Lithium accu(s) ja of nee

Ondanks dat er al een hoop gepubliceerd is over lithium accu’s blijkt er nog heel veel onwetendheid over te bestaan. Dus probeer ik met dit artikel het een en ander te verduidelijken. Dit om meer duidelijkheid te krijgen of uw boot wel geschikt is voor Lithium en welk type dit zou moeten zijn en waar u rekening mee moet houden.

Voor en nadelen Lithium accu’s

Om een goed vertrekpunt te hebben volgt hieronder de voor een nadelen van lithium accu’s. Dit met een korte toelichting. Sommige punten spreken voor zich andere worden hieronder uitgebreid toegelicht

• Voordelen lithium accu’s ten opzichte van loodaccu’s
  1. Energiedichtheid dus gewichtsbesparing.
     Ze zijn voor dezelfde capaciteit een factor 3 keer lichter dan AGM/GEL en 4 keer t.o.v. Semi tractie lood. Dit is belangrijk voor sportieve zeilers maar ook voor alle planerende motorboten.
  2. Ze hebben een veel langere levensduur (gemiddeld 2000-3000 cycli bij 95% ontlading tot meer dan 5000 cycli bij 50% ontladingen)
  3. Gehele capaciteit beschikbaar.
     Bij semi tractie (natte loodaccu) mag je maar maximaal 50% van de capaciteit in AH gebruiken en bij AGM en GEL wordt maximaal 70% geadviseerd. Nu je kunt bij lithium bijna de gehele capaciteit gebruiken (reken met 95%). Hierdoor heb je dus een kleinere capaciteit (AH) Lithium accu nodig in vergelijking met lood. Wat dus de investering dichterbij brengt.   
  4. Hoge belasting.
     Afhankelijk van het type kunnen ze zeer hoge stromen leveren. Dus geschikt voor boeg/hekschroeven en grote omvormers (dit geldt zeker niet voor alle types)
  5. Deelladingen geen probleem.
     Een Lithium accu hoeft niet geheel te worden opgeladen om topprestaties te leveren. Dit gebeurt regelmatig bij de zeilers. Wind weg even motoren maar niet lang genoeg om de accu’s echt vol te krijgen.
  6. Sneller laden met een hogere stroom.
     Dus geschikt voor een grote acculader/ Maar ook met lage stroom (zonnepanelen of windgenerator)
  7. Houd zijn spanning vast tot hij helemaal leeg is.
     Een loodaccu duikt al snel onder de 12V onder belasting. Dit gebeurt niet bij een Lithium accu dankzij de lage interne weerstand.
  8. Mits goed aangesloten superveilig en bovendien geen last van lekkages, kokende accu’s en/of knalgas.
     Een correcte lithium installatie heeft altijd een dubbele beveiliging op overspanning. Normaal is dit de acculader/dynamo/zonnepaneel regelaar. Bij calamiteiten is dit het BMS (Battery Management Systeem) wat in de accu zit welke ook nog de cel spanningen als de temperaturen beveiligd.
• Nadelen

1. Allereerst het grootste nadeel de hoge aanschafprijs.
   Al hoewel dit relatief is. Dit omdat de levensduur ook veel langer is en je voor gelijke capaciteit minder AH hoeft in te zetten.
2. De complexiteit van de installatie.
   Dit is mede afhankelijk van het type Lithium accu en de reeds aanwezige bestaande installatie
3. Vocht resistentie.
   Alle lithium accu’s zijn voorzien van elektronica en zijn absoluut niet geschikt voor het plaatsen in vochtige ruimte. Het plaatsen onder de vloer in een zeilboot met een steekmast is dus echt uit den boze
4. Niet geschikt om als start accu te gebruiken.
   Ondanks dat ze hoge stromen kunnen leveren winnen ze het niet van de hoge piekstromen welk een startaccu kan leveren. In de toekomst zullen er hoogstwaarschijnlijk wel speciale lithium startaccu’s op de markt komen
5. Schakelt in een keer het boordnet uit als de lithium accu echt leeg is.
   Bij een loodaccu gaat het systeem als een kaarsje langzaam uit als hij leeg is. Bij lithium grijpt de beveiliging in. Sommige types waarschuwen d.m.v. een alarm zoemer of zelfs een melding op je telefoon. Maar dit geldt zeker niet voor alle Lithium accu’s  
6. Lithium accu’s kunnen/mogen niet geladen worden onder 0 graden
   Buiten een uitgebreide spanningsbewaking per cel is er meestal ook een temperatuur bewaking aanwezig. Deze blokkeert het laden onder de 5 graden Celsius. Ontladen is wel mogelijk. Sommige lithiumaccu’s zijn voorzien van interne verwarming.
7. Niet geschikt om zelf te installeren.
   Mede door de zeer hoge energiedichtheid kunnen bij foutieve installatie gevaarlijke situaties ontstaan.
8. Meestal een aanpassing nodig voor het laden op de motor. Daar de inwendige weerstand van een Lithium accu veel lager is kan er een te grote laadstroom lopen tussen Dynamo en de Lithium accu. Hierdoor kan de Dynamo in rook opgaan door overbelasting.

