Wat zijn de maximale laad- en ontlaad spanningen van een LFP accu?

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, bespreken we de absolute spanningslimieten van de lithiumijzerfosfaat accucel ook wel LiFePO4 of LFP genoemd. Zowel tijdens het laden, het ontladen en de rustspanning.

Introductie

De spanningen die we in dit artikel noemen betreffen cel-spanningen. Wil je die spanningen weten voor een 12, 24 of 48 Volt accu, die opgebouwd zijn uit meerdere accucellen, dan moet je deze waarden vermenigvuldigen met respectievelijk 4, 8 of 16.

Voor het gemak hebben we in dit artikel tussen { } de waarden gezet voor een 12/24/48 Volt accu. Bij de 48 Volt accu gaan we uit van de gebruikelijke 16S accu (16 cellen in serie), hoewel ook afwijkende 48 Volt accu's zijn met 15S, die dus maar 15 cellen in serie hebben. Dan moet je een factor 15 gebruiken.

Het niet overschrijden van de genoemde spanningen draagt bij aan een veilige accugebruik en dat de accu die een mogelijk lang leven beschoren is. Het zijn limieten die LFP accucelfabrikanten specificeren.

Bedenk dat wij in dit artikel de "spanningslimieten" beschrijven. We schrijven dus absoluut niet dat je deze dan ook in de praktijk moet gebruiken. Dat is een hele andere discussie, velen hanteren conservatievere grenzen en verwachten/hopen daarmee een langere levensduur.

Het overschrijden van de genoemde spanningslimieten kan leiden tot permanente schade, het defect raken van de accu of kan zelfs catastrofale gevolgen hebben, zoals het gassen en/of een thermal runaway.

Eerst de harde cijfers

Bij een LFP of LiFePo4 accucel geldt een maximale laadspanning van 3,65 Volt {14,6/29,2/58,4 Volt}, maar met een paar mitsen en maren, later hier meer over.

De minimum spanning tijdens het ontladen van de accu is 2,5 Volt {10/20/40 Volt} bij een temperatuur boven 0°C. Onder 0°C geldt een minimum spanning van 2.0 Volt {8/16/32 Volt}.

Condities

De maximale laadspanning van 3,65 Volt geldt bij een laadstroom van 0,5C, dat is dus van toepassing tijdens de bulklaadfase. Zodra de lader overgaat naar de absorption laadfase, zal de laadstroom vanzelf in sterkte afnemen (omdat de laadspanning dan niet meer stijgt). Die afnemende laadstroom wordt tailcurrent of staartstroom genoemd en als deze gedaald is tot 0,05C dan moet direct gestopt worden met laden.

De lader mag daarna geen stroom meer leveren. Vaak gaat de lader over naar de float laadfase (waarbij toch stroom geleverd kán worden). Die moet dan uitgeschakeld worden. LFP heeft geen floatlaadfase nodig, de LFP accu kan bij een verkeerde floatspanning zelfs defect raken. Mocht die floatspanning niet uitgeschakeld kunnen worden, zet dan de floatspanning op een lage waarde, bijvoorbeeld 3,35 Volt of lager (de rustspanning van een geladen LFP accucel).

Verder gelden deze waarden bij een accutemperatuur van 25°C. De hiervoor genoemde waarden gelden voor de meeste LFP cellen die gebruikt worden in een EOS. Sommige LFP cellen hebben afwijkende specificaties, zoals een laadstroom die niet maximaal 0,5C is maar 0,25C of juist hoger, bijvoorbeeld 1C. Raadpleeg altijd de datasheet van de LFP accucelfabrikant, die is leidend.

3,65 Volt is feitelijk te hoog

Hiervoor schreven we dat de maximale laadspanning maximaal 3,65 Volt mag zijn. Dat is op zich juist, maar in de praktijk zal je deze waarde nooit willen gebruiken, maar een iets lagere waarde.

De reden hiervoor is dat een LFP accu in principe altijd voorzien is van een BMS. Het BMS bewaakt onder meer de maximale en minimale celspanning. Het BMS hoort onder normale omstandigheden nooit in te grijpen, vergelijk het met een soort zekering. Vrijwel iedere BMS voor een LFP accu heeft de maximum en minimum celspanning op 3,65 en 2,5 Volt ingesteld staan.

Omdat het BMS een beveiligingselement is, horen die spanningen normaal dus niet voor te komen.

Zou de lader ingesteld staan op een absorptiespanning van 3,65 Volt, dan zal het BMS bij iedere laadsessie, zodra de accu de 100% SoC bereikt, een "cell overvolt protection alarm" afgeven én schakelt het BMS de accu uit (voor laden) om schade te voorkomen.

Onder normale omstandigheden wil je geen alarmmeldingen en een uitschakelende accu en dáárom wordt de maximale laadspanning (absorptiespanning) altijd iets lager ingesteld dan die 3,65 Volt om daarmee die alarmmeldingen te voorkomen.

Het is redelijk gebruikelijk om de absorptiespanning op 3,45 Volt {13,8/27,6/55,2 Volt} in te stellen. Door de laadspanning te verlagen van 3,65 naar 3,45 Volt zal je wel circa 3% accucapaciteit onbenut laten, maar dat vinden velen heel acceptabel en leveren ze graag in om daarmee alarmsituaties te voorkomen.

Overigens, als de absorptiespanning op 3,45 Volt {13,8/27,6/55,2 Volt} is ingesteld, betekent dat geenszins dat een accucel in een accu tóch de waarde van 3,65 Volt kan bereiken, waarop het BMS alsnog (gelukkig) ingrijpt en een alarm afgeeft.

