Lithium-ijzer-fosfaat batterijen hebben een celspanning van 3.2V. Met 4 cellen bekomt men een batterijspanning van 12.8V, ongeveer de spanning van een loodbatterij. De LiFePO4 batterijen worden daarom meer en meer gebruikt in toepassingen waar een sterke ontlading kan gebeuren. De levensduur van deze batterijen wordt geschat op 15 jaar.
Lithium-ijzer-fosfaat batterijen hebben een andere klemspanning dan de meer gewone lithium-ion batterijen. De technologie van de lithium-ijzer-fosfaat batterij wordt hier meer in detail besproken.
Op het eerste zicht lijkt de afwijkende celspanning een nadeel, maar 4 cellen in serie hebben een spanning van 12.8V, die goed overeenkomt met de spanning van een geladen loodbatterij. Het laden gebeurt trouwens volgens hetzelfde procédé (eerst constante stroom en dan constante spanning) zodat deze batterijpacks gebruikt kunnen worden als vervanger van een loodaccu. De maximale laadspanning bedraagt ook 14.4V zoals een loodbatterij zodat men dezelfde laadinstallatie kan blijven gebruiken. De batterij zelf bevat een BMS (Battery Management System) om de elementen te beschermen tegen oveladen en te ver ontladen.
Vervanging van de startbatterij
Deze batterijen hebben tal van voordelen ten opzichte van de originele loodbatterijen: een gewicht dat 3× lager is, zeer goed bestand tegen diepe ontladingen, langere levensduur, hoger rendement (nauwelijks last van het Peukert-effekt). Daarom worden ze wel gebruikt in kritische toepassingen waar ze blootgesteld kunnen worden aan een volledige ontlading.
Een 10Ah batterij (geschikt als startbatterij voor brommers) kan een auto doen starten, maar de batterijcapaciteit is echter te laag voor een normaal gebruik. Als je de lichten een uur zou laten branden, dan is de batterij volledig leeg. De electronika aan boord van de voertuigen (radio-ontvanger, follow-me verlichting, enz) zou de batterij in een paar weken volledig leeg trekken.
Lithium Iron Phosphate (LFP) batterijen worden gebruikt in noodvoedingen en alarmsystemen (van de betere kwaliteit), in electrische fietsen,... Bepaalde batterijen kunnen ook als startbatterij gebruikt worden.
Vervanging van gelbatterijen
De beveiliging beperkt dus de maximale ontlaadspanning, maar werkt ook als stroombegrenzer (een soort electronische zekering). Dit was oorspronkelijk niet voorzien, maar de transistor die gebruikt wordt om de belasting af te schakelen bij te lage batterijspanning werkt ook als stroombegrenzer (het zijn vermogens MOSFETs).
Omdat de stroom die de batterij kan leveren beperkt wordt door de mosfet transistor, kan de batterij niet gebruikt kan worden in schakelende voedingen (die gemiddeld 20A trekken om de computer van stroom te voorzien gedurende een 10-tal minuten). De batterij kan wel in alarmsystemen en noodverlichtingen gebruikt worden. Om de batterij te kunnen gebruiken in een UPS moet je een brommerbatterij kiezen: deze hebben geen stroombeperking. De schakelende voeding van de UPS stopt trouwens automatisch van zodra de spanning onder de limiet zit, waardoor een begrenzer minder noodzakelijk is.
Ik heb een accupack van Tracer besteld met capaciteit van 7Ah (meest voorkomende batterijtype). De bespreking is hier te vinden.
Rechts onderaan een vergelijking van een lithium-ijzer-fosfaat batterij met loodbatterijen van het type "deep cycle", dit zijn loodbatterijen die voor tractie toepassingen en dergelijke gebruikt worden. Looodbatterijen voor het starten hebben minder goede eigenschappen (aantal cycli beperkt tot 200 bij een ontlading van 50%). Loodbatterijen voor het starten hebben veel dunne platen (grote oppervlakte) om een hoge stroom te kunnen leveren, maar die dunne platen brokkelen sneller af.
De loodbatterijen zijn van het type FLA (flooded, met vloeibaar electroliet), AGM (absorbed glass mat) en GEL. Het aantal cycli van loodbatterijen (zelfs "deep cycle") is laag in vergelijking met lithium-ijzer-fosfaat batterijen.
Men merkt ook dat de capaciteit daalt als de accu een hogere stroomsterkte moet leveren (peukert effekt), het effekt is meer aanwezig bij batterijtypes waarbij het electroliet vastgebonden is.
Lithium-ijzer-fosfaat batterijen zijn dus ideaal om loodbatterijen te vervangen in deep cycle toepassingen (marine toepassingen, camper, opslag van electriciteit van de windmolen of zonnepaneel), maar ook als start-batterij bij het racen (kleinere en lichtere batterijen).
Andere verschillen met loodbatterijen
De klemspanning blijft redelijk constant gedurende de volledige ontlading (maar hangt wel af van de ontlaadstroom). De gemiddelde spanning (midpoint voltage) ligt ook wat hoger dan bij een loodaccu. Daardoor is het moeilijk de exacte laadtoestand van de batterij te schatten: eigenlijk heb je maar drie niveau's: "geladen", "leeg" en "tussen de twee". Je hebt een coulombmeter nodig om de batterijlading te bepalen. Dit apparaat meet continu de laad en ontlaadstroom om de resterende capaciteit te bepalen (zoals bijvoorbeeld in laptops en smartphones gebeurt).De eigenschappen van een accu van 12.8V 10Ah (zelfde vorm als de bekende loodaccu van 12V 7Ah) staan rechts. Het gewicht is lager, de capaciteit hoger, de levensduur veel langer en de batterij kan volledig ontladen worden.
