Waarom de hoogst mogelijke laadspanning niet altijd de beste keuze is – en hoe spanning, BMS, temperatuur en laadstrategie samenwerken om de prestaties van LiFePO4-accu’s te optimaliseren

Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4)-accu’s worden steeds populairder in energieopslagsystemen, elektrische golfkarretjes, campers, elektrische voertuigen met lage snelheid, industriële apparatuur, noodstroomsystemen en andere veeleisende toepassingen. In vergelijking met traditionele loodzuurbatterijen biedt de LiFePO4-technologie een combinatie van een lange levensduur, een hoge bruikbare capaciteit, stabiele prestaties en relatief weinig onderhoud.

De laadspanning blijft echter een van de meest verkeerd begrepen aspecten van LiFePO4-batterij bewerking.

Vaak wordt aangenomen dat een accu altijd op de hoogst mogelijke spanning moet worden opgeladen om de maximale capaciteit te bereiken. In werkelijkheid moet de laadspanning worden afgestemd op de celconfiguratie, het accubeheersysteem (BMS), de laadstroom, de bedrijfstemperatuur en de toepassingsvereisten.

Inzicht in deze factoren is essentieel om de juiste balans te vinden tussen laadsnelheid, bruikbare capaciteit, veiligheid en de levensduur van de accu op lange termijn.

Inzicht in de spanning van LiFePO4-cellen

Een typische LiFePO₄-cel heeft een nominale spanning van 3,2 V. Deze nominale waarde geeft de typische bedrijfsspanning van de cel weer en mag niet worden verward met de maximale laadspanning ervan.

Tijdens normaal gebruik varieert de celspanning afhankelijk van de laadtoestand (SOC), de laad- of ontlaadstroom, de temperatuur en de toestand van de cel.

Om batterijsystemen met een hogere spanning te realiseren, worden afzonderlijke cellen in serie geschakeld. Daarom zijn gangbare LiFePO4-batterijpakketten verkrijgbaar in configuraties van 12 V, 24 V, 48 V en hogere spanningen.

Accusysteem	Typische celconfiguratie	Nominale spanning	Algemene maximale laadspanning
Enkele cel	1S	3,2 V	3,65 V
12 V LiFePO4	4S	12.8V	14.6V
24 V LiFePO4	8S	25.6V	29.2V
48 V LiFePO4	16S	51,2V	58,4V

Deze waarden geven veelvoorkomende configuraties weer en zijn geen algemene vereisten. De exacte laadspanning moet altijd worden bepaald aan de hand van de specificaties van de batterijcellen en het volledige batterijsysteem.

Waarom wordt 3,65 V vaak als bovenste spanningsgrens gebruikt?

Voor veel LiFePO₄-cellen, 3,65 V per cel wordt aangegeven als de maximale laadspanning.

Wanneer een LiFePO4-cel deze spanning nadert, is deze al bijna volledig opgeladen. Het verder verhogen van de spanning boven de door de fabrikant opgegeven limiet levert geen noemenswaardig voordeel op en kan de elektrochemische belasting van de cel vergroten.

Een conventionele 4S LiFePO4-accu kan bijvoorbeeld een maximale laadspanning hebben van:

3,65 V × 4 = 14,6 V

Een 8S-accu komt overeen met:

3,65 V × 8 = 29,2 V

En een 16S-accu zou overeenkomen met:

3,65 V × 16 = 58,4 V

Het is belangrijk om te beseffen dat dit een maximale laadspanning, en geen spanning waarbij de accu continu moet blijven staan.

Bij veel toepassingen leidt het herhaaldelijk opladen van de accu tot de absolute bovenste spanningsgrens mogelijk slechts tot een relatief kleine toename van de bruikbare capaciteit, terwijl dit op lange termijn de veroudering kan versnellen.

Hoe CC/CV-lading werkt bij LiFePO4-accu’s

De meeste LiFePO4-laadsystemen maken gebruik van een constante stroom/constante spanning (CC/CV) laadproces.

Tijdens de eerste fase levert de lader een relatief stabiele stroom, terwijl de accuspanning geleidelijk toeneemt.

