Wat houdt het balanceren of balancing van een LFP accu in en waarom wordt dat gedaan?

In dit artikel bespreken we waarom het balanceren van een accu noodzakelijk is en wat de gevolgen zouden kunnen zijn als je dit achterwege laat. Daarnaast gaan we in op het verschil tussen passief balanceren (passive balancing) en actief balanceren (active balancing).

Wat houdt het balanceren of balancing van accucellen in?

Het balanceren van een accu, nauwkeuriger het "in balans brengen van accucellen waaruit een accu bestaat", is een techniek om de mogelijke nadelige gevolgen te voorkomen als tussen de cellen van een accu onderlinge verschillen bestaan (niet in balans zijn).

Wat wordt verstaan onder het in onbalans zijn van accucellen?

Cellen van een accu zijn in onbalans als de cellen een niet gelijke SoC (State of Charge) hebben. Dus als de ladingsgraad verschilt.

Voor de duidelijkheid, en dit is lastig te doorgronden voor beginners: bij gebalanceerde cellen kán de lading van de cellen (de opgeslagen energie) verschillen. Zolang de SoC van de cellen gelijk is, zijn de cellen "in balans".

Cellen van een accu zullen nooit constant perfect in balans zijn. Ook zal de veroudering zorgen voor grotere wordende onderlinge verschillen, maar het balanceren zorgt er voor dat de gevolgen van deze verschillen minimaal zijn. Dat de cellen onderling verschillen is een feit, het balanceren van de cellen verandert dat niet, maar wel de ongemakken die deze verschillen met zich meebrengen.

Wat zijn de mogelijke gevolgen van een onbalans in een accu?

Het gevolg van ongebalanceerde cellen kan zijn dat de accu niet de capaciteit levert die optimaal mogelijk is en dat tijdens het laden van de accu het BMS (battery management system) de accu uitschakelt ter bescherming van de accu om het overladen van de ongebalanceerde accucellen te voorkomen.

BMS?

Een BMS is een stuk elektronica die de accu bewaakt en beschermt tegen onder meer diepontladen en overladen. Beiden zijn heel slecht voor de accu en in extreme gevallen heeft dit catastrofale gevolgen zoals het gassen. Iedere accu zou een BMS moeten hebben. Meer hierover in het artikel over de functies van een BMS.

Wat is het verschil tussen een passieve en actieve balancer?

Een passieve balancer zal accucellen met een te hoge SoC (ten op zichte van de andere) deze langzaam ontladen en de onttrokken energie in een weerstand omzetten in warmte. Die energie gaat dus verloren.

Een actieve balancer zal ook de accucellen met een te hoge SoC ontladen, maar die onttrokken energie zal gebruikt worden om daarmee de accucellen met een lagere SoC een beetje meer op te laden. Een dubbele werking, geen energie gaat verloren^[1] en wellicht het belangrijkste, een actieve balancer gebruikt een balanceerstroom die circa tien tot twintig keer hoger is dan een passieve balancer.

Een passieve balancer kan alleen hele kleine verschillen teniet doen en doet daar ook nog eens lang over, mogelijk dagen, soms weken en in extreme gevallen zullen de cellen uit balans blijven.

Als de onbalans iets groter is, dan is een passieve balancer niet in staat de cellen te balanceren. Daarom is het sterk te adviseren om een actieve balancer te gebruiken.

Voorbeeld: beperktere accucapaciteit

Een voorbeeld maakt de taak van de balanceerfunctie duidelijk. De onbalans in het voorbeeld is expres groot gekozen, maar dat doen we om de problematiek goed inzichtelijk te maken. In het voorbeeld houden we het ook expres eenvoudig en laten we bepaalde zaken weg die nu, voor de begripsvorming niet van belang zijn.

Stel dat een accu bestaat uit vier in serie geschakelde accucellen, de cellen hebben allen een capaciteit van 100 Ah, dus de accu zou dan een capaciteit moeten hebben van 100 Ah (bij het in serie schakelen van accucellen neemt de accuspanning toe, de capaciteit blijft gelijk).

Maar in dit voorbeeld zijn de accucellen niet gebalanceerd. Cel 1, 2 en 3 hebben een SoC van 80% en cel 4 heeft een SoC van 90%. Als de accu nog 10% verder opgeladen wordt, dan zullen de cellen 1, 2 en 3 een SoC hebben van 90% en cel 4 zit dan op 100%. Dat cel vier op 100% zit "ziet" het BMS omdat bij een SoC van 100% een bepaalde accucelspanning hoort (en het BMS de individuele celspanningen meet).

Zodra het BMS meet dat cel 4 op 100% zit, dan wordt het laden van de accu gestopt. De cellen 1, 2 en 3 hebben op dat moment een SoC van 90%.

Is dat erg? Het is maar wat je erg vindt. Maar het gevolg van deze onbalans is dat in dit geval de cellen 1, 2 en 3 een lading hebben van 90 Ah en cel 4 een lading van 100 Ah.

