Wat is de betekenis van laadoverspanningspotentiaal (LOP) en ontlaadonderspanningspotentiaal (OOP) bij een LFP accu

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, bespreken we het fenomeen ontlaadonderspanningspotentiaal (OOP) en laadoverspanningspotentiaal (LOP).

De spanning van een accu zal bij het starten van het laden een sprongetje omhoog maken en bij de start van het ontladen zal de accuspanning een sprongetje naar beneden maken.

Die spanningssprong is bij een LFP accu groter dan je op basis van de interne weerstand zou verwachten. Tevens is die spanningssprong niet instantaan maar duurt het even voordat het maximum is bereikt.

Daarnaast zal de accuspanning na laden of ontladen langzaam dalen respectievelijk stijgen en pas na 10-30 minuten komt de accuspanning tot een rustnivo.

Twee aspecten

Dat tijdens het ontladen van een accucel of accu^[1] de spanning daalt is goed verklaarbaar. De accucel kan je zien als een spanningsbron met in serie een weerstand. Omdat die weerstand zich in de accu bevindt, noemt men dit de interne weerstand.

Die interne weerstand is geen weerstand die men tijdens de fabricage bewust heeft aangebracht, maar is het gevolg van de elektrische weerstand van de materialen waarmee de accucel is opgebouwd. Denk hierbij aan de aluminium folie waarmee de cathode is opgebouwd, de koperfolie waarmee de anode is opgebouwd, en het grafiet (koolstof) dat in de accucel is gebruikt.

Dit zijn pure Ohmse weerstanden, dus op basis van de wet van Ohm is die spanningssprong te berekenen. Als voorbeeld, de interne weerstand van een 300 Ah LFP cel zal circa 0,00025 Ohm zijn. Bij een (ont)laadstroom van 40 Ampère zal de spanning, door deze interne weerstand, een sprongetje maken van U = I x R, U = 40 x 0,00025, U = 0,01 Volt (10 millivolt).

Als je dit experiment uitvoert met een LFP accu die een spanning heeft van bijvoorbeeld 3,3 Volt en de accu ontlaad met bijvoorbeeld 40 Ampère, dan zou je een spanningsdaling verwachten van 3,3 naar 3,29 Volt, dus een daling van 10 mV. In een grafiek zou dat er zo uit zien.

Bij t0 is de celspanning 3,3 Volt, bij t1 wordt de ontlaadstroom ingeschakeld en daalt de spanning iets. Dat is het gevolg van de spanningsval over de pure Ohmse weerstanden. Tot zover het geen dat je zou verwachten. Maar als je dit experiment uitvoert zal je een ander gedrag zien.

De spanningsdaling blijkt aanzienlijk groter te zijn dan je zou verwachten. Wat je ziet is dat de spanning eerst meteen daalt met die 10 mV, dat is de Ohmse daling, maar daarna daalt langzaam de spanning verder en na een bepaalde tijdje is deze met nog eens 30 mV gedaald. De totale celspanningsdaling is dan 40 mV. De celspanning is na een paar minuten gedaald van 3,3 naar 3,26 Volt^[2].

De duur van deze spanningsdaling, dus de tijd tussen t1 dn t2, is afhankelijk van de C-waarde van de ontlaadstroom, hoe hoger de C-waarde (hoe hoger de ontlaadstroom in relatie tot de accucapaciteit), hoe langer het duurt totdat de spanning gestabiliseerd is. Denk aan waarden tussen de één en drie minuten.

Deze extra (sterkere) daling hebben wij het ontlaadonderspanningspotentiaal genoemd (OOP). Die daling van de spanning is het gevolg van de energie die benodigd is om de lithium ionen te verplaatsen om de gevraagde ontlaadstroom te kunnen leveren. Het is te vergelijking met een pomp die water door een tuinslang moet stromen. Is de stroomsterkte (grappig bedoeld) van het water relatief laag, dus dan ook weinig liter/minuut, dan dan is een lichte druk al voldoende. Naarmate de stroomsterkte verhoogd wordt, dus het aantal liters/minuut, hoe groter de druk van de pomp moet zijn om dit mogelijk te maken.

