Laadkarakteristiek uitgelegd

Er schijnen nog al wat misverstanden te zijn over de manier waarop accu’s worden geladen. Op speciaal verzoek heb ik daarom deze pagina samengesteld die probeert voor leken duidelijk uit te leggen hoe het laden van een huishoud-accu in zijn werk gaat. Ik heb daarbij alleen het laadproces van de loodzuur-accu onder de loep genomen (dus ook van de GEL- en AGM-accu, want dat zijn ook loodzuur-accu’s waarbij het zuur “verpakt” zit in gel of glasfiber); de lithium-accu’s hebben een heel andere laadtechniek en die laat ik hier dus buiten beschouwing. Ook heb ik geen aandacht besteed aan de chemische reacties die in de accu plaatsvinden en waardoor elektriciteit wordt opgeslagen dan wel vrij gegeven; het gaat in deze pagina alleen maar om het natuurkundige laadproces.

Gewenste laadstroom

Als vuistregel geldt voor de laadstroom dat deze minimaal 10% van de accu-capaciteit dient te zijn; dus wil je een 100 Ah accu volledig opladen, dan moet de acculader minimaal 10A kunnen leveren. Omdat tijdens het laden in de regel ook nog verbruikers op de accu staan aangesloten (koelkast onder andere) moet je het verbruik daarvan er bij optellen (in genoemd geval 4 A voor de compressor-koelkast), zodat de lader tenminste een capaciteit van 14A dient te hebben.
Gelden er ook vereisten aan de maximale capaciteit? Neen is het simpele antwoord. Dat komt omdat de accu zelf bepaalt met welke stroomsterkte er maximaal geladen mag worden. Veel mensen denken dat de lader dat bepaalt, maar dat is niet waar. Vroeger kon je het zelfs zien op de lader die meestal voorzien was van een laadstroom-meter. Je zag daar dat de laadstroom gaande het laadproces afnam (meestal van 5A naar 1A).
Een nagenoeg lege accu vraagt maximaal 50% van zijn capaciteit (voor een GEL-accu; een AGM accu en loodzuur-accu maximaal 30% van de capaciteit), dus in ons geval van een 100 Ah GEL-accu is dat 50A maximale laadstroom. Een accu accepteert alle aangeboden laadstroom onder de maximale waarde tot deze ongeveer 75-90 % geladen is. Dan wordt de absorptiespanning bereikt. Ook al accepteert de accu elke laadstroom beneden de maximale waarde, toch is het beter om de laadstroom tot de waarde van C10 (de stroomsterkte waarbij de accu in 10 uur zal worden leeg getrokken, dus in ons geval bij een 100 Ah is dat 10A) te beperken. Dit komt omdat een hogere laadstroom leidt tot een beperkt diffusieproces; er vindt dan weinig diffusie diep binnenin het actieve materiaal plaats en het chemische proces is dan beperkt gebleven tot het oppervlak van de platen. In de absorptiefase wordt dat hersteld, maar die duurt dan evenredig langer. Daarnaast leidt een hogere laadstroom rond een waarde C5 (20% van de accucapaciteit) tot temperatuur verhoging van de accu (en daarmee tot versnelde veroudering) en zorgt voor grote gasontwikkeling. Met andere woorden: een te hoge laadstroom is niet erg effectief en verkort de laadtijd slechts in beperkte mate. Populair gezegd: de accu vraagt eigenlijk een laadstroom gelijk aan C10 voor het beste laadproces. Dit verklaart ook waarom de minimale capaciteit van de lader 10% van de capaciteit moet bezitten, want dan kan hij aan de C10-vraag van de accu voldoen. Deze laadstroom geldt totdat de accu voor ongeveer 75-90% is geladen, afhankelijk van het type accu. Daarna treedt de absorptielading in en daalt de laadstroom geleidelijk totdat de accu helemaal vol is en de laadstroom op het eind van het laadproces 1 A bedraagt.

Te lage laadstroom

Wat gebeurt er als de maximale laadstroom van de acculader te laag is, dus lager dan die 10% van de capaciteit? Als maar lang genoeg geladen wordt dan krijg je met iedere laadstroom de accu wel vol, zo wordt over het algemeen gedacht. Maar helaas kan een accu beschadigd worden bij een te kleine laadstroom. Dit heeft te maken met de chemische reactie die moet optreden bij de plus- en min-plaat. Wanneer de laadstroom te laag is vindt er een onevenredige verdeling van het elektrolyt plaats (vergelijking het met filevorming in het verkeer door onvoldoende doorstroming) die de platen in de accu daardoor aantasten en de capaciteit terug doen lopen. Een accu die met een te lage stroomsterkte wordt geladen veroudert dus sneller.

