Akkus: der 2S-LiPo

Strido läuft mit einem 2S-Lithium-Polymer-Akkupack (LiPo): 7,4 V nominal, 5000 mAh, etwa 37 Wh. Ein LiPo speichert viel Energie für sein Gewicht und kann große Ströme liefern, ist aber auch das eine Teil des Roboters, das einen Brand auslösen kann. Diese Seite erklärt die Zahlen auf dem Etikett und die Gewohnheiten, die den Akkupack gesund und sicher halten.

In Strido

• Teil: LiPo 2S 5000 mAh Hardcase mit XT60, max. 138 × 47 × 25 mm (Gens-ace-G-Tech-Klasse), Stücklistenposition lipo_2s_5000.
• Zubehör: Balance-Ladegerät mit Netzeingang (B6AC-Klasse, charger), LiPo-Sicherheitstasche (lipo_bag), LiPo-Zellenprüfer / Unterspannungsalarm (lipo_checker).
• Daten: hardware/electronics.yaml → power.pack (7,4 V nominal, 8,4 V voll, 6,4 V leer, 5000 mAh) und rails.pack (6,0–8,4 V).
• Firmware: Akku-Warnung bei 6,8 V, Servoabschaltung bei 6,4 V (firmware/strido_esp32s3/lib/strido_core/include/strido/safety.h), gemessen vom INA260.
• ROS 2: /battery_state (Akkuspannung und Strom des Logikzweigs).

Zellen und die Bezeichnung „2S“

Eine LiPo-Zelle ist ein einzelner Lithium-Ionen-Pouch. Ihre Spannung hängt vom Ladezustand ab:

Zellzustand	Spannung pro Zelle	2S-Akkupack
Voll (Ladeende)	4,20 V	8,4 V
Nominal (Etikettwert)	3,70 V	7,4 V
Strido-Warnung	3,40 V	6,8 V
Strido-Servoabschaltung	3,20 V	6,4 V
Niedrigster Schienenwert, für den der Logikzweig geprüft ist	3,00 V	6,0 V

2S bedeutet zwei Zellen in Serie: Die Spannungen addieren sich, und die Kapazität bleibt die einer Zelle. (Ein „2S2P“-Akkupack hätte zwei parallele Paare und doppelte Kapazität.) Zwei Zellen wurden gewählt, weil:

• 2S (6,4–8,4 V im Betrieb) knapp über der 6,0-V-Servoschiene liegt, sodass die UBECs nur wenig herunterregeln müssen.
• 2S der übliche RC-Car-Akkupack ist, sodass Akkupacks, Ladegeräte und XT60-Leitungen günstig und leicht erhältlich sind.

Kapazität und Energie

Kapazität (mAh) ist die Ladung $Q$: 5000 mAh bedeutet, dass der Akkupack eine Stunde lang 5 A oder fünf Stunden lang 1 A liefern kann, bevor er leer ist. Ladung ist der über die Zeit integrierte Strom, $Q=\int I\mathrm{d}t$, bei konstantem Strom also $Q=It$. Energie (Wh) berücksichtigt auch die Spannung. Elektrische Leistung ist $P=VI$; ihr Integral über die Entladung ergibt die Energie, und bleibt die Spannung nahe ihrem Nennwert, vereinfacht sich dies zu

$$E=\int VI\mathrm{d}t\approx V_{\mathrm{nom}}Q=7.4\mathrm{V}\times 5.0\mathrm{Ah}=37\mathrm{Wh}$$

(1 Wh = 3600 J, das sind also etwa 133 kJ.) Die Nennspannung wird verwendet, weil die Spannung eines LiPo über den Großteil der Entladung sanft von 4,2 V auf etwa 3,2 V pro Zelle fällt; 3,7 V pro Zelle ist ein guter Mittelwert.

Die Energie ist die Größe, die die Laufzeit vorhersagt. docs/electronics.md schätzt etwa 60 W Entnahme aus dem Akkupack beim Trot (12 Servos ≈ 50 W, plus Pi, LiDAR und der Rest, über Wandler mit 90 % Wirkungsgrad). Mit einem nutzbaren Anteil ${\eta }_{\mathrm{use}}=0.8$ der gespeicherten Energie:

$$E_{\mathrm{usable}}\approx 37\mathrm{Wh}\times 0.8=29.6\mathrm{Wh}$$$$t_{\mathrm{run}}=\frac{E_{\mathrm{usable}}}{P}\approx \frac{29.6\mathrm{Wh}}{60\mathrm{W}}\approx 0.5\mathrm{h}\approx 30\min \text{trotting}$$

Stehen verbraucht weniger, daher schätzt das Dokument etwa 45 min. Der Faktor 80 % ist da, weil die Firmware die Servos lange vor der echten Entleerung der Zellen abschaltet. Beide Laufzeiten sind als [ESTIMATE] markiert: Messen Sie Ihre eigene mit /battery_state und einer Strommesszange.

