Altijd stroom aan boord! Zo installeer je zelf een LFP-accu

Tijd voor een nieuwe accu? Misschien is het tijd voor een upgrade van je elektrisch systeem naar lithium. Dat kun je (gedeeltelijk) zelf doen of laten doen. Professioneel installateur en toerzeiler Joost van der Burg laat zien hoe hij het aanpakt.

Deze boot kochten we om met het gezin vakantie te vieren. Bij aanschaf wist ik dat er een en ander moest gebeuren, onder andere de elektra. Dat is voor mij geen probleem: ik heb ene bedrijf gehad in autotechniek, gespecialiseerd in elektrische en hybride auto's, en daarna was ik verantwoordelijk voor meerdere projecten op het gebied van het gebied van scheepselektronica en elektrische installaties, voor campers en thuis (domotica). Toen we deze boot kochten, dacht ik: laat ik voor mezelf ook maar eens een lithiumaccubank inbouwen.”
Er zijn meerdere soorten lithiumaccu’s op de markt; de gangbare, relatief veilige technologie voor op boten werkt met lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), kortweg lfp genoemd.

Energiebehoefte

Hoeveel accucapaciteit heb je nodig? Dat hangt af van twee factoren: hoeveel je kunt genereren of bijtanken (walstroom, zonnepanelen, generator, motor, et cetera) en hoeveel je verbruikt (koelkast, stuurautomaat, boiler, navigatie- en communicatie, et cetera). Je accubank vormt de buffer daartussen en bepaalt hoe vaak je bij moet tanken. Het toerjacht van Joost, Lilje, is voorzien van alle gangbare gemakken: een koelkast, boiler, ankerlier, dieselverwarming, stuurautomaat en een compleet pakket navigatie- en communicatieapparatuur met radar, marifoon, ais-transponder, kaartplotter en log, wind- en dieptemeter. De verlichting is uitgevoerd in led en Joost heeft diverse usb-contacten ingebouwd voor het opladen van telefoons, tablets en laptop. Koken gaat op gas. De boot beschikt over een walstroomaansluiting die is aangesloten op een Victron Multiplus. Deze gecombineerde lader-omvormer schakelt ook de omvormer af als de walstroom is aangesloten.

Bekijk ook

Bescherm je accu’s deze winter: zo voorkom je een dodelijke winterslaap | Zeilen

Hoe vaak aan de walstroom?

“Als ik per verbruiker de stroomafname en de duur daarvan per etmaal uitreken, dan kom ik op zo’n 100 ampère-uur. Die accucapaciteit wil ik minimaal hebben.” Joost wil niet meer dan één keer per week aan de walstroom moeten liggen om bij te laden. "Dat betekent een beschikbare capaciteit van 700 ampère-uur. Van een LiFePO4- accu kun je 80 tot 90 procent gebruiken voordat je hem weer moet laden.”We spreken van soc, state of charge, staat van lading, en van het tegenovergestelde, dod, depth of discharge, mate van ontlading. Heeft een accu een soc van 100 procent of een dod van 0 procent, dan is hij vol. Een soc van 30 procent (een dod van 70 procent) wil zeggen dat er nog 30 procent capaciteit in de accu zit. Een loodaccu kun je typisch gebruiken tot een soc van 50 procent voor je hem weer moet laden. Bij een LiFePO4-accu ligt de minimale soc rond de 20 procent (dod: 80 procent). “Als we 80 procent beschikbare capaciteit dan heb ik een accucapaciteit nodig van minimaal 700 ampère-uur.” (Rekensom: 100 Ah verbruik per etmaal x 7 dagen / 1 laadsessie = 700 Ah. Als 700 Ah = 80 procent van de bruikbare capaciteit, dan is 875 Ah 100 procent totaalcapaciteit.) “In de praktijk laad ik ook bij tijdens het motoren, dus ik heb de volle 875 Ah is niet nodig."

Veilig zelf doen? Zelf een elektrische installatie aanleggen is niet moeilijk en het kan voor de technisch onderlegde booteigenaar veel kennis over de eigen boot opleveren. Maar het is niet voor iedereen weggelegd. Het is namelijk wel een complexe taak. Door de vele elementen kan er veel fout gaan, met mogelijk desastreuze gevolgen. Met voldoende kennis en degelijke voorbereiding kun je de klus klaren. Ben je niet zeker van je zaak? Aarzel niet en schakel een professional in.

Welke capaciteit?

