Hoe moet een LFP accu geladen worden?

Dt artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, behandelen we hoe de LFP accu geladen dient te worden wil je een langdurige relatie met de accu hebben.

Introductie

Het laden van een LFP accu bestaat uit twee, maximaal drie fases: de bulkfase en absorptiefase gevolgd door een optionele floatfase. Die fases worden respectievelijk ook wel de "constant current" en "constant voltage" fases genoemd. Daar komen we straks op terug.

In de bulkfase wordt de accu vrijwel helemaal vol geladen en in de absorptiefase worden de laatste restjes lading in de accu gestopt waarna hij echt vol is. Wat dan die floatfase nog moet doen, dat is inderdaad een groot vraagteken. Maar ook dat zullen we in dit artikel beantwoorden.

Bulkfase / constant current fase

Wanneer een LFP geladen wordt zal altijd begonnen worden met de bulkfase. Het doel van deze fase is om zo snel mogelijk de accu te laden. Maar "zo snel mogelijk" wordt mogelijk beperkt door drie criteria: 1. wat is de maximale toelaatbare laadstroom van de LFP accu, 2. wat is de maximaal te leveren laadstroom door de lader en 3. hoe groot wens jij dat de laadstroom is?

1. De fabrikant van de LFP accu specificeert de maximale continue laadstroom. Die is veelal 0,5C, dus als voorbeeld, bij een 300 Ah accu is de laadstroom dan 300 x 0,5 = 150 Ampère. Een grotere laadstroom zal de accu schaden en vertaalt zich in een kortere levensduur.

2. De lader die de accu moet laden kan een bepaalde maximale laadstroom leveren. Die zou wel eens kleiner kunnen zijn dan die 0,5C. Dat is niet erg, dan duurt het laden gewoon wat langer. Een lagere laadstroom dan het maximum van de accu is sowieso een goed idee, dat is bevorderlijk voor de levensduur en het rendement, lees maar door.

3. Door de verliezen in de lader (die groter zijn), maar vooral in de accu (die kleiner zijn), zullen die verliezen in warmte worden omgezet. Een lader die op maximum vermogen de accu laad zal een slechter rendement hebben dan dat hij bijvoorbeeld op 70% van zijn maximum de accu laad. Dus vanuit dat perspectief is de keuze om het laden wat rustiger aan te doen een goed idee.

Maar niet alleen de lader, maar ook de accu heeft verliezen, kleiner, dat wel, maar de gevolgen zijn groter. Die verliezen vertalen in de accu zich ook als warmteontwikkeling. De accu wordt dus tijdens het laden warmer. Een LFP accu heeft een enorme hekel aan warmte. Liefst blijft hij tussen de 20 en 30°, en als het 35°C is, nou ja, liever niet, maar ok, maar weet dat met het stijgen van de temperatuur de levensduur afneemt.

Wanneer de accu met 0,5C geladen zal worden, zal de temperatuur flink oplopen. Een keertje is helemaal niet erg, maar je moet dat niet als standaard gebruiken. Laden met 0,5C is dan ook enorm snel laden (voor een LFP accu) want dat houdt in dat in twee uur een compleet lege accu geladen is.

Wil je langdurig van je LFP accu genieten, kies dan voor een laadsnelheid in het gebied van 0,1 - 0,25C, de accu wordt dan stukken minder warm, goed dus voor de levensduur. Interessant om te weten: de verliezen nemen kwadratisch toe met het toenemen van de laadstroom. Dus laden met 0,4C heeft vier keer zo grote verliezen dan met 0,2C.

Puur als illustratief voorbeeld, om je een gevoel te geven: laden met 0,1C zal bij een bepaalde capaciteit accu, een verlies geven van 0,9 Watt. Bij 0,2C is dat gestegen tot 3,6 Watt en bij 0,4C is dat een enorme waarde van 14,4 Watt. Let op: het gaat hier niet om de absolute waarde, maar om je een gevoel te geven hoe snel (kwadratisch) die verliezen toenemen bij een toenemend laadstroom. Vandaar het advies om maximaal met 0,25C te laden, maar liever wat minder.

Gezien het bovenstaande zal de accu geladen worden met een bepaalde maximale laadstroom. Die laadstroom heeft een constant karakter. Vandaar dat de bulk laadfase ook wel de constant current fase wordt genoemd.

