Akkutechnik


	Akkutechnik

Eine Ebene höher


	Einleitung

Elektro-Flugmodelle erfordern - im Gegensatz zu Modellflugzeugen mit Vebrennungsmotor - ein gerüttelt Maß an Wissen um die gängige Akkutechnik, da hier mehr unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen. Natürlich kann man auch in solchen Fragen den Händler seines Vertrauens konsultieren, aber oft beschränkt sich dessen Wissen auf das unbedingt notwendige Oberflächenwissen (er kann und muß ja nicht alles wissen...)

Außerdem kommen in letzter Zeit immer neue Akkukonzepte auf den Markt, es wird also Zeit die verschiedenen Arten einmal zu beleuchten. Hierbei möchte ich das Spektrum der Betrachtungen zwar möglichst breit gestalten, die nicht im E-Modellflug eingesetzten oder relevanten Themen werden jedoch - auch aus Platzgründen - nur kurz erwähnt.

Prinzipiell sind für Anwendungen mit geringem Stromfluß auch die im Haushalt verwendeten Primärelemente einsetzbar (fälschlicherweise oft ‘Batterien’ oder - ein bißchen weniger falsch... ‘Trockenbatterien’ genannt). Aber nach kürzester Zeit haben sich auch dort Akkus, also Sekundärzellen, bezahlt gemacht. Aus diesem Grund möchte ich hier nur auf die letztgenannten eingehen.


	Allgemeine Funktionsweise

Alle Sekundärzellen arbeiten nach demselben Konzept: Die gekonnte Kombination verschiedener Stoffe macht reversible chemische Reaktionen verfügbar, die es dem Akkumulator ermöglichen elektrische Energie zu speichern und wieder abzugeben. Die externe Zuführung von Energie (Ladung des Akkus) verursacht Reaktionen, die unter Ausnutzung der freigegebenen Elektrizität nahezu vollständig umgekehrt werden können (Entladung durch Anschluß eines elektrischen Verbrauchers). Das System ist also wieder in seinen Ausgangszustand zurückzuführen. Diese Möglichkeit unterscheidet Akkus von den sogenannten Primärzellen oder galvanischen Elementen, die meist als ‘Trockenbatterien’ geläufig sind. Jene sind nämlich nach der Abgabe ihrer Energie verbraucht, da durch die verwendeten chemischen Prozesse ihre aktiven Stoffe derart synthetisiert werden, daß die Reaktion nicht umkehrbar ist. Man könnte diesen Sachverhalt - stark vereinfacht dargestellt - mit dem Unterschied zwischen einem Streichholz und einem wiederbefüllbaren Feuerzeug verdeutlichen: Ein abgebranntes Streichholz ist für immer verbraucht, da die organischen Elemente unter Energieabgabe zu Kohlenstoff umgewandelt werden. Einem Feuerzeug kann man dagegen immer wieder Energie in Form von Gas zuführen...

Der Vergleich hinkt natürlich im Detail, wohl auch weil ein Feuerzeug nahezu beliebig oft wieder ‘aufgeladen’ werden kann. Ein Akkumulator ist aber - je nach Bauart - nach einigen hundert Lade-/Entladevorgängen nicht mehr fähig, elektrische Energie zu speichern und muß entsorgt werden.

Ach ja: Für die Entsorgung jeglicher Akkus ist die Mülltonne der falsche Platz, die Energiespeicher fallen unter die Sonderabfälle. Bitte unbrauchbare Akkus niemals in den Hausmüll, sondern immer bei den besonderen Rücknahmestellen entsorgen (alle Hersteller und Vertreiber müssen seit 1998 die gebrauchten Zellen zurücknehmen und der Verwertung zuführen. Daher stellen die meisten Geschäfte, bei denen Batterien oder Akkus zu kaufen sind entsprechende Sammelbehälter bereit).