Techniek van lithium accu’s

Net zoals bij lood accu’s bestaan Lithium accu’s uit cellen welke in serie geschakeld worden. Bij loodaccu’s van 12V zijn dit 6 cellen van 2V. Bij lithium zijn dit 4 cellen van 3V (nominale waarden)

Denk aan een handradio met 4 ronde baterijen van 1,5V dit geeft een 6V werkspanning voor de radio

Het laden gebeurt zowel bij lood als Lithium d.m.v. een 12V lader. Dus de lader ziet de verzameling cellen als 1 en kan dus alleen zijn laad algoritme loslaten op de som van de cellen. Nu hier gaat het bij lood accu’s eigenlijk van nature altijd goed. Dus blijft de individuele laadstatus v/d cellen in balans zolang de cellen heel zijn.

Helaas geldt dit niet voor lithium. De individuele cellen kunnen gaan verschillen doordat de inwendige weerstand nauwelijks veranderd met de laadtoestand. Hierdoor moet er d.m.v. elektronica kunstmatig worden ingegrepen. Alle cellen zijn voorzien van een eigen spanningsmeting. Een centrale microprocessor (in de accu) controleert alle cel spanningen en grijpt in als 1 v/d cellen hoger is als de rest. Dit wordt gedaan door tijdelijk een belasting (kleine weerstand) over de cel te schakelen welke te hoog dreigt te worden. Hierdoor daalt de spanning van de cel welke te hoog was.

Principeschema balanceren 12V Lithium accu

Dit proces wordt balanceren genoemd en is alleen actief als de Lithium accu’s geladen en de laadstatus ongeveer 80-90% bereikt.

De spanningsmeting wordt tevens gebruikt om de cellen te beschermen tegen overspanning of onderspanning.

Type Lithium accu’s voor schepen.

Er zijn natuurlijk inmiddels heel veel type lithium accu’s denk maar aan fietsen, elektrische gereedschap, laptops etc. Hier worden alleen types besproken waarvan ze geschikt zijn voor gebruik in jachten.

1. Lithium drop-in batterijen Lithium accu’s met ingebouwde afschakel relais
   Dit zijn veel toegepaste en je vindt ze in alle watersportwinkels. Alle elektronica (BMS) zit in de accubak ingebouwd tezamen met een relais welke afschakelt als de spanning te hoog wordt, te laag wordt of de temperatuur buiten zijn grenzen komt.
   1. Voordelen:
      1. Voordeligst in aanschaf
      2. Relatief eenvoudig te installeren

• Minimale aanpassingen in de installatie

1. Nadelen:
   1. Belangrijkste nadeel is eigenlijk dat er 1 ingebouwd beveiligingsrelais zit voor zowel te hoge als te lage spanning en of temperatuur.
      Als door b.v. een defecte laadregelaar (dynamo, acculader, solar lader of windgenerator) de accu afgeschakeld wordt. Dit betekent dat de hele installatie wordt afgekoppeld en dus alles kan uitvallen. Eigenlijk wil je dat alleen het laden wordt onderbroken!

• Andersom dus bij een te lage spanning veroorzaakt door v. te diepe ontlading zal ook alles afschakelen. Dit betekent ook de apparaten die laden. De accu zal wel weer proberen in te schakelen als de spanning stijgt maar ook dit kan problemen geven (sommige laders en of dynamo’s starten niet op zonder dat deze de accu “zien”.
  Eigenlijk wil je deze situatie zo snel mogelijk onder controle hebben zonder problemen. Dus Idealiter zou alleen de belasting afgeschakeld moeten worden. En zeker niet alles wat laadt. Dus motor aan en direct laden zodat het boordnet weer wordt ingeschakeld.

1. Niet geschikt voor serie schakeling (24V gaat dus niet)
   Helaas is het bij dit type lithium niet mogelijk om in serie te schakelen dit komt door het ingebouwde beveiligingsrelais

• Beperkte stroom
  Ondanks dat Lithium veel stroom kan leveren is het interne beveiligingsrelais doorgaans niet zwaar genoeg voor grote gebruikers als boeg en of hekschroeven.

