LiPo- & Akkutechnologien

Ziel & Lerninhalt

Lerne die chemischen und physikalischen Grundlagen moderner Energiespeicher.

• Den Unterschied zwischen LiPo, LiFePO4 und NiMH verstehen.
• Die Wichtigkeit von Balancieren und Schutzschaltungen begreifen.
• Akkus materialschonend und brandgeschützt lagern.

Erklärung & Wissen

Basic

Akkus sind mobile Stromspeicher, die man wieder aufladen kann. Ein Lithium-Polymer-Akku (LiPo) ist wie ein Schwamm für Elektronen. Beim Laden saugt sich der Akku voll, beim Entladen gibt er sie kontrolliert ab. LiPos können extrem viel Energie auf kleinstem Raum speichern, weshalb sie in jedem Smartphone, Notebook und in Drohnen verbaut sind.

Medium

Ein LiPo-Akku hat eine Nennspannung von 3,7V pro Zelle. Voll geladen erreicht er 4,2V, entladen sollte er nie unter 3,0V sinken, da er sonst dauerhaft chemisch beschädigt wird. Um mehrere Zellen in Reihe zu betreiben, verwendet man einen Balancer, der dafür sorgt, dass alle Zellen exakt die gleiche Spannung aufweisen. Eine Schutzplatine (BMS) schützt vor Überladung und Kurzschlüssen.

Expert

Elektrochemisch wandern beim Laden Lithium-Ionen von der Kathode (meist Lithium-Metalloxid) durch einen Separator und lagern sich in der Anode (Graphitgitter) ein (Interkalation). LiPo-Akkus besitzen ein gelartiges Polymer-Elektrolyt. Bei mechanischer Beschädigung, Überladung oder Kurzschluss kommt es zum Thermal Runaway: Die chemische Reaktion gerät außer Kontrolle, setzt Sauerstoff frei und führt zum Brand der Zelle bei über 500 Grad Celsius.

Fun Fact

Lithium-Akkus altern auch, wenn man sie gar nicht benutzt! Die materialschonendste Lagerspannung liegt bei etwa 3,8V pro Zelle. Voll aufgeladene Akkus sollte man daher nie wochenlang ungenutzt herumliegen lassen.

Zellenspannung LiPo

Eine LiPo-Zelle hat genaue Spannungsgrenzen: voll bei 4,2 V, Nennspannung 3,7 V, Minimum 3,0 V — darunter wird sie dauerhaft beschädigt. Nennspannung 3,7 V ist die typische Betriebsspannung unter Last. Voll geladen: 4,2 V (Ladeschlussspannung). Entladegrenze: 3,0 V — darunter kommt es zu irreversiblen chemischen Schäden (Kupferdendriten in der Anode). Zwei Zellen in Reihe: 7,4 V Nenn, 8,4 V max, 6,0 V min. Immer mit geeignetem Ladegerät laden, niemals mit einfachem Festspannungsnetzteil.

BMS (Schutzschaltung)

Battery Management System: schützt den Akku vor Überladung, Tiefentladung und Kurzschluss — ein lebenswichtiger Sicherheitsbaustein. Das BMS überwacht Spannung, Strom und Temperatur. Bei Grenzwertüberschreitung trennt es den Stromkreis über MOSFETs ab. Ohne BMS: Ein Kurzschluss entlädt die Zelle in Sekunden mit hunderten Ampere → Thermal Runaway. Günstige LiPo-Packs für Maker (ab 2€) haben oft ein eingebautes BMS — erkennbar an den drei Anschlüssen (B+, B–, Schutzausgang).

Kapazität (mAh)

Die gespeicherte Energiemenge eines Akkus — wie lange er einen bestimmten Strom liefern kann. 1000 mAh bedeutet: 1000 mA (= 1 A) für 1 Stunde, oder 500 mA für 2 Stunden. Formel: $t = C / I$ (in Stunden). Ein ProtoPeaks-Servo zieht ca. 200–500 mA. Mit einem 1000 mAh LiPo: ca. 2–5 Stunden Betrieb. Wichtig: Kapazität sinkt bei kalten Temperaturen (−20% bei 0°C) und mit Alterung (−20% nach 500 Ladezyklen).

Thermal Runaway

Der gefährlichste Akku-Fehlerfall: eine sich selbst beschleunigende chemische Reaktion, die den Akku in Brand setzt. Auslöser: Überladung (>4,25 V/Zelle), mechanische Beschädigung (Punktion), Kurzschluss oder zu hohe Temperatur. Der Prozess verstärkt sich selbst: Wärme → mehr chemische Reaktion → mehr Wärme. Endergebnis: Brand bei über 500°C mit Sauerstoffentwicklung (das Feuer löscht sich nicht durch Entzug von Luft). Prävention: BMS verwenden, nie auf >4,2 V laden, beschädigte Akkus nie laden, beim Laden in feuerfester Tasche lagern.

Praktischer Aufbau: Lade-Überwachung

Wir messen den Ladezustand einer Akkuzelle über einen hochohmigen Spannungsteiler am analogen Pin des Mainboards.

• ProtoPeaks Mainboard
• Batteriehalterung
• Zwei 10k Ohm Widerstände (für den Spannungsteiler)
• Multimeter

1. Spannungsteiler aufbauen

   Baue einen 1:1 Spannungsteiler auf, um Spannungen über 5V sicher auf die Hälfte zu reduzieren.

   Tipp: Messe niemals Spannungen über 5V direkt am Mikrocontroller, da dies den Port zerstört!

Verbinde das obere Ende des 1:1 Widerstandsteilers mit dem Pluspol der Batterie, die Mitte mit dem analogen Pin A0 und das untere Ende mit GND des Mainboards.

// ProtoPeaks - Akkuspannung messen
const int analogPin = A0;
const float R1 = 10000.0;
const float R2 = 10000.0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int rawVal = analogRead(analogPin);
  float pinVoltage = (rawVal * 5.0) / 1023.0;
  
  // Zurückrechnen der Batteriespannung durch den 1:1 Teiler
  float batteryVoltage = pinVoltage * ((R1 + R2) / R2);
  
  Serial.print("Batteriespannung: ");
  Serial.print(batteryVoltage);
  Serial.println(" V");
  delay(1000);
}

• Messergebnis weicht vom Multimeter ab — Toleranzen der Widerstände (z. B. 5%) verfälschen das Ergebnis. Kalibriere den Faktor im Code anhand deines Multimeters.

Kurzzusammenfassung

Akkutechnologien erfordern disziplinierten Umgang und präzise Schutzschaltungen, um maximale Energiedichte mit hoher Sicherheit zu verbinden.