De door Joost ingebouwde accubank heeft een capaciteit van 608 Ah, of 7,29 kWh. Verdeeld over twee parallel geschakelde 12 volts-accu’s van elk vier cellen. Dat is een enorme capaciteit, waar je bij normaal gebruik ook uitstekend op zou kunnen koken met een inductieplaat. Joost heeft daar nog niet voor gekozen. “Dan zou ik de pannen aan boord moeten vervangen. En de gasinstallatie werkt uitstekend.” Als je langer aan boord verblijft of reist naar plaatsen waar gaslevering niet vanzelfsprekend is, heeft een inductieplaat veel voordelen. “Bij IKEA koop je bijvoorbeeld voor 40 euro een draagbare 1-zone-inductiekookplaat. Maar in de praktijk heb ik de omvormer vrijwel altijd aan staan, zodat de boiler ook aan staat; het is met jonge kinderen aan boord fijn om altijd warm water tot je beschikking te hebben.”

Wat is een lithiumaccu? Elke accu waarbij de energie-uitwisseling plaatsvindt via lithiumionen, valt onder de noemer lithiumaccu of lithiumiontechnologie. In deze technologie vormt het metaal lithium het hoofdbestanddeel van de kathode. De kathode is een legering van meerdere metalen, waarbij elke legering specifieke eigenschappen heeft. In de klassieke lithiumiontechnologie is de kathode voornamelijk opgebouwd uit lithium en kobaltoxide. De anode bestaat doorgaans uit lithiumgrafiet of grafiet. Soorten Vreemde eend in de terminologie is lithiumpolymeer (LiPo). De naam staat voor de gebruikte, gelvormige (polymeer) elektrolyt. Dit soort accu’s zie je veel in kleine elektronica, zoals telefoons, drones en action camera’s. Lithium-nmc (nikkel-mangaan-kobaltoxide) en lithium-nca (nikkel-kobalt-aluminiumoxide) worden op grote schaal toegepast in elektrische auto’s, omdat ze veel energie kunnen opslaan in verhouding tot hun gewicht. Deze energiedichtheid wordt uitgedrukt in wattuur per kilogram (Wh/kg). Voor nmc- en nca-accu’s ligt dit doorgaans tussen de 240 en 260 Wh/kg, terwijl een klassieke loodzuuraccu ongeveer 40 Wh/kg haalt. Bij verkeerd gebruik of beschadiging kun je een zogenoemde thermal runaway creëren. In dat geval veroorzaakt een oververhitte cel een kettingreactie, waarbij aangrenzende cellen ontbranden. Dit proces gaat gepaard met zeer hoge temperaturen, mogelijke explosies en de uitstoot van giftige gassen. Bij correcte installatie en normaal gebruik zijn deze accu’s echter betrouwbaar en veilig. Lithiumijzerfosfaat Bij een lithiumijzerfosfaataccu (LiFePO4 of kortweg lfp) is er niet of nauwelijks sprake van thermal runaway. Bij verkeerd gebruik of beschadiging lopen de temperaturen minder hoog op, en de accu ontploft niet en vliegt ook niet spontaan in brand. Wel kunnen bij beschadiging nog steeds giftige gassen vrijkomen. Het belangrijkste nadeel van lfp-accu’s is echter de lagere energiedichtheid per kilogram: 120 tot 180 Wh/kg.

Dynamo en DC/DC-lader

Door de hoge energiedichtheid en de lage interne weerstand van een lithiumaccu is de accu in staat om in korte tijd hoge stromen te leveren en op te nemen. Daar moet je bekabeling op berekend én gezekerd zijn. “Dat geldt net zo goed voor loodzuuraccu’s,” zegt Joost. “Alleen de stroomhonger van de accu levert een probleem voor een bestaand systeem. Normale dynamo’s kunnen de enorme stroomopname van lithiumaccu’s niet bijhouden en raken daardoor makkelijk oververhit. Die kan daar niet tegen: dan blaas je ’m op.” Joost heeft ter oplossing een DC/DC-lader geïnstalleerd in de vorm van een Victron Orion XS. “Die beperkt de laadstroom en de laadspanning richting de lithiumaccu.” Dat werkt twee kanten op. Enerzijds beschermt de Orion XS de accu tegen overspanning (meer dan 14,6 volt), anderzijds begrenst het de laadstroom, om de dynamo te beschermen tegen oververhitting. “Daarnaast heb ik een temperatuur gestuurde laadregelaar op de dynamo gezet, die eveneens oververhitting voorkomt.”