1. Standalone toepassing
   Als er meer dan 1 accu in een accu bank zijn geplaatst (b.v. 2 parallel) en er is calamiteit dan kan er 1 accu afschakelen (door meet verschil) en de andere blijft nog doorgaan. Hierdoor wordt de maximale belastingstroom gehalveerd. Boven dien kom je er ook niet achter dat er 1 in storing staat    

2. Lithium accu’s met 2 externe afschakel relais
   Bij deze accu’s wordt ook het balanceren in de accu gedaan (dat kan natuurlijk niet anders) Ook de controle vindt hier plaats (te hoge/lage cel spanning en temperatuur) maar het afschakelen gebeurt extern. En er wordt een apart calamiteiten relais gebruikt voor te hoge spanning (alles wat laad wordt afgeschakeld) en één relais voor te lage spanning (alle belastingen worden afgeschakeld)
   1. Voordelen:
      1. Schakelt bij calamiteiten alleen het noodzakelijke af.
         Dus bij te hoge spanning wordt alleen alles wat laad afgeschakeld. De belasting dus de verbruikers blijven normaal functioneren.
         Bij lage spanning wordt de belasting afgeschakeld maar alles wat laad blijft aangesloten. Dus kan de situatie binnen no time onder controle komen door eenvoudig b.v. de motor te starten.
      2. Grote belastingen
         Kan grote belastingen zoals boeg en hekschroeven aan zodat er veel meer gewicht kan worden bespaard.

• Kan bijna eindeloos worden uitgebreid
  zowel serie schakeling (24V systemen) als parallel (vergroting van het aantal AH)

1. Nadelen:
   1. Veel installatie werk
      Door de 2 externe relais moet er meer aangepast worden in de bekabeling.
   2. Duurder
      Mede door het installatiewerk en de 2 beveiligingsrelais zal het deze oplossing duurder zijn dan de accu’s met ingebouwd relais
2. Drop in batterijen met een bus systeem
   Deze zijn relatief nieuw en de techniek komt uit de home storage systemen. Hierbij heeft iedere batterij zijn eigen beveiliging en afschakeling (zoals type 2). Maar communiceert met alle accu’s binnen de accubank. Zo wordt de verzameling van accu’s 1 bank met 1 uitlezing en 1 bestur
   1. Voordelen:
      1. Deze zijn bijna gelijk als bij punt 2 genoemd.
         Uitzondering is de beperktere stroom. Deze is gelijk aan de som van de maximale stroom per accu’s x het aantal accu’s.
      2. Voordeliger en veel sneller te installeren dan bij punt 2
         Door ingebouwde afschakel relais en ingebouwde meetshunt bespaart dit veel installatiewerk en kosten.

• Ingebouwde monitoring
  Standaard is uitgebreide monitoring mogelijk over de gehele accu bank. (dit is uniek in de markt) Maar natuurlijk ook per accu d.m.v. bluetooth en uw telefoon of Ipad. Maar optioneel ook gemonitord worden op een display en/of bestaande plotter. Zelfs op afstand d.m.v. een 4G verbinding is monitoring en alarmering mogelijk met behulp van een Victron GX

1. Ingebouwde verwarming
   Dit type is voorzien van ingebouwde verwarming zodat er ook geladen kan worden met temperaturen onder de 5 graden     

1. Nadelen:
   1. Eigenlijk niet veel
      Het enige is dat met de oplossing uit punt 2 hogere laad en ontlaadstromen mogelijk zijn.
       
2. Lithium Extension accu
   Bij dit systeem wordt er een Lithiumaccu toegevoegd aan de loodaccu. De Lood accu zorgt voor de piekstromen de Lithium accu voegt capaciteit toe. (v. BOS LE300 Smart Battery System)
   1. Voordelen:
      1. Goedkoop in aanschaf
      2. Eenvoudige installatie
         Doordat deze cellen parallel worden aangesloten op de bestaande accu’s is de installatie eenvoudig
   2. Nadelen:
      1. Verreweg de belangrijkste is geen correcte monitoring mogelijk.
         Dus als het niet werkt of slecht werkt (geringe capaciteit) waar ligt het dan aan?
      2. Niet echt veilig.
         Dunne bedrading toevoegen aan zware accuklemmen is volgens de veiligheidseisen geen optie. Mits keurig op rail gezet en individueel afgezekerd. (Dit staat niet in de instructies v/d fabrikant)

• Accu’s nivelleren continu
  Door de parallelschakeling van ongelijk accu’s (lood en lithium) lopen er continu nivelleringstromen. Hierdoor slijten de cellen met name van de loodaccu’s

Voor alle 4 de principe geldt dat de bestaande acculader of lader/omvormer meestal wel geschikt is. Echter voor het laden van de dynamo moet er meestal een aanpassing komen. Door de lage inwendige weerstand wordt de laadstroom continu erg hoog en hierdoor wordt de dynamo te heet en kan verbranden. Dit wordt meestal opgelost door:

• DC–DC converter/lader
• Een (externe) dynamo regelaar met temperatuur sensor op de dynamo

Met dit document hoop ik dat er wat vragen zijn beantwoord. Er is inmiddels al veel over geschreven wat meestal alleen over voordelen gaat. Lithium is meestal een prachtige oplossing aan boord van jachten maar verijst wel een juiste keuze en een veilige installatie.

Let op: Voor zelfbouwers geldt dat de verzekeringmaatschappijen inmiddels geen zelf samengestelde Lithium batterijen accepteren.

Arnold de Maa

NauticICT