Li-Po accu’s; de nieuwe standaard voor elektro RC-auto’s

Sinds enkele jaren is de Li-Po accu bezig aan een onstuitbare opmars als eerste keuze voor een elektro RC-auto. Een Li-Po accu heeft grote voordelen ten opzichte van de Ni-MH accu’s welke tot nog toe de standaard waren voor RC-auto’s. Zo zijn de Li-Po accu’s lichter, hebben meer capaciteit (inhoud) en kunnen ze meer stroom leveren dan de Ni-MH accu’s.

 

Maar eerst even een stukje theorie. Wat is een Li-Po accu en waarin verschilt hij van een Ni-MH accu?

Li-Po is een afkorting van Lithium Polymeer, de twee (hoofd-)ingrediënten van de accu. De lithium is opgelost in een vast polymeer. Lithium is een elektrolytisch zout en polymeer is een soort kunststof, waarvoor meestal polyethyleen oxide of polyacrylonitril wordt gebruikt.

Het voordeel van deze constructie met kunststof is dat de accu in vrijwel elke vorm en in elk formaat kan worden geproduceerd. Lithium-polymeer accu’s worden sinds ongeveer 1995 ontwikkeld voor de consumenten markt. De ontwikkeling van dit soort accu’s heeft vanaf de eeuwwisseling een grote vlucht genomen door de vraag naar accu’s met veel vermogen voor laptops en mobiele apparaten.

Ni-MH staat voor Nikkel-Metaal Hydride; de twee hoofd bestanddelen van dit soort accu’s. Zowel Nikkel als metaalhydride zijn een metaal, waardoor deze niet eenvoudig gevormd kan worden. Deze twee bestanddelen worden als twee vellen, met een isolator ertussen, op elkaar gelegd en opgerold, waardoor de vorm vrijwel altijd een cilinder is. Een accu pack bestaat uit verschillende van deze ‘cilinders’, wat uit eindelijk dus de vorm van het accu pakket bepaald.

Het verschil tussen een Li-Po en een Ni-MH (of Ni-Cd) accu is vooral de vrijheid van de producent in de vormgeving van de accu en de capaciteit per gewicht; een Li-Po accu kan bij hetzelfde gewicht veel meer ‘stroom bevatten’, of te wel de Li-Po accu heeft een hogere capaciteit dan een Ni-MH accu.

 

Voltage en capaciteit:

Een Li-Po accu voor de modelbouw is, net als een Ni-MH accu, opgebouwd uit verschillende cellen. Eén Li-Po accu cel levert circa 3,7 Volt, de fabrikant voegt daarom twee, drie of meer van dit soort accu-cellen samen in één behuizing. De Li-Po cellen worden zowel serieel als parallel aan elkaar verbonden.

Een accupack met twee accu cellen in één behuizing welke serieel zijn verbonden zal 7,4Volt (2 x 3,7V) leveren, drie cellen in één behuizing leveren 11,1Volt (3 x 3,7V), enz. Om aan te geven hoeveel cellen er in één behuizing zijn gemonteerd hebben de producenten een indicatie bedacht; dit wordt ‘S’ genoemd. Deze ‘S’ verwijst naar ‘serieel’. Een Li-Po accupack met twee serieel geschakelde cellen (7,4V) wordt dan ook een ‘2S’ accu genoemd, een accupack met drie cellen ‘3S’ en zo verder.

Om het vermogen van een accupack te verhogen kunnen de Li-Po accu cellen ook parallel worden geschakeld in een behuizing, de fabrikanten spreken dan van ‘P’. Zo levert een 1S-2P accu slechts 3,7Volt maar wel met het vermogen van twee accu cellen omdat de twee Li-Po cellen parallel aan elkaar zijn gekoppeld waardoor het vermogen (de capaciteit) verdubbelt.

De producenten kunnen, dankzij de flexibiliteit in de vormgeving van de aparte Li-Po cellen, dus verschillende accupacks samenstellen; bijvoorbeeld een 2S2P accupack bestaat uit vier cellen welke twee aan twee parallel en serieel zijn geschakeld. Dit zorgt dus voor een voltage van 7,4V (2S) en een hoog vermogen (2P).

De capaciteit van een Li-Po accu wordt uitgedrukt in ‘C’, wat staat voor het woord ‘capaciteit’. De capaciteit is de inhoud van de accu; het aantal ampère wat de accu kan opslaan. Een 2S – 4000mAh Li-Po accu heeft dus een voltage van 7,4Volt (2S = 2 x 3,7Volt) en een capaciteit van 4 Ampère (4.000mAh = 4 Ampère).