Bms beveiligt accu

Een lithiumaccu is erg gevoelig voor overspanning (meer dan 14,6 volt). De aanbevolen laadspanning is 14,2 volt, Joost hanteert zelf maximaal 14 volt. Een te hoge spanning levert een hoge interne temperatuur en de groei van lithiumdendrieten op. Dendrieten kunnen door de structuur van de accu prikken en daardoor kortsluiting en dus brand veroorzaken. Om overspanning in de cellen te voorkomen beschikt de accu over een eigen bms (battery management system), dat louter de accu beschermt (!). Bij een (tevoren ingestelde) overspanning, schakelt het bms de accu af. Dat kan vervelende gevolgen hebben voor aangesloten apparatuur. De Orion XS is ook in staat om de aangesloten startaccu als buffer te gebruiken, voor het geval het bms de accu afschakelt. “Als de dynamo van 100 ampère laden ineens afschakelt, kan hij zijn vermogen niet kwijt en gaat hij kapot. Als de loodstartaccu dan heel even de lopende stroom opvangt terwijl de laadregeling de stroom afbouwt, blijft de dynamo heel.”

Methode 1. Stel een plan van aanpak op. 2. Bepaal de vereisten en het verwachte gebruik van de installatie. 3. Maak de benodigde berekeningen voor de kabeldiameter, de maat van de kabelschoenen, de inbouwruimte, ventilatie en koeling, de systeemcapaciteit en de juiste zekeringen. 4. Werk het ontwerp uit in een elektrisch schema en een blokkenschema. 5. Kies de juiste materialen en let daarbij op kwaliteit, herkomst, documentatie en correcte dimensionering. 6. Voer de installatie uit met geschikt gereedschap en zorg voor correcte krimpverbindingen, juiste afmetingen en zorgvuldige inbouw. 7. Controleer of alles volgens plan is aangelegd. Test of alles naar behoren functioneert. 8. Doorloop alle stappen opnieuw om te controleren of alles nog klopt en pas waar nodig aan.

Balanceren

De meeste bms’en beschikken ook over een actieve of passieve balanceerfunctie, waarbij het bms de spanning van elke cel in balans houdt. Zo blijft de accu in goede conditie en houd je de volledige capaciteit tot je beschikking. Anders beschermt het bms de zwakste cel van het pakket. “Voor kleinere systemen met lage stromen kun je volstaan met een passief balanceren: de selectieve ontlading zorgt ervoor dat alle cellen dezelfde spanning hebben als die met de laagste spanning.” “Koop je A-grade automotive cellen van een goed merk, bijvoorbeeld Eve, en sluit je alles goed aan, dan kun je in de praktijk ook terecht met passieve balancers. Met goed aansluiten bedoel ik: met zo min mogelijk weerstand. Bij mij bleef de spanning van één cel achter bij de rest en daar bleek een vuiltje in de aansluiting te zitten. Goed schoonmaken dus.”
Lopen er hoge stromen, dan ontstaat er makkelijker onbalans in de cellen en ben je beter af met een actief systeem, dat de spanningsverschillen actief gelijk verdeelt over de cellen. De capaciteit van de balancers bepaalt dan hoe snel de onbalans kan worden opgelost. “Een flinke onbalans oplossen met een passieve balancer van 200 mA duurt veel langer dan met een actieve balancer van 2 A.”

Benodigd gereedschap • Scherpe kabelschaar • Kabelschoenkrimptang met ratel • Krimptang van 10-90 mm² • Tiewrap-oogjes plak/schroef • Tiewraps • Rvs bolkopschroeven kort, voor montage van de apparatuur en zekeringkasten

Laden en omvormen

Heb je een acculader met een laadprofiel voor lithiumaccu’s? Dan ben je klaar. Joost heeft daarvoor een Victron Multiplus aangeschaft. “Ik adviseer minimaal 10 procent van de accucapaciteit te nemen voor het laadvermogen, zodat je de accu altijd in één nacht weer opgeladen hebt.” Joost heeft bij zijn 608 Ah-accubank gekozen voor een 70 ampère-lader. Waar de laadcapa­citeit bij loodzuuraccu’s een bepaald minimum kent omwille van de interne chemie van de accu, maakt dat bij lithium niet uit. “Die laadt ook met 1 ampère prima, het duurt alleen langer.” Het 230 volt-circuit van de wal­stroom loopt ook via de Multiplus: “Daarvoor ga je uit van de grootste stroomverbruiker op 230 volt. Een föhn gebruikt zo 1000 watt bijvoorbeeld.”

