Wat houdt de afkorting CC/CV in bij het laden van een accu?

De afkorting CC/CV staat voor Constant Current, Constant Voltage. Het is een van de meest gebruikte technieken om een accu te laden.

Van toepassing op welke accu's?

Dit artikel behandeld de CC/CV laadstrategie. Die wordt bij haast alle accu's toegepast, maar bij bepaalde accuchemiën, zoals lood-zuur accu's is deze strategie nog uitgebreider. In dit artikel gaan we uit van Lithium Ion accu's zoals de LFP accu.

Hoe laad je een accu?

Als je niet bekend bent met hoe een acculader werkt, dan zou je denken, zet tijdens het laden een bepaalde spanning op de accu, en wel een spanning die de accu moet bereiken ná het laden en dat is het. Maar zo werkt het dus niet. Tenzij je een wel heel eenvoudige lader hebt.

De basis

Laten we eerst bij de basis beginnen. Een accu wordt pas geladen, daarmee bedoelen we, zal er een laadstroom gaan vloeien richting de accu, als de aangelegde spanning van de lader hoger is dan de accuspanning.

Als de accu een spanning heeft van bijvoorbeeld 48 Volt en de acculader heeft (zonder dat je deze aangesloten hebt op de accu) ook een spanning hebben van 48 Volt, dan zal, als je de lader op de accu aansluit geen stroom vloeien. Dus zal de accu niet geladen worden.

De spanning uit de lader, de laadspanning, móet altijd hoger zijn dan de accuspanning. Als we trouwens de term accuspanning gebruiken bedoelen we daarmee de spanning die je zou kunnen meten op het moment dat je de accu los zou koppelen van de lader.

Want, als je de lader aansluit op de accu zal de spanning op de lader en op de accu gelijk zijn (hierbij negeren we even voor het gemak laadspanningsverliezen in de accukabels, zekering, shunt en busbar indien van toepassing).

Maximale laadstroom

Iedere accufabrikant zal bij haar accu's altijd een geadviseerde laadstroom specificeren. Dat is een stroom waarbij de accu geladen kan worden en de accu niet oververhit raakt, of sneller dan gewenst verouderd raakt. Ook zal men een maximale laadstroom specificeren, maar dan zit je in een gebied waar je eigenlijk niet wil zijn. De accu zal dan sneller warm worden en vaak gaat zo'n hoge laadstroom met een vermindering van de levensduur.

Constant Current fase (CC) of bulkfase

We willen doorgaans de accu zo snel mogelijk laden, zolang dit niet ten koste gaat van de levensduur. Daarom passen we de geadviseerde maximale laadstroom toe. Laten we aannemen dat dit 50 Ampère is. De lader moet in deze fase zoveel als mogelijk energie in de accu pompen, vandaar dat dit ook wel de "bulk" fase wordt genoemd, en dat doet hij door de laadspanning zodanig op te voeren dat een laadstroom zal vloeien van in dit geval, 50 Ampère.

Hoe hoog die laadspanning is, zou je kunnen uitrekenen. Dan moet je wel de interne weerstand van de accu weten. Maar stel dat deze 4 milliOhm is (0,004 Ohm), dan zal bij een stroom van 50 Ampère een spanning verschil over die interne weerstand ontstaan van U=IxR, U=50x0,004 en dat is 0,2 Volt. Als de accuspanning 48 Volt is, en je wil dat er een laadstroom van 50 Ampère vloeit, dan moet de laadspanning dus 0,2 Volt hoger liggen, dus is de laadspanning 48,2 Volt.

Tijdens het laden van een accu zal de accuspanning langzaam toenemen. Stel dat na enige tijd laden met 50 Ampère de accuspanning opgelopen is tot 48,1 Volt, dan zou bij een laadspanning van 48,2 Volt maar een stroom lopen van I=U/R, (48,2-48,1)/0,004 dus I is dan dus 25 Ampère. Dat is dus lager dan de gewenste 50 Ampère. Wil je die 50 Ampère laadstroom constant houden, dan zal de laadstroom dus bijgesteld moeten worden naar in dit geval 48,1+0,2=48,3 Volt.

De laadspanning zal tijdens het laden constant aangepast moeten worden, omdat tijdens het laden de accuspanning gestaag zal stijgen. Dus moet ook de laadspanning meestijgen.

Tijdens deze Constant Current fase zie je de laadspanning continue stijgen. De stroom blijft gelijk, de laadspanning stijgt.

