De Cecilia vaart vanaf nu op Lithium accu’s. Eindelijk.

In januari 2017 (!!) schreef ik mijn laatste blog over de accu problemen. De kwaliteit van de AGM lood accu’s was zo slecht dat deze vervangen moesten worden. En na een grondige analyse (lees die laatste blog) was er maar één alternatief: een Lithium accu.

Ik heb in het voorjaar van 2017 een offerte aangevraagd bij Heijnsdijk, een leverancier van onderdelen voor het ombouwen van auto’s en boten. Heijnsdijk levert o.a. Winston cellen van 3.2 Volt nominaal en in diverse capaciteiten vanaf 80Ah. Door 16 cellen in serie te schakelen kom je op een 51,2 Volt accu. Heijnsdijk adviseerde mij 400Ah LiFePo4 cellen. Doordat je de cellen serieel koppelt is een uitgebreid BMS systeem nodig dat elke cel bewaakt en tijdens het laden elke cel apart balanceert. Het BMS kan dan via een zogenaamde Victron Assistent (software oplossing) aangesloten worden op de Victron Quattro inverters/chargers.

Er valt veel te leren over Lithium accu’s

Als je je verder verdiept in de Lithium accu technologie doe je veel kennis op. Lees vooral de artikelen van Battery University en bekijk de Youtube filmpjes eens van Jehu Garcia. Jehu bouwt zelf “Tesla” accu’s uit losse onderdelen. Waardevolle achtergrond info, bijzonder leerzaam! Bijvoorbeeld het verschil tussen een platte accu (telefoons) of een opgerolde penlite accu (Tesla). Technische achtergrond info die helpt om te bepalen welke Lithium Accu geschikt is voor welke toepassing.

Welke Lithium accu moet je dan kiezen?

Een kleine toelichting? Lithium is het lichtste metaal op aarde maar ook een instabiel metaal. De huidige generatie accu’s worden daarom ook niet meer van puur lithium gemaakt, maar er worden Lithium Ionen toegepast, daarom ook wel Li-ion of Lion Accu genoemd. Li-ion is veilig zolang je de voltage en stroom limieten niet overschrijdt. De accu bestaat uit een poreuze Carbon Anode waartussen de Li-ionen zitten gevangen als de accu is geladen, en een Li metaal oxide kathode. De anode en kathode worden gescheiden door een dunne elektrolyt bestaande uit een Lithium-zout oplossing. Innovatie en ontwikkeling heeft de afgelopen 10 jaar zowel aan de anode als aan de kathode plaatsgevonden. De anode is tegenwoordig van grafiet met een kleine toevoeging van silicium waardoor er een hogere dichtheid van elektronen kan plaatsvinden in geladen toestand.

Door verschillende materiaal toevoegingen aan de kathode worden extra eigenschappen aan de accu toegevoegd die ervoor zorgen dat er sneller geladen en/of ontladen kan worden of dat de accu juist geschikt is om langere tijd energie vast te houden zonder verliezen. Bekende varianten zijn LiFePo4 waarbij hogere laad- en ontlaadstromen mogelijk zijn. Maar de LifePo4 accu kent een geringe zelfontlading en is dus minder geschikt voor langdurige opslag en vraagt specifieke aandacht voor het balanceren van seriële cellen. Een ander type is de LiNiCoAlO (Nikkel, Cobalt en Aluminium), ook wel NCA genoemd. Deze heeft een nog hogere energie dichtheid maar ook een hogere interne weerstand en is dus minder geschikt voor het leveren van hoge stromen. Maar wel weer zeer geschikt voor opslagsystemen zoals bij Solar toepassingen. Victron levert sinds kort een NCA accu, specifiek gericht op solar opslag. De accu is veel goedkoper dan een LiFePo4 accu maar heeft wel last van warmte ontwikkeling en moet dus geforceerd gekoeld worden. Voor elektrisch varen is de accu minder geschikt doordat er helaas met lagere stromen gewerkt kan worden. En dan is er nog de NCM accu, ofwel Nikkel, Mangaan, Cobalt Oxide LiNiMnCoO2. Dit type is sterk in opkomst, heeft een hoge dichtheid, lage interne weerstand en grote mate van stabiliteit. En is bovendien goedkoper te produceren dan een LiFePo4 accu.

