in Form einer gröberen LED-Kette, die auch beim Laden den Ladefortschritt grob anzeigt.

Powerbänke sind mittlerweile wohlfeil mit verschiedensten Kapazitäten und Baugrößen in den bekannten Elektronikmärkten als Fertiggeräte erhältlich. Bei uns gibts keine fertigen Lösungen, es sind aber Powerbank-Leergehäuse (Kits) in 2 Größen erhältlich, die nur noch mit 18650er Lithiumakkus bestückt werden müssen:

Eine kleine Variante für eine Zelle + automatischer Lasterkennung (nicht manuell!) und Ausgang mit 1APowerBank-Kit 1x18650:

Powerbank Single

Und eine durch Alugehäuse edler aussehende, größere für 3 Stück 18650er (Summenkapazität dann ca. 10 Ah), automatischer und manueller Lasterkennung/ Einschaltung, erhöhtem Ausgangsstrom bis 2A und 4-flammige, weiße LED-Lade- /Entladezustandsanzeige PowerBank-Kit 3x18650:

Powerbank Triple

Irrtümer und Änderungen vorbehalten.

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