Wat is de taak van een balancer en wat is beter: passive of active balancer?

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, behandelen we de taak van de balancer. Deze heeft tot taak de cellen van een accu in balans te houden. Dat is, te zorgen dat de cellen dezelfde SoC hebben. De balancer is meestal een onderdeel van het BMS. Een balancer kan uitgevoerd zijn als een passieve balancer of een actieve balancer.

Introductie

Een accu bestaat uit meerdere accucellen, een 12 Volt accu heeft er vier, een 24 Volt versie acht en een 48 Volt accu heeft er zestien.

Hoewel die cellen identieke cellen zijn, van het zelfde merk, zelfde model, zelfde dag van productie, toch zullen kleine productieverschillen in die cellen zitten. Klein, maar niet te verwaarlozen. Tijdens het gebruik van de accu zullen deze verschillen zichtbaar worden.

Het is niet de vraag óf je te maken krijgt met ongebalanceerde cellen in je accu, maar wanneer. We hebben een artikel geschreven hoe die onbalans ontstaat. En in een ander artikel beschrijven we wat de gevolgen zijn van een accu met ongebalanceerde cellen. Om kort te gaan, dat wil je niet hebben. Gelukkig zorgt de balancer dat de cellen in balans blijven. Althans, dat is de bedoeling...

Hoewel losse balancers bestaan, zal in vrijwel alle gevallen het BMS van de accu een balancer hebben en de taak van het balanceren op zich nemen.

Wat is de taak van een balancer?

De balancer controleert of de cellen van de accu in balans zijn. Zodra deze constateert dat dit niet het geval is, zal deze de taak op zich nemen om ze weer in balans te brengen.

Zal je afvragen, maar wat is dan "in balans" zijn van accucellen? De cellen van een accu zijn in balans als de individuele cellen allemaal dezelfde SoC hebben.

Wanneer kan en moet een balancer de cellen balanceren?

Laten we beginnen te vertellen wanneer een balancer vooral niet de cellen moet balanceren omdat we nog regelmatig zien dat deze fout wordt gemaakt. Als de celspanning onder 3,4 Volt ligt, dan moet de balancer vooral niet actief zijn. Gebeurt dat toch, dan heeft dat een averechts effect, de cellen zullen dan mogelijk nog sterker in onbalans raken.

Die 3,4 Volt wordt pas bereikt tijdens de bulkfase (hoofdfase) van het laden en bij die 3,4 Volt per cel is de accucel voor circa 97% gevuld. De cellen moeten dus pas gebalanceerd worden als de bulkfase vrijwel ten einde loopt.

Dat betekent dat de balancer relatief weinig tijd heeft voor het balanceren. Maar gelukkig volgt na de bulklaadfase nog de absorptiefase en ook in die fase blijft de celspanning boven de 3,4 Volt en kan de balancer zijn werk verrichten. De lengte van de absorptiefase is afhankelijk van de laadinstellingen en de mogelijkheden van de lader. Maar doorgaans is de absorptiefase zo'n 30 minuten tot een uur (soms iets langer).

Al met al heeft de balancer niet heel veel tijd om te balanceren. Want dat is eigenlijk alleen als de accu vrijwel volgeladen is. Bij een EOS met zonnepanelen zullen regelmatig dagen voorbij gaan zonder dat de accu tot 100% geladen wordt. Dan cellen worden op die dagen dan niet gebalanceerd, als dat nodig zou zijn.

Tijdens de donkere maanden maanden is het helemaal kommer en kwel, omdat in die periode vele weken, vaak zelfs maanden voorbij gaan zonder dat de accu tot 100% geladen wordt. In die periode is een chronisch te kort aan zonne-energie en daardoor kan dan de onbalans dus toenemen.

Het is daarom aanbevolen om zeker in die donkere maanden, bijvoorbeeld eens per maand de accu, via het net, te laden tot 100% en hem daar langer dan normaal te houden (door hem een paar uur niet te ontladen). Dan krijgt de balancer de tijd voor "achterstallig onderhoud".

