Von Lauren Nagel
Es gibt hunderte Drohnenakkus auf dem Markt, und es kann schwierig sein zu entscheiden, welcher der richtige für Ihren Bau ist. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die vielen Leistungsindikatoren zu entschlüsseln, die auf dem Akku angegeben sind, wie Kapazität, Entladerate und Zellkonfiguration.
Die Wahl des richtigen Akkus für Ihre Drohne wird nicht nur dazu beitragen, die Leistung zu verbessern, sondern auch seine Lebensdauer zu erhöhen. Genau wie Ihr Motor und Ihr Propeller wird auch Ihr Akku irgendwann ausfallen, aber dies kann durch die Wahl des richtigen Akkus und einen sicheren Betrieb verschoben werden.
In diesem Artikel werden wir folgende Themen behandeln:
- Was sind LiPo-Akkus
- Sicherheit von LiPo-Akkus
- Wie man einen LiPo-Akku liest
- LiPo-Akkukapazität
- Nennspannung des Akkus
- LiPo-Zellkonfiguration
- Entladungs-/C-Rate
- Wie man einen LiPo-Akku für seine Drohne auswählt
- Beispiel - Die Wahl des richtigen Akkus für maximale Flugzeit
Abbildung 1: LiPo-Akkupack, der in einer Otus-Quadcopter-Drohne verwendet wird
Was sind LiPo-Akkus
Die am häufigsten bei Drohnen verwendeten Akkus sind Lithium-Polymer-Akkus (LiPo). LiPo-Akkus bestehen aus einer Lithium-Kathode und einer Anode, die durch einen Polymerelektrolyten getrennt sind.
LiPo-Akkus unterscheiden sich von anderen Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) dadurch, dass sie eine feste Polymerelektrolytkomponente anstelle eines flüssigen Elektrolyten haben. Gängige Polymerelektrolyte können trocken, porös oder gelartig sein und umfassen Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Poly(acrylnitril) (PAN), Poly(vinylidenfluorid) (PVdF) und Poly(ethylenoxid) (PEO).
Die Wissenschaft hinter LiPo-Akkus ist dieselbe wie bei anderen Li-Ion-Akkus: Chemische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt, wenn Elektronen von der Anode des Akkus zu seiner Kathode wandern und dabei einen elektrischen Strom erzeugen. Die Kathode enthält ein Lithium-Metalloxid (wie Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2)), das Lithium-Ionen bereitstellt, während die Anode ein Lithium-Kohlenstoff (wie Graphit) enthält.
Die Anode und Kathode sind durch einen Elektrolyten getrennt, der mit der Anode interagiert, um Elektronen zu erzeugen, was einen Ladungsgradienten in der Zelle erzeugt. Wenn die Anode negativ geladen wird, wandern die Elektronen entlang eines leitenden Drahtes zur Kathode. Das gesamte System durchläuft damit eine elektrochemische Redoxreaktion (Reduktion/Oxidation): Die Anode verliert Elektronen und wird oxidiert, während die Kathode Elektronen gewinnt und reduziert wird.
Abbildung 2: Redoxreaktion eines LiPo-Akkus
Lithium-basierte Akkus haben im Vergleich zu Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus eine höhere Energiedichte, was bedeutet, dass sie mehr Energie bei weniger Gewicht liefern können. LiPo-Akkus sind hinsichtlich der Energiedichte mit Li-Ion-Akkus vergleichbar, aber besonders beliebt, weil sie weniger wahrscheinlich auslaufen.
Die Energiedichte von LiPo-Akkus reicht bei Gewicht von 140 - 200+ Wh/kg und bei Volumen von 250 - 350+ Wh/L. Die Volumenergienichte ist wichtig zu berücksichtigen, wenn man eine Drohne baut, damit der Akku auf den Rahmen passt, aber für Leistungsberechnungen ist die Energiedichte nach Gewicht relevanter. Höhere Dichte bedeutet höhere Kosten, daher kann Ihr Budget auch ein begrenzender Faktor sein.
Abbildung 3: Relative Energiedichten nach Volumen und Gewicht gängiger Akkutypen (Bild: Open Impulse)
Eine Technologie, die bald LiPo-Akkus als Standard für Drohnen in Konkurrenz treten könnte, sind die Licerion-Akkus von Sion Power. Diese Akkus bieten eine Energiedichte von bis zu 500 Wh/kg und 1000 Wh/L. Sie haben auch ein um 50 % geringeres Volumen an flüssigem Elektrolyten im Vergleich zu anderen Li-Ion-Akkus. Sie wurden speziell für unbemannte Anwendungen entwickelt, insbesondere für Pseudo-Satelliten in großer Höhe (HAPS) und Drohnen mit großer Höhe und langer Flugdauer (HALE).