Tips van Joost Algemeen • Plan hoe je het gaat doen, schrijf het op en maak een elektrisch schema. • Controleer je eigen werk met een multimeter of warmtebeeldcamera. • Upgrade de rest van het systeem ook als je lithium inbouwt. Zo ben je er zeker van dat het geschikt is voor de hogere stromen. • Zorg voor het juiste laadprofiel op je acculader; een loodzuurlaadprofiel sloopt je lithiumaccu door te hoge laadspanningen. • Onthoud: het bms vormt een laatste redmiddel voor de accu en zou bij een deugdelijk gebouwd systeem nooit hoeven ingrijpen. Praktisch • Sommige extra korte kabels zijn niet of zeer onpraktisch te zekeren. Gebruik daarbij een extra mantel of slang om kortsluiting te voorkomen bij eventuele beschadiging. • Kabelgoten werken goed, maar kosten veel ruimte. Plak-/schroefoogjes voor tiewraps werken snel en houden alles inzichtelijk. • Gebruik een spray remmenreiniger (en een doekje) tegen het plakken. Wacht 10 minuten voordat je de tiewrap aantrekt. • Maak connecties goed schoon en vlak voor minimale weerstand. • Gebruik door de fabrikant voorgeschreven aanhaalmomenten. Trek je te strak aan, kan de draad bol gaan staan en weerstand opleveren. • Krimptangen van bijvoorbeeld HBM leveren een goede krimp. • Er zit veel verschil in kabelschoenen. Gebruik daarom eersteklas kabelschoenen, bijvoorbeeld van Klauke of een ander A-merk. • Isoleer je gereedschap om kortsluiting te voorkomen. Materialen Ik koop mijn materialen en gereedschap steevast bij Acculaders.nl en Nkon.nl. Betrouwbare informatie Veel goede informatie vind je onder andere op Victron-energy.nl en het YouTubekanaal van Will Prowse.

Zelfbouw of ‘drop-in’

Joost heeft zelf losse lfp-cellen en een bms aangeschaft, zelf de accu gebouwd en ingeregeld. Daarnaast heeft hij de andere noodzakelijke componenten voor gebruik met een lithiumaccu zelf aangeschaft en geïnstalleerd. Je kunt er ook voor kiezen om de bouw van de accu zelf niet te doen, door een zogenoemde ‘drop-in’-vervanger te kopen. “Er bestaat niet zoiets als ‘drop-in’. In 99 procent van de gevallen is de rest van het systeem verouderd, niet afgezekerd en niet geschikt om lfp te laden. Zo’n kant-en-klare accu bestaat meestal uit een 12 volts-accu met ingebouwd bms. Al het andere heb je dan nog nodig.”

Kostenplaatje Lilje Acculader/omvormer (Victron Multiplus Compact 12 V/1600 VA/70 A) € 1.016 DC/DC-lader (Victron Orion XS 12 V/12 V/50 A) € 402 2x Hoofdzekering (ANL 200 A) € 12 + € 9 2x Hoofdschakelaar (Victron 275 A) € 44 Kabels en kabelschoenen € 150 2 x Zelfbouwaccu (LiFePO4, 12V/304 Ah, € 460 p/s) € 920 4 x Eve A-grade cel (3,2 V/304 Ah) € 100 p/s BMS (JK B2A8S20P, 200 A, actieve balancer 2 A, temperatuursensor) € 25 Klein materiaal (3 x Busbar, compressiemateriaal accu, isolatiemateriaal) € 35 Kosten installatiewerk Arbeidsloon voor installatiewerk (1 dag à € 120/uur) € 1.920 NB Ureninschatting omvat installatiewerk, DC/DC-lader, lfp-accu, zekeringen en schakelmateriaal. Voor een compleet 12 V lfp-systeem met circa 600 Ah accucapaciteit, lader/omvormer, DC/DC-lader en installatie € 3.584-7.646

