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Für jeden Einsatzzweck der richtige Lipo

4. Januar 2015

Bezüglich der Energieversorgung von Modellen im Allgemeinen und Modellflugzeugen im Speziellen gibt es eine gute und eine schlechte Nachricht. Wie immer die gute Nachricht zuerst: egal, was für ein Modell man betreiben möchte, die Industrie hält den dazu passenden LiPo bereit. Und nun die schlechte Nachricht: das Angebot an verschiedenen LiPo-Typen und LiPo-Ausführungsformen und ist derart umfangreich, dass auch Experten Mühe haben, den Überblick zu behalten.

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Dieses Kapitel betrachtet deshalb die verschiedenen LiPo-Varianten etwas genauer und gibt Hilfen an die Hand, welcher LiPo für welchen Einsatzzweck geeignet ist.

Leichtgewichte – 1S-LiPos unter der Lupe

Es ist wie in einem typischen Asterix-Abenteuer: alle auf dem Modellsport-Markt erhältlichen LiPos sind mittlerweile mit Sensor-Kabeln ausgerüstet. Alle LiPos? Nein, eine kleine Gruppe leistet weiterhin Widerstand und weigert sich beharrlich, ein Sensor-Kabel zu tragen…

Was zunächst revolutionär klingt, hat einen ganz profanen Hintergrund. Denn einzellige LiPos (1S) haben nur zwei Anschlüsse und die sind in Form der Powerkabel von außen zugänglich. Somit entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Sensorkabels. 1S-LiPos können also direkt an das Ladegerät angeschlossen werden, der Balancer bzw. Equalizer ist arbeitslos.

Das wirkt sich natürlich positiv auf das eh schon geringe Gewicht der 1S-LiPos aus. Und so kommt so ein typischer Vertreter dieser Gruppe in 250mAh-Ausführung auf gerade einmal 7 Gramm.

Nachteilhaft bei einzelligen LiPos ist die doch sehr begrenzte Nennspannung von 3,7V. Bei dieser niedrigen Spannung lassen sich auch bei Einsatz leistungsfähiger Zellen mit hoher Kapazität nur vergleichsweise geringe Leistungen erzielen. 1S-LiPos werden denn auch vorwiegend bei sehr kleinen, leichten Modellen eingesetzt – hier können sie aber ihre Vorteile voll ausspielen und verleihen den Modellen die LiPo-typische Spritzigkeit. Wo wenig Gewicht bewegt werden muss, wird eben auch nur eine geringe Antriebsleistung benötigt.

Empfangsbereit – 2S-Lipos und ihre Sonderqualifikation

Etwas größere Modelle, also Parkflyer, Slowflyer und Shockflyer, kommen mit dem Energieangebot eines 1S-LiPos nicht mehr zurecht. Für diese Gruppe Modelle werden deshalb sehr gerne 2S-LiPos eingesetzt, die immer noch sehr schön leicht sind, aber immerhin die doppelte Leistung zur Verfügung stellen. Ein leistungsfähiger 2S 3000mAh LiPo mit 50C Belastbarkeit durchbricht bereits die 1KW Schallmauer.

Mit ihrer Nennspannung von 7,4V qualifizieren sich 2S-LiPos darüber hinaus als Empfängerakkus, aber in der Regel nur in Verbindung mit einem geeigneten Spannungsregler. Ältere 5V-Servos und 5V-Empfänger würden bei der hohen Nennspannung der 2S-LiPos sofort ihre Arbeit einstellen und auch die neueren 6V-Komponenten kommen bei einem Versorgungsspannungsangebot um die 7,4V an ihre konstruktiven Grenzen. Mittlerweile gibt es aber speziell auf 2S-LiPos abgestimmte Komponenten, zum Beispiel die HV Digitalservos zahlreicher Hersteller, die ohne Spannungsregler betrieben werden dürfen. Generell gilt: niemals experimentieren, sondern ausschließlich zueinander passende Komponenten in einem Modell einsetzen. Zumal Empfänger und Servos zu den sicherheitsrelevanten Teilen eines Modells zählen. Stellen sie ihre Funktion auch nur kurzzeitig ein, ist ein Absturz meist unvermeidlich. Und jeder Absturz ist immer auch ein Sicherheitsrisiko, denn gemäß Murphys Gesetz stürzt ein Modell in der Regel genauso ab, dass es den größtmöglichen Schaden anrichtet.

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Alltagstauglich – die Stärken der 3S-Gruppe

Das Energieangebot der großen Gruppe der 3S-LiPos liegt in einem für Modellsportler attraktiven Bereich, Leistungen von 200W bis zu 3,3KW sind möglich.