Lithium batterijen en de nominale spanning – belangrijk voor lader en omvormer.

Nadat ik met collega botenbouwer Daniel Boekel had gesproken over de mogelijkheid om Tesla cellen te gebruiken, heb ik toch besloten uit te zien naar een commercieel verkrijgbaar product. De Tesla cellen zijn gewone 18650 cellen (grote penlite batterij, 18 mm dik, 65mm lang) die als pack 22,5 Volt geven. In serie is dat 45 Volt maar vooral de spanning bij ontladen toestand van 32,5 Volt valt buiten de specs van de Victron inverters/chargers (36 Volt). Overigens kunnen de Tesla cellen zonder problemen overweg met grote laad en ontlaadstromen, juist zo belangrijk voor langdurig gebruik in een elektrische boot. In de Youtube filmpjes van Garcia leer je veel over de specifieke voordelen van de cilindrische 18650 cellen van Tesla en de bijzonder beveiliging die in de packs is ingebouwd.

De Winston LiFePo4 cellen die door Heijnsdijk werden voorgesteld, zijn ook geschikt voor mijn toepassing want ze kunnen een ontlaad stroom hebben van 3C, ofwel 3x400A. Ruim voldoende want in mijn sleepboot wordt de ontlaad stroom niet hoger dan 250A, met een enkele piek van 300A. Vergelijkbare cellen van Sinopoly kunnen ook 3C terwijl Calb maximaal 2C kan verwerken.

De nominale cel spanning van de LiFePo4 cel is 3,2 Volt dus met 16 cellen in serie geschakeld kom je op 51,2 Volt. Bij een diepte ontlading zakt de celspanning naar 2,8 Volt (44,8), bij laden tot maximaal 3,7 Volt (59,2). Dit zijn voltages die ik uitstekend kan verwerken met de Victron Quattro’s.

Elke Lithium Accu kun je gebruiken tussen SOC 10%-90%. Ofwel, diepte ontlading of overlading moet je zien te voorkomen om de levensduur maximaal te houden. De accu lader in combinatie met het BMS moet dus bescherming bieden door vlak voor het bereiken van de eindspanning het laadproces uit te schakelen.

Met een 400Ah accu heb je met een netto SOC van 80% dus circa 320Ah beschikbaar (90%-10%=80%xAh). De laad efficiency van een LiFePo4 cel is dan circa 95% ten opzichte van 80% van een loodaccu. Technisch zijn de LiFePo4 cellen dus superieur ten opzichte van lood accu’s. Een punt van aandacht is overigens dat je de losse cellen wel op de één of andere manier fysiek moet zien samen te bouwen. Met wat aluminium hoeklijn kom je een heel eind maar daarna moet je alle BMS printjes met bijbehorende bedrading solderen en samenkoppelen. Dat is nog even een klusje, misschien ook gevoelig voor storingen maar zo kun je wel heel modulair je eigen accu systeem samenstellen. Maar het is ook duur. De offerte van Heijnsdijk, compleet met het BMS, kwam op ongeveer € 11.500. En dat is best veel geld!

Een alternatief; een Lithium NMC accu van ACES Energy

Vanwege de hoge prijs heb ik eerst besloten nog een tijdje door te varen met de loodaccu’s. Maar deze winter was de capaciteit van de loodaccu’s nog maar goed voor circa 30 minuten elektrisch varen. Er moest dus wat gebeuren dit jaar.

Via mijn blog werd ik in januari benaderd door Wolter Buikema. Wolter heeft vanuit zijn belangstelling voor elektrisch varen en rijden een bedrijf gestart gericht op het ontwikkelen van Lithium accu’s. Dit bedrijf, ACES Energy BV is opgericht in 2015. In de jaren 2015 en 2016 hebben ze een heel programma van Lithium accu’s en laders ontwikkeld. In 2017 hebben ze ca. 100 samples verkocht aan bedrijven en zijn de accu’s in de praktijk getest. Deze accu’s zijn volledig in NL ontwikkeld, inclusief de BMS en de totale constructie. De productie vindt plaats in China.

