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Neben den bekannten Bleiakku (Pb), Nickel-Metallhydrid (NiMH) verwenden auch wir in der Funktechnik z.B. bei Portabelbetrieb immer mehr Lithium-Eisen-Phosphat-Mischungen (LiFePO4). Doch schauen wir uns erstmal ein Akku und dessen Aufschriften in Abbildung [ref:a_akku_lifepo4] an.
% TODO Bild LiFePO4 einfügen [photo:175:a_akku_lifepo4:LiFePO4]
- Kapazität:
\qty{4200}{\milli\ampere\hour} - Spannung: 4S1P /
\qty{13,2}{\volt} - Entladung: 30C Constant / 40C Burst
- Balance Stecker: JST-XH
- Entlastung Stecker:
\qty{5.5}{\milli\meter}Kugel-Stecker
Die für uns wichtigsten Kenndaten sind die Nennspannung \qty{13,2}{\volt} und die Verschaltung 4S1P. Das bedeutet, dass sich die Nennspannung von \qty{13,2}{\volt} aus 4 in Serie bzw. Reihe und 1 mal parallel, also alle 4 in Serie geschalten sind. Überlicherweise besitzen LiFePO4 eine Zellnennspannung von \qty{3,2}{\volt} bis \qty{3,3}{\volt}. Und somit ergibt sich \qty{3,3}{\volt} \cdot 4 = \qty{13,2 }{\volt} \cdot 1 = \qty{13,2}{\volt}.
| l: Zellspannung | l: Bemerkung | | $\qty{3,3}{\volt}$ | Nennspannung | | $\qty{2,5}{\volt}$ | min. Spannung | | $\qty{3,6}{\volt}$ | max. Spannung | [table:a_akku_lifepo4spannung:LiFePO4 Zellspannung] Beachte bei dem Einsatz von einem LiFePO4 als 4S1P verschalten, dass Spannungen zwischen $\qty{10}{\volt}$ bis $\qty{14,4}{\volt}$ anliegen können. Nicht jedes Funkgerät kann mit diesen Spannungen arbeiten.
Bei einem 4S2P sind insgesamt 8 Zellen verbaut. 4 in Serie und das 2 mal parallel. Dies würde dann eine Spannung von \qty{13,2}{\volt} aber eine Kapazität von \qty{8400}{\milli\ampere\hour} ergeben.
Bei dem Beispiel-Akku sind \qty{4200}{\milli\ampere\hour} angegeben. Dies entspricht \qty{4,2}{\ampere\hour}. Das würde theoretisch bedeuten, wir können unseren Akku \qty{1}{\hour} lang mit \qty{4,2}{\ampere} oder \qty{2}{\hour} lang mit \qty{2,1}{\ampere} usw. belasten.
t=\frac{Q}{I}
t=\frac{\qty{4,2}{\ampere\hour}}{\qty{1}{\ampere}} = \qty{1}{\hour}
Wenn die Kapazität Q in \unit{\ampere\second} zu berechnen ist, dann erfolgt die Umrechnung dadurch, dass die Angabe Stunden (\unit{\hour}) durch \qty{3600}{\second} ersetzt wird. Daraus ergibt sich \qty{4,2}{\ampere} \cdot \qty{3600}{\second} = \qty{15120}{\ampere\second}.
Nun wollen wir aber auch wissen, wie viel elektrische Energie in dem Akku gespeichert ist. Energie (\unit{\watt\hour}) ist die Ladung Q (\unit{\ampere\hour}) des Akkus multipliziert mit der Gesamtspannung U in Volt.
\qty{1}{\watt\hour} = \qty{1}{\ampere\hour} \cdot \qty{1}{\volt}
Für unser Beispiel berechnen wir \qty{4,2}{\ampere\hour} \cdot \qty{13,2}{\volt} = \qty{55,44}{\watt\hour} als gespeicherte Energie.
Die Entladung dieses Akkus kann mit einem konstanten Entladestrom von "30 $C$" erfolgen. Das bedeutet, dass der Akku mit 30 · Kapazität Q entladen werden kann.
Endladestrom = 30 \cdot \qty{4200}{\milli\ampere} = \qty{126}{\ampere}
Das ist allerdings nur ein theoretisch möglicher Wert, da unser Akku somit innerhalb von \qty{108}{\second} entladen wäre. Auch der Kabelquerschnitt ist dabei zu berücksichtigen.
Bei Reihen- bzw. Serienschaltung von Akkus, wie in Abbildung [ref:a_akku_4S1P] addieren sich die Spannungen und die Kapazität bleibt gleich.
% TODO Bild Reihenschaltung liegt bei DG1HXJ als .tex [photo:176:a_akku_4S1P:Reihenschaltung]
Bei der Paralellschaltung wie in Abblidung [ref:a_akku_4S2P] bleibt die Spannung gleich und die Kapazitäten addieren sich.
% TODO Bild Paralellschaltung liegt bei DG1HXJ als .tex [photo:177:a_akku_4S2P:Parallelschaltung]
Wichtig ist jedoch, dass wir nur Zellen/ Akkus mit gleichen Daten zusammenschalten, da sich die Zellen gegenseitig beeinflussen und sonst beschädigt werden können. Insbesondere bei den aktuellen Lithium-Akkumulatoren ist es sinnvoll eine Überwachungseinrichtung (Balancer, Batteriemonitor) zu verbauen. Dieser sorgt u.a. für den notwendigen Ausgleich der Zellspannungen und für eine optimale Ladung. In der Abb. [ref:a_akku_lifepo4_anschluss]
% TODO Bild Infobox Anschluss Akku liegt bei DG1HXJ als .tex [photo:178:a_akku_lifepo4_anschluss:LiFePO4 Anschlüsse] [question:AB210]
Die Akku-Nennkapazität Q wird auch als Ladung bezeichnet und, wie bereits bekannt, in \unit{\ampere\hour} oder \unit{\milli\ampere\hour} angegeben.
[question:AB209] Die Gesamtspannung ist die Summe der Zellenspannungen. Die Gesamtladung entspricht der Ladung einer Zelle.
[question:AB211]
Zuerst muß die entnehmbare Ladungsmenge von \qty{90}{\percent} ermittelt werden.
Die Entladezeit t ergibt sich aus: t=\frac{Q}{I}
[question:AB501]
Die im Akku gespeicherte Energie in \unit{\watt\hour} oder \unit{\volt\ampere\hour} ergibt sich aus der Multiplikation der Akkuspannung U (\unit{\volt}) mit der Ladung Q (\unit{\ampere\hour}).
Beispiel:
\qty{1}{\volt} \cdot \qty{1}{\ampere\hour} = \qty{1}{\watt\hour}
Lösungshilfe:
AB 209: 6 \cdot \qty{2}{\volt} = \qty{12}{\volt} / \qty{10}{\ampere\hour}
AB 210: Nennkapazität
AB 211: \qty{90}{\percent} = \qty{54}{\ampere\hour}; \qty{54}{\ampere\hour} / \qty{0,8}{\ampere} = \qty{67,5}{\hour} oder 67 Stunden und 30 Minuten
AB 501: \qty{12}{\volt} \cdot \qty{5}{\ampere\hour} = \qty{60,0}{\watt\hour}