Weiterführende Literatur: Drohnentypen und UAVs
Sicherheit von LiPo-Akkus
LiPo-Akkus haben aufgrund ihrer internen Chemie ein höheres Risiko für Brände und Aufblähungen als ältere Technologien. Der Betrieb des Akkus an oder über seinen Grenzen kann zur Ansammlung von Sauerstoffatomen und zur Bildung von Lithiumoxid (Li2O) führen, was einen höheren Innenwiderstand erzeugt. Mehr Innenwiderstand führt zu mehr Hitze, und der thermische Durchgehrenszyklus beginnt.
Sobald der Akkupack anfängt sich aufzublähen, ist dies ein gutes Anzeichen dafür, dass der Akku irreparabel beschädigt ist oder das Ende seines Lebenszyklus erreicht hat. Die weitere Nutzung wird seine Temperatur weiter erhöhen und potenziell zu einem Brand führen.
Bei gängigen LiPo-Akkus beträgt die Nennspannung oder Durchschnittsspannung 3,7 V/Zelle mit einer maximalen Spannung von 4,2 V/Zelle. Nach dem vollständigen Aufladen der Zelle wird sie kurzzeitig 4,2 V liefern, bevor sie für den Großteil der Akkulaufzeit auf 3,7 V abfällt. Es wird gefährlich, den Akku zu entladen, nachdem die Zellspannung unter 3,2 V gefallen ist, weil der Widerstand im Akku zunimmt, was dazu führt, dass er sich aufheizt und aufbläht, was zu Schäden führt.
Abbildung 4: LiPo-Akku brennt (Quelle: alishanmao)
Um dies zu vermeiden, haben viele Motorhersteller eine Unterspannungsschutzfunktion (LVC) in ihre Steuerungen integriert, die verhindert, dass sie nach einem bestimmten Schwellenwert, normalerweise im Bereich von 3,2 - 3,4 V, Ladung ziehen. Das Überladen eines LiPo-Akkus ist gleichermaßen gefährlich und kann zu Überhitzung und sogar zu einer Explosionführen.
Lithium-Ionen-Akkubrände werden als brennbare Flüssigkeitsbrände der Klasse B eingestuft, daher sollte ein Feuerlöscher vom Typ ABC oder BC verwendet werden, um sie zu löschen. Diese Feuerlöscher stoppen die chemische Reaktion und löschen schließlich das Feuer.
Für weitere Sicherheitstipps zu LiPo-Akkus sehen Sie sich den Artikel von The Drone Girl an: „15 Dinge, die jeder LiPo-Akkunutzer wissen sollte“.
Wie man einen LiPo-Akku liest
LiPo-Akkus sind mit einigen wichtigen Informationen gekennzeichnet, darunter: Akkukapazität, Spannung, Zellkonfiguration und Entladerate (Abbildung 15): 
Abbildung 5: Gängige LiPo-Akkubeschriftungen
LiPo-Akkukapazität
Die Akkukapazität wird in mAh oder Ah angegeben und kann verwendet werden, um Ihre Flugzeit abzuschätzen (mehr dazu später). Die Akkukapazität wird genauer als die Anzahl der Stunden definiert, die der Akku Strom oder Leistung liefern kann. Gängige Einheiten sind die Amperestunde (Ah) und die Wattstunde (Wh). Wenn ein Akku eine Kapazität von 1 Ah hat, können Sie eine Stromstärke von 1 A für eine Stunde ziehen. Wenn die Kapazität 1 Wh beträgt, würde der Akku eine Leistung von 1 W für eine Stunde liefern.
Nennspannung des Akkus
Die Nennspannung des Akkus ermöglicht es Ihnen, Ihre Motorgeschwindigkeit und Stromstärke zu bestimmen. Da Motoren in Kv mit der Einheit RPM/Volt angegeben werden, bestimmt die Anzahl der Volt, die Ihr Akku liefern kann, wie schnell Ihr Motor drehen wird.
Weiterführende Literatur: Wie man den Kv eines bürstenlosen Motors berechnet
Sie können Ihre Schaltung beschädigen oder sogar einen Brand verursachen, wenn Ihre Nennspannung zu niedrig oder der von Ihnen gezogene Strom zu hoch ist, daher ist es wichtig, Ihre Akkuspannung sorgfältig auszuwählen. Um den maximalen Strom zu bestimmen, den Ihre Drohne ziehen wird, richten Sie Ihren Motor und Propeller mit einem Schubteststand ein und lassen Sie sie mit maximalem Gas laufen. Der bei 100 % Gas aufgezeichnete Strom zeigt Ihnen die maximale Stromstärke an, die Ihr Motor ziehen wird, multiplizieren Sie dies also mit der Anzahl der Motoren, um die Gesamtstromaufnahme Ihrer Drohne zu erhalten. Der Akku sollte in der Lage sein, mindestens diese Strommenge zu liefern, um Überhitzung zu vermeiden.