 

Het vermogen van een Li-Po accu:

Zoals je hierboven hebt kunnen lezen wordt de capaciteit van een Li-Po accu uitgedrukt in ‘C’. Deze ‘C’ van capaciteit heeft ook nog een tweede betekenis; de fabrikanten gebruiken deze waarde ook om aan te geven hoeveel vermogen een Li-Po accu kan leveren. Op elke Li-Po accu wordt het ontlading vermogen aangegeven in ‘C’. Op de behuizing van een Li-Po accupack wordt altijd aangegeven hoeveel de maximale ontlaad stroom mag zijn, er staat bijvoorbeeld ’25C Max Discharge’. Dit houdt in dat een accu met maximaal 25 keer de capaciteit ontladen mag worden. In het geval van onze voorbeeld Li-Po accu van 4.000mAh (4A) mag de accu dan een maximale ontlaad stroom leveren van 25 x 4A = 100 Ampère. Bij een hogere ontlading zal de accu beschadigen of warm worden!

Als je het ontlaad vermogen van de accu weet, bij ons voorbeeld dus 100Ampére, kan je uitrekenen hoeveel Watt de accu maximaal kan leveren. Watt is een eenheid van vermogen welke uit te rekenen is met de formule ‘W = V x A’, of te wel ‘Watt is gelijk aan Voltage keer Ampère’. In onze voorbeeld van de 2S Li-Po accu komt dat neer op 7,4Volt x 100 Ampère = 740 Watt (wat weer gelijk is aan 0,74kW of te wel ongeveer 1 PK)!!

 

Li-Po accu’s; voor elke RC-auto?

In de radiografisch bestuurde modelbouw (rijden, vliegen, varen) heeft de Li-Po accu in slechts enkele jaren de Ni-MH en Ni-Cd accu’s vrijwel geheel verdrongen als accu voor de aandrijving van de motor. Dit heeft vooral te maken met het lagere gewicht bij dezelfde capaciteit (voor de vliegers) en de vrijheid in accu-vorm (voor de varende en rijdende modelbouwer). Bij een gelijke vorm kan een Li-Po accu ongeveer twee keer zoveel stroom bevatten als een Ni-MH accu terwijl hij ongeveer de helft weegt.

Tot voor enkele jaren waren Ni-MH accu’s bestaande uit 6 cellen de standaard voor de modelbouwer. Deze accu’s leverde ongeveer 7,2 Volt (6 cellen van 1,2V) en hierop werd vrijwel alle andere elektronica op ontwikkeld (denk hierbij aan motoren, regelaars, ontvangers en servo’s). De modernere Li-Po accupacks leveren 7,4Volt, wat slechts fractioneel meer is, waardoor de overstap van Ni-MH naar Li-Po geen probleem is voor de overige elektronica.

Doordat de Li-Po accu’s in vrijwel elke vorm kan worden gemaakt zijn er specifiek voor de modelbouw verschillende ‘standaard’ maten ontwikkeld.

De standaard Li-Po accu voor de RC-auto’s is tegenwoordig rechthoekig van vorm en voorzien van een hard-kunststof behuizing, een zogenaamde ‘hardcase’. De hardcase beschermt de accu cellen tegen beschadiging bij een botsing of een crash. De ‘standaard’ afmeting voor een hardcase Li-Po accu voor RC-auto’s is circa 140mmx45mmx25mm (LxBxH).

Fabrikanten van elektro model auto’s ontwikkelen sinds enkele jaren de chassis dusdanig dat deze direct geschikt zijn voor deze rechthoekige ‘standaard’ Li-Po accupacks. Voor oudere RC-modellen van bijvoorbeeld Tamiya of Kyosho worden er door verschillende accu producenten Li-Po’s geproduceerd in de vorm van een ‘ouderwets’ Ni-MH accu pack.

 

Het laden van een Li-Po accupack:

Een 2S Li-Po accupack heeft een ‘nominaal’ voltage van 7,4Volt (2 x 3,7V). Het nominale voltage geeft aan dat de accu tussen het volledig laden en volledig ontladen gemiddeld ongeveer 3,7Volt per cel geeft, maar dat de absolute waarden iets anders liggen. Een enkele Li-Po accu cel geeft namelijk volledig geladen 4,235Volt en als de accu cel volledig ontladen is geeft hij 3,2Volt. Natuurlijk kan de accu verder ontladen worden, maar -let op- dan is de accu defect! Een Li-Po cel die verder dan 3,0Volt ontladen wordt zal niet meer maximaal opgeladen kunnen worden, de capaciteit zal sterk terug lopen en hij kan nooit meer het volle vermogen leveren. De accu zal nog wel opgeladen kunnen worden na een ‘diep ontlading’ maar nooit meer de originele specificaties kunnen halen.