De vraag is, waarom mogen de cellen pas vanaf 3,4 Volt gebalanceerd worden? Om dat te doorgronden pakken we de LFP laadcurve er eens bij die je hieronder ziet.

Wat meteen opvalt is de enorm platte laadcurve van een LFP cel in het gebied tussen een SoC van circa 5% tot 95%. De celspanning is in dat 5-95% gebied, vrijwel constant. Een cel met een SoC van bijvoorbeeld 30% heeft een identieke spanning als een cel met een SoC van bijvoorbeeld 47%. Dus op basis van de celspanning is niet vast te stellen of twee cellen wel of niet in balans zijn.

Door de enorm zwakke relatie tussen SoC en de celspanning, té zwak om praktisch te gebruiken, is het onmogelijk om op basis van de celspanning een beslissing te maken of cellen in het gebied tussen de 5 en 95% uit balans zijn.

Maar kijk eens in de grafiek geheel rechts, daar zie je een knik in de grafiek. Bij circa 97% SoC gaat de spanning ineens heel snel omhoog. Daar is een zéér sterke relatie tussen de SoC en de celspanning. Dat gebied is daarmee prima bruikbaar voor SoC verschilmetingen op basis van de celspanning.

Als voorbeeld, een cel met een spanning van 3,4 Volt en een cel met een spanning van 3,43 Volt zijn overduidelijk niet in balans. Dat komt dus alleen maar omdat vanaf circa 3,4 Volt met het toenemen van de SoC ook de celspanning toeneemt, en die relatie misten we nou juist in het gebied onder die 3,4 Volt.

Bij welke celspanningsafwijking moet een cel gebalanceerd worden?

Uit het voorgaande is duidelijk geworden dat balanceren moet plaatsvinden vanaf 3,4 Volt. Maar de vraag is nu, bij welke afwijking tussen de cellen moet de balancer de cel gaan balanceren?

Bij een goede balancer kan je namelijk niet alleen de ondergrens van het balanceren instellen, dus bij 3,4 Volt, maar ook kan je instellen bij welke celspanningsafwijking (delta) de cel gebalanceerd moet worden.

Is een cel maar één millivolt hoger of lager dan de andere cellen, dan is het niet raadzaam om die cel te gaan balanceren. De reden hiervan is dat de cellen tijdens het laden, dus tijdens het stijgen van de SoC van de cel, de spanning niet gelijkmatig toeneemt. Als alle cellen een gelijke celspanning hebben bij 3,4 Volt en je zou de stijging van de individuele celspanningen in de gaten houden, zie je dat de ene cel wat voorloopt (een hogere spanning heeft), dan weer een andere cel, dan loopt de cel die eerst voorliep weer een tijdje achter. Als je bij een afwijking van 1 millivolt gelijk al de cel gaat balanceren, dan worden te balanceren cellen onnodig belast (ondervinden ze onnodige micro-cycli) én is achteraf gezien het balanceren onnodig geweest omdat bij hij kleine verschillen de kans bestaat dat een cel die eerst achterloopt een tijdje later juist weer voorloopt.

Het is daarom verstandiger om niet te snel in te laten grijpen. Daarom wordt de cel-delta-spanning op 5 millivolt of beter nog op 10 millivolt te zetten. Pas bij een delta van 10 mV zal de balancer pas ingrijpen en die cel balanceren. En dat is vroeg genoeg. Een accu met een celdelta van 10 mV is een prachtig gebalanceerde accu.

Hoe worden cellen gebalanceerd?

Het balanceren van accucellen wordt uitgevoerd door een balancer en die zit in 99% van de gevallen in het BMS. Die zijn in twee soorten te koop. Een BMS met passive balancer en een BMS met active balancer.