Zoiets kan voorkomen bij een onbalans in de cellen van een accu. Dit gebeurt vooral als de accu net in gebruik genomen is en geen top balance heeft gehad. In de voetnoot leggen we uit dat bij een laadspanning van 3,45 Volt per cel een accucel toch een spanning kan hebben van 3,65 Volt of hoger.

De reden dat 3,65 Volt de maximum celspanning mag zijn komt omdat bij een celspanning boven deze waarde de kans toeneemt dat het elektrolyt zich zal ontleden. Daarbij worden gassen geproduceerd en zal de druk in de cel toenemen. Dit leidt tot het bol(ler) staan van een cel.

Minimum ontlaadspanning

De eerder in dit artikel genoemde minimale celspanning van 2,5 Volt (of 2 Volt bij <0°C), is een harde limiet. In de praktijk wil je ook deze waarde niet hanteren. Daar zijn een aantal redenen voor.

Ten eerste wil je, nadat de accu tot dit nivo ontladen is, voorkomen dat de accu defect raakt doordat hij diep ontladen wordt. Die kans bestaat namelijk. Als het BMS de accu afschakelt bij 2,5 Volt dan moet hij zo snel mogelijk weer geladen worden. Zou je dat achterwege laten, dan zal door de zelfontlading van een LFP accu, en die is circa 3% per maand, de kans bestaan dat de accu onder deze kritische grens van 2,5 Volt (of 2 Volt) daalt. En dan bestaat de kans op permanente beschadiging. Zo iets is denkbaar in de donkere maanden, waarbij dagenlang, soms meerdere weken zo weinig zonne-energie beschikbaar is, dat als er dan wat energie beschikbaar komt dit direct door de apparaten gebruikt wordt en de accu niet opgeladen wordt.

Dus om diepontladen en permanente beschadiging te voorkomen, wordt veelal een flinke veiligheidsmarge gehanteerd. Denk aan een waarde van bijvoorbeeld 2,9 Volt als ontlaadminimum (de waarde waarbij het BMS ingrijpt). De inverter zal dan een "low voltage disconnect" hebben (stoppen met ontladen) van bijvoorbeeld 3,0 Volt (waarbij voorkomen wordt dat het BMS ingrijpt en tevens een alarm afgeeft).

Een andere reden dat deze minimale ontladingsgrens een stuk hoger gesteld wordt dan 2,5 Volt is om de levensduur van de accu mogelijk te verlengen. Maar hier komen we in een heel grijs gebied waar meer een geloofsstrijd plaatsvindt en meningen vaak meer de overhand hebben dan de feiten.

Eén ding hebben talloze wetenschappelijke studies uitgewezen, dat is hoe meer je de capaciteit van een accu benut, dus een hoge DoD hanteert, de cyclische levensduur afneemt.

Het is voor de cyclische levensduur bevorderlijk om te kiezen tussen, als voorbeeld, het gebruik van de accu tussen 20% en 80% in plaats van 0% en 100%. En 30% en 60% is nog beter. In dat kader is de keuze voor een hogere minimale ontlaadspanning een goede keuze. Dus niet 2,5 Volt maar bijvoorbeeld 2,9 of 3,1 Volt. De keuze is aan jou.

Let op: de levensduur van een accu heeft twee aspecten, de cyclische levensduur en de kalender levensduur. Door beperkingen te gebruiken tijdens het laden/ontladen om daarmee de cyclische levensduur te verhogen, wil dat niet zeggen dat de praktische levensduur verlengt wordt omdat mogelijk de kalender levensduur eerder bereikt wordt.

Rustspanning

Wanneer een LFP cel wordt geladen met een absorption spanning van 3,45 Volt en in de absorption fase gewacht wordt dat de tailcurrent gedaald is tot 0,05C, wordt de accucel als 100% vol beschouwd.

Zou je daarna de accucel loskoppelen, dus niet ontladen, dan zal je zien dat de spanning langzaam daalt en zich stabiliseert op circa 3,35 Volt. Dat is de "rustspanning" van een geladen LFP cel.

Hier doet zich dus het verschijnsel voor dat 3,45 Volt gebruikt wordt om de accu tot 100% te laden, maar dat de spanning van de cel in rust circa 3,35 Volt is. Die extra 0,1 Volt (in dit voorbeeld, en bij een laadstroom van 0,5C) was nodig om de cel te kunnen laden en daar is altijd een hogere spanning voor nodig dat de rustspanning. Dit fenomeen wordt het LOP effect genoemd.

NB: de rustspanning van een geheel geladen cel is overigens afhankelijk van de temperatuur van de accucel waarbij normaal gesproken men 25 °C hanteert. De genoemde rustspanning van circa 3,35 Volt geldt bij een LFP cell die voor circa 96% geladen is, en dat is als een absorptiespanning van 3,45 Volt is gebruikt. Bij gebruik van een absorptiespanning van 3,65 Volt zal de cell voor 100% geladen worden en is de rustspanning circa 3,4 Volt.

Overigens het meten van dit soort spanningen vereist een behoorlijk nauwkeurige Voltmeter. Ter illustratie, een doorsnee digitale voltmeter die vier cijfers weergeeft zal een onnauwkeurigheid hebben van circa 0,5% +- 3 digits. Geeft de DMM een spanning in het display van 3,350 Volt, dan kan de werkelijke spanning dus liggen tussen de 3,369 en 3,330 Volt. Ter illustratie, 3,330 Volt is de rustspanning van een LFP cel met een SoC van 70%. Je ziet dus 3,350 Volt op de meter en denkt, dat is dus een SoC van 96% maar in werkelijkheid kan dit in werkelijkheid (worst case) 70% SoC zijn. Alleen met een zeer nauwkeurige, dus zeer dure, Voltmeter is het meten van de rustspanning zinnig.