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Der Antrieb von Modellkunstflugzeugen

Allgemeines

Version 3, 24.10.2007



Inhalt

1 Die Informationen
2 Ergänzungen
         2.1 Akkudaten
         2.2 Akkukosten pro Kilojoule
         2.3 Akkukosten pro Flugstunde
         2.4 Reserven
         2.5 Propelleranpassung


1 Die Informationen

Ralph Okon
Auf Powercroco.de [extern] finden sie eine riesige Fülle an Informationen zu Auslegung, Bau und Optimierung von Elektroantrieben.
Für die Auslegung des gesamten Antriebsstranges ist vor allem das Kapitel "Konstruktion" sowie die Seite Auslegungsempfehlungen [extern] interessant.

Helmut Schenk
Auslegungsempfehlungen [extern]
Gedanken zur Propelleranpassung [extern]

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2 Ergänzungen

Ok, allzu viel gibts bei Powercroco nicht zu ergänzen, aber ich habe nach längerem Suchen und Überlegen doch noch ein paar Lücken gefunden ;-).


2.1 Akkudaten

Bei aller Euphorie über einen neuen "Wunderakku" macht es durchaus Sinn, vor dem Kauf mal ein paar Kennzahlen auszurechnen und nüchtern zu vergleichen.

Als Kennzahlen bieten sich an:
[-] (1) Energiedichte [kJ/kg]
[-] (2) Energiekosten 1 [SFR/kJ]
[-] (3) Energiekosten 2 [SFR/kJ]
[-] (4) Dauerentladestrom [C]
[-] (4) Max. Entladestrom [C]
[-] (4) Normalladestrom [C]
[-] (4) Schnelladestrom [C]
[-] (5) Spannungskurve bei Entladung mit 10C/20C
[-] (6) Selbstentladung
[-] (7) Lebensdauer
[-] (8) Temperaturempfindlichkeit

(1): Energiedichte[kJ/kg] = (Energiegehalt des Akkus[kJ])/Akkumasse[kg]
Energiegehalt des Akkus [kJ] = (Effektiv entnehmbare Kapazität[Ah])*3.6*Lastspannung[V]
Eine höhere Energiedichte bedeutet mehr Energie bei gleicher Masse und/oder weniger Masse bei gleicher Energie.

(2): Energiekosten 1 [SFR/kJ] = Akkupreis[SFR]/(Energiegehalt des Akkus[kJ])
Die Energiekosten 1 sagen aus, wieviel man für 1 Kilojoule Energie hinblättern müsste, wenn man den Akku nur einmal Laden und entladen könnte. Je kleiner dieser Wert, desdo kleiner sind die "Anfangsinvestitionen", die beim Kauf des Akkus anfallen.

(3): Energiekosten 2 [SFR/kJ] = Akkukosten[SFR]/(Energiegehalt des Akkus[kJ]*Anzahl Ladezyklen)
Die Energiekosten 2 sagen aus, wieviel man effektiv für ein Kilojoule Flugenergie hinblättern muss, wenn man den Akku vollständig ausreizt. Diese Kosten werden relevant wenns um die Berechnung der Akkukosten/Flugstunde geht.

Beispiel:
Akku 1: 100 SFR, 1kJ, 200 Zyklen, 0.2kg
Akku 2: 200 SFR, 1kJ, 400 Zyklen, 0.2kg
Die Energiekosten 1 sind beim Akku 2 doppelt so hoch wie beim Akku 1, die Energiekosten 2 sind jedoch bei beiden gleich. Mit Akku 1 hat man die Betriebskosten einfach feiner verteilt, da häufiger kleinere Beträge für neue Akkus anfallen. Im Gegenzug produziert man mit Akku 1 aber auch mehr Abfall.

(4): Dauerentladestrom, Max. Entladestrom, Normalladestrom und Schnelladestrom werden als Vielfaches der Akkukapazität C (in Amperestunden [Ah] gemessen) angegeben. Dauerentladestrom 20C bedeutet z.B, dass ein Akku mit 4Ah mit 20*4=80A entladen werden kann.

(5): Ideal wäre eine Spannungskurve, die bis 90 Prozent der entnommenen Kapazität horizontal verläuft, dann merklich einsackt, die letzten 10 Prozent wieder konstant bleibt und dann endgültig einbricht. Die gerade Spannungskurve in den ersten 90 Prozent bedeutet gleichbleibende Leistungsentfaltung, der Knick bei 90 Prozent signalisiert eindeutig ein Leerwerden des Akkus, die Restenergie reicht aber noch komfortabel zum landen.
Die Spannungskurve realer Akkus sieht meistens so aus: Anfangs nimmt die Spannung innerhalb weniger Sekunden stark ab, stabilisiert sich dann auf einer Lastspannung, die mit zunehmender Entladung noch leicht abnimmt. Am Schluss fällt die Spannungskurve dann mehr oder weniger steil ab.
Akkus, bei denen die Spannung zwischen 10 und 90 Prozent der entnommenen Kapazität zu stark abfällt sind nicht wirklich brauchbar, da dadurch die Antriebsleistung am Anfang des Fluges zu hoch und/oder am Schluss des Fluges zu tief ist.