Daarom is het belangrijk dat bijvoorbeeld een snelheid regelaar beschikt over een elektronische beveiliging schakeling die de accu beschermt tegen diepontlading en zorgt dat de stroom toevoer wordt afgesloten als deze zakt onder de 3,2 Volt per cel.

Het op de juiste manier laden van een Li-Po is accu is zeer belangrijk want bij het laden kan het een en ander misgaan waardoor de accu onbruikbaar wordt of zelfs in de brand kan vliegen! Gebruik voor het laden van een Li-Po accupack te allen tijde een echte Li-Po acculader welke voorzien is van de juiste beveiliging circuits welke de accu beschermt tegen overlading.

Ten eerste moet de accu geladen worden met een constant voltage van 4,2 Volt per cel en ten tweede met een constante stroom (ampèrage). De hoeveelheid ampère waarmee geladen moet worden is geheel afhankelijk van de capaciteit van de accu, terwijl het voltage bij elke Li-Po accu gelijk is (namelijk 4,2 Volt per cel). De vuistregel is dat de het aantal ampère van het laden gelijk is aan de capaciteit van de accu.

Als voorbeeld nemen we hier een 2S Li-Po accu met een capaciteit van 4.000MAh (= milli ampère). Deze accu zal dus geladen moeten worden met een voltage van 2 x 4,2 Volt, of te wel 8,4volt en een vermogen van 4.000mAh. Deze 4.000mAh is gelijk aan 4 Ampère, wat dan ook als laadstroom ingesteld moet worden op de lader.

Op vrijwel alle Li-Po acculaders kan je alleen het laadvermogen instellen om deze aan te passen aan de capaciteit van de accu. De interne laadcircuits zorgen voor de juiste instelling van het laadvoltage. Een moderne Li-Po accu moet worden opgeladen met één ‘C’ (uitleg over ‘C’ staat hierboven). Als je een 4.000mAh accupack oplaadt met één ‘C’ betekent dat dus dat de acculader moet worden ingesteld op 4 Ampère en niet meer. Bij een hoger laadvermogen kan het gebeuren dat de Li-Po cellen te warm worden waardoor een interne chemische reactie kan ontstaan wat de levensduur en de capaciteit sterk kan doen verminderen. Behalve dat de Li-Po cellen chemisch beschadigen kan dit opwarmen van de cellen zelfs resulteren in brand!

 

 

Alles in balans?

Bij een Li-Po accupakket wat uit twee of meer cellen bestaat is het mogelijk dat tijdens het gebruik de ene accucel sneller of meer ontlaadt dan de andere. Dit kan gebeuren door bijvoorbeeld een verschil in interne weerstand van de cellen, een slechter contact of gewoon door het veelvuldig gebruik.
Dit kan zorgen dat de ene cel een lager voltage heeft en ook verder ontladen is dan de andere accu cel. Bij het opladen zou het dan kunnen gebeuren dat één accu cel reeds vol is, terwijl de lader nog maximaal aan het laden is om de andere accu cel te vullen. Hierdoor kan de reeds volle accucel overladen raken en intern beschadigen, waardoor deze defect kan raken.

Als de cellen van een accupack ongelijk ontladen zijn, is het accupack ‘unbalanced’ en is het nodig dat alle accu cellen weer in balans komen. Dit balanceren gebeurt bij het opladen.

Vrijwel alle Li-Po acculaders hebben een speciaal balanceer-programma voor het op niveau brengen van alle accu cellen in een accupack.
Dit balanceer-programma houdt in dat bij het opladen, aan het eind van de oplaad cyclus, de cellen individueel worden gemeten en waar nodig wordt de laadstroom per cel aangepast, zodat alle cellen in het accupack tegelijk vol geladen zijn. Hiervoor zijn alle Li-Po acculaders uitgerust met een balanceer uitgang en alle Li-Po accupacks zijn voorzien van een ‘balanceer kabel’.
Aan de accu lader wordt een ‘balancer board’ aangesloten waarop accupacks met 2 tot 6 Li-Po cellen met de balanceer kabel aangesloten kunnen worden. Het balancer board wordt op een aparte aansluiting op de acculader aangesloten. Deze aansluiting is intern verbonden met een elektronisch meet- en regelcircuit welke de accu cellen individueel bemonsteren en bij- of zelfs ontlaadt.

