Metingen aan 4 LiFePO4 cellen V
Laden van LiFePO4 accu's met walstroom.
Basaal is het laden van accu's het aanbrengen van een lading in die accu. De opslag capaciteit van een accu wordt aangegeven met de maximale lading die de accu kan bevatten. Lading wordt aangegeven met de letter Q en weergegeven in Coulomb (I.t of c.U). De opslagcapaciteit of kortweg capaciteit van accu's wordt meestal uitgedrukt in Ampère uur of Ah. 1 Ah is 1A x 3600 seconden ofwel 3600 Coulomb maar kennelijk is dat een veel moeilijker te bevatten hoeveelheid dan Ah en wordt dit zelden gebruikt. Condensatoren hebben ook een opslagcapaciteit, deze wordt uitgedrukt in Farad en dat is voor condensatoren makkelijker omdat de spanning over een condensator over een veel groter bereik kan variëren. Een LFP cel van 3,2V en een opslagcapaciteit van 1Ah kan worden vervangen door een condensator van 3600C / 3,2V = 1565,2173913043478260869565217391 Farad. Dat is een enorm joekel van een ding en daarmee nauwelijks winst op het gebied van volume of gewicht ten opzichte van een LFP accu.
De belangstelling voor de condensator als ladingsopslag is sterk toegenomen door de komst van Grafeen als elektrodemateriaal, maar die belangstelling nam snel af toen een aantal grote condensatoren ontploften door inwendige sluiting. Theoretisch is de condensator als ladingsopslag mogelijk, praktisch zijn er nog wat haken en ogen. Hetzelfde gold ruim 100 jaar geleden voor de lood-zwavelzuur accu en 40 jaar geleden voor de li-ion accu, die problemen zijn uiteindelijk overwonnen. l'Histoire se rèpéte...
Zou de condensator als energieopslag even volumineus worden als een 80 liter dieseltank en evenveel energie kunnen opslaan als er in 30% van 80 liter diesel gaat, dan betekent dat het einde van de chemische accu en de ionen accu.
Voor LFP cellen wordt vaak een optimale laadstroom van 0,1c opgegeven. Als maximale laadstroom wordt meestal 0,5c opgegeven. Kortdurend zijn laadstromen tot 2c opgegeven, maar dit kan alleen worden bereikt indien de laadspanning boven de maximale laadspanning van 3,65V per cel komt.
De opgave van deze waarden zijn per celfabrikant verschillend en het is mogelijk dat er in de waarden nog veel aanpassingen komen.
Zou de celspanning tijdens het laden met een laadstroom van 2c korte tijd de 3,4V komen, dan wordt de cel onmiddellijk zeer heet en gaat het elektrolyt in de cel vergassen en komt de cel bol te staan en het vergaste elektrolyt wordt bij hoge druk in de kunststof cellen via een overdrukventiel afgeblazen. Blijft de laadstroom beperkt tot 0,01c, dan kan de celspanning wel tot 4V oplopen zonder dat de cel merkbaar warm wordt. Er zijn fabrikanten die hiervan gebruik maken voor de 'initiële lading' van LFP cellen. Ik ga ervan uit dat de overschrijding van de 3,4V tegelijk met het lopen van een laadstroom van 0,01c of hoger, nadelig is voor de levensduur van een cel. Dit is niet aangetoond in de laboratorium metingen en dit is daarmee een persoonlijk gebonden grens die voortkomt uit mijn ervaring met LFP-cellen.
Hieruit volgt dat een LFP cel uit een stroombron met een constante stroom van 0,1c en een laadspanningsbegrenzer op 3,4V veilig kan worden geladen, zonder risico op overladen. Bij 100% SOC bereikt de cel de 3,4V en wordt de stroom tot 0 teruggebracht.
De LFP cel kan ook worden geladen uit een spanningsbron van 3,4V met een ingebouwde stroombegrenzer op 0,1c. Bij een lage restspanning op de cel zal de stroombegrenzer de stroom beperken tot 0,1c (als de netzekering dit al niet eerder doet). Bij het naderen naar 3,4V, zal de stroom geleidelijk afnemen tot 0 zodat het punt van 3,4V celspanning pas op het punt 'oneindig' zal worden bereikt en een lading tot 99% wel gehaald gaat worden, maar er nooit tot 100% SOC zal worden geladen. Het belangrijkste is dat de cel ook nooit zal worden overladen, omdat er vanaf de 3,4V onvoldoende spanningsverschil is om nog een laadstroom te kunnen laten lopen. Dit maakt de stroombegrensde spanningsbron een intrinsiek veilige lader voor LFP cellen (zolang je niet boven de 3,4V per cel komt).