Tijdens het ontladen is die "druk" afkomstig van van de elektronen die tijdens het ontladen van de ene accupool, via de elektrische belasting van de accu, stromen naar de andere accupool. Daar ontstaat een overschot aan (negatief geladen) elektronen die op hun beurt een aantrekkingskracht uitoefenen op de positief geladen lithium ionen.

De sterkte van deze spanningsdaling is dus vooral afhankelijk zijn van de C-waarde, de stroom in relatie tot de capaciteit. Hoe groter de C-waarde, hoe groter extra spanningsdaling.

Daarnaast spelen ook nog andere factoren een rol, zoals de temperatuur. Tussen de cathode en de anode van de LFP accu bevindt zich een vloeistof, het elektrolyt. In het elektrolyt kunnen lithium ionen zich verplaatsten van de cathode naar de anode of andersom. Maar bij dalende temperaturen zal de viscositeit van het elektrolyt toenemen (stroperiger worden). Daardoor wordt het voor de lithium ionen moeilijker om zich door het elektrolyt te verplaatsten, het kost meer moeite en dat vertaalt zich in een verdere spanningsdaling van de cel.

Maar ook speelt ook de SoH een rol. Door de structurele veranderingen in de LFP cel kost het steeds meer moeite om lithium ionen van de ene naar de andere pool te verplaatsen.

De dalende SoH is het gevolg van onder andere het dikker worden van de SEI laag, het minder doordringbaar worden van het membraan (dat zich in het elektrolyt bevindt en scheiding maakt tussen de cathode en de anode) en de mogelijke "plating" rond de anode dat ontstaat door het gebruik van de cel bij of over zijn limieten.

Zodra de ontlaadstroom wegvalt, zoals in onderstaande grafiek te zien is, bij t2, zal de celspanning meteen weer stijgen met de spanningsval over de Ohmse weerstand, in dit voorbeeld 10 mV. Daarna zal de accuspanning langzaam weer terugkomen op zijn rustspanning^[3]. Dat duurt tot t3 en denk hierbij aan een tijd van zo'n tien minuten.

Laden

Wanneer je de cel laad gebeurt precies het omgekeerde. Zodra een laadstroom door de cel vloeit zal de spanning stijgen. Maar ook hier bestaat die spanningsstijging weer uit twee onderdelen: 1. de spanningsstijging vanwege de Ohmse verliezen en 2. vanwege de weerstand die de lithium ionen ondervinden om zich te verplaatsen van de cathode naar de anode.

Deze extra spanningsstijging als gevolg van het ionentransport hebben wijn het laadoverspanningspotentiaal (LOP) genoemd.

Additieven en de invloed op OOP en LOP

Een standaard LFP accu mag niet onder het vriespunt geladen worden. Sommige fabrikanten voegen bij bepaalde modellen LFP accucellen bepaalde additieven toe, waardoor je wél onder het vriespunt mag laden. Maar dat voordeel vertaalt zich in een nadeel, namelijk het toenemen van het OOP en LOP effect. De spanningsverlaging/verhoging van het OOP / LOP effect wordt hierdoor versterkt. Hierdoor zal het rendement van de accu afnemen.

Gevolgen van OOP een LOP

De gevolgen van OOP en LOP zijn divers, we geven een paar voorbeelden.

Bepalen SoC vrijwel onmogelijk: vanwege de enorm vlakke (ont)laadcurve (celspanning versus SoC) is het al enorm moeilijk om op basis van de celspanning de SoC te bepalen. Als je over een zéér nauwkeurige Voltmeter beschikt zou dit nog te doen zijn. Maar dit kan alleen maar als een accu in rust is^[3], omdat van die rustspanning de gerelateerde SoC bekend is. Maar ja, een accu die in rust is, waar vindt je die? Een accu wordt gebruikt, hij wordt geladen of ontladen, en dat kan frequent op elkaar en kortstondig volgen bij een EOS waarbij zonne-energie opgeslagen wordt.

Door het OOP en LOP effect zal de celspanning steeds lager of hoger zijn dan de rustspanning en daardoor is, op basis van de celspanning, de SoC niet te bepalen. Daarom wordt de SoC bepaald op basis van een Coulombmeter.

