Informatie over het opladen van een Lithium-Polymer accu - Radiografisch-Speelgoed.net Wiki

Hoe wordt een LiPo geladen?
Eigenlijk is dat een heel kort en simpel verhaal.
Als voorbeeld nemen we een 3s1p / 3000mAh accu, om maar eens een veel voorkomende accu te nemen. De maximale laadstroom die de fabrikant op heeft gegeven is bijvoorbeeld 2C. De maximale ontlaadstroom is 20C, dit is echter nauwelijks van belang bij het laden.

Wanneer is een LiPo leeg en wanneer is hij vol?
Een LiPo cel is leeg wanneer de spanning onbelast tot 3V is gedaald. Verder ontladen moet je niet doen want dat is heel slecht voor je accu!
Een LiPo cel is vol wanneer de spanning onbelast tot 4,235V is opgelopen. Ook hier moet je echt niet verder gaan want dan zal de LiPo ook kapot gaan en in het ergste geval zelfs in de brand kunnen vliegen. Laat je echter niet gek maken door allerlei doomverhalen, een LiPo cel vliegt niet zo maar in de fik, zeker niet als je er geen gekke dingen mee doet.

Net als alle accu's mag je een LiPo maar met een beperkte stroom laden, je mag er dus niet zo maar een flinke stroom doorheen jassen! Deze laadstroom is al heel lang standaard 1C maar er zijn al veel cellen die, net als ons voorbeeld, met 2C geladen mogen worden. Ondertussen zijn LiPo's die je met 5C mag laden ook al te koop. Maar hoe dan ook het is nog steeds een beperkte stroom.
Een LiPo lader is eigenlijk een heel goed gestabiliseerde voeding waarvan de uitgangsspanning op precies 4,235V per cel wordt ingesteld. De maximale stroom die deze "voeding" kan leveren wordt ingesteld op gewenste laadstroom. Voor de accu in het voorbeeld (3S1P / 3000mAh en een laadstroom van 2C) zou dat dus 12,705V en maximaal 6A zijn.

Wanneer je de accu aansluit op de lader zal het spanningsverschil tussen de accu en de laderuitgang groot zijn. De accu is maar 9V en de laderuitgang is 12,705V. De stroom die er zou kunnen gaan lopen wordt bepaald door dat spanningsverschil en de weerstand van het hele circuit. Dat is de weerstand van de kabels, de connectors en de inwendige weerstand van de accu bij elkaar opgeteld.

Je begrijpt wel dat die weerstand erg laag is, maximaal enkele tienden Ohm. Stel dat het in dit voorbeel 0,15Ohm is. De stroom die er dus zou kunnen gaan lopen is dan 3,705V / 0,15Ohm = 24,7A. Dat is natuurlijk een veel te hoge stroom dus zal de stroombegrenzing ingrijpen en het beperken tot 6A.
Langzaam maar zeker zal de accu voller raken en zal de spanning van de accu hoger worden. Wanneer het spanningsverschil kleiner dan 0,9V wordt zal de laadstroom gaan dalen. Waarom 0,9V hoor ik vragen? Wel dat is de laadstroom maal de weerstand of te wel 6A x 0,15Ohm = 0,9V. Dus wanneer de accuspanning hoger wordt dan 11,805V begint de laadstroom minder te worden.
Wanneer de laadstroom minder wordt zal natuurlijk het laden langzamer gaan dus zal het langer duren voordat de accu vol is. Theoretisch zal de accu zo ver opgeladen raken dat het spanningsverschil 0V wordt en daarmee wordt dus ook de laadstroom 0A. Dit kan heel lang duren, uren of zelfs dagen!
In de praktijk zal het laden eerder stoppen. De laadstroom die door de accu loopt wordt constant in de gaten gehouden en wanneer de stroom ver genoeg gedaald is zal de lader stoppen. Bij veel laders is dat bij iets van 1/50C. Dit is een vrij willekeurige waarde die per fabrikant kan en zal verschillen. Daarom zal een accu op een lader van fabrikant "A" binnen 45 minuten vol zijn maar op een lader van fabrikant "B" duurt het wel een uur. Toch is het wel belangrijk dat het laden echt helemaal stopt als de stroom laag genoeg is geworden want LiPo's vinden het niet zo heel erg fijn om langdurig aan de maximale spanning aangesloten te zijn.
In dit voorbeeld gaan we uit van 1/50 C dus zal de lader stoppen wanneer de laadstroom is gedaald tot 120mA. De lader zal melden dat hij klaar is en vaak ook laten zien hoeveel er in de accu is geladen en hoe lang de laadtijd was. Die waardes zijn niet echt waardevol maar je kan ze per accu bewaren om zo in de gaten te kunnen houden hoe de accu zich houdt. Zolang je die accu steeds met dezelfde lader laad kan je die waardes gebruiken door ze steeds met de voorgaande te veregelijken. Wanneer de accu versleten raakt zal je dat onder andere kunnen zien aan het feit dat de laadtijd steeds langer wordt en de lader er steeds meer in moet stoppen zonder dat er meer uit zal komen.
Het laden is dus feitelijk erg simpel maar het is zeer belangrijk dat het wel heel precies gebeurt. De spanningen moeten binnen erg nauwkeurige grenzen zijn om schade aan de accu te voorkomen maar ook om te zorgen dat de accu wel volledig geladen wordt. Ook de laadstroom moet in de gaten gehouden worden want te veel is erg slecht en te weinig zal een langere laadtijd geven.