Maximale laadspanning

De fabrikant van de accu specificeert niet allen een maximale geadviseerde laadstroom, maar ook een geadviseerde maximale laadspanning. Dat is een laadspanning waarbij de accu nog veilig gebruikt kan worden. Ook zal een maximale laadspanning gespecificeerd worden, maar deze hogere spanning zal stress in de accu veroorzaken en dat wil je liever niet hebben.

De lader moet dus niet alleen de maximale laadstroom in de gaten houden, maar hij moet ook bewaken dat de laadspanning niet hoger wordt dan de geadviseerde laadspanning.

Als we uitgaan van LFP accucellen, dan is die maximale geadviseerde accuspanning 3,65 Volt per cel, dus bij een 48 Volt accu met 16 cellen is dat 16x3,65=58,4 Volt. Maar velen zullen nog een kleine reserve aanhouden om mogelijke stress in de accucel te voorkomen. Daarom zullen de meeste de laadspanning maximaliseren tussen de 3,45 en 3,6 Volt per cel.

Dit doet men temeer omdat als je een LFP accucel laad tot 3,45 in plaats van 3,65 Volt, je maar een paar procent extra energie kan opslaan. Die paar procent, zeg 3%, extra acculading vindt men dan niet opwegen tegen de mogelijke interne stress in de accucel.

Als we uitgaan van een 48 Volt accu, met 16 LFP accucellen, en een maximale laadspanning van 3,45 Volt per cel, dan zal de accuspanning mogen oplopen tot 16x3,45=55,2 Volt.

De lader zal in dit geval de accu laden met een stroom van 50 Ampère en doet dat totdat de laadspanning opgelopen is tot 55,2 Volt. Bij het bereiken van deze spanning wordt de eerste laadfase, de CC-fase of bulkfase, afgesloten en gaan we de tweede fase, de Constant Voltage of absorption fase in.

Constant Voltage fase (CV) of absorption fase

Nadat tijdens de CC fase de maximale spanning is bereikt gaat de lader over van CC naar CV, dus van constant current naar constant voltage. Nou de naam zegt het al, in deze fase wordt de laadspanning constant gehouden.

Dié spanning wordt de absorption spanning genoemd. In ons voorbeeld is dat 55,2 Volt. Deze fase wordt niet alleen de Constant Voltage fase genoemd maar ook wel de absorption fase.

Omdat tijdens deze laadfase de laadspanning gelijk gehouden wordt door de lader, zal het spanningsverschil tussen de accuspanning en de laadspanning steeds kleiner worden. Immers, tijdens deze fase zal de accu nog steeds geladen worden, dús stijgt de accuspanning.

Omdat ook in deze fase, de accu krijgt immers steeds meer lading, de accuspanning blijft stijgen, zal het verschil tussen de accuspanning en de laadspanning steeds kleiner worden. Omdat dit spanningsverschil steeds kleiner wordt, zal tijdens deze absorption fase de laadstroom steeds verder afnemen.

Deze dalende laadstroom wordt de staartstroom of "tailcurrent" genoemd. Waarschijnlijk omdat dit feitelijk het laatste deel van de laadsessie is, de staart. Maar ook omdat de stroom een dalende stroom laat zien, en als je dat in een grafiek zet (x-as tijd, y-as laadstroom) zal dat deel van die grafiek vergelijkbaar zijn hoe een staart van een poes of hond er vaak uit ziet.

Tijdens deze fase zal het spanningsverschil en daarmee de laadstroom, steeds verder afnemen. Maar hij zal nooit de nul bereiken. Hoewel op een gegeven moment de laadstroom wel erg laag is, bijvoorbeeld een half Ampère, zal de accu wel toch een laadstroom krijgen dus steeds verder opgeladen worden, en dat is niet goed. Dat leggen we even uit.

Bij een LFP accucel die volledig geladen is en daarna losgekoppeld wordt en de accuspanning gemeten wordt, zal je zien dat deze langzaam afneemt. Eerst is hij bijvoorbeeld 3,45 Volt (de gekozen absorption spanning) en zakt dan rustig naar de "rustspanning" en die ligt bij LFP accucellen rond de 3,37 Volt.

Dit is een interessant en belangrijk gegeven. Tijdens het laden van de accu zijn (vrijwel) alle lithium ionen verplaatst van de cathode (+ pool) naar de anode (- pool). Doordat die lithium ionen aan die zijde zitten zorgt dat de accu een bepaalde lading heeft, een bepaalde hoeveelheid opgeslagen energie, en dat uit zich in een elektrische spanning tussen de anode (-) en de cathode (+).