Het gevolg is dat de accu als geheel een bruikbare lading heeft van 90 Ah. De cel met de kleinste lading bepaalt de bruikbare lading van de gehele accu.

Dat leggen we even uit. In dit voorbeeld hebben de cellen een lading van 90, 90, 90 en 100 Ah. Als uit die accu een lading is onttrokken van 90 Ah, dan hebben de cellen een lading van 0, 0, 0 en 10 Ah.

Die eerste drie cellen zijn dus helemaal leeg. Dat er in cel 4 nog wat lading zit, daar heb je niets aan, want als je de accu verder zou proberen te ontladen, dan zal het BMS de accu uitschakelen om te voorkomen dat de cellen 1 t/m 3 diepontladen worden en daardoor defect zouden raken.

De bruikbare capaciteit van deze (ongebalanceerde) accu is dus 90 Ah en dus niet de 100 Ah die je had verwacht.

Voorbeeld: accucel wordt overladen

We duiken in dit voorbeeld iets meer de techniek in. We gebruiken de accu uit het vorige voorbeeld.

In het vorige voorbeeld hebben we bepaalde details van het laden bewust weggelaten en die gaan we nu wel behandelen.

Als je een accu wil laden dan heb je een accu en een acculader nodig. Strikt genomen is een BMS voor het laden, niet noodzakelijk. We gaan nu bespreken wat de gevolgen zijn als je ongebalanceerde cellen in een accu hebt en géén BMS.

Wat je moet weten is dat bij een accu de accuspanning en de SoC een relatie met elkaar hebben. Hoe lager de SoC, hoe lager de accuspanning, hoe hoger de SoC, hoe hoger de accuspanning.

Aan de hand van de accuspanning kan je dus een inschatting maken van de SoC van de accu. Dit geldt op accu-nivo, maar ook op accucel-nivo. Maar bedenk, het is en blijven schattingen.

De accu in ons voorbeeld betreft een LFP accu met vier accucellen. Een LFP accucel mag een maximale spanning hebben van 3,65 Volt, daarboven zal hij overladen worden. Dus bij een accu met vier accucellen mag de accu een maximale spanning hebben (tijdens het laden) van 4 x 3,65 Volt = 14,6 Volt.

De acculader, die "op accu-nivo" werkt en niet op "accucel-nivo", sluiten we aan op de plus en min van de accu, en stellen we in op een maximale acculaadspanning van 14,6 Volt. Op dat moment zal de accu geladen worden en zal gestaag de accuspanning stijgen.

Als na een bepaalde laadtijd de accuspanning gestegen is tot 14,6 Volt, dan denk je, zo netjes, de accu is geladen. Klus geklaard.

Maar wat je niet weet dat je, in dit voorbeeld, één van de accucellen ver hebt overladen!

In ons voorbeeld waren de accucellen in onbalans. Tussen de cellen 1, 2 en 3 en cel nummer 4 zat een verschil van 10% in SoC waarde. Dat betekent dat cel nummer vier, waarvan de SoC 10% hoger was dan de anderen, een celspanning had die hoger was dan de andere.

Tijdens het laden zal accucel nummer vier op een gegeven moment de 3,65 Volt bereiken. En daarmee beschouwen we hem als volledig geladen, dus een SoC van 100%^[2].

Op het moment dat accucel nummer 4 de 3,65 Volt aantikte, was de celspanning van nummer 1, 2 en 3 bijvoorbeeld 3,4 Volt (dit is maar even een aanname om makkelijk mee te rekenen).

De accuspanning was op dat moment de som van de spanningen van alle vier de cellen. Dat was: 3,4 + 3,4 + 3,4 + 3,65 = 13,85 Volt. De acculader die ingesteld is op een maximale acculaadspanning van 14,6 Volt denkt dat de accu nog niet tot 100% geladen is, want dat verwacht hij pas als de accuspanning 4 x 3,65 = 14,6 Volt is.

De accu en de acculader communiceren niet over dit soort details, de acculader heeft als enige bron van informatie die 13,85 Volt accuspanning.

Dus wat gaat de accuclader doen? Die gaat gewoon lekker door met de accu laden. Maar ho! Wacht! Houston we have a problem. De accu bevat een cel die al tot 100% geladen is, die heeft een celspanning van 3,65 Volt en mag zeker niet verder geladen worden! We moeten dus direct stoppen met laden!

Maar ach, de acculader is zich niet bewust van dit klein leed wat zich afspeelt in de accu. Die ziet een accuspanning van 13,85 Volt en denkt, zo nog even de schouders er onder, en dan is de klus voor vandaag weer geklaard.

Het gevolg is dat in de accu stroom wordt gepompt. Daarmee zal de SoC van cel 1 t/m 3 stijgen en ook hun celspanning, maar cel nummer 4 zit nokkie nokkie vol. Toch wordt er stroom door zijn strot gedouwd. En wat moet hij daarmee? Het enige dat hij kan doen is dit omzetten in warmte^[3].

Die accucel wordt, terwijl de andere drie de accucellen verder richting 100% geladen worden, steeds maar warmer en warmer. Wat er ook gebeurt is dat de spanning steeds verder oploopt van cel nummer 4. Die gaat steeds meer richting 4 Volt.

