Long-Range-Quadrocopter Part 2

Thema Akku: Nach dem grundlegenden Aufbau des Neuen – bzw. überarbeiteten Rahmen – und einer vorläufigen Dimensionierung der technischen Komponenten des neuen Setups, kommen wir zum vermutlich wichtigsten Teil der Ausrüstung: Dem “LiPo”.

Um zu verstehen, wie nachher der neue Akku dimensioniert werden muss, um >= 1 Stunde Flugzeit zu erreichen, ein kleiner Ausflug in die Akkukunde:

Bei den herkömmlichen für den Modellbau erhältlichen Akkus gibt es eine standardisierte Belegung der Anschlüsse, die sich aus dem Muster der inneren Verschaltung ergibt:

 Lipo_001

Quelle: http://www.mikrokopter.de/ucwiki/LiPo

Wir haben also hier einen “Hauptstromanschluss”, an dem die Gesamtspannung der Zellen anliegt und einzelne Abgriffe, die in das sogenannte Balancerkabel münden.

Jede Zelle eines LiPo hat eine Nennspannung von 3,7 Volt und eine Ladeschlussspannung von 4,22 Volt, wobei 4,2V Standard ist.

Die Benutzung eines LiPo findet in einem, nennen wir es „Spannungsfenster“, statt. Dieses liegt zwischen 3,3 Volt und 4,2 Volt. Fällt die Spannung unter 3,3 Volt in einer Zelle, so wird diese irreparabel beschädigt.

Das Bild oben zeigt einen sogenannten 4S-Akku, es liegen vier Zellen hintereinander und erhöhen dadurch die Nennspannung auf insgesamt 14,8 Volt. Die Kapazität gewinnt in der Reihenschaltung natürlich nicht an Zuwachs, somit bestimmt die Kapazität der einzelnen Zellen auch gleichzeitig die Gesamtkapazität des LiPos.

Zurück zum Long-Range-Copter. Was brauchen wir? So viel Kapazität wie möglich, bei einer Spannung von “gerade Mal” 11,1 Volt, da die Motoren bereits mit einem 3S Akku zufrieden sind.

Kauft man jetzt im Modellbaushop nebenan einen Lipo, so wird einem in der Regel so etwas angeboten:

battery_B25C40_3S_TRX_l
3S1P 4000mAh bei 25C… hä? Also: 3S bedeutet, dass hier 3 Batterien in Serie hängen und somit eine Gesamtspannung von 11,1 Volt bieten. 1P steht für die Anzahl der parallel geschalteten Batterien. 4000mAh ist die Kapazität des Lipos, was also in der Gesamtbetrachtung nichts anderes bedeutet, als das wir hier drei Zellen mit einer Kapazität von je 4 Amperestunden in Reihe haben. Eingeschweißt in Folie und mit Strom- und Balanceranschluss versehen.

25C steht für die maximale Stromabgabe, die so eine Zelle liefern kann – daran ändert auch die Reihenschaltung nichts – und somit ergibt sich eine Maximabelastung von (4 x 25 =) 100 Ampere.

Diese hohe Verfügbarkeit von Strom schlägt sich bei dieser Akkus leider deutlich im Gewicht nieder. So ein Akku wiegt zwischen 400-500 Gramm.

Jetzt kommen die Bedingungen an den angedachten Akku für den Long-Ranger ins Spiel. Wir brauchen keine 100A Stromstärke und müssen ein deutlich besseres Verhältnis zwischen Gewicht und Kapazität erreichen. Zum Glück haben Sony und Panasonic ein Schmankerl für uns, welches es so langsam auch dank exponentiell wachsender Bekanntheit in den Endkundenhandel geschafft hat:

Beispiel: DieSony US18650NC1
Original-Sony-US18650NC1-OHNE-Loetfahne

Technische Daten:
Typische Zellenspannung: 3,6V
Nennkapazität: 2900mAh
Ladeschlusspannung: 4,2V
Entladeschlusspannung: 2,5V
Strombelastbarkeit: 8A, 2,75C
Abmessungen, Gewicht: 18x65mm, 43g 

Ein Blick auf die technischen Daten lässt das Modellbauherz höher schlagen: Zellspannung von 3,6V? Passt. Ladeschluss bei 4,2V? Passt. Entladung bis auf… jetzt wird es interessant: 2,5V gegenüber 3,3V! Das bedeutet unser Spannungsfenster hat sich soeben fast verdoppelt! Nennkapazität 2900mAh bei sage und schreibe nur 43g pro Akkuzelle! Die C-Rate ist natürlich deutlich schlechter, aber auch hier wird sich das Bild verbessern, fassen wir diese Zellen mal in einer für uns interessanten Kombination zusammen: 

Wir benötigen hier:

1. 3S, also 11,1 Volt
2. Eine theoretische Maximallast von insgesamt 4 x 8 Ampere pro Motor. Denn spätestens bei 10A werden die gewählten Motoren laut Herstellerangabe am Firmament verglühen.