37 Wh liegen auch unter der Grenze von 100 Wh, oberhalb derer der Versand eines LiPo einen Zuschlag kostet (docs/bom/sources.md).

C-Rate: wie schnell der Akkupack liefern kann

Die C-Rate drückt den Strom als Vielfaches der Kapazität aus. Mit $Q$ in Amperestunden bedeutet eine Rate von $C$ den Strom

$$I=C\cdot \frac{Q}{1\mathrm{h}}$$

also sind 1C bei einem 5000-mAh-Akkupack $5\mathrm{A}$, und 60C sind $60\times 5\mathrm{A}=300\mathrm{A}$ (der Dauerwert des Gens-ace-Akkupacks; 100C ergibt $500\mathrm{A}$ Spitze). Gleichbedeutend: Ein mit $n$C entladener Akkupack ist in $1/n$ Stunden leer.

hardware/electronics.yaml verzeichnet für diesen Akkupack einen max_discharge_a von 300 A (60C dauerhaft, Gens ace GEA502S60X6HGT). Der ungünstigste Akkustrom des Roboters beträgt etwa 23,6 A (Servo- und Logikzweig, docs/verification/electronics.md), der Akkupack arbeitet also unter einem Zehntel seiner Nennbelastbarkeit.

Warum weit mehr C kaufen als nötig? Jede Zelle verhält sich grob wie eine ideale Spannungsquelle $V_{\mathrm{oc}}$ (die Leerlaufspannung) in Reihe mit einem Innenwiderstand $R_{\mathrm{int}}$. Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Klemmenspannung unter Last

$$V_{\mathrm{term}}=V_{\mathrm{oc}}-I{R}_{\mathrm{int}}$$

und der Akkupack wandelt außerdem $P_{\mathrm{loss}}=I^2{R}_{\mathrm{int}}$ in Wärme um. Ein Akkupack mit höherer echter C-Rate hat meist einen geringeren Innenwiderstand und bricht daher weniger ein, wenn zwölf Servos gemeinsam eine Stromspitze ziehen. Zur Veranschaulichung (kein Messwert): Ein Akkupack mit $R_{\mathrm{int}}=10\mathrm{m}\mathrm{\Omega }$ würde beim ungünstigsten Strom des Roboters von $23.6\mathrm{A}$ um $0.24\mathrm{V}$ einbrechen und $5.6\mathrm{W}$ verheizen. Weniger Einbruch bedeutet weniger falsche Unterspannungsmeldungen und mehr Spannungsreserve für die UBECs. Billige Akkupacks geben ihre C-Rate oft zu hoch an, weshalb docs/bom/sources.md den LiPo zu den Teilen zählt, bei denen die Marke zählt (Hardcase, echte C-Rate).

Lasteinbruch und der Abschaltfilter

Der Einbruch ist auch der Grund, warum die Firmware nicht bei einem einzelnen niedrigen Messwert abschaltet. Der INA260 wird alle 100 ms gelesen. Die Servos werden erst nach 5 aufeinanderfolgenden Messwerten unter 6,4 V (0,5 s) entspannt, sodass eine kurze Stromspitze mitten im Schritt den Roboter nicht fallen lässt. Ein wirklich leerer Akkupack bleibt niedrig und löst die Abschaltung aus.

Laden: immer mit Balance-Ladegerät

LiPo-Zellen werden mit Konstantstrom, dann Konstantspannung (CC/CV) geladen: Das Ladegerät treibt einen eingestellten Strom, bis die Zelle 4,20 V erreicht, und hält dann 4,20 V, während der Strom abfällt. Über 4,20 V pro Zelle wird die Zelle beschädigt und kann instabil werden.

In einem Serien-Akkupack sieht das Ladegerät nur die Gesamtspannung, und die beiden Zellen sind nie genau gleich. Eine Zelle könnte 4,30 V erreichen, während die andere noch bei 4,10 V liegt, und die Summe würde trotzdem 8,4 V anzeigen. Die Balance-Leitung, der kleine Zusatzstecker mit einem Draht pro Zellverbindung, lässt ein Balance-Ladegerät jede Zelle messen und die höhere entladen. Das Ladegerät der B6AC-Klasse von Strido tut das.

Faustregeln (siehe Battery University unter Weiterführende Literatur):

• Laden Sie mit 1C oder weniger: 5 A für diesen Akkupack.
• Stecken Sie immer die Balance-Leitung an und wählen Sie das LiPo-Programm mit der richtigen Zellenzahl (2S).
• Laden Sie in der LiPo-Tasche auf einer nicht brennbaren Unterlage und lassen Sie ihn nie unbeaufsichtigt (docs/electronics.md, Sicherheitsregeln).
• Lassen Sie einen warmen Akkupack vor dem Laden abkühlen.

