Wat is top balance bij een LFP accu en wat is het doel hiervan?

In dit artikel, dat deel uit maakt van een artikelenreeks over de LFP accu, bespreken we de top balance. Dat is een techniek om, voordat een accu in gebruik genomen wordt, te zorgen dat de accucellen op voorhand gebalanceerd zijn en allemaal een SoC hebben van 100%.

Voorkennis

De cellen waaruit een accu is opgebouwd kunnen tijdens de bouw in onbalans zijn. Wat dat is en wat de gevolgen daarvan zijn kan je lezen in in dit artikel.

Niet de accu maar de cellen

Wanneer een accu tot 100% geladen wordt, betekent dit nog niet dat de cellen van de accu ook allemaal een SoC hebben van 100%. Als een accu ongebalanceerde cellen bevat zal een 100% geladen accu één of meerdere cellen hebben met een lagere SoC, bijvoorbeeld 95%.

Bij top balancing wordt niet de accu maar juist de cellen tot 100% geladen om zeker te zijn dat alle cellen van de accu "een goede start" hebben en gebalanceerd zijn.

Verschil top balance en balanceren

Een top balance is een actie die eenmalig uitgevoerd wordt tijdens de bouw van een accu. Die top balance zorgt dat de cellen voor het eerste gebruik goed in balans zijn. Het balanceren van de accucellen, die door het BMS wordt uitgevoerd is een proces dat ná de bouw van de accu en gedurende zijn hele levensduur plaatsvindt. Dat is nodig omdat tijdens het gebruik van de accu altijd een (kleine) onbalans zal ontstaan, hoe dat komt lees je in dit artikel.

Waarom een top balance?

Bij vrijwel alle accuchemiën bestaat een goed meetbare relatie tussen de SoC en de accucelspanning. Bij een LFP accucel is die relatie, vanwege de zeer vlakke (ont)laadcurve, vrijwel afwezig. De celspanning blijft tussen de 5 en 95% SoC is vrijwel gelijk. Alleen onder de 5% en boven de 95% is met zekerheid vast te stellen dat de SoC lager dan 5% of hoger dan 95% is.

In de laadcurve (spanning versus SoC) is een knik te zien bij circa 3,25 Volt en bij 3,4 Volt. Vanaf die 3,4 Volt gaat de celspanning, met het toenemen van de SoC, ineens heel snel omhoog. Van een cel met een spanning (tijdens het laden) van 3,45 Volt is vrij duidelijk dat de SoC rond de 97% ligt, maar bij cel met een spanning van bijvoorbeeld 3,3 Volt is de SoC vrijwel niet te bepalen. Hij is in ieder geval zéker niet 97%. Door de cellen boven deze spanning van 3,4 Volt te brengen, kan met grote zekerheid gesteld worden dat de SoC vrijwel identiek is.

Hoe hoger je de spanning kiest voor de top balance, dus niet 3,4 maar 3,45 tot maximaal 3,65 Volt, zullen de onderlinge verschillen in SoC steeds kleiner worden. Bij 3,65 Volt zijn onderlinge verschillen in SoC verwaarloosbaar. Dáárom wordt een top balance meestal bij 3,65 Volt uitgevoerd, en dat is een SoC van 100%, vandaar de naam "top balance".

Door de top balance, kan niet alleen de capaciteit van de accu maximaal benut worden, maar ook wordt een mogelijk cel-overspanningsalarm voorkomen. Bij een accu met cellen die in onbalans zijn zal tijdens het laden van de accu tot 100% SoC de kans groot zijn dat één van de cellen een té hoge celspanning bereikt (doorgaans is de ingestelde grens 3,65 Volt) en grijpt het BMS in en schakelt de accu uit om overladen van die cel te voorkomen. Dat een cel, iedere keer tijdens het laden, voor een overspanningsalarm zorgt is in vele opzichten onwenselijk.

Waarom een top balance (2)

Bij een EOS zal de accu doorgaans in de hogere SoC regionen bevinden en regelmatig geladen worden tot 100% SoC. Daarom is een top-balance logisch.