In het stukje over de lader is de balancer geheel niet ter sprake gekomen. Wat doet een balancer nu eigenlijk en waarom moeten we die gebruiken?
Bij een accu samengesteld uit meerdere cellen zal altijd enig verschil tussen die cellen bestaan. Sommige zullen iets eerder vol zijn dan de andere. Om die andere cellen ook vol te krijgen zal de lader doorgaan met laden. Hierdoor zullen de cellen die iets eerder vol zijn dus, een beetje, overladen worden waardoor de celspanning iets hoger zal worden dan toegestaan.
Bij NiXX cellen is dat niet zo kritisch, als één van de cellen iets eerder vol is dan de rest wordt hij gewoon wat overladen. Daar kunnen ze vrij goed tegen zolang het maar niet te lang duurt en de stroom niet te gek hoog is. Omdat de verschillen tussen de cellen in één pakket nooit erg groot zullen zijn zal dat overladen zo goed als nooit echt lang duren.
De celspanning van LiPo cellen is wel heel kritisch, iets te laag betekend een niet volle cel en iets te hoog een defecte cel. Bij LiPo's moet je dus zorgen dat de celspanning nooit boven een bepaald maximum uitkomt. In het ergste geval zou een LiPo cel zelfs vlam kunnen vatten indien de celspanning te hoog wordt. .
Er moet dus iets gedaan worden om te voorkomen dat een LiPo cel die iets eerder vol is dan de andere in het pakket overladen wordt terwijl de anderen ook vol worden geladen. Dat is dus de taak van een balancer.

De meest simpele balancer is het passieve type. Een dergelijke balancer gaat pas aan het werk als de accu al vrijwel vol is. Op dat moment is de laadstroom dus al een heel eind afgenomen. Wanneer de spanning van één van de aangesloten cellen de 4,235V eerder bereikt dan de andere cellen zal de balancer dat detecteren en de dan nog lopende laadstroom om de cel heen leiden. Er wordt simpel weg een weerstand parallel aan de cel geschakeld.
De balanceerstroom een balancer kan verwerken is meestal niet zo heel groot. De eerste balancers waren echt gemaakt om helemaal op het einde hun werk te doen en konden vaak niet meer dan 50mA of 70mA stroom verwerken. De meeste van de huidige balancers kunnen ergens tussen de 150mA en 300mA verwerken. Er zijn al types die zelfs meer dan 1A kunnen verwerken. De balancers met een lage balanceerstroom zijn alleen te gebruiken wanneer de onbalans niet te groot is en bij relatief lage laadstromen.
Is de onbalans erg groot, bijvoorbeeld wanneer je een nog half volle cel en een lege cel in serie wilt gaan laden, zal de volle laadstroom nog lopen als de eerste cel al vol raakt. De balancer zal dan ingrijpen maar hij kan bijvoorbeeld slechts iets van 150mA om de cel heen leiden terwijl er misschien wel 1A loopt. Dat is dus een recept voor fout gaan. De balancer kan dan kapot kunnen gaan en uiteindelijk ook de LiPo.
Er bestaan balancers die dat kunnen detecteren en dan de laadstroom helemaal uit schakelen en een foutmelding geven. Dit soort balancers zit in heel veel LapTop accu's. Wanneer je accu niet meer wil laden dan is het heel vaak de ingebouwde balancer die de zaak tegenhoudt omdat de onbalans te groot is geworden om nog weg te kunnen werken.