In deze fase is de laadstroom wel constant, bijvoorbeeld 50 Ampère, maar dat geldt niet voor de laadspanning. De laadspanning moet altijd iets hoger zijn dan accuspanning, want alleen dan kan een stroom vloeien vanuit de lader naar de accu.

Doordat de lading in de accu toeneemt, zal ook, zij het zéér langzaam, de spanning van de accu toenemen. Doordat de accuspanning stijgt, dáált het spanningsverschil tussen de lader en de accu. Het gevolg daarvan is dat de laadstroom ook daalt. Maar dat willen we niet, de stroom moet constant zijn. Dus zodra de lader merkt dat de laadstroom iets daalt, past hij de laadspanning iets omhoog bij waardoor de laadstroom weer (in dit voorbeeld) 50 Ampère is.

Tijdens de bulkfase zal de laadstroom dus gelijk blijven, maar zie je de laadspanning langzaam stijgen. Maar dat kan niet oneindig lang door blijven stijgen. De accufabrikant specificeert namelijk een bepaalde maximale laadspanning. Die is vrijwel altijd, bij een LFP accu, 3,65 Volt per cel, dus bij een 12/24/48 Volt accu is dat respectievelijk 14,6/29,2/58,4 Volt.

Maar er is een hele goede reden om niet tot deze 3,65 Volt te gaan. Het is gebruikelijk om 3,45 Volt als maximum te hanteren. Eén van de redenen is dat bij 3,65 Volt het BMS de accu zal uitschakelen vanwege het beschermen van de accu omdat hij constateert dat één of meerdere cellen de 3,65 Volt hebben bereikt. En dat is een absoluut maximum, daarboven en je bent de accu aan het overladen. Dus daarom grijpt het BMS in. Maar dat wil je niet, want aan het eind van de bulkfase moet nóg een laadfase volgen en dat zou dan niet meer mogelijk zijn omdat de accu afschakelt is door het BMS voor wat betreft het laden.

Maar er zijn nog meer redenen om een iets lagere spanning te kiezen zoals de voorgestelde 3,45 Volt. Dat is om de accu meer tijd te geven om te balanceren én levert deze lagere spanning minder stress op in de accu(cellen) en mogelijk kan dit bijdragen tot een lange levensduur.

Zodra deze maximale spanning van bijvoorbeeld 3,45 Volt is bereikt, zit de taak van de bulklaadfase er op. Die kan zich omkleden, naar huis en daarna languit op de bank.

Deze drempelspanning van 3,45 Volt wordt ook wel de absorption voltage of absorptiespanning genoemd. En raad eens waarom die zo heet? Omdat de volgende laadfase de absorptiefase wordt genoemd. Hoe simpel kan het zijn.

NB. de absorptiespanning kan vrijwel altijd in de lader aangepast worden, vele kiezen voor 3,45 Volt per cel, dus 13,8 Volt bij een 12V accu, 27,6 Volt bij een 24V accu en 55,2 Volt bij een 48 Volt accu. Maar andere kiezen een iets hogere spanning, bijvoorbeeld 3,5 of uiterlijk 3,55 Volt. De winst van een iets hogere absorptiespanning is dat je iets van 1% extra lading in de accu kan krijgen, maar daar staat wel meer stress in de accu tegenover.

Absorption fase / constant voltage fase

Bij de afronding van de bulkfase is de accu haast vol, denk aan zo'n 97%. De taak van de absorptiefase is tweeledig. 1. Zorgen dat de accu voor 100% geladen wordt en 2. dat de balancer de tijd krijgt om de accucellen te balanceren.

Die twee taken vallen mooi samen, want het balanceren van cellen kan nog al wat tijd in beslag nemen en in de absorptiefase neemt de lader "even rustig de tijd voor" om de accu tot een SoC van 100% te laden.

Waarom het laden in dit deel van het laadproces heel veel trager gaat, heeft een reden. In de bulkfase, de constant current fase, werd de laadstroom constant gehouden maar de laadspanning nam almaar toe.

In deze absorptiefase is het net andersom want die onderscheidt zich van de bulkfase dat laadspanning gelijk gehouden wordt. Vandaar dat dit ook wel de constant voltage fase wordt genoemd.

Omdat de laadspanning gelijk gehouden wordt en de accu, zij het langzaam, verder gevuld wordt, zal het spanningsverschil tussen de accuspanning en de laadstroom steeds verder afnemen. Immers, de wet van Ohm vertelt ons dat als het spanningsverschil kleiner wordt (tussen laad- en accuspanning), de stoom ook kleiner wordt.