De lader zal namelijk pas stoppen als de accuspanning 14,6 Volt is, en dat zou betekenen dat nog 14,6 - 13,85 = 0,75 Volt toegevoegd zal worden, verdeeld over de vier cellen. Dus 0,75 / 4 = 0,1875 Volt per cel.

Het lijkt dan logisch dat de acculader stopt (in dit voorbeeld) als cel 1 t/m 3 een spanning hebben van 3,4 + 0,1875 = 3,5875 Volt en cel nummer 4 een spanning heeft van 3,65 + 0,1875 = 3,8375 Volt. Ter controle: 3 x 3,5875 + 3,8375 = 14,6 Volt.

Op zich is een celspanning van 3,8375 Volt al véél en véél te hoog voor een LFP cel, maar het wordt nog erger. We schreven al "het lijkt dan logisch", maar die aanname blijkt totaal verkeerd. Wat je later zal leren is, dat zodra een LFP accucel 100% geladen is en je tóch nog (relatief weinig) energie toevoegt de spanning veel sneller stijgt dan de andere cellen die nog niet op 100% SoC zitten. En dat sneller stijgen blijkt "als een raket zo snel te stijgen". Dus cel 4 heeft dus een véél hogere spanning dan die 3,8375 Volt, waarschijnlijk 4,2 Volt of daaraan voorbij.

Hoe ver die spanning oploopt heeft te maken hoe sterk die cellen 1, 2 en 3 in onbalans zijn met cel nummer 4. Je kan ook zeggen, cel 4 is in onbalans met 1, 2 en 3.

Eén ding is zeker, die cel 4 wordt zwaar overladen. Hoe langer dat overladen duurt, hoe warmer hij wordt, hoe meer permanente schade aan de cel wordt toegebracht. Dat zou nog tot daar aan toe zijn, maar een mogelijke catastrofe ligt op de loer.

De temperatuur loopt steeds maar verder op, en komt op een gegeven moment op een kantelpunt waarbij bepaalde chemische processen gestart worden die zelf warmte produceren (zich zelf versterkende processen). Uitschakelen van de lader, of de accu totaal ontkoppelen zal niet een toekomstige catastrofe afwenden. De lont is ontstoken en het enige wat je kan doen is toekijken, hoewel het beter is als je hard wegrent en iedereen in de buurt waarschuwd.

Het uitschakelen van de acculader heeft nu dus geen effect meer, de cel zal toch steeds maar warmer worden. Technisch noemen we dit een thermal runaway. Het is een niet te stoppen proces van warmer worden van de accucel. Alleen onderdompelen in een bad met water zal (langzaam) de cel afkoelen en zal na verloop van tijd onder het kantelpunttemperatuur komen en dan stoppen die processen.

Dit is wat de brandweer doet met elektriche auto's waarbij het BMS heeft gefaalt en toch een thermal runaway is ontstaan. Men dompelt de hele EV in een container vol met water en laat die gedurende een aantal dagen afkoelen. Te snel er uit halen zal mogelijk zorgen dat opnieuw een thermal runaway ontstaat.

Bij zo'n thermal runaway zal de cel niet alleen defect raken, maar het elektrolyt van de cel zal tot ontbinding overgaan warbij gassen geproduceerd worden waardoor de cel bol gaat staan (als een ballon). Gelukkig zal het uiteenspatten van de cel door een te hoge druk voorkomen worden omdat LFP accucellen een overdrukventiel hebben. Je weet maar nooit... En die gaat, even wachten, nog even wachten, nú open.

Op dat moment komen diverse gevaarlijke gassen vrij waaronder koolmonoxide en waterstof. Met dat waterstof, een uiterst brandbaar / ontplofbaar gas, is het heel snel "kaboem" als er ergens een héél klein vonkje overslaat. Het omzetten van een schakelaar, het uittrekken van een 230 Volt steker of het uittrekken van een trui (statische elektriciteit) is dan al voldoende voor de afronding van deze apocalyps met een spectaculair einde.

Staat die accu in je woning, dan staat na de ontploffing de accu ineens "in de buitenlucht". Want de rest van je woning is er dan niet meer. Dit is geen hypothetische situatie, dit is al meerdere malen gebeurd.

Waren de cellen "gebalanceerd" dan had dit voorkomen kunnen worden. En het gebruik van een BMS had dit óók kunnen voorkomen.

Een BMS kent vele taken, en één van die taken is om iedere individuele accucelspanning te bewaken. Zodra die spanning hoger wordt dan 3,65 Volt (of welke waarde die je instelt) dan zal het BMS de accu uitschakelen (meestal wordt het laadcircuit onderbroken). De accu kan dan niet verder geladen worden, maar kan nog wel ontladen worden. Een BMS is dus een soort van "zekering", een laatste verdedigingslinie tegen een mogelijke catastrofe.

Het moge duidelijk zijn, een accu zonder BMS is spelen met je leven en dat van anderen. Gebruik altijd een BMS.