Controleren met warmtebeeld

Om de installatie te controleren gebruikt Joost een warmtebeeldcamera. “Je kunt alle componenten stuk voor stuk doormeten, maar met de warmtebeeldcamera zie je in een oogopslag waar een eventueel probleem zit.” Als ergens een te grote overgangsweerstand zit, dan ontstaat er een spanningsval, waardoor de stroom vanzelfsprekend oploopt en het ter plaatse warm wordt. “Na montage laat ik de installatie op vollast laden en draaien terwijl ik met de warmtebeeldcamera kijk,” zegt Joost. “Is het ergens warmer dan gemiddeld, dan loop ik die componenten na. Ook een slechte kwaliteit component heeft Joost daardoor er al eens uitgepikt. “Ik had een hoofdschakelaar van 5 euro in China besteld, waarvan ik op de warmtebeeldcamera zag dat hij heet werd. De spanningsval in de schakelaar bleek 0,5 volt; bij 40 ampère is dat al 20 watt aan warmte-ontwikkeling! Die heb ik direct vervangen door een A-merk schakelaar. Het gaat ten slotte om de veiligheid van jou en je gezin.”

Zelfbouw vs. kant-en-klaar Zelfbouw lfp-accu 12 V/ca. 300 Ah € 460 PureAcell Premium 12 V/320 Ah € 1399 Victron LiFePO4 12,8 V/300 Ah € 1923 Mastervolt MLI Ultra 12/3000, 13,2 V/230 Ah € 2486

Goed verzekerd?

Bij Nationale Nederlanden is er geen selectie aan de poort voor specifiek elektrische systemen, maar de verzekeraar is wel alert als het gaat om boordsystemen met hoge stromen, zoals een elektrische aandrijving.
Expert Jan Lodewijk Goorhuis: “NN ondersteunt de transitie naar elektrisch varen, maar wel op een veilige manier. Als alles volgens de geldende richtlijnen is ingebouwd, kun je je installatie gewoon verzekeren. Verander je zelf dingen aan de boot, om het even waaraan, waardoor het risico voor de verzekeraar wijzigt, overleg dit dan eerst met je tussenpersoon of adviseur.” “Wil je zelf iets bouwen of aanpassen? Maak dan een plan van aanpak en stel een programma van eisen op. Zorg voor een goed ontwerp met deugdelijke berekeningen en koop goede producten. Volg de richtlijnen en voorschriften van de fabrikant. Controleer daarna of de installatie doet wat die moet doen. Documenteer je alles, kun je aantonen dat je proces én spullen van goede kwaliteit zijn, dan is er in principe geen bezwaar.” “In de praktijk kun je nooit zomaar louter de loodaccu vervangen door lithium: je moet de hele installatie weer langs de meetlat leggen. Je krijgt immers te maken met veel grotere stromen en andere laadvereisten. Zie het als de overstap van benzine naar diesel: als je gewoon diesel in de benzinetank doet zonder de rest van het systeem aan te passen, gaat het geheid mis.”

FAQ Is een lithiumaccu aan boord gevaarlijk? Mits goed geïnstalleerd is een lithiumsysteem niet gevaarlijker dan loodzuuraccusystemen. Kan een lithiumaccu ontploffen? De in boten gebruikte lfp-accu’s ontploffen doorgaans niet bij beschadiging, maar ze kunnen wel ontvlambare gassen uitstoten. Kun je een lithiumaccu blussen? Moeilijk. Een lithium nmc- of nca-accu is nauwelijks te blussen door de hoge temperaturen en thermal runaway. Schakel de accu meteen af en koel in een bak water of blus met een avd-blusser (avd staat voor Aqueous Vermiculite Dispersion). Avd-blussers leggen een laagje over de accu heen en grijpen in op meerdere zijden van de branddriehoek. Een ‘gedoofde’ accu kan nog steeds brandbare gassen uitstoten. Blusdekens maken het gedeeltelijk mogelijk om de accu te isoleren van zijn omgeving. Door de giftige gassen die de accu uitstoot moet de ruimte echter worden verlaten, waardoor blussen sowieso niet praktisch is. Kan ik besparen door componenten in China ofzo bestellen? Vrijwel alle componenten van een lithiumsysteem zijn verkrijgbaar in Nederland of binnen Europa. Dat verdient in verband met kwaliteitscontrole en eventuele service de voorkeur boven bestellen in landen als China. Heb ik altijd een DC/DC-lader nodig? Met DC/DC-lader kun je de laadstroom en -spanning vanaf de dynamo altijd controleren en zelfs nauwkeurig instellen. Wil je het zonder doen, dan is een temperatuursensor op de laadregeling van de dynamo noodzakelijk. Anders loop je alsnog het risico om de dynamo op te blazen.

Tekst: Marinus van Sijdenborgh de Jong

Bekijk ook

Zo houd je je accu in leven - Zeilen | Zeilen