(6): Ein Akku, der bereits 1 Stunde nach dem Laden 10 Prozent seiner Energie verloren hat nervt grauenhaft, je tiefer hingegen die Selbstentladung, desdo länger kann die Pause zwischen Laden und Einsatz sein. Heutige Lipos kann man problemlos laden, geladen lagern und bei Bedarf herausholen, die Selbstentladung ist so gering dass man die Leistungseinbusse problemlos verschmerzen kann.

(7): Im wesentlichen die Lebensdauer, wenn man einen Akku (optimal gelagert) einfach liegen lässt. Je mehr Zyklen ein Akku aushält, desdo höher muss diese Lebensdauer sein, ein Akku mit 1000 Möglichen Zyklen, der aber nach einem Jahr schon schwächelt macht z.B. schlicht und ergreifend keinen Sinn.

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2.2 Akkukosten pro Kilojoule

Der Kaufpreis eines Lipos ist für Vielflieger herzlich uninteressant, hier zählt nur der Preis pro effektives Kilojoule:

Akkukosten pro Kilojpule = Kaufpreis/(Kapazität(Ah)*Spannung(V)*3.6*Zyklen)

Kaufpreis
Hier kann man mittels geschickter Kauftaktik, z.B. Direktimporten aus China oder mit No-Name-Produkten (die aber manchmal gleich viel leisten wie die Label-Produkte) ne Menge rausholen, andererseits kann man da aber auch mächtig ins Klo greifen.
Unabhängig davon, halber Akkupreis bedeutet automatisch halbe Akkukosten pro Flugstunde

Kapazität
Hersteller schreiben auf ihre Lipos ne ganze Menge lustiger Sachen drauf. Je nach Fabrikat bricht ein 2500mah-Lipo anfangs bei 1500-2500 mAh entnommener Kapazität ein. Auch die Alterung ist unterschiedlich, manche Lipos bauen im Verlauf ihres Lebens kontinuierlich Kapazität ab, andere behalten die Kapazität bis kurz vor dem bitteren letzten Zyklus. Zusammen mit der 80%-Regel (Lipo nicht weiter als 80% der effektiven Kapazität entladen) kommt dann eine Durchschnittskapazität bei raus, bei wirklich guten 2500mAh-Akkus irgendwas um die 2000mAh. Für die Kapazität in obiger Formel ist daher die Durchschnittskapazität einzusetzen.

Spannung
Gemeint ist hier die Spannung unter Last bei einem Akku, der bereits die hälfte seiner möglichen Zyklen hinter sich hat.

Zyklen
Wenn zwei Lipos mit der selben effektiven Kapazität gleich viel Kosten, der eine 150 Zyklen und der andere 300 Zyklen hält, dann ist der Preis pro effektive Amperstunde beim 300 Zyklen-Kollegen halb so gross wie beim 150-Zyklen-Modell! Die Zyklenzahl geben die Hersteller meist gar nicht erst an, da muss man sich auf eigene Erfahrungen oder auf (nach eigener Einschätzung) glaubwürdige Messresultate anderer verlassen.

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2.3 Akkukosten pro Flugstunde

Ein wichtiger (da modellspezifischer) Parameter bei der Planung eines Elektrokunstflugmodells sind die Akkukosten pro Flugstunde:

Akkukosten pro Flugstunde = Akkukosten pro Kilojoule * Kilojoule pro Flugstunde

Kilojoule pro Flugstunde
Diese lassen sich nur grob abschätzen, da speziell der 3D kunstflug hochdynamisch ist und je nach Flugprogramm und Flugstil völlig verschiedene Antriebsleistungen benötigt werden. Folgende Kennzahlen lassen sich dennoch ermitteln:
[-] Torquen: Man torquet mit dem Modell eine gewisse Zeit (oder hält es am Boden stehend bei Torqueleistung fest), lädt den Akku anschliessend wieder auf und notiert die eingeladene Kapazität: Kilojoule pro Flugstunde = Kapazität(AH)*3.6*Spannung (V)*60/Flugzeit(Minuten)
[-] Höhe Halten: Kilojoule pro Flugstunde = Kapazität(Ah)*3.6*Spannung(V)*60/Flugzeit die entsteht, wenn man gerade eben die höhe hält (=maximale Flugzeit in Minuten)
[-] Programmspezifisch: Kilojoule pro Flugstunde = Kapazität (Ah)*3.6*Spannung(V)*60/Flugzeit(Minuten) fürs Programm.