Los gehts: 3 Zellen in Reihe ergeben 11,1 Volt. Damit sind wir bei 8 Ampere Belastbarkeit. Das ganze Vervierfachen wir nun in Parallelschaltung und kommen somit auf unsere gewünschten 32 Ampere. 12 Zellen á 43g ergeben nun ein Gesamtgewicht von 516g. Außerdem ergibt sich eine Kapazität von sagenhaften 11600 mAh. 

Vergleichen wir das Ergebnis mit einem LiPo gleichen Gewichts auf dem Modellbaumarkt:

Für um die 500g bekommen wir maximal 5800mAh geboten, die zudem nur in einem deutlich kleineren Spannungsfenster geflogen werden dürfen. Auch “Nicht-Mathematiker” werden spätestens jetzt erkennen, was unser neuer LiPo für zukünftige Flugzeiten bedeutet… 😉

Gut, Butter bei die Fische. Was sagen uns diese Werte jetzt?

vorläufige-berechnung

Quelle: http://www.akkukonfigurator.de/akku-konfigurator_accu-rechner.aspx

 Der geladene Akku hat eine Spannung von 12,6 Volt. In diversen Youtube-Videos ist nun zu sehen, das ein Copter mit geringem Eigengewicht – ähnlich der uns zuvor zusammengestellten Konfiguration – im “Gleitflug” zwischen 4-7 Ampere zieht. Das ist ein extrem guter Verbrauch, der mit den Motoren auch zu schaffen sein sollte. Gehen wir jetzt mal pessimistisch von 8 Ampere aus, die unser Copter zieht, dann entspricht das ca. 100 Watt. Berechnen wir jetzt mit diesen 100 Watt aus der Kapazität von 11600mAh eine theoretische Flugzeit, dann kommen wir tatsächlich auf etwas mehr als 60 Minuten Flugzeit!

Leider benötigt der Akku dafür auch gut 4 Stunden, um wieder geladen zu werden, da bei der geringen C-Rate natürlich langsamer geladen werden muss… 😉

Nun hat aber nicht jeder Lust, geschweige denn die technische Vorraussetzung, um sich die einzelnen Zellen in der benötigten Konfiguration aufwendig zusammen zu löten. Zum Glück gibt es inzwischen auch bei uns – bei den normalerweise in Europa in Höhlen lebenden Modellbaushop-Betreibern – die Möglichkeit, den gewünschten LiPo fix und fertig eingeschweißt sowie wunschgerecht konfektioniert zu Bestellen:

Als Beispiel sei hier der “Modellbaufuchs” in Moers gennant, der eben diesen Trend erkannt und individuelle LiPos zum Verkauf anbietet.

http://www.asn-shop.de/

Falls jemand aus Kostengründen die Zellen einzeln bestellen und verlöten möchte:

Tipp 1:

Seid bitte vorsichtig. Bei diesen Akkus befindet sich der Pluspol “oben” an der Spitze des Akkus. Soweit nicht ungewöhnlich. Aber: Das komplette Gehäuse – und eben auch bis nach oben überlappend und durch einen kleinen Kunstoffring getrennt – dient als Masse. Wer hier lange auf der Spitze rumbrät, weil der Lötkolben nicht in der Lage ist einen vernünftigen “Quickie” hinzulegen, der läuft Gefahr, den Schutzring zu beschädigen! Auch ein kleines Zittern mit dem Kolben an der Spitze des Akkus, verbunden mit kurzem Kontakt zum umliegenden Rand, setzt einen Blitz frei, der Euch die Hose auszieht… 😉

Tipp 2:

Lasst Euch nicht von den Angeboten bei Ebay und Amazon locken! Hier werden zum Großteil 18650er Akkuzellen angeboten, deren Kapazitäten jenseits von Gut und Böse liegen. Laut Sony und Panasonic, ist bei max. 3400mAh pro Zelle Schluss. Diverse enttäuschte Käufer haben die dort mit 6000mAh und mehr angegebenen Akkus zerlegt und außer ein bisserl Pulver und einer kleinen versteckten 700mAh-Batterie nichts gefunden.

 

Gut, soweit zur Stromversorgung des Long-Range-Copters. Was das FPV-Fliegen anbelangt, so wird dies deutlich komplizierter, da das Senden auf 433/900 MHz sowie 1,2/1,3GHz in Deutschland furchtbar komplizierten Regeln und Gesetzen unterliegt, so dass sich selbst in diversen Amatuerfunker-Foren hunderte Seiten lang damit auseinandergesetzt wird…

 

 

2 Kommentare

  1. HP sagt:

    WOW – vielen Dank für Deine ausführlichen Berichte über ein Long-Range-Long-Flighttime-Setup!!

    Nachdem ich Part I und Part II mehrmals durchgelesen habe, stellt sich mir nur noch eine Frage:

    lässt sich das System mit Landefüßen, 2D-Gimbal + GoPro 3+ und entsprechendem Videotransmitter für FPV (natürlich unter Inkaufnahme reduzierter Flugzeit) ebenfalls bauen oder widerspricht sich das mit den Spannungen / Komponenten, die von Dir vorgeschlagen wurden?

    Vielen Dank für eine Antwort und mach weiter so!!

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