Zodra de accu de ingestelde spanningsgrens bereikt, schakelt de lader over naar de fase met constante spanning. De lader houdt de doelspanning op peil terwijl de laadstroom geleidelijk afneemt.

Wanneer de stroom daalt tot het opgegeven eindniveau, is de laadcyclus voltooid of schakelt de lader over naar een stand-by- of onderhoudsmodus, afhankelijk van het ontwerp van het systeem.

Deze laadstrategie is belangrijk omdat de accu niet gedurende de gehele laadcyclus de maximale stroomsterkte hoeft te ontvangen. Naarmate de accu bijna volledig is opgeladen, helpt het verlagen van de stroomsterkte om onnodige elektrische en chemische belasting te voorkomen.

Om een LiFePO4-laadsysteem te beoordelen, is het dus niet voldoende om alleen te kijken of op de lader 12 V, 24 V of 48 V staat aangegeven. Er moet rekening worden gehouden met de laadstroom, de spanningsgrenzen, de beëindigingsvoorwaarden en de BMS-instellingen.

Het kiezen van de laadspanning voor 12V-, 24V- en 48V-LiFePO4-accu’s

De benodigde laadspanning kan over het algemeen worden geschat op basis van het aantal in serie geschakelde cellen.

12V LiFePO4-accu's

Een typische 12V-klasse LiFePO4-batterij bestaat uit vier cellen in serie en heeft een nominale spanning van 12,8 V.

Een veelgebruikte maximale laadspanning is:

14.6V

Deze accu’s worden op grote schaal gebruikt in campers, scheepstoepassingen, voor de opslag van zonne-energie, in noodstroomsystemen en in diverse elektrische apparaten met een lage spanning.

24 V LiFePO4-accu’s

Een typische accu van de 24V-klasse bestaat uit acht in serie geschakelde cellen en heeft een nominale spanning van 25,6 V.

Een veelgebruikte maximale laadspanning is:

29.2V

Deze spanningsklasse komt vaak voor in industriële apparatuur, energieopslagsystemen, apparatuur voor elektriciteitsbedrijven en bepaalde elektrische voertuigen met een laag toerental.

48V LiFePO4-accu's

Een typische LiFePO4-accu van de 48V-klasse bestaat uit 16 cellen in serie, wat een nominale spanning van 51,2 V oplevert.

Een veelgebruikte maximale laadspanning is:

58,4V

LiFePO4-systemen van de 48V-klasse worden steeds vaker gebruikt voor energieopslag, golfkarretjes, elektrische bedrijfsvoertuigen, industriële apparatuur, back-upsystemen voor communicatie en andere toepassingen met een hoger vermogen.

Naarmate de systeemspanning toeneemt, worden een goede isolatie, bedrading, connectoren, zekeringen, het ontwerp van het BMS en de algehele elektrische beveiliging steeds belangrijker.

Waarom het BMS zo belangrijk is

Het batterijbeheersysteem is een van de belangrijkste onderdelen van een LiFePO4-batterijpakket.

Een goed ontworpen BMS kan parameters zoals de spanning van afzonderlijke cellen, de totale spanning van het accupakket, de stroomsterkte en de temperatuur bewaken. Afhankelijk van het systeem kan het ook bescherming bieden tegen overspanning, onderspanning, overstroom, kortsluitingen en abnormale temperatuuromstandigheden.

Monitoring op celniveau is met name belangrijk bij in serie geschakelde accupakketten.

Zo kan een 16S-accupakket bijvoorbeeld een normaal ogende totale spanning vertonen, terwijl één afzonderlijke cel al bijna zijn bovenste spanningsgrens bereikt. Als het systeem alleen de totale spanning van het accupakket controleert, wordt deze onbalans mogelijk niet vroeg genoeg opgemerkt.

Om deze reden is voor een betrouwbaar LiFePO4-batterijsysteem meer nodig dan alleen het kiezen van een geschikte totale laadspanning. De bescherming van afzonderlijke cellen, het balanceringsgedrag, de temperatuurbewaking en de laadregeling dragen allemaal bij aan de algehele veiligheid en prestaties van de batterij.

