Hoe ontstaat een onbalans tussen de accucellen van een LFP accu?

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, behandelen hoe een onbalans tussen de cellen van een LFP accu kan ontstaan.

Introductie

In een eerder artikel behandelden we wat een onbalans in een LFP accu is en wat de gevolgen daarvan zijn. De vraag die we in dit artikel beantwoorden is, hoe is die onbalans eigenlijk ontstaan?

Een onbalans in een LFP accu kan ontstaan door:

• accu wordt niet vaak tot 100% geladen
• cellen hadden geen gelijke SoC bij bouw accu
• gebruik van niet gematchte cellen bij bouw accu
• temperatuurverschillen
• verschillen in veroudering van accucellen (SoH)
• verschillen in interne weerstand
• verschillen in capaciteit

Accu wordt niet vaak tot 100% geladen

Eigenlijk is dit geen "oorzaak" van een onbalans, maar het "gevolg" van niet frequent tot 100% laden is de reden dat een onbalans "kan groeien".

In een accu zal altijd wel een onbalans aanwezig zijn, hoe klein dan ook. Op zich niet erg, het is de BMS die dit binnen de perken houdt. Als je echter niet regelmatig de accu tot 100% laad kan deze onbalans echter steeds groter worden omdat het BMS niet, of niet voldoende, in staat wordt gesteld om de ombalans weg te werken.

Een gangbare BMS heeft een balancer, en die heeft tot taak de onbalans weg te werken. Maar die balancer kan alleen maar zijn werk uitvoeren als de celspanning tijdens het laden 3,45 Volt^[1] of hoger is.

Die 3,45 Volt is de spanning dat een onbalans pas zichtbaar / meeetbaar wordt, bij een celspanning onder die 3,45 Volt is dat niet zichbaar, zie het artikel die het fenomeen van een onbalans beschrijft en met foto's toont.

Die 3,45 Volt^[1] is tevens de grens dat gestopt wordt met het belangrijkste gedeelte van de laadproces, dat is de zogenaamde bulkfase. Na het bereiken van die 3,45 Volt start de absorption fase. In die fase wordt de laadstroom relatief snel afgebouwd richting nul. Alleen in de tijd dat de celspanning boven 3,45 Volt is en dat is grofweg alleen in de absorption fase, kan de balancer zijn werk uitvoeren. Tijdens normaal gebruik van de accu, waarbij bijna altijd de spanning onder de 3,45 Volt is, zal de balancer dus niet actief zijn.

Hoe lang die absorptionfase duurt kunnen wij niet aangeven omdat deze afhankelijk is van onder andere de laadstroomsterkte, de keuze van de ontwerper van het BMS en welke keuzes de fabrikant of klant maakt wat betreft de instellingen in het BMS (als dit mogelijk is).

Maar om je een gevoel te geven, de absorption fase duurt bijvoorbeeld een half uur, waarschijnlijker een uur, maar veel langer zal het doorgaans niet zijn.

Dat betekent praktisch dat alleen als je de accu tot 100% laad, deze relatief kort, de tijd krijgt om een mogelijke onbalans weg te werken. In een EOS die gebruikt wordt om zonne-energie op te slaan voor later gebruik (thuisbatterij), deze in de donkere maanden mogelijk drie maanden lang, of nog langer, de accu niet tot 100% geladen kan worden door een chronisch gebrek aan zonne-energie.

Als je geen voorzieningen treft zal dus in die donkere maanden de onbalans steeds groter worden. Mogelijk heeft je EOS een voorziening om de accu's bijvoorbeeld eens per maand tot 100% te laten laden om de balancer zijn werk te laten doen. Victron kent hiervoor de "battery life" functie die wekelijks tracht de accu vol te laden door het ontladen te beperken.

Cellen hadden geen gelijke SoC bij bouw accu

Wat bij veel goedkopere accu's gebeurt is dat tijdens de bouw van de accu men de cellen samenvoegd tot één accu zonder te controleren wat de individuele SoC waarden zijn. Men heeft dus niet vooraf de SoC van alle cellen gelijk gemaakt door deze een beetje te laden of juist een beetje te ontladen. Daardoor ontstaat een accu, tijdens fabricage al, met een (soms flinke) onbalans.

De cellen die gebruikt worden om een accu samen te stellen worden ingekocht van een LFP celfabrikant. Die fabrikant zal vanwege internationale eisen die gelden tijdens vervoer, nooit vol geladen accucellen leveren, maar met een SoC van circa 30-40%.

De fabrikant van de accu zou voorafgaand aan het samenstellen setjes moeten uitzoeken van cellen die wat betreft de SoC dicht bij elkaar liggen. Dat kost tijd, dus geld. Nog beter is als de accufabrikant de cellen een top balance geeft. Maar dan moet deze de accucellen laden van zo'n 35% naar 100% en na die topbalance moet de accu weer ontladen worden tot circa 35% SoC vanwege het vervoer. Dat kost allemaal tijd en elektriciteit. Je voelt het al aankomen, vele nemen die tijd niet.

In die gevallen wordt dus een accu verkocht met cellen die geen gelijke SoC hebben en de accu tijdens levering al een onbalans bezit.

Gebruik van niet gematchte cellen bij bouw accu

Een LFP accu bestaat uit 4, 8 of 16 cellen (bij een 12, 24 of 48 Volt accu)^[2]. Tijdens de bouw van de accu worden accucellen geïntegreerd tot één accu. Idealiter zijn dit gematchte cellen. Dat zijn cellen die wat betreft hun interne weerstand, capaciteit, zelfontlading en (ont)laadgedrag vrijwel gelijk zijn.