Het in balans houden van de accu cellen in een accupack is zeer belangrijk voor de levensduur van een Li-Po accupack. De meeste fabrikanten adviseren dat een accupakket wat uit twee of meer accu cellen bestaat minimaal elke derde laadcyclus wordt gebalanceerd. Als een accupack niet regelmatig wordt gebalanceerd kan er een steeds grotere afwijking tussen de cellen ontstaan waardoor het gevaar van overlading en interne beschadiging van de cellen op de loer ligt.

De risico’s bij het laden van een Li-Po accu:

En dat brengt ons weer op één van de grootste risico’s van Li-Po accu cellen; het in de brand vliegen van de accu. Omdat de Li-Po accu’s bestaan uit een kunststof zijn deze niet onbrandbaar en gevoelig voor kortsluiting, beschadiging en hitte. Zoals elke kunststof, zal ook de kunststof in Li-Po accu’s bij verhitting vervormen en smelten. Dit smelten kan tot gevolg hebben dat het elektrolyt in de accu niet meer gescheiden wordt en met elkaar in aanraking komt. Als dit gebeurt, ontstaat er kortsluiting in de accucel, wat weer tot brand kan leiden. Ook beschadiging van de accu kan tot gevolg hebben dat het elektrolyt met elkaar in aanraking komt.

 Door het hoge vermogen van de accu’s zal er bij korstsluiting gemakkelijk een vlamboog ontstaan (net als bij lassen), welke een ontzettend hoge temperatuur zal hebben. Door deze hoge temperatuur zal het kunststof verder smelten, wat weer een grotere kortsluiting zal veroorzaken en een grotere vlamboog. Dit kan zo snel verlopen dat een explosie of uitslaande brand niet te voorkomen is.

Het grote probleem bij een brandende Li-Po accucel is dat alle brandstof in de cel aanwezig is, dus dat de brand bijna niet te blussen is. Pas als vrijwel al het elektrolyt en kunststof opgebrand is zal het vuur doven; een brandblusser of blusdeken zal de brand niet kunnen stoppen. Een Li-Po accu brand kan je natuurlijk niet blussen met water omdat dan de kortsluiting groter zal worden waardoor de brand zal uitbreiden.

Het brandgevaar bij een Li-Po accu heeft dan ook geleid tot aanvullende veiligheid maatregelen; zo mag je nooit een beschadigde accu proberen op te laden, je moet de Li-Po accu altijd uit je model auto verwijderen tijdens het laden en zal de accu in een brandveilige zak moeten worden geplaatst. Speciaal hiervoor zijn zogenaamde ‘Li-Po bags’ ontwikkeld. Dit zijn zakjes van een onbrandbaar materiaal waarin je de Li-Po accu tijdens het opladen moet plaatsen. Als er dan iets mis gaat zal de accu in het zakje branden en de omgeving beschermen tegen de brand. De rook van een brandende Li-Po accu bevat veel giftige stoffen en zware metalen dus zorg dat je de rook nooit inademt.

Een Li-Po accu aansluiten in je model auto:

Om een Li-Po accu aan te sluiten op de snelheid regelaar van je model auto zijn heel veel verschillende stekker systemen bedacht. De belangrijkste overeenkomst van deze stekker systemen is dat de plus-pool en de min-pool nooit op elkaar passen. Dit is om te voorkomen dat de accupolen verkeerd om worden aangesloten want dat kan leiden tot kortsluiting. En zoals je hierboven hebt kunnen lezen is kortsluiting een belangrijke oorzaak voor een gevaarlijke Li-Po brand.

Behalve deze ene overeenkomst zijn er veel meer verschillen in de beschikbare stekker systemen. De verschillende systemen zijn onderling niet uitwisselbaar en je zult dus van elk systeem een ‘mannetje’- en een ‘vrouwtje’-stekker moeten hebben. Hierbij is het gebruikelijk dat het ‘vrouwtje’ stekketje aan de accu wordt gemonteerd en het ‘mannetje’ aan de snelheid regelaar en aan de laadkabel. Dit is omdat een ‘vrouwtje’ stekker de contacten intern heeft, terwijl het ‘mannetje’ juist de uitstekende pennetjes heeft die in het ‘vrouwtje’ contact maken. Bij het ‘vrouwtje’ zijn de contacten dus beter beschermt tegen kortsluiting.