3S-LiPos sind daher sehr beliebt und finden sich in sehr vielen Modellen bis zu Pi mal Daumen 2m Spannweite. Aufgrund ihrer nicht zu hohen Nennspannung von 11,1V eignen sie sich zudem auch noch ganz gut zur Empfängerstromversorgung, sodass viele moderne Motorregler zusätzliche BEC-Spannungsregler (linear oder getaktet) eingebaut haben.

Aber Achtung: ein linearer BEC-Baustein muss bei einer Akkuspannung von 11,1V doch schon einiges an Wärme bewältigen, deshalb kommt er an warmen Tagen mitunter an seine Grenzen. Kurz nachgerechnet: bei vier Servos im Modell fließt schon mal ein Strom von 2A. Die 11,1V Akkuspannung muss auf 5V Empfängerspannung reduziert werden, d.h. der BEC-Baustein muss 6,1V vernichten. 6,1V mal 2A machen 12W Leistung, das ist für eine kleine Elektronik mit ihrer geringen Kühloberfläche schon eine ganze Menge. Außerdem befindet sich der BEC-Baustein ja in einem Motorregler, der sich – besonders an warmen Tagen – zusätzlich aufheizt. Kommen nun mehrere ungünstige Faktoren zusammen, z.B. hohe Außentemperatur, sehr warmer Motorregler, hoher Servostrom, kann der BEC-Baustein nicht mehr genügend Wärme abführen. Um sich selbst zu schützen, reduziert er seine Ausgangsspannung im Extremfall bis auf 0V, was aber natürlich sehr schlecht für den Empfänger und die Servos ist. Der Absturz des Modells ist unter diesen Voraussetzungen vorprogrammiert. Noch verstärkt wird das BEC-Problem durch die neuen digitalen Servos, die enorme Spitzenströme ziehen können.

Die Industrie hat inzwischen reagiert und so finden sich mittlerweile in vielen Motorreglern getaktete BEC-Bausteine, sie werden auch SBEC genannt. Getaktete BEC-Bausteine entnehmen dem Akku nur die gerade benötigte Energiemenge und heizen sich deshalb kaum auf. Sie kommen auch mit sehr hohen Akkuspannungen zurecht und liefern relativ hohe Ausgangsströme. Noch höhere Ausgangsströme können externe SBEC-Bausteine zur Verfügung stellen.

Darf’s ein bisschen mehr sein? – 4S-LiPos machen Dampf

Modelle mit einer Spannweite zwischen Pi mal Daumen 1,5m und 2,5m, mittelgroße Segler und Hotliner haben erhöhte Anforderungen an die Motorleistung. Hier reichen 3S-LiPos mitunter nicht mehr aus und der Einsatz eines 4S-LiPos sollte in Betracht gezogen werden. Der Einsatzbereich der 4S-LiPos reicht bis über 4KW und deckt damit die meisten Anforderungen durchschnittlicher Modellsportler ab.

Nicht selten hat man die Qual der Wahl zwischen dem Einsatz eines 3S- und eines 4S-LiPos. Beide Akkutypen würden in das Modell passen, wie soll man sich entscheiden? Nun, zunächst einmal ist ein 3S-LiPo ca. 30% leichter als ein 4S-LiPo gleicher Kapazität. Das macht bei manchen Modellen eine Menge aus, denn daraus resultieren ein geringeres Gewicht und eine geringere Flächenbelastung, was sich in der Regel sehr günstig auf die Flugeigenschaften auswirkt – das Modell benimmt sich in der Luft gutmütiger und lässt sich leichter landen. Besonders stark macht sich dieser Gewichtsvorteil bemerkbar, wenn das Modell selbst besonders leicht gebaut ist, was z. B. bei der großen Gruppe der sogenannten Schaumwaffeln der Fall ist.

Jedoch haben 3S-LiPos gegenüber 4S-LiPos einen ernstzunehmenden Nachteil, nämlich eine um 30% geringere Nennspannung, d. h. der Strom muss bei gleicher Motorleistung um 30% höher ausfallen. Und da die Belastung der elektrischen Bauteile quadratisch mit dem Strom ansteigt, bedeutet das eine erhebliche Mehrbelastung für alle Antriebskomponenten.