In bepaalde installaties worden de accus niet boven de 90% geladen om de levensduur van de cellen nog te vergroten. Bij een lading tot 14.4V bereikt men trouwens een lading tot 90%. In de praktijk heeft dit geen bezwaren, want de bruikbare capaciteit ligt hoger dan die van een gelijkaardige loodaccu: na een jaar is de capaciteit van een loodaccu met meer dan 10% gezakt, zelfs al wordt de batterij nauwelijks ontladen. Afbeelding rechts: een oude nickel-cadmium batterijlader Unomat NCL404 Ultra-Super-Quick Charger, omgebouwd tot een lader voor lithium-ijzer-forfaat batterijen. Het laden is niet meer zo Quick omdat de capaciteit ondertussen vertienvoudigd is.
Welke laders gebruiken voor je lithium-ijzer-fosfaat 12V accu?
In principe kunnen de accus geladen worden met dezelfde laders als de laders voor loodbatterijen. De laadcurve is vergelijkbaar met die van een loodaccu: eerst constante stroom, en dan constante spanning.Het is beter geen slimme laders te gebruiken die de specifieke eigenschappen van de LFP accus niet kennen. Dit zijn laders met een automatische funktie "boost", "equalise", "float", De lader zou het laden kunnen onderbreken omdat die denkt dat de accu defekt is.
De laders met transfo en gelijkrichter zijn tegenwoordig achterhaald. De spanning is niet gestabiliseerd en hangt af van de netspanning. Onbelast kan de spanning te hoog worden. Voor loodaccus is dit trouwens ook geen goede zaak, de accu zal beginnen gassen bij een spanning hoger dan 14.5V.
Het beste is een schakelende voeding te gebruiken die 14V levert (zie afbeelding rechts). Bij deze spanning is de accu voor 95% geladen en het heeft weinig zin de lading verder te zetten: dit komt trouwens de levensduur van de accu ten goede.
Om de stroom te beperken als de accu volledig leeg is heb ik in de lader een serieweerstand van 0.1Ω 5W geplaatst. Dit is vooral om de lader te beschermen, want de accu heeft een zeer lage inwendige weerstand en bepaalde laders kunnen daardoor plots sneuvelen. Het beste is de laadstroom in te stellen op ongeveer 0.3C zodat de batterij niet warm wordt.
In tegenstelling met een loodaccu blijft de spanning redelijk constant gedurende de volledige lading, van 13.2 tot 13.8V. Het is niet mogelijk de ladingstoestand te kennen door de spanning tijdens het laden te meten.
Om beschadiging van de accu te voorkomen wordt het laden intern onderbroken door de battery management system als de spanning boven de 14.6V komt.
Kunnen LFP accus samen met andere batterijen gebruikt worden?
Dit is niet mogelijk NiMH pack met 10 elementen hebben ook een spanning van 12V, maar de laadmethode is verschillend. Bij loodaccus en NiMH is de midpoint voltage een beetje lager dan bij LFP accus. Bij 12.4V (de midpoint voltage van een half-geladen NiMH accu) is de LFP accu al volledig ontladen. Hetzelfde geldt ook voor loodbatterijen. Als er accus met verschillende technologiën samen aangesloten worden, dan loopt de lading langzamerhand van de lithium accu naar de andere accus.Maar ook bij het laden en ontladen gebeuren er vreemde dingen. We hebben drie verschillende accus die leeg zijn en we sluiten ze samen op een lader. De spanning van een lage NiMH accu bedraagt 10V: deze accu krijgt als eerste stroom omdat die een lagere spanning heeft. Dan komt de loodaccu aan de beurt (met een spanning van 10.8V ongeveer). De lithium accu begint pas te laden bij een spanning van meer dan 12V, dus als de twee andere batterijen al wat opgeladen zijn. De laadstroom in de lithium accu is laag totdat de andere accus al meer dan de helft geladen zijn. Nu trekt de lithium accu nagenoeg alle stroom, want de twee andere accus zijn bijna volledig geladen.
Het omgekeerde gebeurt bij het ontladen: de lithium accu levert eerst alle stroom, want de klemspanning blijft boven de 13V gedurende de volledige ontlading. Pas als de lithium accu bijna leeg is, nemen de andere accus het over.
Bij een normale cyclus met beperkte ontlading tot 50% levert de LFP accu dus ongeveer 80% van de energie. Concreet kan dat geen kwaad, want de lithium accu kan meer dan 1000 laadcycli aan, terwijl een loodaccu best niet teveel ontladen wordt.
Maar als er een sterke stroom geleverd moet worden, dan zal die ook voornamelijk afkomstig zijn van de LFP accu. De spanning van de andere accus zakt immers onder belasting. De totale stroom die geleverd kan worden is niet de som van de stromen van de drie accus, maar enkel de stroom van de lithium-ijzer-fosfaat accu.
De volgende interface maalt het mogelijk batterijen van verschillende technologiën en ladingtoestand samen te gebruiken. De accus leveren samen stroom aan de gebruiker en worden samen weer opgeladen.
LiFePO4 accupacks 12.8V