Elk systeem voldoet aan eigen specificaties, waarbij vooral het maximale vermogen wat door het stekker systeem mag lopen van belang is. De systemen kunnen vermogens verwerken van ca. 25 Ampère tot dik over de 200 Ampère, wat voldoende is voor de grootste en zwaarste modelauto’s met de grootste motoren.

Het meest bekende stekker-systeem is wel het zogenaamde Tamiya systeem; vrijwel iedere Ni-MH en Ni-Cd accu was vroeger uitgerust met een ‘vrouwtje’ van dit systeem en dit is veruit het meest toegepast stekkersysteem in de modelbouw. Maar het Tamiya stekker systeem voldoet NIET voor het gebruik met Li-Po accu’s! Dit heeft te maken met de specificaties van het systeem. Het maximale vermogen wat een Tamiya stekker systeem kan verwerken is 30 Ampère continue, wat te weinig is voor het veel hogere vermogen wat een Li-Po accu kan leveren. Zoals je hierboven hebt kunnen lezen levert ons 2S – 4000mAh Li-Po accupack zo’n 100 Ampère wat de Tamiya stekkers zal doen smelten.

Een ander zeer bekend stekker systeem is ontwikkeld door de RC-modelauto fabrikant die als pionier kan worden beschouwd in de Li-Po techniek voor modelauto’s: Traxxas. Traxxas heeft een stekker systeem ontwikkeld wat continue 100 Ampère kan verwerken en levert dit stekker systeem op vrijwel al hun modellen. Omdat het systeem ook gemakkelijk is in het gebruik zijn er verschillende andere fabrikanten die dit systeem ook toepassen en accu fabrikanten leveren verschillende Li-Po accu’s welke af-fabriek zijn voorzien van dit stekker systeem.

Een derde veel gebruikt systeem is het zogenaamde T-stekker systeem. Deze stekkers worden door verschillende fabrikanten geleverd in verschillende uitvoeringen. De verschillende uitvoeringen lopen van 50 Ampère continue tot 200 Ampère continue. Let bij aanschaf van dit stekker systeem er wel op dat je de juiste waarde kiest voor jouw gebruik.

Li-Po accu’s in de praktijk

Zoals je boven hebt kunnen lezen zijn alle RC  modelauto fabrikanten en toeleveranciers voor de onderdelen van RC modelauto’s overgeschakeld op het produceren van modellen welke geschikt zijn voor Li-Po accu’s; vrijwel alle moderne RC modelauto’s kunnen overweg met een Li-Po accu. Ook de elektronica in RTR (Ready-to-Run) modellen is tegenwoordig bijna zonder uitzondering geschikt voor het gebruik met Li-Po accu’s.

Li-Po accu’s zijn voor de gebruiker een grote stap voorwaarts; door de grotere capaciteit is er meer kracht voor de motor beschikbaar en de rijtijden zijn een stuk langer dan met Ni-MH accu’s mogelijk was. Het (iets) hogere voltage zorg voor een (iets) hogere topsnelheid.

Om zeker te zijn dat de elektronica (servo’s, motor, regelaar) voor jouw RC modelauto geschikt is voor het gebruik met Li-Po accu’s kan je altijd even de gebruiksaanwijzing of de verpakking goed lezen; fabrikanten vermelden altijd het maximale voltage waarmee de componenten werken en of de elektronica geschikt is voor het gebruik van Li-Po accu’s.

Servo fabrikanten hebben vaak een speciale ‘High Voltage’ productlijn; dit zijn servo’s welke geschikt zijn om de voeding direct uit een 2S (7,4V) Li-Po accu te krijgen. Normale servo’s zijn geschikt tot een spanning van 6,6Volt, waardoor deze zullen doorbranden als ze direct op een Li-Po accu worden aangesloten, vanwege het té hoge voltage.

Om toch een standaard servo (een 6Volt model) op een auto met Li-Po accu te gebruiken is het belangrijk dat de ontvanger een zogenaamde BEC (Battery Elimination Circuit) schakeling heeft. Dit is een voltage regelcircuit in de ontvanger die het voltage op de servo kanalen limiteert op 6,0Volt ongeacht het voltage waarmee de ontvanger gevoed wordt. De meeste moderne RTR modellen zijn standaard voorzien van een ontvanger met BEC circuit, dus hoef je nooit bang te zijn dat de servo’s doorbranden. Je kunt in de gebruiksaanwijzing of op de website van de fabrikant van jouw ontvanger vinden of de ontvanger voorzien is van een BEC-schakeling.