Voor RIJK Bij LiFePO4-accu-systemen is het daarom veel belangrijker om de cellen, het BMS, de lader en de beoogde toepassing op elkaar af te stemmen dan alleen maar een lader te kiezen op basis van de nominale spanning van de accu.

De temperatuur kan de laadvergelijking beïnvloeden

De spanning is slechts één onderdeel van het laadproces. De temperatuur is net zo belangrijk.

LiFePO4-accu's mogen niet worden opgeladen buiten het temperatuurbereik dat door de fabrikant van de cel of accu is aangegeven.

Het opladen bij lage temperaturen verdient bijzondere aandacht. Bij voldoende koude omstandigheden kan er tijdens het opladen ongewenste lithiumafzetting optreden in lithium-ioncellen. Herhaalde blootstelling aan ongeschikte oplaadomstandigheden bij lage temperaturen kan leiden tot permanent capaciteitsverlies en een verhoogde interne weerstand.

Bij accu’s die zijn ontworpen voor koude klimaten kunnen fabrikanten voorzieningen aanbrengen zoals bescherming tegen opladen bij lage temperaturen, temperatuursensoren, accuverwarmers of andere oplossingen voor thermisch beheer.

Ook hoge temperaturen verdienen aandacht. Verhoogde temperaturen kunnen de veroudering van de accu versnellen en de belasting als gevolg van het opladen met hoge stroomsterkte vergroten.

Dit geldt met name voor energieopslagsystemen voor buitengebruik, elektrische voertuigen, gazon- en tuingereedschap, industriële machines en andere toepassingen waarbij grote temperatuurschommelingen kunnen optreden.

Heeft een LiFePO4-accu een continue druppellading nodig?

LiFePO4-accu’s vereisen niet per se dezelfde strategie voor continue druppellading die doorgaans bij loodzuuraccu’s wordt toegepast.

Als een systeem vereist dat de accu volledig opgeladen en direct beschikbaar blijft, kan het raadzaam zijn om een geschikte laadtoestand te handhaven. Het is echter niet altijd nodig om een LiFePO4-accu continu op zijn maximale spanning te houden.

Bij toepassingen zoals campers, zonne-energieopslag en noodstroomvoorziening kan de accu gedurende langere tijd in een toestand met een hoge SOC verkeren zonder actief te worden gebruikt.

Wanneer de toepassing niet te allen tijde de maximale capaciteit vereist, kan een laadstrategie die onnodig langdurige blootstelling aan het hoogste SOC-bereik voorkomt, gunstig zijn voor de veroudering van de accu op de lange termijn.

De juiste aanpak hangt dus af van de toepassing en er is geen eenduidige laadregel die voor elke LiFePO4-accu geldt.

De laadspanning is niet de enige factor die de levensduur van de accu bepaalt

De levensduur van de batterij hangt af van een combinatie van gebruiksomstandigheden.

Belangrijke factoren zijn onder meer:

• Laadspanning
• Laadstroom
• Afvoerdiepte
• Tijd doorgebracht bij een hoge SOC
• Bedrijfstemperatuur
• Laadtemperatuur
• Celconsistentie
• BMS-configuratie
• Oplaadfrequentie
• Algemene kwaliteit van de batterij

Zo leidt het simpelweg verlagen van de laadspanning bijvoorbeeld niet automatisch tot een langere levensduur van de accu.

Als de spanning te laag is ingesteld, kan het zijn dat de accu nooit de beoogde laadtoestand bereikt. Bij sommige accuconstructies kan onvoldoende opladen er ook toe leiden dat het BMS zijn beoogde balanceringsfunctie niet effectief kan uitvoeren.

Het doel moet daarom zijn om een laadprofiel vast te stellen dat voldoet aan de energiebehoeften van de toepassing, zonder de cellen onnodig te belasten.

Veelgemaakte fouten bij het opladen van LiFePO4-batterijen

In de praktijk komen verschillende fouten bij het opladen steeds weer voor.