Bij de start van de absorptiefase zal in de eerste seconden de laadstroom gelijk zijn aan de stroom tijdens de bulkfase, maar de laadstroom zie je daarna snel dalen. Die daling gaat in het begin relatief snel, maar die daling neemt steeds minder snel af.

Stel dat je de absorptiefase laat voortduren, dus de laadspanning constant op die 3,45 Volt zou houden, dan kán de accu overladen worden, ondanks dat de laadspanning nog niet het maximum van 3,65 Volt heeft bereikt.

Hoe dat komt is een behoorlijk technisch verhaal en heeft onder andere te maken met het zogenaamde LOP effect. Hoe dat zit en wat dat LOP effect is hebben we uitgebreid beschreven in het artikel over de absorption fase.

Om kort te gaan, we moeten op een gegeven moment stoppen met laden omdat dán de accu vol zit, en we niet voorbij dit punt willen komen omdat anders de accu overladen wordt.

Wanneer dat moment aanbreekt, dat gestopt moet worden met laden, dat specificeert de fabrikant van de accu (of accucellen). Maar bij LFP cellen die in een EOS worden gebruikt is dit veelal 0,05C. Dus bij een 300 Ah accu als voorbeeld, is dit een stroom van 300 x 0,05 = 15 Ampère.

De stroom die gedurende de absorption fase de accu in stroomde wordt de tailcurrent of staartstroom genoemd. De fabrikant specificeert meestal dus te stoppen bij een laadstroom van 0,05C maar bij laders kan je niet alleen deze tailcurrent instellen, maar ook kiezen om de tailcurrent na een bepaalde tijd te stoppen, bijvoorbeeld na één uur.

Stoppen bij 0,05C is natuurlijk beter, en je zal je afvragen waarom soms wordt gekozen met een soort blinddoek het laden nog één uur te laten voortduren. De reden is simpel, heb je een EOS waarbij de accu geladen wordt met zonnestroom, dan zou tijdens de absorptiefase, bij wijze van spreke al in de eerste minuut een wolk voor de zon trekken. Het gevolg kan dan zijn dat de laadstroom daalt onder deze 0,05C en dat zou dan een reden zijn van de absorptiefase om het dan maar voor gezien te houden. Maar dat is dan een hele foute beslissing. Daarom wordt bij dat soort EOS installaties en ook bij MPPT zonnepaneellaadregelaars meestal gekozen om de absorptiefase een bepaalde, instelbare, tijd te late duren.

Over die tailcurrent-tijd, valt nog wat interessants te melden. Die moet korter zijn als in de bulkfase met een relatief hoge stroom is geladen, en die tijd moet juist langer zijn als in de bulkfase met een kleine(re) stroom de accu is geladen. Ook dat heeft met het LOP effect te maken. Wil je het naadje van de kous weten, lees dat het uitgebreide artikel over de absorption fase.

Even voor de duidelijkheid, na de absorptiefase wordt de LFP accu als 100% vol beschouwd en daarom wordt het laden gestopt.

Float fase

De laders die LFP accu's kunnen laden hebben vele instellingen, zoals de maximale laadstroom tijdens de bulkfase, de absorptiespanning maar ook kan de spanning ingesteld worden van de floatfase.

Het zal ons niet verbazen als je denkt, maar we waren toch klaar met laden? Wat valt er nu nog te doen?

Dat klopt, er valt niets meer te doen. De float "laadfase" is feitelijk een overblijfsel uit de tijd dat we werkten met loodzuur accu's zoals de GEL en AGM accu's. Die moesten, nadat ze helemaal volgeladen waren, toch een bepaalde continue laadstroom krijgen, om de relatief grote zelfontlading te compenseren. Daar is bij de LFP accu geen sprake van.

Om kort te gaan, bij LFP accu's willen we eigenlijk geen floatfase. Maar vaak kan je deze float laadfase niet uitschakelen. Dan is het instellen van een lage, veilige, spanning van 3,35 Volt een goede keuze. In de praktijk betekent dit dat de floatfase geen actieve rol heeft. Alsof je een vrachtwagenchauffeur wegstuurt zonder lading. Hij krijgt wel een taak, maar praktisch doet hij niets. Soms moet je creatief zijn.

Meer details over deze float fase, en ook dat je wellicht zonder dat je het weet de accu kan overladen door het kiezen van een verkeerde floatspanning, in het uitgebreidere artikel over de float fase.