Lager rendement bij lagere temperatuur: het ontlaadonderspanningspotentiaal (OOP) dat zorgt dat de spanning van de accu daalt tijdens ontladen, wordt versterkt naarmate de temperatuur van de accu lager wordt. Als je een accu ontlaad, dan is het vermogen dat de accu levert afhankelijk van twee factoren: stroom en spanning, immers P = U x I. Als het gevraagde ontlaadvermogen gelijk blijft, maar de spanning daalt als gevolg van de OOP bij lagere temperaturen, zal de ontlaadstroom hoger moeten worden om het gevraagde vermogen te blijven leveren. Dit betekent dat, bij gelijke belasting (vermogen), meer lading uit de accu zal stromen bij een lage accutemperatuur in vergelijking bij een hogere temperatuur. Dit vertaalt zich daardoor in een lager rendement van de accu. Dit is zowel van toepassing tijdens het ontladen als het laden. Het is dus slim om de temperatuur van de accu niet te ver van de 20-25°C te laten dalen.

Langere absorptietijd bij een hogere laadstroom: wanneer een LFP accu met een relatief hoge C-waarde geladen wordt, zal door het LOP effect, de accuspanning extra hoger zijn, in vergelijking tot het laden met een lage C-waarde. Tijdens het laden, zal in de bulkfase de spanning van de accu steeds verder stijgen. Dat is een normaal verschijnsel dat bij alle accu's optreed als de lading van de accu toeneemt (verwar dit niet met het LOP effect). Op een gegeven moment zal deze de absorptiespanning bereiken en gaat de lader over van de bulk- naar de absorptiefase.

Het moment waarop de accu "aankomt" bij de absorptiespanning, is in dit geval eerder dan dat de accu met een lagere C-waarde geladen zou zijn. Voor de duidelijkheid: als je de accu langzaam zou laden zal de lader meer Ah's (meer lading) in de accu opslaan (tot het moment dat de absorptiespanning bereikt wordt) in vergelijking met dat je dezelfde accu met een hoge(re) stroom laad.

Feitelijk zit bij het bereiken van de absorptiespanning met een hoge C-waarde, de accu nog niet helemaal vol, in ieder geval veel minder vol dan als je een lagere C-waarde had gebruikt. Door de hoge C-waarde is, door het LOP effect, de accuspanning eenmaal hoger, dus eerder bij de absorptiespanningsgrens. Het gevolg hiervan is dat de accu dus minder vol is dan verwacht. De SoC geeft wel netjes 100% aan, omdat de absorptiespanning is bereikt (uitgaande dat de SoC meter de overgang naar de absorptiespanning gebruikt als reset naar 100% SoC), maar feitelijk reflecteert die SoC van 100% niet de actuele situatie.

Moet de accu werkelijk volgeladen worden, dan zal dit klusje in de absorptiefase afgerond moeten worden. Omdat nog veel lading ontbreekt, zal in dit geval de absorptietijd dus flink langer moeten zijn in vergelijking met het laden van de accu met een lagere C-waarde.

Een slimme lader past de absorptietijd aan afhankelijk van de stroomsterkte tijdens de bulkfase.

Accu eerder leeg door OOP bij hoge ontlaadstroom: wanneer de accu met een relatief hoge ontlaadstroom ontladen wordt, zal het OOP effect sterk zijn. De accuspanning is dan lager dan dat hij geweest was bij een geringere ontlaadstroom.

Als de accuspanning gedaald is tot een ingestelde kritische grens die we beschouwen als 0% SoC, bijvoorbeeld 3 Volt of 2,5 Volt, dan zal het BMS de accu loskoppelen. Dit moment van loskoppelen, zal door het OOP effect eerder optreden dan bij een hoge ontlaadstroom dan een lage ontlaadstroom. Feitelijk is de accu nog niet tot 0% SoC ontladen, maar door sterkere accuspanningsdaling tijdens het ontladen, zal het BMS (of de inverter) eerder stoppen met het ontladen van de accu. Dit betekent praktisch dat de hoeveelheid lading, noem het aantal kWu, dat he uit een accu kan halen door dit OOP effect lager is bij een hoge ontlaadstroom dan bij een lage ontlaadstroom.