Eine weitere Möglichkeit, die maximale Stromstärke zu bestimmen, die Sie aus dem Akku ziehen können, besteht darin, die Kapazität in Ah mit der C-Rate zu multiplizieren. Für einen Akku mit einer Nennleistung von 5800 mAh/5,8 Ah und 25C Dauerleistung ist die maximale Stromstärke, die Sie sicher ziehen können, 145 A (5,8 x 25 = 145).
LiPo-Zellkonfiguration
Die Zellkonfiguration ist manchmal auf dem Etikett vorhanden und beschreibt die Anzahl und Anordnung der LiPo-Zellen im Akku. Erinnern Sie sich daran, dass eine LiPo-Zelle eine Nennspannung von 3,7 V hat und mehrere LiPo-Zellen in Reihe verbunden werden können. Ein 4S-Akku hätte vier LiPo-Zellen in Reihe (S), was einen 14,8 V Akku ergibt (4 x 3,7 V = 14,8 V). Ein Akku könnte auch einen Code wie 4S2P haben, der uns sagt, dass es vier Zellen gibt, die in Reihe verbunden sind, und zwei Zellensätze, die parallel (P) verbunden sind, für insgesamt acht LiPo-Zellen.
Entladungs-/C-Rate
Die Entladerate oder die C-Rate ist ein Maß dafür, wie schnell der Akku sicher entladen werden kann. Wenn ein Akku eine C-Rate von 25 und eine Kapazität von 5800 mAh/ 5,8 Ah hat, könnten Sie ihn sicher mit 25-facher Kapazität des Akkus entladen, 25 x 5,8 = 145 Ah. Mit kontinuierlicher Leistung bei dieser Rate könnte der 5,8 Ah Akku in 2,4 Minuten entladen werden ((5,8 / 145) x 60 = 2,4). Akkus können auch eine Entladungsspanne oder eine „Spitzen“-Entladerate haben, bei der der Akku seine konstante Leistungsausgabe für kurze Zeit überschreiten kann, ohne zu überhitzen, wie z. B. bei einem plötzlichen Anstieg oder einer Korrektur. Eine höhere C-Rate ist großartig für Anwendungen wie Drohnenrennen, die Geschwindigkeitsstöße erfordern, da der Akku die benötigte Ladung sehr schnell liefern kann.
Wie man einen LiPo-Akku für seine Drohne auswählt
Der beste Akku für Ihre Drohne ist derjenige, der am besten zu Ihrer Anwendung passt. Wenn die Flugzeit Ihr Hauptanliegen ist, werden Sie Ihre Masse reduzieren und die Akkukapazität maximieren wollen (Gleichung 1), die von der Energiedichte und Masse abhängt (Gleichung 2).
Wobei:
E = Kapazität
σ = Energiedichte
M = Masse in Gramm (g)
Wenn Leistung und Geschwindigkeit Ihre obersten Prioritäten sind, werden Sie einen Akku wollen, der hohe Strommengen schnell und ohne Überhitzung liefern kann, daher suchen Sie nach einer hohen Spannung und C-Rate.
Hier ist eine Zusammenfassung, wie jede Akkivariable Ihre Leistung beeinflusst:
Akkukapazität
- Höhere Kapazität → längere Flugzeit → höhere Masse
- Die Erhöhung der Akkukapazität wird Ihnen mehr Flugzeit geben, aber mit abnehmendem Grenznutzen, da die Masse des Akkus zunimmt (Abbildung 6)
- Das Testen mehrerer Akkus kann Ihnen helfen, die maximal nutzbare Kapazität zu finden
Weiterführende Literatur: Wie man die Flugzeit und Tragkraft seiner Drohne erhöht
Abbildung 6: Drohnen-Flugzeit vs. Akkukapazität
Spannung
- Akkus mit höherer Spannung werden den Motor mit einer höheren RPM drehen, daher finden Sie eine Spannung, die Ihrem gewünschten Drehzahlbereich entspricht
- Akkus mit höherer Spannung neigen dazu, effizienter zu sein, aber auch schwerer zu sein - konsultieren Sie Effizienzwerte aus Schubtests, um ein Gleichgewicht zu finden
Entladungs-/C-Rate
- Wählen Sie eine Rate basierend auf Ihrer Anwendung - hohe Geschwindigkeiten und schnelle Lieferung vs. konstante niedrige Leistung
- Wenn die Entladerate zu niedrig ist, wird Ihrer Drohne die Leistung fehlen und sie wird unterperformen
- Wenn die Entladerate zu hoch ist, tragen Sie möglicherweise unnötiges Gewicht mit sich
Stromaufnahme
- Verwenden Sie die erwähnten Techniken, um die von Ihren Motoren gezogene Stromstärke zu bestimmen
- Der Akku sollte in der Lage sein, mindestens so viel Strom zu liefern, wie die Drohne ziehen wird, um Überhitzung zu vermeiden
Beispiel - Die Wahl des richtigen Akkus für maximale Flugzeit
Um den Prozess der Wahl des richtigen Akkus zu demonstrieren, werden wir das Beispiel verwenden, eine Drohne für die Landwirtschaft zu bauen - sie muss eine lange Flugzeit haben, aber wir brauchen keine schnellen Leistungstöße. Wir werden Daten verwenden, die wir über unser Antriebssystem gesammelt haben, um unsere Entscheidungen zu treffen.
