Wat houdt een onbalans in bij een LFP accu?

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, behandelen wat een onbalans is bij een LFP accu.

Wanneer een accu in onbalans is, hebben de cellen waaruit de accu bestaat niet allemaal dezelfde ladingsgraad of State of Charge (SoC). Hierdoor zal een deel van de accucapaciteit niet benut worden. Tevens is het mogelijk dat dit leidt tot een cel-overspanningsalarm. Ook kan dit leiden tot een iets versnelde veroudering van de accu.

Wanneer is een accu in onbalans?

Een accu bestaat uit een aantal accu-cellen. Een accu van 12, 24 en 48 Volt hebben respectievelijk 4, 8 of 16 LFP accucellen. Idealiter is de SoC, de ladingsgraad, van alle cellen gelijk, bijvoorbeeld allemaal 90%. In dat geval heeft de hele accu een SoC van 90%.

Wanneer één cel^[1] een afwijkende SoC heeft, dan is de accu in onbalans, beter geschreven, dan zijn de cellen van de accu niet in balans. Dan heeft één cel een SoC van bijvoorbeeld 80% en de anderen een SoC van 90%. De gevolgen daarvan zijn:

• deel van de accucapaciteit blijft onbenut
• mogelijke accucel overspanningsalarm(en)
• levensduur van de accu kan negatief beïnvloed worden

Deel van accucapaciteit blijft onbenut

Als de accucellen van een accu niet in balans zijn, zal een deel van de accucapaciteit niet benut kunnen worden. Als voorbeeld, stel een accu met een capaciteit van 200 Ah, waarbij één accucel een SoC heeft van 80% en de andere hebben een SoC van 90%, dan zal 10% van de accucapaciteit niet benut kunnen worden. In dit voorbeeld kan dus 10% van 200 Ah, dat is 20 Ah niet benut worden. De accu heeft daardoor in de praktijk niet een capaciteit van 200 Ah, maar van 180 Ah.

Hoe dat kan leggen we, op basis van dit voorbeeld uit. De cel met een SoC van 80% heeft op dat moment een lading van 200 Ah x 0,8 = 160 Ah. De andere cellen hebben op dat moment een lading van 200 Ah x 0,9 = 180 Ah.

Wanneer de accu daarna gedurende 1 uur geladen wordt met 20 Ampère, dat wordt dus een lading toegevoegd van 20 Ah, zal die ene cel die in onbalans is een lading hebben van 160 + 20 = 180 Ah (dus een SoC van 90%) en de andere cellen een lading van 180 + 20 = 200 Ah (die dan voor 100% geladen zijn).

Nou gaan we de accu ontladen, bedenkt dat die ene cel maar een lading heeft van 180 Ah. Als de accu met 180 Ah ontladen is (bijvoorbeeld 4 uur lang met 45 Ampère), dan is de lading van die ene cel 0 Ah, die is dus leeg en de andere cellen hebben nog een lading van 20 Ah, die zijn dus nog niet leeg.

Het BMS van de accu zal zien dat de celspanning van die ene accucel voorbij een bepaalde grens is gedaald, die cel is immers leeg, en zal, om die cel te beschermen tegen diep ontladen, de hele accu uitschakelen voor wat betreft het ontladen. De accu staat nog wel toe dat de accu geladen wordt.

Je ziet dus dat uit deze 200 Ah accu, die in onbalans is, maar 180 Ah lading gehaald kan worden en dat is jammer. Wanneer je de accucellen in balans brengt, dan zal weer wél de volledige 200 Ah accucapaciteit beschikbaar zijn.

Hoe kan je zien of een accu in onbalans is?

Een onbalans kan je waarnemen wanneer een accu haast volgeladen is. In het laatste gedeelte van de laadsessie zie je dat de spanning van één cel^[1] sterk afwijkt van de anderen. Die spanning kan lager of hoger zijn dan de andere cellen.

In de eerste screenshot (afkomstig van een JK BMS app) zie je op de tweede regel rechts staan: Cell Volt. Diff.: 0.110 Volt, dat betekent dat het spanningsverschil tussen de cel met de laagste spanning (hier cel 02) en de cel met de hoogste spanning (hier cel 06) een verschil is van 0,11 Volt, dus 110 mV.

Als je het uitrekent 3,602 - 3,488 = 0,114 Volt zal je wellicht verbaast zijn dat dit 114 mV is maar dat de app 110 mV als verschil aangeeft. Dat komt omdat niet alle waarden die getoond worden tegelijkertijd aangepast worden, daar zit soms een (deel) van een seconde tussen.

Dat een accu niet in balans is kan je ook merken doordet het BMS tijdens het laden een cel-overspanningsalarm geeft. Een accucel heeft dan tijdens het laden een kritische, té hoge, spanning bereikt en het BMS heeft ingegrepen en het laden gestopt om het overladen van de accucel te voorkomen. Die grens wordt bij LFP accu's meetstal ingesteld op 3,65 Volt.