	Akkutypen


	Blei-Säure-Akkus


	Die ”Mutter” der uns heute geläufigen Energiespeicher ist im E-Modellflug nur noch marginal im Einsatz: Hauptsächlich im Auto verwendet, dienen diese Akkus dem E-Modellflieger lediglich als Energielieferant für das mobile Ladegerät auf dem Flugfeld. Sie zeichnen sich durch Robustheit aus und sind in der Lage, hohe Ströme zu liefern. Auf Überladung reagieren sie mäßig bis explosiv.

Die wichtigsten chemischen Komponenten im Blei-Säure-Akku sind für die Energiespeicherung Blei (Pb) und Schwefelsäure (H2SO4). Die positive Elektrode des Akkus besteht aus Bleidioxid (PbO2), die negative aus Schwammblei. Der Elektrolyt zwischen den Elektroden, der den Stromfluß herstellt, ist die Schwefelsäure. Sie hat ein Leitfähigkeitsmaximum bei einer Dichte von 1,28g/ccm, dies ist deshalb auch die typische Füllsäuredichte (kann man mit einfachen Hilfsmitteln aus dem Kfz-Zubehörshop kontrollieren). Wenn z.B. die Säuredichte bei der Lagerung unter 1,20g/ccm sinkt, so ist der Akku nachzuladen.

Die Zellen bestehen zuerst einmal aus den Elektroden und einem dazwischenliegenden Separator, der die Platten elektrisch voneinander isoliert (auf der Abbildung rechts deutlich zu erkennen).

Eine Zelle eines Pb-Säure-Akkus hat eine Nennspannung von 2V und eine Entladeschlußspannung von bei 1,75V. Eine typische Autobatterie besteht aus sechs solcher Zellen, hierbei werden die Elektroden durch Verschweißen der Platten zu Plattenblöcken verbunden. Durch die entstehende Serienschaltung ergibt sich die Nennspannung von 12V für ebensolche Autobatterien (und hier stimmt dann auch der Begriff ‘Batterie’, da die Zellen zu einem Verbund zusammengefügt sind).


	Beim Anklicken der Grafik gibt’s eine besser aufgelöste zu sehen. Danach einfach das neue Fenster schließen.

Die optimale Ladespannung liegt bei 2,3667V je Zelle und sollte nicht über einen längeren Zeitraum hinweg überschritten werden, da sonst durch Elektrolyse Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff (‘Knallgas’) zersetzt wird (‘gasen, kochen’ - Explosionsgefahr!). Das ‘Gasen’ beim Laden (Nachladephase) ist allerdings in gewissen Grenzen auch nützlich: durch die Ladung wird dem Elektrolyten Wasser entzogen und konzentrierte Schwefelsäure gebildet. Diese ist schwerer als das Wasser und setzt sich daher unten in der Zelle ab (Elektrolytschichtung). Die Gasung durchmischt diese Schichtung und stellt wieder einen homogenen Elektrolyten her, sie gehört also zu jeder fachgerechten Ladung dieser Zellen. Allerdings verursacht sie auch einen ‘ungesunden’ Temperaturanstieg im Akku sowie zusätzlichen Wasser- und Energieverbrauch, da zum Zeitpunkt der Gasung die Zellen eigentlich schon voll geladen sind.
Bei fallender Ladung sinkt die Säuredichte im Akku, dennoch darf nie Säure nachgefüllt werden sondern nur destilliertes Wasser. Das sollte außerdem erst gegen Ende der Ladung erfolgen. Die Lagerung der Akkus muß immer im voll geladenen Zustand erfolgen, normale Blei-Säure-Akkus verlieren bei teilentladener Lagerung an Kapazität. Tiefentladungen mögen diese Zellen überhaupt nicht, deshalb sicherheitshalber spätestens nach 3 Monaten Lagerung nachladen.