Voorbeeld: balancer maakt SoC gelijk

In het vorige voorbeeld hebben we je een rampscenario voorgeschoteld. Dat is als je geen BMS gebruikt. Maar ieder weldenkend mens zal een BMS gebruiken in combinatie met een LFP accu.

Dan is de vraag, wat is dan het nut van het balanceren, want die beschreven ramp wordt door het BMS voorkomen.

Klopt, het BMS zal ingrijpen als een accucel overladen dreigt te worden. Dus een zorg minder. Maar zorgen blijven. Want in ons voorbeeld hadden de cellen 1 t/m 3 een SoC die 10% lager is dan cel 4. En dat resulteerde in ons voorbeeld dat maar 90% van de accucapaciteit beschikbaar is. Zonde.

In zo'n geval zal de balancer zijn werk uitvoeren, hij zal cel 4 gaan ontladen waardoor uiteindelijk de SoC van alle cellen identiek zijn, bijvoorbeeld 95%. Want in de tussentijd zal de lader de accucellen verder opladen.

Uiteindelijk zullen de cellen tegelijkertijd over de finish komen allen met een SoC van 100%. De cellen zijn dan gebalanceerd en daardoor zal de maximaal haalbare capaciteit beschikbaar zijn.

We schrijven, maximaal haalbare, want de accucellen zullen altijd een beetje in capaciteit verschillen. Een verschil van zo'n 3% is niet vreemd. Dus dat de ene cel bijvoorbeeld 98 Ah is en de ander 101 Ah.

Hoewel nu in balans, alle cellen hebben dezelfde SoC, 100% in dit geval, maar toch zal de accu geen 100 Ah lading kunnen afstaan tijdens het onladen. Dit zal beperkt blijven tot 98 Ah in dit voorbeeld. Dit komt zoals je inmiddels weet, omdat de cel met de laagste capaciteit, hier bijvoorbeeld 98 Ah, de totaal beschikbare accucapaciteit bepaalt. Die onbalans in capaciteit tussen de cellen is niet door een balancer weg te werken. Dat is eenmaal een voldongen feit.

Voorbeeld: veel overspanningsalarmen

Stel in ons voorbeeld dat je wel een BMS hebt, maar de cellen zijn uit balans en worden niet, of niet snel genoeg, in balans gebracht. In dat geval zal zodra één cel de kritische maximale celspanning heeft bereikt, het BMS ingrijpen en het laadcircuit uitschakelen. Dat levert dan een alarm op (op het BMS en/of in je EOS).

Zolang die onbalans blijft bestaan zal je iedere keer weer geconfronteerd worden met een cel-overspanningsalarm en weten we dat de beschikbare capaciteit van de accu niet optimaal is.

Dit probleem is te voorkomen om de absorption spanning te verlagen, want daarmee zal ook wellicht voorkomen worden dat een cel een te hoge spanning krijgt. Maar hiermee bestrijden we alleen het symptoom, niet de oorzaak. De oorzaak is een onbalans tussen de cellen.

Hoe gaat een balancer te werk tijdens het balanceren?

Nog even het doel wat we voor ogen hebben: we willen tijdens het balanceren de SoC van alle individuele accucellen gelijk maken en houden.

Zoals we eerder schreven is de SoC, bij benadering, te herleiden aan de accucelspanning (het ligt veel complexer maar daar komen we later op terug).

Dus de balancer moet alle spanningen van de cellen meten, en als hij een verschil ontdekt, dan moet hij dat verschil wegwerken.

Realiseer dat wat we nu schrijven niet de juiste methode is, dat zal je later wel lezen, maar voor de begripsvorming is nu even goed.

Stel we hebben onze vier cellen uit het voorbeeld. Daarbij hebben de de cellen 1, 2 en 3 een lagere SoC dan cel nummer 4, dús zal de celspanning van cel 4 hoger zijn dan de cellen 1, 2 en 3.

Stel dat het verschil 100 mV is (0,1 Volt). Dat is al een enorm spanningsverschil en het had al nooit zover mogen komen, maar goed. Op dat moment ziet de balancer dat cel 4 een spanning heeft die 100 mV hoger is dan de rest.

De taak van de balancer is om te zorgen dat de spanning van cel 4 lager wordt. Die cel 4 moet dus ontladen worden, want door hem te ontladen zal de celspanning dalen en daarmee daalt ook de SoC.

Hoe hij dat doet, daar gaan we zo op in. Maar de balancer zal net zo lang doorgaan tot de spanningen van de cellen 1, 2, 3 én 4 gelijk zijn. En daarmee is de taak volbracht.

Is daarna de balancer niet meer nodig, de SoC van de cellen is immer gelijk? Nee, die balancer blijft noodzakelijk. Want de cellen van een accu zullen altijd kleine onderlinge verschillen hebben en daardoor zal op korte óf lagere termijn de SoC weer uiteen gaan lopen en dan is de balancer weer noodzakelijk.

Passieve balancer

Een passieve balancer is een heel eenvoudige vorm van een balancer. Die zie je terug in alle goedkope(re) balancer versies.