Toen Wolter mij schreef over de technische eigenschappen van zijn accu’s leek het mij tijd om eens kennis te maken. Hij beschreef een paar technische eigenschappen die ik bij andere aanbieders nog niet had gevonden. En zo kwam het dat wij elkaar troffen tijdens Boot Holland in Leeuwarden. En lang verhaal kort; ik heb 2 stuks ACES Lithium Accu’s type AL48V200HP besteld en inmiddels na 5 maanden levertijd, geleverd gekregen.

Wat maakt deze accu dan zo uniek ten opzichte van de losse cellen van Winston, CALB of Sinopoly? Ten eerste is dat de gekozen materiaal toevoeging. Dit is dus een Nikkel Mangaan Cobalt accu in plaats van het gangbare LiFePo4. De NMC accu heeft weliswaar een iets hogere interne weerstand maar de laad- en ontlaadstroom is nog steeds meer dan voldoende voor mijn toepassing.

De 200Ah accu kent een maximale continue ontlaadstroom van 180A (400A 10s). In de gedrukte specificaties wordt gesproken over 1C, dus 200A.

De accu is een compleet IP67 gesealde RVS kist die een spanning geeft tussen 42V en 58V, afhankelijk van de geladen toestand (SOC). Met 2 van deze accu’s parallel geschakeld heb ik dus een 48 Volt 400Ah accu bank die met een SOC tussen 10% en 90% dan 320Ah capaciteit biedt met een maximale continue ontlaadstroom van 360A.

Maar het meest bijzondere aan deze accu is dat het BMS maar ook diverse beveiligingssystemen compleet ingebouwd zitten in de kist. Je hoeft er dus geen BMS meer bij te zetten! Zelfs een zekering is niet meer nodig omdat de accu kortsluitveilig is en beveiligd is tegen te hoge ontlaadstromen, overlading, onderlading, temperatuur, e.d. Gewoon plaatsen, aansluiten en gaan. Fantastisch toch?

Uitbouwen, inbouwen en aansluiten

De 16 lood accu’s waren op speciaal gemaakte rekjes tussen de spanten in de boot ingebouwd en verdeeld in de boot voor een ideale gewichtsverdeling. De 16 accu’s loskoppelen en verwijderen is wel een pittige klus geweest. Ik heb de mogelijkheid aangegrepen om de vrijgekomen ruimte opnieuw te benutten voor boiler en hydrofoor waardoor er elders kastruimte vrijkwam.

De ACES accu’s, elk 85 cm lang, 85 kg zwaar en 33 cm breed/hoog kregen een nieuw plekje onder het bed. Het past allemaal precies. Het scheelt natuurlijk wel ruim 800kg aan gewicht maar daar merkt de boot vrijwel niks van. Aansluiten was een fluitje van een cent. Met een leuke verrassing. Normaliter krijg je een forse klap als je de Victron omvormers met een accu verbindt, de condensatoren moeten zich immers weer opladen en een accu schakelaar gebruik je niet bij dit soort spanningen en ampères. De ACES accu gaf gewoon geen stroom, geen vonk, geen klap. De accu schakelde pas na een tiental seconden zachtjes in. Je hoorde een paar relais in de kist aan/uit schakelen. Dat was alles. Mooi voorbeeldje hoe het dus ook kan.

Victron Quattro instellingen voor ACES accu.

Er is vrij weinig dat aangepast hoeft te worden in de instellingen van de Victron Quattro omvormers. De Voltage- en Temperature Sensor sluit je op eenzelfde manier aan, hoewel de temperatuursensor er dus niet toe doet. Maar zonder temperatuursensor werkt de Victron niet. De Voltage sensor is noodzakelijk om eventuele kabelverliezen te compenseren tijdens het laadproces.