	Blei-Gel-Akkus

Blei-Gel-Akkus sind nur eine konstruktive Variante, eigentlich Derivate des obigen Akkutyps. Allerdings liegt der Elektrolyt in gelartiger Form vor. Diese Akkus sind geschlossen und können daher lageunabhängig betrieben werden, es läuft ja keine Säure aus. Daher kommt auch die manchmal verwendete Bezeichnung ‘SLAA’, die Abkürzung aus dem Englischen steht für “sealed lead-acid accumulator” (geschlossener Beli-Säure-Akku). Sie haben eine längere Lebensdauer als technologischen ‘Ahnen’ und sind absolut wartungsfrei. Längere Überladung quittieren sie mit ‘Auswurf’: durch die Gasung entsteht innerhalb des geschlossenen Gehäuses ein starker Druck, der wiederum bei Überschreiten einer sicherheitskritischen Schwelle ein Überdruckventil öffnet, so daß das Gas entweichen kann. Allerdings ist dieses Gas bzw. dessen Ursprungsstoffe für die chemischen Reaktionen verloren, der Akku verliert an Kapazität. Eventuell entweicht auch Elektrolyt, dann ist der Kapazitätsverlust dramatisch, für den Akku meist das Aus. Die Spannungswerte von Blei-Gel-Akkus entsprechen denen von Blei-Säure-Akkus, lediglich bei der Ladeschlußspannung sollte man unter 2,3V je Zelle bleiben (Gasungsspannung).

Die Ladung wird mit konstanter Spannung durchgeführt, der Ladestrom wird dabei vom Akku selbst reguliert und sollte auf 0,1C begrenzt sein. Blei-Gel-Akkus sind nicht für die Tiefentladung geeignet, dabei tritt ein merklicher Kapazitätsverlust auf. Die Lagerung soll nur in vollständig geladenem Zustand erfolgen, Selbstentladungsverluste sind dabei regelmäßig durch Nachladen auszugleichen.

Dieser Akkutyp wird meist in Modellbooten mit auf Laufzeit optimierten Antrieben eingesetzt und hat für den Elektroflug keine nennenswerte Bedeutung, deshalb will ich auch meine Ausführungen hierzu an dieser Stelle beenden.


Nickel-Cadmium-Akkus

Nickel-Cadmium-(NiCd-)Akkus haben für den E-Modellflug den höchsten Stellenwert. Sie sind durch ihren geringen Innenwiderstand in der Lage, vergleichsweise horrend hohe Ströme zu liefern: besonders geeignete Zellen verkraften kurzzeitig bis über 100A und bleiben zyklusfähig! Die Nennspannung der Zellen liegt bei 1,2V. Eine Untergrenze von 0,8-0,9V für die Entladeschlußspannung ist innerhalb eines Zellenverbunds sinnvoll, bei Einzelzellen ist es möglich, eine Entladung bis 0V durchzuführen, ohne daß die Zelle dauerhaften Schaden nimmt (Tiefentladung). NiCd’s sind relativ einfach bei Laune zu halten, da die richtigen Pflegestrategien inzwischen weitgehend bekannt sind. Die Lagerung in entladenem Zustand ist vorzuziehen, auch wenn inzwischen bekannt ist daß die nachteiligen Reaktionen während der Selbstentladung durch tiefe Lagertemperaturen (Lagerung nicht kälter als -15 Grad Celsius) vollständig reversibel zu halten sind. Die Verwendung der NiCd-Zellen sollte im Temperaturbereich zwischen 0 und 45 Grad Celsius erfolgen. Das Laden bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius gestaltet sich schwierig, ab -20 Grad Celsius fast unmöglich (Gefrierpunkt des Elektrolyts).

	Im Verbund zusammengefaßte Zellen können jedoch bei Tiefentladungen irreversibel beschädigt werden, weil die Spannungslage der Zellen nie identisch ist. Daher weisen Zellen in einem Paket noch Spannung auf, während eine oder mehrere andere bereits auf 0V-Pegel entladen sind. Wird die Entladung dann fortgesetzt (der Verbund weist ja noch ein Potential auf), kippt die Spannungslage der leeren Zellen - sie werden umgepolt. Das mögen einige Zellen gar nicht leiden und treten sofort in ewigen Streik...

		Es geht gleich weiter...