Akkus

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 EA-7.4.1 an.

Der folgende Alt-Text wurde noch nicht geprüft: Zusammenfassung: Rechteckiger, blau eingeschrumpfter Akkupack mit großem Etikett „ZIPPY 4200“ der „30C Series“, frontal aufgenommen.

Beschreibung: Der Akku ist in blauer Schrumpffolie verpackt, die Ecken sind leicht geknickt; oben links ragen dicke Leitungen heraus (sichtbar ist ein rotes Kabel mit blauer Isolierung am Austritt). Das zentrale Etikett zeigt eine rot-dunkelblaue Gestaltung mit großem silbernem „ZIPPY“-Schriftzug, rechts daneben die Zahl „4200“ in weiß-silberner Kontur und darüber „30C Series“ in hellblau. Darunter steht „HIGH DISCHARGE LiFe BATTERY“. Am unteren Rand listet ein Abschnitt „VOLTAGE“ mit kleinen Kreissymbolen die Optionen „2 CELL 6.6V“, „3 CELL 9.9V“, „4 CELL 13.2V“, „5 CELL 16.5V“, „6 CELL 19.8V“. Daneben sind blaue Kästchen „1P“ und „2P“ sowie Piktogramme mit Text: „LONG LIFE“, „LOW IMPEDANCE“, „CELL MATCHED“, „HIGH CHARGE RATE“. Unten rechts befindet sich ein stilisierter Vogelkopf mit dem Markenlogo „flightmax“. Ganz unten in kleiner Schrift: „Please read safety warning & usage guidelines at www.zippybattery.com before use.“ — Abbildung EA-7.4.1: LiFePO4

Kapazität: 4200 mAh
Spannung: 4S1P / 13,2 V
Entladung: 30C Constant / 40C Burst
Balance Stecker: JST-XH
Entlastung Stecker: 5.5 mm Kugel-Stecker

Die für uns wichtigsten Kenndaten sind die Nennspannung 13,2 V und die Verschaltung 4S1P. Das bedeutet, dass sich die Nennspannung von 13,2 V aus 4 in Serie bzw. Reihe und 1 mal parallel, also alle 4 in Serie geschalten sind. Überlicherweise besitzen LiFePO4 eine Zellnennspannung von 3,2 V bis 3,3 V. Und somit ergibt sich 3,3 V · 4 = 13,2 V · 1 = 13,2 V.

Tabelle EA-7.4.2: LiFePO4 Zellspannung
Zellspannung	Bemerkung
3,3 V	Nennspannung
2,5 V	min. Spannung
3,6 V	max. Spannung

Beachte bei dem Einsatz von einem LiFePO4 als 4S1P verschalten, dass Spannungen zwischen 10 V bis 14,4 V 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 13,2 V aber eine Kapazität von 8400 mAh ergeben.

Bei dem Beispiel-Akku sind 4200 mAh angegeben. Dies entspricht 4,2 Ah. Das würde theoretisch bedeuten, wir können unseren Akku 1 h lang mit 4,2 A oder 2h lang mit 2,1 A usw. belasten.

$$t=\frac{Q}{I}$$ $$t=\frac{4,2Ah}{1A} =1 h$$

Wenn die Kapazität Q in As zu berechnen ist, dann erfolgt die Umrechnung dadurch, dass die Angabe Stunden (h) durch 3600 s ersetzt wird. Daraus ergibt sich 4,2 A * 3600 s = 15120 As. Nun wollen wir aber auch wissen, wie viel elektrische Energie in dem Akku gespeichert ist. Energie (Wh) ist die Ladung Q (Ah) des Akkus multipliziert mit der Gesamtspannung U in Volt.

1 Wh = 1 Ah · 1 V

Für unser Beispiel berechnen wir 4,2 Ah · 13,2 V = 55,44 Wh 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 · 4200 mA = 126 A Das ist allerdings nur ein theoretisch möglicher Wert, da unser Akku somit innerhalb von 108 s entladen wäre. Auch der Kabelquerschnitt ist dabei zu berücksichtigen. Bei Reihen- bzw. Serienschaltung von Akkus, wie in Abbildung EA-7.4.3 addieren sich die Spannungen und die Kapazität bleibt gleich.

Der folgende Alt-Text wurde noch nicht geprüft: Kurzfassung: Ein Schaltbild zeigt vier in Reihe geschaltete Zellen B1–B4 mit jeweils 3,3 V und 4200 mAh, die zusammen eine Gesamtspannung von 13,2 V (4200 mAh) ergeben.

Detailbeschreibung: Links ist ein Pluszeichen, rechts ein Minuszeichen; dazwischen verläuft eine horizontale Leitung. Am oberen Rand zeigt ein Pfeil nach rechts mit der Beschriftung „13,2 V 4200 mAh“. Darunter markieren weitere Pfeile Teilspannungen: von links bis etwa drei Viertel „9,9 V“ und rechts ein kurzer Pfeil „3,3 V“. Auf mittlerer Höhe sind zwei Pfeile nach rechts mit „6,6 V“ beschriftet, jeweils über der linken und rechten Hälfte. Vertikale gestrichelte Linien teilen die Grafik in vier gleiche Abschnitte. Unten sind vier Batteriesymbole nebeneinander mit den Bezeichnungen „B1“, „B2“, „B3“, „B4“ darüber; unter jedem Symbol steht ein Pfeil nach rechts mit „3,3 V“ und darunter „4200 mAh“. Die Anordnung visualisiert die Spannungsaufsummierung der vier Zellen bei gleichbleibender Kapazität. — Abbildung EA-7.4.3: Reihenschaltung

Bei der Paralellschaltung wie in Abblidung EA-7.4.4 bleibt die Spannung gleich und die Kapazitäten addieren sich.