Een passieve balancer zal namelijk de cel met de hoogste celspanning ontladen door een weerstand (tijdelijk) parallel aan de cel te schakelen (via elektronische schakelaars). Door die weerstand wordt de accu belast. Je kan het vergelijken met een fietsachterlampje die men laat branden met de energie uit de accucel. De hoeveelheid stroom / energie die uit de cel wordt gehaald, om hem te ontladen, is zeer gering.

In werkelijkheid geen lampje maar een weerstand. Die weerstand wordt warm als een stroom door die weerstand vloeit. Dus accucel 4 wordt ontladen met een weerstand en die zet dit om in warmte.

De stroom die dan vloeit, de balanceerstroom is zeer beperkt. Denk aan bijvoorbeeld 100 mA.

Bedenk dat een accucel in een EOS geladen wordt met bijvoorbeeld 30 Ampère, we noemen maar redelijke stroom, en cel nummer 4 dreigt overladen te worden. Dan schakelt de balancer een weerstand parallel aan cel nummer 4 die hem weer ontlaad met 100 mA, dat is 0,1 Ampère.

Je zal al denken, dit gaat natuurlijk niet goed. Als je een accucel laad met 30 Ampère en tegelijkertijd ontlaad met 0,1 Ampère, dan laad je de accucel nog steeds op met 29,9 Ampère. Dan zal zo'n groot SoC verschil niet weggewerkt kunnen worden. Dat zet inderdaad dan geen zoden aan de dijk.

Want stel dat de SoC 10% verschilt, dat is wel héél erg veel, en de capaciteit van de accucellen uit dit voorbeeld is 100 Ah. Dan is het ladingsverschil 10% van 100 Ah, dus 10 Ah.

Wil je dit verschil wegwerken dan moet je met deze passive balancer die cel 4 ontladen gedurende: 10 Ah / 0,1 Ampère = 100 uur. Dat is natuurlijk veel te lang. Maar het geeft natuurlijk wel aan hoe langzaam een passieve balancer werkt.

Een passieve balancer wordt vooral toegepast als de capaciteit van de accucellen relatief klein zijn, zoals in snoerloze apparatuur zoals accuboormachines, robotmaaiers, laptops, ebikes en dergelijke.

Wanneer de capaciteit van de accucellen relatief groot wordt, zeg accucellen met een capaciteit vanaf 50 Ah (dat is een arbitraire grens), dan is een passieve balancer niet meer geschikt. Zeker als de cellen minder goed gematcht zijn.

Je zou denken, maar waarom passen ze de ontlaadstroom van 0,1 Ampère niet aan waardoor cel 4 met bijvoorbeeld 2 Ampère ontladen wordt?

Een rekensommetje maakt dit duidelijk. Stel dat cel 4 een spanning heeft van 3 Volt (lekker makkelijk om mee te rekenen) en we willen die cel met een stroom van 2 Ampère ontladen. Dan hebben we een weerstand nodig van (R = U / I) I = 3 Volt / 2 Ampère, I is dus 1,5 Ohm.

Vervolgens rekenen we uit hoeveel warmte vrijkomt tijdens dat ontladen, de formule is, P = I² x R, dus dat wordt: 2² x 1,5 en dat is 4 x 1,5 dus 6 Watt.

En zes Watt is zodanig veel dat je die weerstand moet gaan koelen met een klein koelelement (stuk metaal die de warmte af kan staan aan de omgeving). Daarnaast, tegenwoordig wordt elektronica gemaakt met printkaarten met SMD onderdelen (dat zijn minuscuul kleine onderdelen) en die kunnen dit soort vermogens niet "kwijt". Dat betekent dat voor deze weerstand een speciale weerstand aan de printkaart verbonden moet worden en dat vergt handwerk, dus is duur en daarom doet men het niet.

Actieve balancer

De actieve balancer werkt exact hetzelfde als een passieve balancer, maar met één verschil. Als hij een bepaalde cel moet ontladen, omdat deze "voorloopt" op de andere (een hogere SoC heeft), dan zal de onttrokken energie niet "opgestookt" worden in een weerstand (dus warmte) maar slaat dit op in een supercap, een speciale condensator, een soort "mini-accutje".

Dus hij laad zijn supercap op met de energie uit cel 4 en vervolgens wordt die energie gebruikt om daarmee de cellen 1, 2, 3 te laden. De onttrokken energie gaat dus niet verloren.

De stroom waarmee een actieve balancer een accucel ontlaad ligt op het moment van schrijven in het bereik van 0,6 - 2 Ampère. Een 2 Ampère active balancer kan daarmee twintig keer zo snel accucellen balanceren dan een passieve balancer én gebruikt de ontlaadde energie ook nog eens nuttig.

Verschijningsvorm van een balancer

Hoewel een balancer te koop is als losstaand stukje elektronica, is de balancer vrijwel altijd geïntegreerd in een BMS. Dus de BMS zorgt niet alleen voor de bewaking van het laad en ontlaad proces (en grijpt in als een soort zekering) maar zal ook onbalans tussen accucellen kunnen wegwerken.