Tijdens het laden zorgde de aangelegde laadspanning dat die lithium ionen zich bewogen van de cathode naar anode. Nu ze vrijwel allemaal aan de anode kant zitten blijkt die spanning circa 3,37 Volt te zijn (is hij iets lager, dan kan je dus de conclusie trekken dat nog niet alle lithium ionen zich verplaats hebben en de accu nog niet voor de volle 100% geladen is).

Zou je bij een volgeladen LFP accucel een spanning aanbrengen die hoger ligt dan deze 3,37 Volt, dan zullen "de laatste" lithium ionen zich verplaatsen van de cathode naar de anode maar een deel van die lithium ionen zal niet, zoals gewenst, een reactie aan gaan met de koolstof (grafiet) van de anode, maar zal een een laag lithium metaal vormen die daardoor een deel van de anode maskeert. Daardoor zal tijdens volgende laadsessie de anode minder toegankelijk zijn, het bruikbare oppervlakte van de koolstof anode wordt kleiner, en daardoor kunnen in de toekomst minder lithium ionen reageren met dit koolstof. Daarmee neemt dus de capaciteit van de accu af (maar ook de interne weerstand en daarom ook de efficiency van de accu).

Het vormen van lithium metaaldeeltjes rond de anode wordt "lithium plating" genoemd en veroorzaakt ook nog eens de vorming van "dendrieten" lithiummoleculen die als tentakels vanuit de anode uitsteken richting de cathode. Als die dendrieten lang genoeg worden kunnen ze ook zorgen voor interne kortsluitingen. En dat kan weer leiden tot een thermal runaway waarbij de temperatuur zeer sterk oploopt en LFP accucellen kunnen gaan "gassen" en dat is het laatste wat je mee wil maken.

Dus moeten we de constant voltage / absorption fase in tijd beperken om die vorming van lithium plating te voorkomen. De fabrikant van de accucel specificeert meestal wanneer deze absorption fase afgesloten moet worden.

Daarbij kan gekozen worden voor een bepaalde tijd, bijvoorbeeld "één uur absorption fase", of men specificeert dat als de laadstroom daalt tot bijvoorbeeld 5% van de C-waarde van de accu, dat dan het laden gestopt moet worden.

Stel je hebt een 300 Ah accu, dan moet het laden gestopt worden bij 5% van 300 Ah, dus bij 15 Ampère. Dus in dit voorbeeld zal de laadstroom in de absorption fase eerst 50 Ampère zijn en langzaam afnemen en als hij 15 Ampère is, dan wordt deze laadfase afgesloten.

Na deze CV of absorption fase gaan we over naar de "float" fase.

Float fase

De float fase volgt na de CV / absorption fase. Feitelijk is dit geen onderdeel meer van het laadproces van de accu. Wat men bedoeld is dit: als de accu geheel geladen is, na de voltooiing van de absorption fase, dan laten we de laadspanning flink zakken, in dit voorbeeld naar bijvoorbeeld 3,35 Volt per cel, dus net onder de "rustspanning" van een LFP accucel. Dus bij een 48 Volt accu is dat 16x3,35=53,6 Volt.

Hiermee wordt bereikt dat het laden van de accu abrupt wordt gestopt en dat pas als de accu voor een deel ontladen wordt, dán pas de accu weer geladen wordt. We willen immers niet de accu op de absorption spanning laten om stress/plating te voorkomen.

Omdat deze float fase feitelijk geen onderdeel is van het laadproces wordt hij niet genoemd in de naam van de CC/CV laadstrategie.

Waarom tijd beperkte tailcurrent toegepast wordt

In de praktijk zal je vaak zien dat de tailcurrent (staart stroom) tijdens de absorption fase na een bepaalde tijd beëindigd wordt. De reden hiervan is dat dit vaak zonnepanelen gebruik worden als de stroom bron voor het laden en die zonne-stroom is niet constant. Die kan regelmatig wegvallen waardoor de laadstroom daalt tot een bepaalde waarde en dat dan foutief geïnterpreteerd kan worden als een bereikte grens van bijvoorbeeld 5% van de C-waarde en de absorption fase afgesloten wordt. Als je pech hebt is dat al binnen een aantal seconde nadat je van de bulk naar de absorption fase bent gegaan. Dus zou dan de hele absorption fase praktisch gezien overgeslagen worden.