Alle lithium batterijen die elementen in serie bevatten moeten een egalisatieschakeling hebben. We leggen uit waarom.
Deze tekst heeft betrekking op alle lithium batterijen die elementen in serie hebben. In tegenstelling met batterijen met waterige electrolieten kunnen de batterijen met lithium niet automatisch egaliseren. Als een NiCd of een loodaccu verder geladen wordt boven zijn maximum niveau, dan wordt er waterstof en zuurstof geproduceerd, die als de stroom niet te hoog is weer combineren tot water. Er gaat dus geen electroliet verloren.
Bij het laden en ontladen van lithium accus gaat het lithium ion van de ene electrode naar de andere. Het lithium zelf fungeert in dergelijke accu's als ladingdrager. Als een electrode vol zit met lithium kan er geen lithium meer bij en kan er ook geen stroom meer lopen.
Dit artikel gaat over alle lithium accus, maar als er cijfermatige gegevens getoond worden zijn die van toepassing op lithium-ijzer-fosfaat accus (LFP of LiFePO4). Dit zijn de accus die je het meest zal aantreffen. Ze vervangen de oude loodaccus: ze hebben dezelfde afmetingen als de standaard loodaccus, maar wegen maar 30% van een loodaccu en meestal is de capaciteit ook wat hoger.
De schaal rechts heeft betrekking op een LFP element van een accu bestaande uit 4 cellen.
De maximale spanning is de spanning die niet overschreden mag worden. De BMS (battery management system) zal de lading intern onderbreken als één element deze spanning zou overschrijden. In feite wordt de accu nooit geladen tot deze totale spanning. Aangepaste laders leveren een spanning van 14.6V.
De midpoint spanning is de spanning van een half geladen accu in rust. De spanning hangt af van de exacte samenstelling van de cel en de moderne accus hebben een spanning die wat hoger is.
De laagste spanning mag ook niet overschreden worden. De BMS zal de ontlading stoppen als de spanning van een element onder deze waarde komt. Indien de accu slecht geëgaliseerd is kan de onderbreking reeds gebeuren bij een spanning van 10.5V of zelfs 11.5V, dus als de andere cellen nog niet leeg zijn. Als een element een maximale spanning heeft, dan wordt de verdere lading onderbroken maar is de ontlading nog mogelijk, als een element een minimale spanning heeft wordt het ontladen afgebroken maar kan de lading wel plaatsvinden.
Wat is het probleem?
Alle cellen van een accu hebben eigenschappen die lichtjes verschillen: een wat grotere verliesstroom, een lager rendement. Dit zijn heel minieme verschillen die normaal geen rol zouden spelen, maar na verloop van tijd nemen ze wel grotere proporties aan als de ongelijkheid niet regelmatig wordt weggewerkt. De ongelijkheid kan geschat worden door de spanning van iedere cel individueel te meten.- Als een element van een batterij volledig geladen is en men probeert de batterij verder te laden, dan loopt er minder stroom door de geladen cel. De spanning over de cel stijgt daardoor.
- Als een element volledig ontladen is, dan kan de cel geen stroom meer leveren. Als men de batterij stroom laat leveren dan zakt de spanning over de betreffende cel onder de minimale waarde.
Dit is een LFP batterij met 4 cellen, de lading van iedere cel bedraagt 70%, 40%, 65% en 75%.
De spanning van iedere cel wordt aangegeven en wordt gebruikt om de ladingstoestand van de cel te schatten.
Zonder egalisatieschakeling kan men de accu slechts met 25% laden en niet meer, want dan is de 4e cel volledig geladen.
Men kan de accu slechts 40% ontladen, want dan is de 2e cel volledig leeg.
De twee middelste elementen worden nooit volledig geladen of ontladen.
De bruikbare capaciteit van de accu bedraagt 25% + 40% = 65% terwijl de elementen van de batterij waarschijnlijk nog goed zijn en een normale capaciteit hebben. Na verloop van tijd is er een onbalans gebeurd die bij ieder cyclus een beetje groter is geworden. Mijn twee Jubatec accus hebben een overgebleven capaciteit van 20 en 60%, terwijl de cellen waarschijnlijk nog goed zijn (55 volledige cycli).
Rechts de smartphone app die ene verbinding met de accu maakt en de spanning aangeeft van ieder element. Daarmee kan je zien of de egalisatie nog goed is. Hier zijn de cellen van de accu volledig uit balans, met een spanningsverschil van meer dan een halve volt. Bij de aankoop hadden alle cellen een gelijke spanning, er is waarschijnlijk een egalisatie gebeurt na de montage in de fabriek.
Egalisatieprocedure
Het egaliseren van de cellen wordt soms balanceren (balancing) of equilibreren genoemd. De egalisatie kan enkel gebeuren op het einde van de lading, als één cel zijn maximale spanning bereikt. Het is de BMS die daarvoor verantwoordelijk is. Van zodra een element volledig geladen is wordt die overbrugd door een weerstand die de stroom gaat doorlaten (want de stroom kan niet meer door de cel zelf). De weerstand wordt meestal gevormd door een mosfet die zodanig gestuurd wordt dat de cel altijd op dezelfde ladingtoestand gehouden wordt zelfs als de laadstroom verandert.Het voorbeeld rechts is een eenvoudig voorbeeld, alle cellen hebben zo'n weerstand die in gebruik genomen kan worden indien nodig. De tekening toont een spanning van 3.8V die te hoog is (alsof de weerstand niet zou werken).
Als een tweede element volledig geladen is, dan wordt een tweede weerstand in gebruik genomen, en hetzelfde gebeurt als een derde cel volledig geladen is.