De verschillende laadfasen

We onderscheiden drie verschillende laadfasen:
1.Bulk: opladen via een constante laadstroom ter grootte van C10. Hiermee wordt de accu op de juiste spanning gebracht (ca 13,7 Volt voor loodzuur accu’s, 14,4 Volt voor GEL-accu’s en 14,7 Volt voor een AGM accu). In deze fase ontvangt de accu de meeste lading. De accu is na deze fase tussen 75 tot 90% geladen.
2.Absorptie: lading op basis van een constante laadspanning. De laadstroom neemt steeds meer af. De bulk- en absorptiefase samen zorgen feitelijk voor het volledig laden van de accu (tot 100%). Hoe meer de accu ontladen was, des te langer duren deze fases samen.
3.Float of trickle (druppel): tevens op basis van een constante laadspanning. Hier start de onderhoudsmode van de accu (vaak wordt deze stand de ‘druppelstand’ genoemd). De accuspanning wordt verlaagd en dan gaat de accu in ’storage’ modus. De lagere ’storage’ spanning vermindert corrosie van de positieve platen.
In grafiek:

T1= Bulkfase; T2=Absorptiefase; T3-Floatfase
De laadtijd

Voor het berekenen van de laadtijd van een accu moet er met het volgende rekening gehouden worden: Het eerste is het rendement van de accu. Bij een standaard loodzuur accu bedraagt het rendement ongeveer 80 %. Dit betekent dat als er 50 Ah ontladen is uit de accu, er 60 Ah teruggeladen moet worden om weer 50 Ah uit de accu te halen. Bij Gel en AGM accu’s is het rendement hoger – 85 tot 90 % – waardoor er minder verlies is en de laadtijd korter in vergelijking met natte accu’s.
Iets anders waar rekening mee gehouden moet worden bij het berekenen van de laadtijd is dat de laatste 20 % van het laadproces (80-100 %) extra tijd vergt. In deze tweede fase, de Absorptiefase of na-laadfase genoemd, neemt de laadstroom dan geleidelijk af tot 1 A.

In een formule:
Laadtijd =( (SOC x Ah x Eff)/(C10)) + Abh waarbij:
SOC = State of charge, de laadtoestand van de accu bij aanvang laadproces in procenten;
Ah = de accucapaciteit in Ah;
Eff = de effectiviteit van de accu: standaard loodzuur 1,2 voor de AGM 1,15 en voor de GEL 1,1
C10 = de laadstroom op basis van de C10 waarde van de accu
Abh = extra tijd in de absorptiefase. Voor standaard loodzuur is dat 1 uur, voor de AGM is dat 4 uur en voor GEL is dat 8 uur.
Als voorbeeld: Een voor 60% ontladen GEL-accu van 110 Ah (SOC is dus 40%) heeft dan een laadtijd van ((SOC x Ah x Eff)/(C10)) + Abh =( (40% x 110 x 1,1)/(11)) +8 = (48,4/11) +8 = 4,4 + 8 = 12,4 uur
Voor een AGM accu met dezelfde waarden als hierboven is dat ((40% x 110 x 1,15)/11)+4=4,6+4=8,6 uur

De laadspanning

Wordt de laadstroom door de accu zelf bepaald, de laadspanning wordt geregeld door de acculader. Voor loodzuur-accu’s moet die minstens 2,1V per cel zijn (dus bij een 12 Voltsaccu met 6 cellen tenminste 12,6V) en mag die celspanning als er geen extra voorzieningen zijn getroffen, niet oplopen tot boven 2,35V (bij 6-cels accu is dat 14,1V), want dan ga je het water in het elektrolyt (de accuvloeistof) ontleden, waarbij knalgas ontstaat; in dat laatste spreken we van een kokende accu. Bij GEL- en AGM-accu’s is een speciale voorziening getroffen waardoor bij die soorten accu’s de celspanning, afhankelijk van de voorziening, mag oplopen tot 2,45 V per cel (14,8V bij een 6-cels accu). Zoals je in de grafiek kunt zien, wordt de spanning gedurende bulkfase langzaam verhoogd tot 14,4V (of 13,7V voor loodzuur en 14,7 voor AGM) en wordt die spanning tijdens de absorptiefase vastgehouden totdat de accu volledig opgeladen is om daarna te zakken tot 13,7V. Naast de acculader moet ook de solarlaadregelaar aan deze vereisten voldoen.
Hier zie je het belang van een juiste acculader c.q. solarlaadregelaar: ze moeten de juiste instelling hebben voor het type accu (loodzuur, GEL of AGM). En we stuiten dan ook meteen op het probleem dat de dynamo/alternator van jouw motor daar zeker niet aan voldoet. Die dynamo levert meestal 14,4 V en krijgt dus wel een GEL-accu en loodzuur-accu vol, maar zal er niet in slagen om een AGM-accu geheel vol te laden. Wil je dat wel, dan zul je een extra lader-booster moeten installeren, geschikt voor AGM.