Op het moment van schrijven zijn veel BMS modellen nog voorzien van een passieve balancer. Die is dus niet (goed) bruikbaar bij accu's die in een EOS gebruikt worden waarbij de capaciteit vaak begint bij 100 Ah en 300 Ah of meer geen uitzondering is.

Op het moment van schrijven is de JK BMS populair omdat deze niet te duur zijn én een active balancer hebben.

Drempelspanning

We schreven hiervoor dat de balancer de cel met de hoogste spanning ontlaad totdat die cel een spanning heeft die gelijk aan de andere cellen. In de praktijk werkt het iets ander en daar is een hele goede reden voor.

Let op: wat we nu schrijven geldt specifiek voor LFP accu's. We schreven eerder dat de accucelspanning en de SoC van een accucel een relatie met elkaar hebben. Dat is wel zo, maar bij een LFP accucel is dat een hele complexe relatie.

Kijk maar eens naar de grafiek. Je ziet dat de celspanning en de SoC geen lineaire relatie hebben. In het gebied tussen circa 15 en 90% SoC is de spanning vrijwel constant.

Bij een LFP accu kan je dus in het gebied tussen die 15 en 90% SoC geen relatie leggen tussen de celspanning en de bijbehorende SoC. En dat is een zéér belangrijk gegeven.

Tijdens het laden is het zelfs mogelijk dat in dit "vlakke gebied" de spanning van een cel sneller stijgt dan de andere accucellen, terwijl de SoC in die cellen een identieke stijging hebben.

Wat we daarmee willen zeggen is dat "in het vlakke gebied" je mogelijk zelfs verkeerde conclusies kan trekken wat betreft het mogelijk "uit balans" zijn van de cellen. Als je in dat vlakke gebied de cellen zou balanceren, dan zou achteraf wellicht blijken dat je cellen tijdens het balanceren hebt ontladen en nadien, als je uit het vlakke gedeelte komt, juist achterlopen wat betreft de SoC. Dan zou de balancer bepaalde cellen eerst ontladen om op het eind er achter te komen dat ze onnodig ontladen zijn en juist nog even extra geladen moeten worden.

Praktijktests hebben laten zien dat het balanceren van accucellen "in het vlakke gedeelte van de curve" (grofweg 15-90% SoC) juist leidt tot een grotere onbalans. Dat werkt dus contraproductief.

Het balanceren van accucellen moet dus alleen plaatsvinden "na de knik in de vlakke curve". Dat is ongeveer bij 3,45 Volt (lager dan 3,4 Volt moet je niet gaan).

Want juist in die "knik" van de curve zal een klein SoC verschil (relatief) grote celspanningsverschillen laten zien. Dus de simpele spanningsmeting als "SoC meettechniek" kan alleen maar goed werken als je uit het vlakke deel van de curve bent.

Bij een goede balancer kan je daarom twee, vaak drie dingen instellen: 1. vanaf welke celspanning moet de balancer zijn werk starten? 2. vanaf welke spanningsverschil tussen cellen moet de balancer in actie komen? En 3. welke balanceerstroom moet de balancer gebruiken.

Met de eerste instelling geef je aan vanaf welke celspanning de balancer actief moet worden. Zodra één cel die spanning heeft bereikt zal de balancer actief worden (als ook aan de tweede conditie wordt voldaan). Deze instelling stel je normaal gesproken in op circa 3,45 Volt.

Met de tweede instelling geef je aan wat de minimale verschilspanning moet zijn tussen de cellen voordat de balancer start (natuurlijk moet dan ook aan de eerste instelling voldaan worden). Een waarde van 10 mV lijkt een goede keuze. Een lagere waarde zou er voor kunnen zorgen dat er onnodige microcycli ontstaan. Dat zullen we even toelichten.

Als je tijdens het laden van de accu de celspanningen bekijkt en dan let op welke cel de hoogste en de laagste spanning heeft, vaak wordt dit met een kleur aangegeven, dan zal je waarschijnlijk opvallen een cel afwisselend de hoogste en de laagste spanning kan hebben. Dus cel 1 heeft op een bepaald moment de hoogste spanning en een andere cel de laagste spanning. Een moment later zal cel 1 de laagste spanning hebben ten opzichte van de andere cellen. En dit wisselend "vooraan" of "achteraan" lopen, zal je bij meerdere cellen zien.

Wat we hiermee willen aangeven is dat tijdens het laden van de cellen, als je kijkt op millivolt nivo, deze niet gelijkmatig in spanning stijgen. Het hobbelt een beetje heen en weer tussen de cellen.

Dit gedrag zie je waarschijnlijk ook tijdens de absorption fase als het balanceren gestart wordt. Gebruik je tijdens het balanceren een lage drempelspanning voor het minimale celspanningsverschil, van bijvoorbeeld 3 mV, dan zou je kunnen zien dat eerst een bepaalde cel ontladen wordt en een andere cel geladen wordt en een paar momenten later zal de cel die net een beetje ontladen is dan weer juist extra geladen worden. Eerst een cel ontladen om snel daarna dezelfde cel weer te laden dat is totaal onzinnig. Dat zijn onnodige microcycli.