[-] Vollgas im Stand: Kilojoule pro Flugstunde = Akkuspannung(V)*Strom(A)*3.6*60/Vollgaszeit(Minuten)

Die Effektiven Kilojoule/Flugstunde liegem im 3D meist irgendwo knapp unter der Torque-Eingangsleistung, aus der Vollgasleistung lässt sich die Minimalst-Flugzeit berechnen.

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2.4 Reserven

Wieviel Leistung braucht der Mensch? Im Wesentlichen soviel, das der Gasknüppel bei einem bestimmten Flugprogramm nie ganz am Anschlag ist :D. Und wenn der Knüppel am Anschlag ist kann man entweder den Antrieb aufrüsten oder das Flugprogramm anpassen.

Bei vollen Lipos ist die Spannungslage höher als bei fast leeren, und je älter der Akku wird desto geringer wird die Spannung die er unter Last liefern kann. Bei hohen Aussentemperaturen und schlechter Belüftungssituation kann man genau so Leistungsprobleme bekommen wie bei zu tiefen Temperaturen mit zu schlecht isoliertem Akku. Wenn man seinen Antrieb also auf einen vollen und neuen Akku bei 10 Grad Aussentemperatur hin auslegt wird man sich bereits nach kurzer Zeit gewaltig nerven, weil der Antrieb dann bereits bei halvollem Akku nicht mehr die Leistung liefert die er liefern sollte.
Aus diesen Gründen lohnt es sich, den Antrieb eher konservativ auszulegen und sich über die Mehrleistung am Anfang zu freuen:
[-] Lipo-Akkuspannung mit 3.2V pro Zelle ansetzen.
[-] Vom erwarteten Wirkungsgrad der Motor-Regler-Kombination noch 5 Prozent abziehen.
[-] Für 3D-Modelle: C-Rate und Belüftung von Lipo so ansetzen, dass man bei 30 Grad Aussentemperatur eine Akkuladung leertorquen kann, ohne dabei Stress mit der Temperatur des Antriebsstranges zu bekommen.

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2.5 Propelleranpassung

3D-Flug
Wie gut ein Propeller im 3D-Flug funktioniert kann man aus dem Beschleunigen aus dem Torquen herauslesen. Am Beispiel meiner Velox Nr.1:
[-] APC Slowfly 9x4.5: Antrieb dreht beim Gasgeben schnell hoch, das Modell beschleunigt erst mit deutlicher Verzögerung. Die Endgeschwindigkeit ist gleich gross wie bei der APC-Slowfly 10x3.8. Dieser Propeller ist für 3D nicht wirklich geeignet, da er zu wenig Biss hat, die Modellbeschleunigung also zu stark hinter dem Hochdrehen des Antrieb hinterher hinkt.
[-] APC Slowfly 10x3.8: Antrieb dreht beim Gasgeben etwas langsamer hoch, das Modell beschleunigt ohne merkliche Verzögerung. Dieser Propeller ist für 3D sehr gut geeignet.
[-] APC Slowfly 11x3.8: Antrieb dreht beim Gasgeben recht langsam hoch, das Modell beschleunigt ohne Verzögerung, es klebt damit förmlich am Himmel. Die vertikale Endgeschwindigkeit ist geringer als mit der 10x3.8, der Antrieb hat mit dem Propeller schon merklich zu kämpfen. Dieser Propeller ist daher für 3D weniger geeignet, da schlicht zu gross.

Dynamischer Kunstflug
Hier interessiert das Beschleunigungsverhalten zwischen Minimalgeschwindigkeit im Horizontalflug und vom Programm geforderter Maximalgeschwindigkeit. Der Propeller muss hier in allen Geschwindigkeitsbereichen genügend Biss haben. Bei den oben genannten Propellern hat hier eindeutig die APC Slowfly 9x4.5 die Nase vorn, die anderen haben zu wenig Steigung, die Endgeschwindigkeit ist zu niedrig und im oberen Geschwindigkeitsbereich fehlt der Biss.

Kombilösungen
Anhand obiger Überlegugnen sieht man leicht, dass man mit einem starren Propeller nicht beide Bereiche optimal abdecken kann. Wer beides fliegen will braucht entweder zwei Propeller (einen für jeden Flugstil, ist man mal in der Luft ist der Flugstil bis zur nächsten Landung durch den Propeller festgelegt) oder einen in der Luft verstellbaren Propeller. Mit genügend Motorleistung kann man sich auch mit einem "Mittelding" von Propeller durchmogeln, optimal ist das jedoch nicht.

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[Copyright] Fabian Günther
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