Laadspanning en temperatuur

De hierboven genoemde spanningen gelden bij een omgevingstemperatuur van 20⁰C. De hoogte van de laadspanning is namelijk ook afhankelijk van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur hoe lager de laadspanning dient te zijn omdat anders gas-vorming in de accu optreedt en er zogenaamd knalgas (een mengsel van waterstof en zuurstof) kan ontstaan. Anderzijds geldt ook hoe lager de temperatuur, hoe hoger de laadspanning kan zijn. Dit blijkt uit de navolgende figuur:

Rechts zie je de gegevens van mijn solarlaadregelaar eind maart-begin april 2022, toen ‘s nachts de temperatuur in de camper, die op mijn oprit staat, tot rond het vriespunt daalde. ‘s Morgens vroeg, bij zonsopkomst, werd de accu toen in abosorptielading met 14,6 V geladen, terwijl het maximum voor de gel-accu 14,4 V is. Maar dat mag bij een temperatuur ver onder de 20⁰C; je hoeft dus niet bang te zijn dat de accu dan met een te hoge spanning wordt geladen.

In Jip-enJanneke-taal

Dat verschil tussen bulklading en absorptielading kun je ook vergelijken met het vullen van een ton met legoblokjes,
De bulklading is het omkieperen van een zak met legoblokjes in de ton; hoe groter de laadstroom, hoe sneller de zak wordt leeggegooid en waardoor er dus meer lucht tussen de blokjes komt. De absorptiefase is de fase waarin die legoblokjes netjes worden gerangschikt, dus aaneengesloten worden gelegd waardoor er weer ruimte ontstaat voor meer legoblokjes (meer lading), net zo lang tot de ton helemaal vol is.
Gooi je de legoblokjes dus onzorgvuldig in de ton, dan doe je er langer over om ze netjes te rangschikken; doe je het voorzichtiger, met af en toe even de ton schudden, dan doe je langer over de bulklading, maar is het netjes aaneengesloten leggen in de absorptiefase sneller afgerond.
In de praktijk blijkt dat het hele laadproces van 20% SOC naar 100% SOC altijd ongeveer even lang duurt; is de laadstroom in de bulk-fase groter dan duur de absorptiefase des te langer (het is dan lastiger om de lego-blokjes netjes te rangschikken). Dit vindt ik de best begrijpelijke vergelijking voor wat het laden van een accu betreft.

De laadkarakteristiek instellen

Als jouw lader de mogelijkheid heeft om de laadkarakteristiek in te stellen, hoe ga je dan te werk?
1. Je gaat naar de handleiding of de site van de fabrikant van de accu om te weten welke laadkarakteristiek van die accu van toepassing is. In dit voorbeeld gebruik ik een Varta AGM 90Ah, die volgens de site van Varta in de absorptiefase een laadspanning vraagt van 14,8V en een float laadspanning van 13,8V.
2. Vervolgens ga je naar de site van de laadregelaar (in dit geval een Victron Solarlaadregelaar) en zoek je de eventueel aanwezige vooringestelde laadkarakteristiek op die er het dichtst bij komt. Kun je die niet vinden dan kun je meestal zelf de laadkarakteristiek samenstellen. In dit geval is de AGM Spiraalcel die er het dichtst bij komt. Die 0,1V verschil in absorptiefase kan geen kwaad.

Samenvattend:
  1. De accu wordt in de bulk-fase het beste geladen met een stroomsterkte van 10% van de accu-capaciteit; daarmee raakt de accu voor 70-90% geladen.
    Laad je met een hogere laadstroom dan gaat het laden in de bulkfase sneller, maar deze tijdwinst gaat grotendeels verloren in de absorptie-fase als het diffusieproces dan in die fase moet worden voltooid. Is jouw laadstroom groter dan 20% (C5-waarde) van de accu-capaciteit dan kun je extreme gasvorming opwekken met alle schadelijke gevolgen van dien.
  2. In de absorptiefase daalt geleidelijk de laadstroom tot 1A; in deze fase is de laadspanning afhankelijk van het type accu en varieert tussen 13,7V en 14,7V, afhankelijk van het type accu. Aan het eind van deze fase is de accu voor 100% geladen.
  3. De acculader (al of niet verwerkt in een zgn Elektroblok) moet wel geschikt zijn voor het type accu (loodzuur, GEL of AGM) om de accu geheel “vol” te kunnen laden. De dynamo/alternator kan een AGM-accu niet geheel vol laden zonder aanvullende voorzieningen, zoals bijvoorbeeld een lader-booster.
     

(Oorspronkelijk opgesteld: 9 juli 2021) Laatstelijk gewijzigd: 22 juli 2023