Zet je het minimale celspanningsverschil op een hogere waarde, bijvoorbeeld 10 mV, dan zal dat gedrag niet of nauwelijks voorkomen. En als je cellen 10 mV van elkaar verschillen, dan is dat mooi gebalanceerd.

Het bovenstaande gedrag zie je vooral als je "gematchte" cellen hebt. Heb je niet goed gematchte cellen, dan zullen altijd één, twee of drie cellen de "achterblijvers" zijn, de laagste spanning hebben en één, twee of drie cellen lopen altijd "vooraan", dus de hoogste spanning hebben.

De balancer geeft je waarschijnlijk nog een derde instellingsmogelijkheid, dat is dat je de sterkte van de balanceerstroom kan instellen. Dat tref je niet aan bij passive balancers, want die stroom is sowieso erg laag, maar wel bij active balancers.

Het aanpassen van de maximale balanceerstroom is alleen maar nodig als de balanceerstroom hoger zou zijn dan, pak hem beet, 0,1C. Als een active balancer een maximale balanceerstroom heeft van 2 Ampère en je accu heeft een capaciteit van 10 Ah, dan is 0,1C dus 1 Ampère, dan zal de balanceerstroom relatief groot zijn. Dan is het slim om die balanceerstroom te beperken tot maximaal 1 Ampère. Dat is al een hele flinke stroom als je dat ziet in relatie tot de accucapaciteit. Bij accu's die gebruikt worden in een EOS speelt dit totaal geen rol, daar zou je liefst geen twee maar wel vijf Ampère balanceerstroom willen hebben.

NB: ter ondersteuning van de uitspraak dat je in het vlakke deel van de curve haast geen verschil ziet in SoC verschillen kan je mooi waarnemen als de accucellen zich in dat middengebied bevinden. Je BMS zal dan heel vaak aangeven dat de celspanningen op een paar millivolt na, exact overeenkomen. Het lijkt dan dat de cellen uiterst goed gebalanceerd zijn. Zodra je echter in de knik komt bij 3,45 Volt en daarboven dán (kan) blijken dat de cellen ineens wel uit elkaar lopen en blijken er toch verschillen te zijn. We willen hiermee benadrukken dat je in het vlakke gedeelte van de curve totaal geen uitspraken kan doen of de cellen gebalanceerd zijn, dan is alleen maar mogelijk "na de knik".

Complicerende factoren

De balancer kijkt niet naar de SoC van de accucellen, want dat weet hij niet (en is ook enorm moeilijk om dit met enige precisie te meten), maar kijkt alleen naar de spanningen van de accucellen. Pas als die celspanningen te ver van elkaar afwijken (en de celspanning minimaal 3,45 Volt is) dan komt hij in actie.

Dat die 3,45 Volt gekozen is heeft ook nog eens een extra voordeel. Tijdens de bulk fase kan de laadstroom significant zijn. Bij een accu van 300 Ah, en een laadstroom van 0,25C is de laadstroom 75 Ampère.

Stel dat de interne weerstand van de accucellen iets van elkaar afwijken, bijvoorbeeld een deviatie van 0,04 milliohm, en dat de busbars tussen de cellen, die natuurlijk ook overgangsweerstanden vormen, onderling ook nog eens verschillen met 0,06 milliohm, dan zou de cumulatieve afwijking, bij een bepaalde cel, wel eens 0,1 milliohm zijn.

Dan ontstaat bij die cel een spanningsverschil van (U = I x R) 75 Ampère x 0,0001 = 7,5 millivolt ten opzichte van andere accucellen. Dus mogelijk is de SoC van de cellen identiek maar van die ene cel wordt een spanning gemeten die bijvoorbeeld niet 3,45 maar bijvoorbeeld 3,45 + 0,0075 = 3,4575 Volt is en dus 75 mV uit balans lijkt.

Stel dat de laadstroom maar 10 Ampère zou zijn, dan is het verschil maar 10 Ampère x 0,0001 = 1 millivolt, dus in de gemeten celspanning 3,45 + 0,001 = 3,451 Volt. Dat is scheelt dus ten opzichte van de vorige situatie 6,5 millivolt.

De balancer die alleen maar spanningen meet, wordt door dit fenomeen misleid, en zou daardoor een verkeerde balanceerbeslissing kunnen nemen. Want het verschil in celspanning is werkelijkheid niet zo groot als dat hij meet.

Het liefst zou je dus pas de balancer aan de slag laten gaan als er geen stroom door de accu loopt, maar dat is praktisch niet haalbaar. Dus dan is de keuze "als er zo'n klein mogelijk stroom door de accu vloeit" en goede keuze.