Een tweede type is de active balancer. Deze doet feitelijk hetzelfde maar nog meer. Wanneer je de accu op zo'n balancer aansluit zal hij de spanningen van elke cel meten en die met elkaar gaan vergelijken. Als er één iets hoger is dan de andere zal die cel iets ontladen worden om hem gelijk aan de rest te krijgen. Pas wanneer alle cellen gelijk zijn zal de balancer de laadstoom inschakelen.

Tijdens het laden blijft de balancer de spanning in de gaten houden en als er één cel iets hoger wordt dan de anderen zal de balancer (een deel van) de laadstroom om die cel heen leiden. Zo wordt ervoor gezorgt dat die cel iets langzamer geladen wordt. Uiteindelijk is het de bedoeling dat alle cellen tegelijk netjes vol raken.
Het is duidelijk dat dit type balancer grotere stromen moet kunnen verwerken. Ze moeten, een deel van, de laadstroom buiten de cel die iets voller raakt om leiden. Dat kan zijn bij een nog vrijwel lege accu dus een hoge laadstroom maar ook bij een vrijwel volle accu dus een geringe laadstroom. Het zijn dus meestal dit type balancers die 1A of meer balanceer stroom kunnen verwerken.
Toch is het natuurlijk niet de bedoeling om met een dergelijke balancer een enorme onbalans weg te werken. Als je dat tegen komt is het zaak uit te zoeken waar die onbalans door ontstaan is. Vaak is het een teken dat er met een cel iets mis is. Wanneer je merkt dat de onbalans de volgende keer dat je die accu wilt laden weer zo groot is kan je er vrij zeker van zijn dat je de accu moet gaan vervangen.

Een laaste functie die in de balancer ingebouwd kan zijn is de detectie dat alle cellen de 4,235V bereikt hebben en dus vol zijn. De eventueel nog lopende laadstroom wordt dan door de balancer buiten de cellen omgeleidt waardoor de laadstroom mogelijk niet laag genoeg wordt zodat de lader stopt. Sommige balancers zijn ontworpen om met een specifieke lader samen te werken deze zal de lader "melden" dat de accu vol is en dat hij lader uit kan schakelen. Andere balancers zullen zelf de laadstroom afsluiten.
Steeds meer van de moderne laders hebben een balancer ingebouwd zitten die samenwerkt met de lader. Het is één apparaat geworden.

Beide methodes van balanceren (actief en passief) werken goed en betrouwbaar. Het systeem met de active balancer zal makkelijker werken en de kans op mogelijk fouten is wat kleiner. Laders met geïntegreerde balancers zijn eigenlijk te prefereren want daar zijn de lader en de balancer goed op elkaar afgestemd. De goede samenwerkig zal dan beter gegarandeerd zijn.

Als laatste is er nog een derde mogelijkheid. Dat is dat elke cel zijn eigen lader heeft. Dit zijn meestal laders die je alleen via de balanceer stekker kan aansluiten. In die laders zit een apparte laadschakeling voor elke cel. Die laders werken volledig onafhankelijk van elkaar en zullen elke cel volledig tot de 4,235V opladen. Wanneer één cel eerder vol is dan de rest geeft dat niets omdat de lader van die cel er dan gewoon mee ophoudt. De andere laders gaan gewoon verder om de andere cellen ook helemaal vol te krijgen. Wanneer ze dan allemaal vol zijn zal het "ready" lampje gaan branden, als dat erop zit natuurlijk.
Elektronisch gezien zijn deze laders wat complex maar voor de gebruiker zijn ze eigenlijk ideaal. Je hebt geen balancer nodig en geen apparte kabels daarvoor. De kans op problemen is klein en je kan je accu veilig laden. Het nadeel is dat je via de vrij dunne balanceer draadjes en connector geen hoge laadstromen kan laten lopen. De laadstroom zal dus beperkt moeten blijven tot ongeveer maximaal 0,5A. Mede om deze reden zie je deze laders tegenwoordig steeds minder.


Bron: modelbouwforum.nl