Ondanks dat accifabrikant één bepaald type cel van één specifieke celfabrikant afneemt, zullen de cellen door kleine afwijkingen tijdens het productieproces, onderling verschillen. Vandaar dat matchen van cellen gewenst is.

Dat matchen van cellen is echter een tijdrovend proces, iedere accucel moet getest worden en krijgt bepaalde kwalificaties. En zo test men honderden tot duizende cellen en worden groepjes gevormd van cellen met kwalificaties die heel dicht bij elkaar liggen. Een accu wordt dan samengesteld uit cellen van één zo'n groep.

Aanbieders van goedkope LFP accu's laten dit mogelijk achterwege, of doen dit beperkt, en dan is de kans op een flinke onbalans aanzienlijk. Een kleine onbalans wordt vrij snel weggewerkt door het BMS, met zijn balancer. Maar als de accucellen onderling sterk van elkaar verschillen wat betreft hun interne weerstand, capaciteit en (ont)laadgedrag kan de onbalans (heel) groot zijn.

Dit hebben we zelf ook ondervonden bij de bouw van een LFP accu. Die bestond uit zestien identieke cellen die we in één batch besteld hadden (bij een reputabele leverancier). Je zou verwachten dat die cellen een redelijk gematched waren, maar dat bleek achteraf totaal niet zo. Drie van de zestien cellen hadden een SoC die meer dan 30% hoger lag dan de andere cellen, en dat is heel ongebruikelijk. Dat leverede dus een zeer ongebalanceerde accu op.

Wanneer het verschil zo groot is zal je handmatig de cellen in balans moeten brengen, want een BMS met een passieve balancer zou er jaren over doen om zulke afwijkende cellen te balanceren. Een BMS met een actieve balancer zou hier zelfs, bij normaal gebruik, een flink aantal maanden voor nodig hebben^[3].

Temperatuurverschillen

Je zou het niet zo verwachten maar vaak ontstaat een onbalans doordat het ene deel van de accu koeler is dan het andere deel. Dit kan komen doordat een deel van de accu tegen (of vlak bij) een koude(re) buitenmuur staat, of dat een deel van de accu in de buurt staat van warmte afgevende "dingen". Denk hierbij aan een zekering die flink warm wordt, of een BMS die warm wordt of dat een ventilator van de inverter/charger tegen (een deel) van de accu blaast. Aan die kant wordt het dan warmer dan aan de andere zijde.

Maar ook iets simpels als zoninstraling. Als de accu via een raam door de zon wordt beschenen kan de temperatuur van dat deel van de accu oplopen.

De temperatuur van een accucel heeft invloed op de interne weerstand van de accucel. Hoe hoger die interne weerstand is, hoe meer vermogen, dus energie, verloren gaat en niet als lading in de cel opgeslagen wordt en zo een onbalans ontstaat.

Verschillen in veroudering van accucellen (SoH)

Door het verouderingsproces zal de interne weerstand van een LFP accucel stijgen. Is een accu opgebouwd uit bijvoorbeeld acht nieuwe accucellen en acht iets oudere accucellen, zullen de acht oudere accucellen zeer waarschijnlijk een iets hogere interne weerstand hebben. Daardoor zal bij die cellen een groter deel van de laadstroom omgezet worden in warmte, in vergelijking tot de nieuwere cellen. Dat verschil hoeft maar klein te zijn, maar bij iedere cyclus zal het verschil in lading / SoC oplopen als de balancer van het BMS onvoldoende tijd krijgt en onvoldoende balanceercapaciteit heeft om de onbalans weg te werken. Zoals eerder vermeld, alleen tijdens de relatief korte periode van de absorption fase van het laadproces kan de balancer zijn werk uitvoeren.

Zijn de onbalans verschillen groot, dan kan een BMS met een passieve balancer niet, of niet snel genoeg, deze verschillen wegwerken en wordt de onbalans mogelijk steeds groter, met alle gevolgen van dien. Daarom is het heel prettig als het BMS een actieve balancer heeft die een grotere onbalans kan wegwerken.

Verschillen in interne weerstand

Hoewel we het in de vorige paragraaf al gehad hebben over verschillen in interne weerstand vanwege ongelijke ouderdom of SoH, zal ook de interne weerstand van iedere accucel niet gelijk zijn ondanks dat de accucellen achterelkaar van dezelfde productielijn komen. En een verschil in interne weerstand zal zorgen voor een onbalans. Je mag verwachten dat de verschillen in interne weerstand bij grade-A cellen kleiner is dan bij grade-B cellen.

Verschillen in capaciteit

Tijdens het productieproces van accucellen zullen ook verschillen ontstaan in capaciteit. Die verschillen zijn relatief klein, maar ze zijn niet te negeren. Zo is zou het kunnen voorkomen dat als je zestien 300 Ah accucellen koopt, de spreiding in capaciteit ligt tussen de 300 Ah en 310 Ah. Je krijgt dus meer capaciteit dan verwacht bij sommige cellen.

Maar die spreiding heeft een onverwacht nadeel. De cellen in een accu, staan in serie en worden allemaal met dezelfde stroomsterkte geladen. Maar de C-waarde is, ondanks dat de laadstroom voor alle cellen uit die accu gelijk is, niét gelijk.

Stel dat dat de cellen met 150 Ampère worden geladen, dan is de C-waarde voor de cel met een capaciteit van 300 Ah: 150 / 300 = 0,5C. Voor de accucel met een capaciteit van 310 Ah is dat 150 / 300 = 0,48C

Dat verschil 0,5C en 0,48C lijkt niet veel, maar als je bedenkt dat de C-waarde invloed heeft op de veroudering én het rendement van de accucel, dan zal je begrijpen dat ook door deze kleine verschillen een onbalans kan ontstaan.