In het twee screenshot is op de bovenste regel te zien dat het BMS het laadcircuit heeft uitgeschakeld "Charge: OFF". De reden is dat één cel, in dit geval cel 01 (te zien in screenshot beetje onder het midden aan linker zijde) zojuist een spanning bereikt heeft van 3,65 Volt (de screenshot is twee seconden later gemaakt en daardoor is de spanning iets gedaald naar 3,649 Volt) en in het BMS is ingesteld dat dit de maximale celspanning is (cell overvolt protection voltage: 3,65 V). Als die grens bereikt wordt schakelt het BMS automatisch de FET's (elektronische schakelaars) die accu verbinden met de acculader, uit waardoor geen stroom meer de accu in kan vloeien.

De FET's voor het kunnen ontladen van de accu zijn wel actief "Discharge: ON", we willen immers dat de accu ontladen wordt (door hem te gebruiken) waardoor de spanning van cel 01 onder een bepaalde grens komt (overvolt protection release voltage). Zodra die spanning is bereikt zullen de laad-FET's weer ingeschakeld worden.

In dit screenshot is ook heel duidelijk de onbalans in deze accu zichtbaar. Op de tweede regels rechts staat een cell voltage difference van 0,157 Volt.

Veel gemaakte fout

Een veel gemaakte fout is dat men naar de celspanningen kijkt en denkt, de celspanningen liggen héél dicht bij elkaar, bijvoorbeeld binnen 20 mV, en dan de conclusie trekt "de cellen van de accu zijn in balans". De fout is dat je alleen kan beoordelen of een onbalans bestaat tussen de accucellen als de accu haast volgeladen is SoC >95%. Of beter, omdat de SoC meting vaak onbetrouwbaar is moet je niet wachten tot de SoC >95% maar wachten tot de celspanning 3,4 Volt of hoger is.

De reden dat alleen bij een haast volgeladen accu beoordeeld kan worden of sprake is van celonbalans komt doordat de laadcurve van een LFP accucel een zéér vlak gebied heeft (wat betreft de spanning) tussen grofweg 5 en 95% SoC (zie grafiek onderaan). Dat betekent dat de celspanning van een accucel met een SoC van 5% en een accucel met een SoC van 95% nagenoeg identiek zijn.

Het is dus onmogelijk bij een SoC tussen de 5 en 95% een uitspraak te doen of de accucellen wel of niet gebalanceerd zijn. Pas vanaf een celspanning van circa 3,4 Volt^[2] zijn eventuele afwijkingen in de SoC tussen accucellen te zien.

Een bewijs hiervan is te zien bij de screenshots van de BMS app op deze pagina. In het derde screenshot hiernaast is de celspanning zo'n 3,36 Volt. De onderlingen celspanning verschillen zijn maximaal 0,005 Volt, dus 5 mV. Dat zou je kunnen interpreteren als een extreem goed gebalanceerde accu.

Maar schijn bedriegt. Dit screenshot is circa één uur eerder gemaakt dan het screenshot hiervoor. En het betreft dezelfde accu. Daar was de celspanning circa 3,64 Volt en is een celspanningsverschil te zien van 0,157 Volt, dus 157 mV. Je ziet, pas als de accucellen haast volgeladen zijn kan je beoordelen of sprake is van een onbalans.

Levensduur kan negatief beïnvloed worden

Bij een accu die sterk in onbalans is zal bij één cel^[1] steeds weer tijdens het laden van de accu de spanning oplopen tot de "cel overvoltage protection alarm" grens. En die is meestal ingesteld op 3,65 Volt.

Wanneer een LFP geen onbalans kent zal het laden van de accu stoppen als de accucelspanning 3,45 Volt^[3] heeft bereikt. Dat wordt dan gezien als "vol", of "100%". Tussen die 3,45 Volt en 3,65 Volt zit maar een capaciteit verschil van circa 3%. De reden dat meestal bij 3,45 Volt gestopt wordt is dat bij een spanning richting die 3,65 Volt er steeds grotere fysieke krachten in de LFP accucel ontstaan. Tijdens het laden zal namelijk de cel iets expanderen (dikker worden) en tijdens het ontladen weer iets krimpen.

Door te stoppen bij 3,45 Volt zal minder stress in de accu ontstaan. Als een accu langdurig in onbalans is, zal daarmee die ene cel het zwaarder te verduren krijgen dan de anderen. En dat leidt tot een iets versnelde veroudering, dus het sneller dan gewenst afnemen van o.a. de capaciteit.

Het is dus belangrijk dat de accu zo snel mogelijk gebalanceerd wordt. Niet dat je in paniek moet raken, dit mag best een maand of zo duren, maar het probleem moet wel opgelost worden. Hoe eerder hoe beter.

Hoe kunnen de accucellen weer in balans gebracht worden?

Het BMS heeft niet alleen tot taak de spanning van de accucellen te bewaken, maar ook een eventuele onbalans weg te werken. Daarbij kan het BMS gebruik maken van een passieve balancer of een actieve balancer. De eerst zal alleen maar een hele kleine onbalans kunnen wegwerken, de actieve balancer kan veel grotere verschillen tussen de cellen wegwerken. Maar zelfs dan kan het soms maanden duren voordat de onbalans is weggewerkt.

Wanneer een zeer grote onbalans is tussen de cellen kan ook handmatig ingegrepen worden. Zo kunnen cellen met een te hoge SoC ontladen worden met een weerstand (vaak gebruikt men een laagspanningslamp) of wordt met een voeding waarbij spanning en stroom instelbaar zijn, de cellen me een te lage SoC geladen.