De passive balancer is de oudste, traditionele, techniek. De passieve balancer zal een cel die een hogere spanning heeft dan de anderen, dus een hogere SoC heeft, met een weerstand ontladen. De balancer meet iedere individuele cel en kan via dezelfde verbinding met die cel ook een weerstand aan de cel parallel schakelen.

Een cel die dus iets hogere SoC heeft, wordt heel simpel, met een weerstand(je) ontladen. Daarbij wordt de energie in die cel door de weerstand omgezet in warmte. Die weerstanden kunnen relatief weinig warmte afstaan omdat ze anders te warm worden. De ontlaadstroom bevindt zich, afhankelijk van het model balancer in het gebied tussen de 50 en 150 milliampère. Gedurende één uur kan een balancer zo'n 100 mAh "wegwerken".

Zo'n passieve balancer werkt perfect als de cellen goed gematcht zijn, dus kleine onderlinge verschillen hebben. Zijn die verschillen groter, bijvoorbeeld dat een cel een afwijking heeft van 1 Ah, dan zou de passieve balancer daar zo'n tien uur voor nodig hebben. Dat is een probleem, omdat de balancer doorgaans maar zo'n uur de tijd heeft tijdens het volladen van een accu om het balanceerwerk te doen.

Naarmate de accucellen in een EOS groter werden, nemen de absolute verschillen natuurlijk ook toe. Een cel die 0,25% afwijkt van een ander zal bij een 100 Ah cel een absolute afwijking hebben van 0,25 Ah, maar bij een 300 Ah cel zal dit al 0,75 Ah zijn. En de balancer heeft alleen maar te maken met de absolute verschillen die hij weg moet werken. Dat leidde er toe dat sommige fabrikanten overgestapt zijn naar actieve balancers in hun nieuwste modellen.

Een actieve balancer zal niet alleen met een veel grotere ontlaadstroom werken, bijvoorbeeld 1000, 2000 of 4000 mA, ze passen ook een interessante truc toe. De lading die ze uit een cel halen met een iets te hoge SoC, wordt gebruikt om een supercap, een soort van klein accu'tje (feitelijk een condensator), op te laden, en vervolgens die lading te gebruiken om de cel met een iets lagere SoC "extra te laden".

Je begrijpt dat een actieve balancer duidelijk een voorkeur heeft boven een passieve balancer.

Balanceren lukt niet

Soms blijkt dat de cellen zodanig sterk uit balans te zijn, in relatie tot de balanceerstroom, dat de balancer de cellen niet in balans lijkt te kunnen brengen. Realiseer dat grote verschillen een flinke tijd nodig hebben om door een balancer weggewerkt te worden. Vooral bij gebruik van een passieve balancer kan dit soms enorm lang duren. Denk aan weken of maanden.

Maar dat betekent nog niet dat een actieve balancer in staat is om een omvangrijke onbalans redelijk snel weg te werken. Zo heeft het BMS van Jikong (JK) een active balancer, maar die balanceert maar één cel tegelijkertijd. En dan geldt ook nog eens dat de cel met een hoge SoC eerst wordt ontladen met bijvoorbeeld 2 Ampère, en vervolgens kost het meer dan twee keer de tijd om die stroom af te geven aan de cel met de laagste spanning. Dus effectief is de balanceerstroom minder dan 1 Ampère.

Heb je vier cellen die 1 Ah lading meer hebben dan de anderen, dan moet dus 4 Ah verplaatst worden. Dat kost deze JK active balancer van 2 Ampère dus acht uur.

Soms blijkt na ingebruikname van een accu dat de cellen zeer sterk uit balans zijn. We noemen maar wat, dat tijdens het balanceren spanningsverschillen van 150 mV of meer te zien zijn. In dat geval zou zelfs een active balancer er erg lang over doen en dan is een top balance een betere optie.

Nota bene

Bedenk dat een balancer wel de cellen in balans kan brengen, maar onderlinge verschillen tussen de cellen, zoals verschil in capaciteit, rendement of zelfontlading, die worden niet weggenomen. Dat verschil zal blijven, die zal je moeten accepteren.