Gebruik van een niet-compatibele oplader is een van de meest voorkomende. Hoewel LiFePO4 tot de bredere familie van lithium-ionbatterijen behoort, gelden er voor verschillende soorten lithiumbatterijen verschillende spanningsvereisten. Er mag niet automatisch worden aangenomen dat een oplader die voor een andere chemische samenstelling is ontworpen, compatibel is.

Alleen kijken naar de totale accuspanning is nog een fout. Bij een in serie geschakelde accu zijn de spanning van de afzonderlijke cellen en de balans tussen de cellen net zo belangrijk als de totale spanning van het accupakket.

Opladen bij extreem koude omstandigheden kan ook problemen opleveren. Bescherming tegen te lage temperaturen moet worden beschouwd als een belangrijk onderdeel van het accusysteem, en niet als iets dat eenvoudigweg kan worden opgelost door de laadstroom te verlagen.

Een andere veelgemaakte fout is de accu continu op maximale laadstatus (SOC) houden terwijl dat niet nodig is.

Ten slotte mogen gebruikers het BMS niet beschouwen als vervanging voor een correct geconfigureerde lader. De beveiliging van het BMS is in de eerste plaats een veiligheids- en regelmechanisme; het normale laadproces moet nog steeds worden uitgevoerd met apparatuur die is afgestemd op de specificaties van de accu.

Hoe kies je de juiste laadstrategie voor LiFePO4-batterijen?

Voor een snelle berekening kan de theoretische maximale laadspanning als volgt worden geschat:

Maximale laadspanning ≈ Maximale laadspanning per cel × Aantal cellen in serie

Met 3,65 V per cel als gangbare referentiewaarde:

• 4S = 14,6 V
• 8S = 29,2 V
• 16S = 58,4 V

Deze berekening moet echter worden beschouwd als een uitgangspunt en niet als een algemeen voorschrift voor de tariefberekening.

Alvorens een lader te kiezen of een laadsysteem te configureren, dienen gebruikers de specificaties van de fabrikant te controleren met betrekking tot de cel, het accupakket, het BMS, de toegestane laadstroom, het temperatuurbereik en de beoogde toepassing.

Bij een professioneel ontworpen LiFePO4-systeem, zoals die van RICHYE, is het niet alleen de bedoeling om de laadspanning zo hoog mogelijk te maken. Het doel is om een goed op elkaar afgestemd systeem te realiseren waarin de cellen, BMS, oplader, thermische omstandigheden en elektrische belasting functioneren binnen compatibele parameters.

Deze aanpak is met name van belang voor toepassingen met een hoog aantal schakelcycli, zoals elektrische voertuigen, industriële apparatuur, energieopslagsystemen, golfkarretjes en commerciële noodstroomvoorzieningen.

Laatste gedachten

De laadspanning van LiFePO4-batterijen lijkt misschien een eenvoudige specificatie, maar maakt in feite deel uit van een veel uitgebreider batterijbeheersysteem.

Een waarde van 3,65 V per cel wordt doorgaans gebruikt als de bovenste laadgrens voor LiFePO₄-cellen, wat neerkomt op ongeveer 14,6 V voor een 4S-batterij, 29,2 V voor een 8S-batterij en 58,4 V voor een 16S-batterij.

Het is echter niet per se voor elke toepassing de beste strategie om telkens de maximale spanning te bereiken.

De meest betrouwbare aanpak is om de specificaties van de betreffende cellen en het accupakket te volgen en daarbij rekening te houden met de laadstroom, de laadtoestand (SOC), de temperatuur, de BMS-beveiliging, de vereisten voor het in evenwicht brengen van de cellen en de bedrijfsomgeving.

Wanneer de lader, het BMS, de cellen, het thermomanagementsysteem en de elektrische belasting goed op elkaar zijn afgestemd, biedt de LiFePO4-technologie een combinatie van een lange levensduur, betrouwbare prestaties en een hoge bruikbare energieopbrengst, waardoor deze technologie steeds waardevoller wordt voor moderne energie- en elektriciteitstoepassingen.