Der folgende Alt-Text wurde noch nicht geprüft: Kurzfassung: Schaltbild eines Batteriepacks mit acht Zellen: zwei parallel geschaltete Vierer-Serien, Gesamtwert 13,2 V und 8400 mAh.

Detaillierte Beschreibung: Die Zeichnung zeigt links einen Pluspol und rechts einen Minuspol als offene Kreise mit +/–. Zwischen zwei seitlichen Sammelschienen liegen acht als Kondensator-Symbole gezeichnete Batteriezellen B1 bis B8. Obere Reihe: B1–B4 in Serie von links nach rechts; untere Reihe: B5–B8 in Serie von rechts nach links; beide Reihen sind an den Seiten leitend verbunden (Parallelschaltung der beiden Serienstränge). Jede Zelle ist mit „3,3 V“ und „4200 mAh“ sowie einem kleinen Pfeil nach rechts beschriftet. Oben markieren Pfeile die Summenspannungen: über die gesamte Breite „13,2 V 8400 mAh“, darüber hinaus Teilpfeile mit „9,9 V“, „6,6 V“ und „3,3 V“ entsprechend der Abschnittslängen; gestrichelte Vertikallinien teilen das Schema in vier gleich breite Abschnitte. Gefüllte Punkte kennzeichnen die Seitenschienen‑Anschlüsse der Serienstränge. — Abbildung EA-7.4.4: 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. EA-7.4.5

Der folgende Alt-Text wurde noch nicht geprüft: Zusammenfassung: Foto von mehreren Kabeln mit einem weißen 5-poligen JST‑XH‑Stecker und zwei 5,5‑mm‑Rundkontakten, einem schwarzen Stecker (−) und einer roten Buchse (+).

Detaillierte Beschreibung: In der Mitte befindet sich ein weißer 5-poliger JST‑XH‑Steckverbinder; links gehen fünf dünne, unterschiedlich farbige Leitungen ab (blau, gelb, weiß, gelb, orange). Rechts neben dem Stecker sind Linien mit Beschriftungen zu sehen: oben ein Minuszeichen, darunter U12, U23, U34, unten ein Pluszeichen; darüber steht „JST‑XH für Balancer“. Darunter verlaufen zwei dicke Silikonkabel: oben ein schwarzes Kabel mit vergoldetem 5,5‑mm‑Rundstecker, daneben die Aufschrift „− Pol“; darunter ein rotes Kabel mit vergoldeter 5,5‑mm‑Rundbuchse, daneben „+ Pol“. Rechts unten steht der Text „5,5 mm Stecker/Buchse für Lastanschluss“. Der Hintergrund ist weiß, der Fokus liegt auf den Anschlüssen. — Abbildung EA-7.4.5: LiFePO4 Anschlüsse

AB210: Auf dem Akku-Pack eines Handfunksprechgerätes stehen folgende Angaben: 7,4 V - 2200 mAh - 16,28 Wh. Welcher Begriff ist für die Angabe 2200 mAh zutreffend.

Die Akku-Nennkapazität Q wird auch als Ladung bezeichnet und, wie bereits bekannt, in Ah oder mAh angegeben.

AB209: Folgende Schaltung eines Akkus besteht aus Zellen von je 2 V. Jede Zelle kann 10 Ah Ladung liefern. Welche Daten hat der Akku?

1) Kurzbeschreibung: Reihenschaltbild mit einem in wechselnder Richtung gezeichneten Leiter mit sechs in den vertikalen Teilen des Leiters angeordneten Spannungsquellen zwischen einem „+“-Anschluss oben links und einem „−“- Anschluss oben rechts.

2) Ausführliche Beschreibung: Von einem mit „+“ beschrifteten offenen Anschlusspunkt links oben führt ein vertikaler Leiter nach unten zu einem Symbol für eine Spannungsquelle, wobei bei dem Symbol die längere Querlinie oberhalb der kürzeren Querlinie liegt. Anschließend verläuft der Leiter mit wechselnder Richtung (horizontal nach rechts, vertikal nach oben, horizontal nach rechts, vertikal nach unten usw.) über insgesamt fünf weitere identische Symbole, so dass alle Spannungsquellen in Reihe geschaltet simd. Am rechten Ende führt der letzte vertikale Teil des Leiters nach oben zu einem offenen Anschlusspunkt, der mit „−“ beschriftet ist. Es sind keine Werte oder weiteren Beschriftungen vorhanden.

Die Gesamtspannung ist die Summe der Zellenspannungen. Die Gesamtladung entspricht der Ladung einer Zelle.

AB211: Wie lange könnte man idealerweise mit einem voll geladenen Akku mit 60 Ah einen Amateurfunkempfänger betreiben, bis dieser auf 10 % seiner Kapazität entladen ist und einen Strom von 0,8 A aufnimmt?

Zuerst muß die entnehmbare Ladungsmenge von 90% ermittelt werden. Die Entladezeit t ergibt sich aus: $t=\frac{Q}{I}$

AB501: Ein 12 V Akku hat eine Kapazität von 5 Ah. Welcher speicherbaren Energie entspricht das?

Die im Akku gespeicherte Energie in Wh oder VAh ergibt sich aus der Multiplikation der Akkuspannung U (V) mit der Ladung Q (Ah). Beispiel: 1 V * 1 Ah = 1 Wh

Lösungshilfe:

AB 209: 6 * 2 V = 12 V / 10 Ah AB 210: Nennkapazität AB 211: 90% = 54 Ah; 54 Ah / 0,8 A = 67,5 h oder 67 Stunden und 30 Minuten AB 501: 12 V * 5 Ah = 60,0 Wh

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