Lagerspannung

Ein LiPo altert am schnellsten, wenn er voll (4,20 V pro Zelle) gelagert wird, und er wird beschädigt, wenn er leer gelagert wird. Bringen Sie für eine Lagerung von mehr als einigen Tagen jede Zelle auf etwa 3,80–3,85 V (etwa 7,6–7,7 V für den Akkupack). Die meisten Balance-Ladegeräte, auch die der B6AC-Klasse, haben ein Storage-Programm, das automatisch auf diesen Wert lädt oder entlädt.

Der LiPo-Prüfer

Der Zellenprüfer wird an die Balance-Leitung gesteckt und zeigt die Spannung jeder Zelle und die Summe. Verwenden Sie ihn:

• Vor einem Einsatz: beide Zellen nahe 4,2 V und innerhalb weniger Hundertstel Volt voneinander.
• Nach einem Einsatz: Zellen noch bei oder über etwa 3,2 V und weiterhin ausgeglichen.
• Vor der Lagerung: Zellen auf Lagerspannung.

Eine Zelle, die sich Einsatz für Einsatz von ihrer Partnerzelle entfernt, ist das erste Anzeichen eines versagenden Akkupacks. Im Alarmmodus piept der Prüfer, wenn eine Zelle unter einen Schwellwert fällt. Das ergänzt die Warnung der Firmware um eine zweite, unabhängige.

Sicherer Umgang

LiPo-Brandgefahr

Ein beschädigter, überladener oder tiefentladener LiPo kann ausgasen und heftig brennen. Ein LiPo-Brand lässt sich nicht durch Ersticken löschen.

• Prüfen Sie den Akkupack. Ein Hardcase hilft, aber achten Sie nach dem Gebrauch auf Aufblähen („Puffing“), Dellen, beschädigte Drähte oder einen heißen Akkupack. Nehmen Sie jeden aufgeblähten Akkupack außer Betrieb.
• Schließen Sie die Leitungen nie kurz. Der Akkupack kann Hunderte Ampere liefern. Deshalb darf der Arming-Loop-Key auch nie in die XT60 des Akkus selbst passen. Siehe Stromversorgung für die Kontaktregel.
• Sicherung nahe am Akkupack. Die 25-A-Hauptsicherung schützt den 14-AWG-Hauptstrang direkt nach dem Akkueingang.
• Nach dem Gebrauch abstecken. Auch bei ausgeschalteter Logik bleibt der Roboter über seine Verkabelung mit dem Akkupack verbunden. Trennen Sie den Akku, wenn Sie fertig sind.
• Transportieren und lagern Sie den Akkupack in der LiPo-Tasche, auf Lagerspannung und fern von Hitze.
• Fachgerecht entsorgen: Vollständig mit dem Entladeprogramm eines Ladegeräts entladen und dann zu einer Batteriesammelstelle bringen.

Selbsttest

1. Wie hoch ist die Akkuspannung eines 2S-LiPo bei 3,4 V pro Zelle, und was tut die Firmware dort?
2. Wie viel Strom sind 2C für diesen Akkupack?
3. Warum braucht ein Balance-Ladegerät die Balance-Leitung, wenn es an den Hauptleitungen bereits 8,4 V misst?
4. Warum wartet die Firmware auf fünf aufeinanderfolgende niedrige Messwerte, bevor sie abschaltet?
5. Sie werden den Roboter einen Monat lang nicht benutzen. Was sollten Sie mit dem Akkupack tun?

Antworten

1. 6,8 V; die Firmware löst die Akku-Warnung aus.
2. $2\times 5\mathrm{A}=10\mathrm{A}$.
3. Die Summe kann 8,4 V anzeigen, während eine Zelle überladen und die andere unterladen ist; nur die Messung pro Zelle zeigt und korrigiert das.
4. Stromspitzen lassen die Spannung kurz einbrechen. Die Forderung von 0,5 s unter 6,4 V ignoriert Spitzen und reagiert nur auf einen wirklich leeren Akkupack.
5. Bringen Sie ihn mit dem Storage-Programm des Ladegeräts auf Lagerspannung (etwa 3,80–3,85 V pro Zelle) und bewahren Sie ihn in der LiPo-Tasche auf.

Weiterführende Literatur

• BU-409: Laden von Lithium-Ionen-Akkus (Battery University)
• BU-808: Wie man die Lebensdauer von Lithium-Akkus verlängert (Battery University)
• TI-INA260-Datenblatt: der Sensor, der die Akkuspannung misst
• Verwandte Seiten: Stromversorgung, Sicherheit, Elektronik, Verkabelung und Stromversorgung