Wir wollen einen Akku mit der höchstmöglichen Kapazität wählen, der die Gesamtmasse unserer Drohne bei einem handhabbaren 20 kg hält. Die Masse unserer anderen Komponenten beträgt 12,5 kg, daher haben wir 7,5 kg Masse für unseren Akku zur Verfügung.
Wir benötigen insgesamt 196 N Schubkraft, um die Drohne im Schwebeflug zu halten, wo sie die meisten ihrer Operationen durchführen wird, was etwa 50 N pro Motor-/Propeller-Kombi entspricht: (20)*(9,81) / 4 = ~49 N. Für unser Design wollen wir, dass die Drohne in der Lage ist, mit bis zu doppeltem ihrem Schwebeschub zu arbeiten, daher benötigen wir bis zu 100 N / Antriebseinheit.
Unser Motorenhersteller sagt uns, dass die maximale kontinuierliche Stromstärke unseres Motors 100 A beträgt. Multipliziert mit 4 Motoren müsste unser Akku in der Lage sein, mindestens 400 A kontinuierlichen Strom zu liefern, wenn er bei maximaler Kapazität betrieben wird.
Wir können jedoch unsere Schubdaten des Motors ansehen und sehen, dass bei doppeltem unserem Schwebeschub (100 N) jeder Motor nur etwa 27 A zieht (Abbildung 7). Multipliziert mit 4 Motoren wird unsere Drohne für den Großteil ihrer Mission nicht mehr als insgesamt 108 A ziehen.
Abbildung 7: Stromaufnahme vs. Motorschub
Bezüglich der Spannung hat der Motorenhersteller keine Daten bereitgestellt, aber wir können auf unsere Antriebstestergebnisse zurückgreifen und feststellen, dass der Motor in unserem Betriebsbereich zwischen 45 und 49 V aufgenommen hat (Abbildung 8).
Abbildung 8: Spannung vs. Schub im Betriebsbereich der Drohne
Wir benötigen für unsere Drohne keine explosive Geschwindigkeit, daher suchen wir nach einem 14S-/51,8-V-Akku mit einer Mindestentladestromrate von 25C, der weniger als 7,5 kg wiegt.
Hier sind drei Kandidaten, die dieser Beschreibung entsprechen:
Um die geschätzten Flugzeitwerte in der Tabelle zu berechnen, haben wir eine überarbeitete Version der Gleichung 2 verwendet. Wir haben Ah in Wh umgerechnet, indem wir den Ah-Wert mit 47 V multipliziert haben, und einen festen Wert von 10 Gramm/Watt für den Wirkungsgrad des Propellers verwendet:
Basierend auf diesen Ergebnissen wird uns Akku C die längste Flugzeit (33 Min.) bieten und unser Gewichtslimit nicht überschreiten. Der maximale Strom, den wir aus diesem Akku beziehen können, beträgt 550 A (22 Ah x 25C = 550), was den maximalen Strombedarf unseres Motors übersteigt. Daher werden wir uns für Akku C für unseren Bau entscheiden.
Fazit
Die Wahl des richtigen Akkus für Ihre Drohne kann Ihnen helfen, Leistung, Flugzeit und Ausdauer zu erhöhen. Dieser Prozess beginnt mit dem Verständnis der verschiedenen Eigenschaften von Akkus wie Akkukapazität, Entladerate und Spannung.
Sie können dann die Prioritäten für Ihren Bau festlegen - benötigen Sie die möglichst lange Flugzeit oder die Fähigkeit, starke Leistungsschübe zu liefern? Das hängt alles davon ab, wie Sie Ihre Drohne verwenden möchten.
Schließlich kann Ihnen das Testen Ihres Antriebssystems helfen, Ihre Kandidaten einzugrenzen und das beste Akkupack für den Zweck zu finden.
Weiterführende Literatur: Ein E-Book über den Bau und die Optimierung von Drohnen: Wie Sie Ihre Flugzeit, Nutzlast und Gesamteffizienz erhöhen
Wenn Sie weitere Fragen haben, zögern Sie nicht, uns unten einen Kommentar zu hinterlassen.