Accu eerder einde levensduur bij grote stromen: dit klinkt nog al dramatisch, maar we leggen uit wat we hiermee bedoelen. Een LFP accu zal verouderen, door zijn leeftijd en het aantal cycli. Daardoor zullen permanente structurele veranderingen plaatsvinden in de accu. Daardoor zal het steeds moeilijker worden om de lithium ionen te verplaatsen tijdens het laden en ontladen.

Wordt de accu gebruikt in een applicatie waarbij hoge stromen voorkomen, dan zal het steeds langer duren voordat de accu is geladen, omdat de absorptietijd steeds langer wordt omdat de accu eerder dan hij feitelijk vol zit de absorptiespanning heeft bereikt.

Andersom is ook van toepassing, bij hoge ontlaadstromen zal eerder de "low voltage disconnect" spanning bereikt worden. Op termijn duurt het laden (met hoge stromen) steeds langer, en is de accu steeds eerder "leeg" bij gebruik van hoge stromen. Denk hierbij aan een LFP accu die in een EV wordt gebruikt.

Die accu is vanwege het OOP en LOP effect niet meer goed bruikbaar is een hoge stroom applicatie zoals een EV. Dezelfde accu die in een lage stroom applicatie gebruikt zou worden, zoals in een EOS zal een langere praktische levensduur hebben. En dat allemaal vanwege het OOP en LOP effect.

Balanceren door cellen parallel te schakelen, lukt maar ten dele: een ander interessant fenomeen doet zich voor als je accucellen, voordat je gaat gebruiken in een accu, wil balanceren, door deze in dit geval parallel te schakelen (en alleen maar dat, dus niet met een lader de cellen te laden tot 3,65 Volt).

Het idee hierachter is, door de cellen parallel te schakelen zullen de cellen met een hogere SoC, dus een hogere celspanning, energie overdragen aan cellen met een lagere SoC, die hebben immers een lagere celspanning en daardoor zullen de cellen gebalanceerd worden.

In eerste instantie gaat dit balanceren prima, zolang de spanningsverschillen, relatief, groot zijn. Doordat de cellen steeds meer in balans komen zullen de spanningsverschillen steeds kleiner worden. Hoe kleiner het spanningsverschil tussen de cellen, hoe groter het LOP en OOP effect het verder balanceren bemoeilijkt.

De accucel met een hogere SoC, dus een hogere celspanning (althans in rust), zal vanwege het OOP effect een lagere celspanning hebben, hij wordt immers (een beetje) ontladen. De cel die hij laad, die dus een lagere SoC heeft, dus ook een lagere celspanning (althans in rust) heeft, zal de stroom accepteren. Als gevolg ven het LOP effect (de cel wordt immers geladen), zal op een gegeven moment, ondanks dat de ene cel een hogere SoC heeft dan de ander, geen stroom meer kúnnen vloeien en het verder balanceren stopt.

Dat komt omdat de verschilspanning tussen de twee accucellen dusdanig klein geworden is dat het spanningsverschil tussen de cellen (in rust !) gelijk is aan de som van het spanningsverlagende effect van OOP en het spanningsverhogende effect van LOP. Dus het spanningsverschil tussen de twee cellen is gelijk aan het spanningsverschil dat ontstaat door OOP en LOP samen. Dan dus geen spanningsverschil meer, dan ook geen balanceerstroom meer.

Cellen balanceren door ze "alleen" parallel aan elkaar te schakelen, zal dus de cellen zeker "nader tot elkaar brengen" maar de SoC zal nooit identiek worden. Kleine verschillen blijven bestaan. Maar deze zijn zodanig dat een BMS met een actieve balancer dit in de praktijk wel weg kan werken.

Bedenk wel dat, mede door de OOP en LOP effecten, de balanceerstroom steeds kleiner wordt en het enorm lang duurt voordat de cellen "tot elkaar komen", dat kost geen uren of dagen, maar weken. Wil je sneller de cellen balanceren, voer dan een top balance uit.