Als alle cellen geladen zijn, dan wordt de lading electronisch in de batterij uitgeschakeld. Het heeft geen nut energie te verspillen in de weerstanden. De BMS onderbreekt de lading als alle cellen geladen zijn, maar ook de ontlading als een cel volledig leeg is (de onderbreking gebeurt plots als de batterijspanning nog normaal is (bijvoorbeeld 11V), er is geen waarschuwing.
De egalisatie is een traag procédé want de lader werkt in CC/CV (constant current/constant voltage): als de accu bijna volledig geladen is, dan daalt de stroom. Dit is noodzakelijk voor een correcte egalisatieprocedure, zie lager. Een accu kan bijvoorbeeld in 4 uur galaden zijn, maar de egalisatieprocedure kan 10 uur duren.
Een nieuwe accu moet geëgaliseerd worden voor gebruik, daarom vraagt de fabrikant vaak om de accu te laden voor het eerste gebruik (terwijl de accu normaal geleverd wordt met een lading van ongeveer 50%). Een egalisatie verslijt de accu niet, in tegendeel, het zorgt ervoor dat de accu optimaal gaat werken.
Een egalisatie moet ongeveer om de 10 cycli gebeuren. De egalisatie zal sneller gedaan zijn als die regelmatig herhaald wordt, want de nodige correctie is dan beperkter. Bepaalde apps zoals Xiaoxiang geven de spanning van ieder cel weer, bij een andere app krijg je enkel de totale spanning te zien en moet je hopen dat de egalisatie correct verlopen is. Na een lading met egalisatie moeten de spanningen van ieder element nagenoeg gelijk zijn.
Beperkingen
De grafiek links geeft de typische curves weer van een CC/CV lading.Het eerste deel gebeurt met een constante stroom, bijvoorbeeld 0.25C om de accu in 4 uur te laden. De stroom wordt door de lader beperkt.
In het tweede deel bereikt de spanning de maximale waarde van 14.8V en de stroom zakt langzaam. Hier wordt de spanning beperkt door de lader.
De egalisatie kan slechts plaatsvinden als de stroom voldoende gezakt is. Indien de laadstroom te hoog is wordt het laden gewoon onderbroken van zodra een één cel de maximale spanning bereikt heeft. De reden is eenvoudig: als een cel zijn maximale spanning bereikt heeft, dan moet de stroom omgeleid worden naar een weerstand. Indien de laadstroom op dit ogenblik 1A bedraagt, dan moet er 3.7W gedissipeerd worden in de mosfet weerstand. Dit is een te hoog vermogen voor een BMS module die in een relatief kleine batterij zit en waar er weinig koeling mogelijk is.
In een consumer accu (gebruik in schepen en caravans) kan de egalisatie slechts plaatsvinden bij een laadstroom lager dan 0.01C, dus 1A voor een accu van 100Ah. De egalisatie kan vroeger onderbroken worden als de temperatuur in de batterij te sterk oploopt. Spijtig genoeg wordt de geschikte egalisatiestroom nooit vermeld bij de batterij, terwijl dit een zeer belangrijk parameter is als je een batterij wilt hebben die lang meegaat. Het risico bestaat immers dat je batterij nooit geëgaliseerd wordt omdat de lader niet geschikt is.
In grote installaties zoals zonnepanelen met opslagbatterijen kan een egalisatie moeilijk gerealiseerd worden omdat er soms stroom getrokken wordt als de cellen nog niet volledig in evenwicht zijn, of de laadstroom is te hoog om een egalisatie mogelijk te maken. Systemen die uitgerust zijn met meerdere batterijen hebben soms een slimme controller die ervoor zorgt dat iedere batterij regelmatig en om beurt een egelisatiecyclus kan doorlopen door de laadstroom te beperken en ervoor te zorgen dat er geen gebruikers gekoppeld worden.
Rechts de egalisatiemodule voor één enkele cel voor een batterij van 100Ah. De module wordt bovenaan de cel geplaatst. De egalisatiestroom bedraagt maximaal 400mA à 1A naargelang de uitvoering. De module dient enkel voor de balancering, een BMS module is nog steeds nodig (bewaking van de celspanningen en temperatuur).
Dit is een BMS voor een accu met een maximale capaciteit van 20Ah.
De egalisatie wordt verwezenlijkt door 4 weerstanden van 100Ω, de egalisatie is dus beperkt tot 37mA, wat nogal laag is.
Het is wel zo dat de egalisatie reeds begint te werken bij een celspanning van 3.5V. De egalisatietijd is dus de tijd tussen een celspanning van 3.5V en 3.7V. Een egalisatiestroom van 37mA betekent niet dat de laadstroom beperkt moet worden tot 37mA. Het betekent enkel dat als er cellen bijna geladen zijn de egalisatiestroom beperkt is tot 37mA. Wordt er in deze laatste fase geladen met een stroom van 200mA, dan krijgt de geladen cel een stroom van 163mA. Dit vormt geen probleem als de batterij regelmatig geladen wordt en de cellen redelijk in balans zijn. Egaliseren gedurende enkele minuten zou voldoende zijn om de cellen weer in evenwicht te brengen.
Bij een laadstroom van 1.5A is 37mA zeer weinig en de tijd tussen 3.5V en 3.7V zeer kort: de egalisatie kan nooit correct verlopen.
De BMS module heeft ook een temperatuurvoeler die tussen twee cellen geplaatst wordt. De verbinding wordt onderbroken als de temperatuur te hoog zou worden.
BMS en verplichte egalisatie
Ontlading: één cel heeft de minimale spanning bereikt en de accu zal uitgeschakeld worden, terwijl de andere cellen nog niet leeg zijn.
Lading: als een cel de maximale spanning bereikt wordt de stroom afgeleid over een weerstand.
Als de spanning te hoog wordt zoals hier het geval is wordt de accu ook uitgeschakeld.
Balancing unit voor één enkele cel