En daar komen deze "stroomgerelateerde celspanningsverschillen" en de "knik" in de laadcurve mooi samen. Een accu van 300 Ah zou je, bijvoorbeeld met maximaal 75 Ampère kunnen laden en dan gebeurt dan totdat een bepaalde accuspanning is bereikt, de zogenaamde absorption spanning. Die ligt vaak bij 3,45 wellicht 3,5 of hooguit bij 3,55 volt. Zodra deze absorption spanning is bereikt zal de lader overschakelen van constant current naar constant voltage.

En dat zal zorgen dat vanaf dat moment de laadstroom snel afneemt. Dat is mooi, want hoe lager de stroom, hoe kleiner de meetfout wordt die ontstaat door die stroomgerelateerde celspanningsverschillen.

Het is daarom slim om balanceerstartspanning gelijk te houden met de absorption spanning, of vlak daaronder. Is de absorption spanning 3,5 Volt, dan is het slim om de balanceerstartspanning ook op 3,5 Volt te zetten.

Als dessert geven we nog ter overdenking het volgende. De balancer meet de spanning van alle cellen. De eerste cel heeft vanuit de balancer een min en een plusdraad. Die plusdraad zit meestal aangesloten op de plus van de eerste cel (hij kan ook onder de min van de tweede cel zitten, of dat een M3 schroefdraad in de busbar is getapt). Maar laten we voor het gemak even uitgaan dat de eerste balanceerdraad direct op de plus van de eerste cel zit.

De tweede balanceerdraad zit op de plus van de tweede cel. En nu komt het, de balancer meet voor de eerste cel de werkelijke spanning over de cel, maar bij de tweede cel wordt een spanning gemeten van niet alleen de tweede cel maar óók de spanningsval over de busbar tussen de plus van de eerste cel en de min van de tweede cel. Als er geen stoom vloeit, dan is het spanningsverschil nul, maar zolang een stroom vloeit zal die spanningsmeting beïnvloed worden door de stroom en wordt feitelijk een te hoge spanning gemeten.

Door dit fenomeen ontstaat dus een meetfout en zou de balancer een verkeerde beslissing kunnen nemen. Tja. Wellicht nog een reden om het minimale celspanningsverschil van de balancer niet te laag in te stellen.

Balanceren en absorption tijd

Bij LFP laders is de absorption tijd direct of indirect in te stellen (als: een tailcurrent van 0,05C of een bepaalde vaste tijd). Realiseer dat als de absorption tijd kort is, dus heel snel na het bereiken van de absorption spanning overgaat naar de floatspanning, de balancer ook maar die korte tijd krijgt om de cellen te balanceren. Want de floatspanning ligt altijd "onder de knik" waarbij de balancer dus niet meer actief is (zou moeten zijn).

Voor diegene die niet met CC/CV laden, maar alleen CC tot bijvoorbeeld 3,65 Volt, en dan gelijk overgaan naar float, is nog kortere tijd beschikbaar voor het balanceren. Dat zou goed kunnen gaan, zolang de onbalans beperkt is.

De beperkte absorption tijd speelt ook een rol als meerdere accu's parallel geschakeld zijn (ieder met zijn eigen BMS), en de ene accu eerder in de absorption fase komt dan de ander. Zodra die eerste dan klaar is met absorption en overgaat naar de float fase, zal de laadspanning ook voor de tweede accu dalen naar de floatspanning. De tweede accu, als die in onbalans is met de eerste (en dat verschil is altijd aanwezig, maar zou wel eens groot kunnen zijn), zou dan wel eens te weinig tijd hebben om de cellen te balanceren.

Daar zijn oplossingen voor maar dat valt buiten het bereik van dit artikel.

Niet constant balanceren?

Het balanceren zal mogelijk zorgen voor microcycli. Niet dat het heel erg is, maar je kan overwegen om niet bij iedere absorption fase de accu te laten balanceren. Je kan er voor kiezen om dit bijvoorbeeld eens in de maand te doen. Die tijd is natuurlijk ook afhankelijk van de mate van onbalans in je accu.

Niet meer top-balancen met een actieve balancer?

Als je zelf een LFP accu bouwt, dan doe je er goed aan om eerst de cellen te top-balancen, maar dat kost wel veel tijd (en vergt een aparte labvoeding of lader). Nu tegenwoordig active balancers in het BMS zitten, kan je deze tijdrovende klus overslaan en de active balancer het werk laten doen.

Je laat de nieuwe accu op de gebruikelijke manier op, met de lader die je later ook zal gebruiken, en je laat de actieve balancer zijn werk doen.

Als de onbalans klein is zal je verder er geen omkijken naar hebben. Als de onbalans wat groter is kan je er voor kiezen om in het BMS de float fase tijdelijk uit te schakelen (als het BMS de lader aanstuurt), of anders stel je tijdelijk de floatspanning in op dezelfde spanning als de absorption spanning. Zorg er wel voor dat die absorption spanning niet te hoog is, zeker niet hoger dan 3,55 Volt, liever iets lager zoals 3,5 of 3,45 Volt omdat je mogelijk relatief lang deze hoge spanning aanhoudt en dat zou er voor kunnen zorgen dat de accu overladen wordt. Dat is namelijk mogelijk bij iedere spanning boven de "rust" spanning van een 100% geladen accu.