Anders herum betrachtet entlasten 4S-LiPos also alle Antriebskomponenten – anstatt eines 30C 3S-LiPos kann z. B. ein 20C 4S-LiPo eingesetzt werden und statt eines 50A Motorreglers kann z. B. ein 35A Motorregler zum Zuge kommen. Leider sind gute Regler, an denen 4S oder mehr LiPo-Zellen anschließbar sind, oftmals teurer als 3S. Unter dem Strich kann es sich lohnen, auf 4S-LiPos zu setzen; man sollte im Einzelfall Stift und Papier zu Hilfe nehmen und nachrechnen, welche Lösung das Optimum darstellt.

Kommt es bei einem Modell auf eine möglichst hohe Motorleistung und nicht so sehr auf das Gewicht an, ist der Einsatz eines 4S-LiPos dagegen immer zu empfehlen. Ein typisches Beispiel dafür ist der Antrieb für die Lift Off Rocket. Die Rocket wird üblicherweise mit einem Hochleistungs-Brushless-Getriebemotor Magic-Drive 50-21 ausgerüstet. Die Kombination Brushless-Motor und Getriebe sorgt für ein enorm hohes Drehmoment, was den Einsatz sehr großer Propeller möglich macht. Bestückt mit einer Klappluftschraube 16×10 (!) nimmt der Magic-Drive 50-21 bei einem 4S-LiPo etwa 850W auf und zieht dabei ca. 65A Strom. Unter dem Strich kommt bei diesem optimal aufeinander abgestimmten Antriebsstrang eine Steigleistung von 25 m/s heraus, d. h. die Lift Off Rocket fliegt mit knapp 90 Km/h senkrecht nach oben, bis zur Sichtgrenze, ohne groß an Geschwindigkeit zu verlieren. Der eingesetzte 4S/3300mAh LiPo wird dabei lediglich mit 20C belastet. Dieses Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie man mit einer klugen Auswahl der Antriebskomponenten extreme Ergebnisse erzielen kann, ohne dass Akku, Regler oder Motor überlastet werden.

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Powerriegel – mit 5S und mehr ist nichts mehr unmöglich

Die Anhänger der Verbrenner-Fraktion haben mittlerweile akzeptiert, dass Elektroantriebe es mit ihren großvolumigen teilweise mehrzylindrigen Motoren mühelos aufnehmen können. Was anfangs noch für ungläubiges Staunen sorgte, ist mehr und mehr in den Bereich des normalen Fluggeschehens gerückt. Große und größte Modelle mit 3m Spannweite und mehr sind heutzutage elektrisch unterwegs und begeistern mit ihrem kraftvollen Antrieb.

Kein Wunder, denn bereits normale 5S- bzw. 6S-LiPos können 6KW und mehr zur Verfügung stellen. Schaltet man dann auch noch zwei dieser Kraftpakete in Reihe, sind 13KW schnell erreicht. Nur um ein Gefühl dafür zu bekommen, was für eine enorme Antriebsleistung hinter dieser Zahl steckt: ein typischer Zweizylinder-Boxer mit 100ccm Hubraum kommt auf 7,5PS und damit auf gerade einmal 5,5KW. So ein Motor könnte ein Motorrad samt Fahrer (Gesamtgewicht deutlich über 100 Kg) auf über 120 Km/h beschleunigen.

Es liegt auf der Hand, dass diese extreme Power nur etwas für die Experten ist. Große, schwere Modelle stellen ein enormes Gefährdungspotential dar und müssen entsprechend sicher aufgebaut sein. Zwei Stromversorgungen und zwei Empfänger sind in dieser Liga Standard. Und selbstverständlich muss auch peinlich darauf geachtet werden, dass alle im Modell verbauten Komponenten jederzeit im grünen Bereich betrieben werden – was eine lückenlose und durchdachte Überwachung voraussetzt. Nachlässigkeiten gehen hier nicht nur sehr schnell ins Geld, sondern gefährden auch Menschen und sind deshalb absolut tabu.

Moderne Elektroantriebe haben mittlerweile einen hohen technischen Stand erreicht und liegen voll im Trend der Zeit. Denn sie sind umweltfreundlich, weil abgasfrei und recyclebar. Sie haben Power, weil ein Elektromotor im Gegensatz zum Verbrenner bereits bei niedrigen Drehzahlen sein volles Drehmoment zur Verfügung stellt. Und sie schonen Modell und Technik, weil sie – ebenfalls im Gegensatz zu ihren Verbrennerkollegen – völlig vibrationsfrei arbeiten.

Die moderne Lithium-Technologie hat nun dafür gesorgt, dass der enorme Energiehunger moderner Elektroantriebe vollständig gestillt werden kann. Was für Anforderungen der Motor auch immer an seinen Energieriegel stellt, kein Problem. Nichts ist mehr unmöglich.