Het meest ingewikkelde is eigenlijk het kiezen van de juiste laad curve., zie de afbeelding hierboven. De Victron acculader is oorspronkelijk bedoeld voor loodaccu’s. Deze kennen verschillende stadia waarbij laadstroom en laadspanning in tijd variëren. Van bulk (lage spanning, hoge laadstroom) gaat het proces over naar de absorptie fase (hoge spanning, lage stroom). En bij een drietraps lader wordt er na afloop teruggeschakeld op een zogenaamde float spanning. Alleen natte loodaccus kennen nog een periodieke egalisatie fase met een extra hoge spanning. Die is funest voor Lithium accu’s en moet dus uitgeschakeld worden. En eigenlijk is zelfs de absorptie en float fase verkeerd. Tijdens absorptie kan de spanning namelijk te lang te hoog blijven. En een Lithium accu mag je niet onder een float spanning houden, dan gaat de accu kapot. Kijk maar eens naar telefoons waarbij de platte accu na enkele jaren dikker en dikker wordt en uiteindelijk letterlijk uit z’n jasje knapt.

Ik heb als eerste test de volgende parameters ingesteld:

Absorptie voltage 57,0 Volt
Float voltage 53,0 Volt
Charge Current 70A (per lader)
Max. Absorption time 1 hr

Dit heeft geresulteerd in de volgende curve:

Bij de start is de geladen toestand SOC onbekend, het is namelijk een nieuwe accu. Ik veronderstel dat deze is geleverd in een toestand van circa 40%. De spanning bedroeg op dat moment 51.0 Volt. De laders hebben (beperkt door de walstroom aansluiting) een laadstroom van 85A gegenereerd. Bij het bereiken van de absorptie spanning van 57.0 Volt wordt de laadstroom teruggebracht tot 5% van de opgegeven Ah waarde: 5%x400Ah=20A.

In de grafiek is een korte load test te zien met een piek ontlading van circa 250A. Daarna is de instelling voor de aborptiespanning tijdelijk verhoogd naar 57,5 Volt en is het laden nog een uurtje vervolgd.

SOC ontlading tot 18%

De tweede test is een ontlading tot SOC 18% door totaal 3 uur vaartijd en een lading vanaf de generator tijdens het varen. De maximale piekbelasting is 225A, de maximale laadstroom via de generator is 180A. Dit is minder dan de berekende waarde van 3x70A en komt door een te hoge temperatuur waardoor de laadstroom automatisch wordt gereduceerd. Ik moet nog wat aandacht aan koeling geven….. Totaal is er in deze sessie 302Ah * 51 Volt = 15,4 kWh elektrische energie verbruikt.

Weer terug naar geladen accu, SOC=96%

De laatste grafiek toont het laadproces via de walaansluiting. Bij de vorige sessie was er via de generator geladen tot een SOC van circa 65% (52 Volt). Via de walstroom met een laadstroom van wederom circa 85A loopt de spanning weer op tot 57,15 Volt. De laadstroom neemt dan weer af totdat na 1 uur absorptie fase de float fase wordt ingeschakeld. Er wordt dan geen laadstroom meer gegenereerd. Volgens de batterij monitor was op dat moment de SOC 96,5% en was de batterij dus nog niet helemaal vol. Belangrijk om te beseffen is dat er nog geen goede kalibratie is uitgevoerd. In een volgende test zal de ik de absorptie spanning nog iets verhogen tot 57,5 Volt. Dat is nog steeds onder de opgegeven grenswaarde van ACES van 58,5 Volt.

Vragen voor de volgende test

De vraag is natuurlijk wanneer 100% SOC wordt behaald? Is dat bij 58,5 Volt? En wat is dan de SOC bij 58 Volt? Of andersom geredeneerd, wat is een veilige spanning bij 95%? En hoe lang zou de absorptie spanning gehanteerd moeten worden of moet na het bereiken van de absorptie spanning de lader direct afgeschakeld worden?

Uiteindelijk wil ik de opgedane ervaringen delen met ACES Energy zodat zij een manual kunnen samenstellen voor nieuwe klanten. Ik moest het nu doen met zeer summiere informatie op de accu afgedrukt en aangevuld met een A4-tje met wat overige info.

En wat doen we met die 16 stuks lood accu?

Die staan nu buiten in de regen te wachten totdat we een Energy Storage System, denk aan een Tesla Power Wall, gaan bouwen. Een klusje voor in de winter.

2 gedachten over “De Cecilia vaart vanaf nu op Lithium accu’s. Eindelijk.”

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.