Maar er is nóg een reden. Een LFP accu heeft een BMS en die zal een mogelijke onbalans wegwerken met zijn balancer maar dit kan pas uitgevoerd worden bij een celspanning vanaf 3,4 Volt. Iedere keer dat de accu (haast) tot 100% geladen wordt, zal de balancer een eventuele onbalans (proberen) weg te werken.

Zou je een bottom balance uitvoeren, dan zal de balancer niet zijn werk uitvoeren, dus worden de cellen niet gebalanceerd.

Hoe wordt een top balance uitgevoerd?

Hoewel gekozen kan worden de cellen van een accu stuk voor stuk tot 100% te laden, zal doorgaans gekozen worden om de accu (waarbij de cellen dan nog in serie staan) eerst grofweg tot zo'n 95% / 3,45 Volt te laden, daarna worden de cellen losgekoppeld en alle cellen parallel met elkaar verbonden. Dus de plus aan de plus en de min aan de min.

Daarna wordt een lader, of een voeding met instelbare maximale spanning en stroom, aan de cellen gekoppeld waarbij de lader ingesteld wordt met een stroom van circa 0,2C (of minder) en een maximale laadspanning van 3,65 Volt en een tailcurrent van 0,05C. Het laadproces wordt in deze fase de bulk fase, ook wel CC fase, genoemd. CC staat voor constant current omdat in deze fase de stroom gelijk blijft (op bijvoorbeeld 0,2C).

Tijdens het laden van de cellen zal de spanning langzaam stijgen en zodra de ingestelde grens van 3,65 Volt bereikt is, zal de lader overgaan van de bulk naar de absorption fase. Daarbij wordt overgeschakeld van CC naar CV, constant voltage.

Tijdens de absorption fase zal, omdat de laadspanning gelijk blijft maar de spanning van de cellen stijgt doordat ze verder geladen worden (dus het verschil tussen laadspanning en celspanning steeds kleiner wordt), de laadstroom afnemen. Zodra de stroom gedaald is tot 0,05C, die we staartstroom of tailcurrent noemen, wordt het laden gestopt (om overladen te voorkomen). In principe zijn de cellen dan ge-top balanced.

Deze paragraaf is niet bedoeld als een complete instructie hoe je met LFP cellen een top balance moet uitvoeren, maar wel willen we je nog de tip geven om de plus en min kabels van de lader "schuin tegenover elkaaar" aan te sluiten. Dus de minkabel sluit je aan op de min van de eerste cel en de pluskabel sluit je aan op de plus van de laatste cel, dit om spanningsverlies vanwege overgangsweerstanden in de busbars te elimineren.

Als laatste, lees je goed in hoe een top balance uitgevoerd moet worden, stel nooit de laadspanning hoger dan 3,65 Volt "om het proces te versnellen", dat is spelen met vuur. Voer de top balance ook alleen maar uit zolang je zicht hebt op de cellen. Ga niet weg en monitor constant de spanning. Gebruik ook een aparte spanningsmeter, wellicht heeft de spanningsmeter van de lader een afwijking.

Cellen balanceren door ze alleen onderling parallel te schakelen

Het is niet (goed) mogelijk om een balance (we laten hier bewust het woord "top" weg) uit te voeren door de cellen van een accu alleen maar parallel te schakelen, dus zonder gebruik te maken van een lader. Waarbij het idee is dat de cellen met een hogere SoC de cellen met een lagere SoC zullen laden.

Hoewel zeker enige vorm van balanceren plaats zal vinden, zal per definitie het onmogelijk zijn dat de cellen perfect in balans komen.

De reden hiervan is dat tijdens het ontladen van een accucel, die dan zijn lading overdraagt naar een cel met een lagere SoC, de spanning van die cel zal dalen vanwege het fenomeen ontlaadonderspanningspotentiaal, waarbij de spanning lager is dan gerelateerde SoC waarde van de cel in rust, én dat de cel die juist geladen de spanning zal stijgen vanwege het fenomeen laadoverspanningspotentiaal (LOP), waarbij de spanning hoger is dan gerelateerde SoC waarde van de cel in rust.

Hierdoor zal altijd een klein spanningsverschil blijven bestaan tussen de cellen met een hogere en een lagere SoC. Je komt dus wel een heel eind, maar helemaal gelijk in SoC zal je de cellen nooit krijgen, ook al wacht je een eeuwigheid.