Interne weerstand van de LFP accu

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, bespreken we de interne weerstand van een LFP accu. Iedere accu heeft een bepaalde interne weerstand, een lage interne weerstand is daarbij zeer wenselijk, want lagere verliezen. Maar bij de LFP accu is deze interne weerstand wel erg laag, en dat blijkt onverwachte gevolgen te hebben.

Het kan verkeren

Bij de ontwikkeling van de LFP accu stuitte men op een probleem dat het commercieel toepassen van een LFP accu enorm in de weg stond. De accu had namelijk een dusdanig hoge interne weerstand dat deze accu praktisch niet bruikbaar was. Door de hoge interne weerstand zou het rendement onpraktisch laag zijn geweest.

Jaren later ontdekte men dat als men een speciale koolstofstructuur (grafiet) gebruikte op de negatieve accupool (anode), de interne weerstand wél laag was. Zeer laag zelfs. Zo laag dat dit bepaalde gevolgen heeft die we in dit artikel zullen beschrijven. Het kan verkeren.

Wat is de invloed van de interne weerstand op de accu?

Een accu kan je theoretisch zien als een spanningsbron met in serie daarmee een (interne)weerstand. Als door de accu een stroom vloeit, of dit nou tijdens het ontladen of laden is maakt niets uit, dan vloeit die stroom ook door de interne weerstand.

De stroom zal in die (interne) weerstand zorgen dat warmte ontstaat. Dat laat zich makkelijk berekenen met de formule P = i² x R. Het gedissipeerde vermogen is gelijk aan de stroom in het kwadraat maal de weerstandswaarde.

We maken het praktisch, stel we (ont)laden een (enkele) LFP accucel van 300 Ah die een interne weerstand heeft van circa 0,00025 Ohm. De stroom die vloeit is een flinke 30 Ampère. De warmte die dan ontstaat is: P = i² x R, P = 30 x 30 x 0,00025, P = 0,225 Watt.

Realiseer dat het gedissipeerde vermogen kwadratisch toeneemt met de stroomsterkte. Als de stroomsterkte in dit voorbeeld toeneemt van 30 naar 60 Ampère, dan is het vermogen al gestegen naar 0,9 Watt, bij 120 Ampère is dit al 3,6 Watt.

Als je weet dat een LFP accu een hekel heeft aan warmte (dat heeft een negatieve invloed op de levensduur), dan begrijp je dat deze geringe warmteontwikkeling positieve invloed heeft op de levensduur.

Bedenk dat we nu alleen rekening houden met de interne Ohmse weerstan en de invloed van het LOP of OOP effect nog even negeren, daar komen we aan het eind van het artikle op terug.

Kortsluitstroom

Maar er is een ander onverwacht aspect, en dat is de kortsluitstroom. Stel dat de cel door een bedradingsfout of wat voor reden dan ook, de accucel kortgesloten wordt, dan vloeit een énorme kortsluitstroom.

Stel dat je LFP accucel in dit voorbeeld zou kortsluiten, en we hanteren dan een celspanning van 3,3 Volt, dan zal een stroom vloeien van I = U / R, I = 3,3 / 0,00025, I = 13200 Ampère. Je leest het goed, een duizelingwekkende stroom van meer dan dertieduizend Ampère!

Okay, we overdrijven hier een beetje, want de kortsluiting zal nooit een weerstand hebben van nul Ohm, maar laat die nou eens 0,0005 Ohm zijn, dan is de stroom nog altijd: I = 3,3 / (0,00025 + 0,0005), I = 4400 Ampère. Pittig.

Nu we toch aan het rekenen zijn, bij een kortsluitstroom van 4400 Ampère komt een vermogen vrij aan warmte die gelijk is aan P = 4400 x 4400 x 0,00075, P = 14520 Watt, dus haast 15 kW. Mag jij raden wat er dan gebeurd. Wij willen dat in ieder geval nooit van dichtbij meemaken.

Bij een EOS zal altijd in de accukabel een zekering opgenomen moeten zijn om overbelasting of kortsluiting te mitigeren. Als je niet bekend bent met de hoge kortsluitstroom van een LFP accu dan zal je waarschijnlijk een "gewone" zekering gebruiken. Bijvoorbeeld een 100 of 150 Ampère zekering, zoals een MEGA fuse.

Deze "normale" zekeringen hebben een stroomonderbrekingscapaciteit in de trent van bijvoorbeeld 1000 of 2000 Ampère. Deze zekeringen zijn niet in staat een stroom te onderbreken van, in dit voorbeeld, 4400 Ampère. Het draadje in de zekering smelt wel, maar er zal een vlamboog ontstaan die enorm veel hitte ontwikkeld en potentieel de oorzaak kan zijn voor een brand.

Door de lage interne weerstand bij LFP accu's ben je dus verplicht om zekeringen te gebruiken met een hoge onderbrekingsstroomcapaciteit (Engels: AIC, Amperage Interrupt Current). Denk hierbij aan een 10 kA of meer. Voorbeelden van zekeringen die dit soort onderbrekingsstroomcapaciteiten bezitten zijn: T-class, EF3 en NH00 zekeringen.

Extra interne weerstand door LOP en OOP effect

We hebben het tot nu toe alleen gehad over de ohmse interne weerstand van de LFP accu, dat betreft zaken als de aluminium en koperen folies van de cathode en anode van de cel en de grafietlaag rond de anode.

Maar we hebben ook nog te maken met verliezen die optreden in de chemische processen tijden het laden en ontladen. Daarbij moeten de lithium ionen van de cathode naar de anode verplaatst worden tijdens het laden, of andersom tijdens het ontladen.

Die verplaatsing van de lithium ionen door het elektrolyt gaat natuurlijk niet vanzelf, dat levert een bepaalde weerstand op. Tijdens het laden vertaalt zich dit in een extra benodigde laadspanningsverhoging, het zogenaamde LOP effect. Tijdens het ontladen vertaalt zich dit in een extra spanningsdaling van de accu, het zogenaamde OOP effect.

Deze twee effecten zijn ook nog eens afhankelijk van de sterkte van de (ont)laadstroom (feitelijk de C-waarde), de temperatuur en de SoH. Door deze "chemische weerstand" zullen ook verliezen ontstaan. Deze verliezen zijn groter dan de Ohmse verliezen en nemen vooral snel toe met het hoger worden van de C-waarde.

Om je een gevoel te geven van het totale verlies geven we je de verliezen bij een 280 Ah accu die met 0,1C, 0,2C en 0,5C geladen wordt. Dat is, per cel, respectievelijk 1 Watt, 2,8 Watt en 11,2 Watt. Je ziet de enorme toename van het verlies, dus ook warmteontwikkeling bij een stroom van 0,5C. Logisch dus dat vele kiezen om met 0,1 - 0,2C te laden.

Nog een extra waarde bij dezelfde accucel, als je deze ontlaad met 1C. Dat is een hele grote stroom en mag doorgaans alleen maar kortdurend, de warmteontwikkeling is dan 36,4 Watt. Daar zal de accucel snel van opwarmen, en dat is niet bevorderlijk voor de levensduur. Vandaar dat je dit soort grote stromen moet zien te voorkomen.

Dit is de reden dat vaak gekozen wordt voor twee (of meer) parallel geschakelde accu's, hoewel de dubbele accucapaciteit niet strikt noodzakelijk is. Men doet dit om de (ont)laadstromen te halveren waardoor de verliezen met een factor vier afnemen.