SMPS power supplies zijn zeer stabiele spanningsbronnen die een stroombegrenzing hebben. De stroombegrenzing kan zo worden gekozen dat de powersupply niet meer stroom kan leveren dan 0,1c.
De SMPS powersupplies hebben een heel hoge efficiëntie en worden tijdens het laden niet of nauwelijks warm. Een 24V SMPS powersupply van 300W wordt pas merkbaar warm als de accuspanning van 8 in serie geschakelde 800Ah cellen op 24V is gekomen en de powersupply 3 uur in stroombegrenzingsmodus met 12A staat te laden (opladen van het kleine vorkheftruckje).
De uitgangsspanning van de powersupply is vaak instelbaar (+ of - 5% van de nominale spanning). Het is mooier als de uitgangsspanning van de SMPS powersupply dichtbij de gewenste spanning komt, dan hoeft er maar weinig te worden ingesteld. Voor een 12V accubank is de klemspanning bij 100% SOC 13,6V, voor een 24V accubank bij 100% SOC is dat 27,2V, voor een 48V accubank is dat 58,8V.
Er kan bij een SMPS van 600W bij 12V een laadstroom van ongeveer 50A worden geprocuceerd, iets waar vier 500Ah cellen in serie de schouders over zullen ophalen. Een dergelijke SMPS neemt in vollast dan nog geen 3A uit het lichtnet.
Maar... (er is altijd een maar!)
Bij een SMPS wordt de wisselspanning uit het lichtnet eerst gelijkgericht tot een gelijkspanning. De converter die vanuit vanuit die gelijkspanning moet werken wil dat uit een mooie gelijkspanning doen en niet vanuit een 100Hz 'hobbelgelijkspanning' die uit de dubbelfasige gelijkrichter komt. Om die 'hobbels' glad te strijken worden een paar flinke elektrolytische condensatoren gebruikt en om deze in eerste instantie op te laden, heb je een forse stroom nodig. Deze stroom wordt in het Engels 'rush in current' genoemd en bereikt waarden (voor een 600W SMPS voeding) die 20 tot 25 maal de nominaal stroom kunnen zijn. Voor een 600W voeding komt de rush in current makkelijk op 60 tot 75A. Die stroom loopt er maar heel kort, maar een 16A automaat knalt er meteen uit.
"Peper, daar kunnen ze toch wel iets aan doen?" Ja, gelukkig wel. Ze bouwen daarvoor een NTC weerstand in de 230V aansluiting van de voeding. Deze weerstand heeft koud een hoge waarde en naarmate de weerstand warmer wordt, wordt de weerstandswaarde veel lager. In eerste instantie beperkt de weerstand de stroom en als deze warm wordt (en de condensatoren zijn opgeladen) neemt de weerstandswaarde af en verdwijnt de beperking voor de stroom.
De rush in current neemt dan af tot iets van 30A en de 16A automaat 'knalt' er net niet uit omdat de stroom op tijd afneemt naar 3A en dat kan een 16A automaat makkelijk aan. Je kunt het ook zelf wel verhelpen met een heel lang verlengsnoer van 1mm
2 naar de aansluiting op de steiger. Daar valt bij hoge stroomdoorgang dan zoveel spanning over dat de rush in current ook wordt beperkt. ("Is niet een hele nette methode Peper!" 'Ja, maar het werkt wel!').
Neem je een SMPS powersupply van meer dan 600W, dan is het goed mogelijk dat deze het in een haven waar alle contactdozen met een 6A Diazed patroon zijn gezekerd nooit zal werken. Het wordt nog lulliger als de SMPS voeding de hele steiger zonder stroom zet. Heb je ook nog boze 'buurboten'. Houdt jezelf een beetje in bij de keuze van een SMPS walstroomlader. Met een 600W model bij 12V laadt je op met 50A en heb je in in de nacht een 500Ah accu van 'plat' naar helemaal vol. Bij een accubank van 200 tot 300Ah en 12V heb je met 16 uur en 200W aan laadvermogen gedurende 16 uur 16A aan laadstroom 256Ah aan lading in uw accu gestopt.
Hoe lager het vermogen van de smps converter, des te lager de rush in current en dan is een ventilator voor de koeling ook vaak niet nodig. Sommige van die ventilatoren kunnen erg lawaaiig zijn en je 'fijn' uit de slaap houden.
Lijkt u dat wat zo'n SMPS walstroom lader? Bij AliExpress het zoekwoord '12V SMPS power supply' in typen en u krijgt een flinke partij hits. Op eBay zal dat ook wel werken.
Groeten, Peper.