- door Rob Turk -
Over de hele wereld wordt gewerkt aan het elektrificeren van de maatschappij. Of het nu
verwarming van gebouwen of vervoer over de weg is, elektrisch is het devies. Met die verandering
in energievoorziening wordt er veel gevraagd van de infrastructuur. Met name de ontwikkelingen in
accutechnologie gaat heel hard.
In de luchtvaart worden ook de eerste stappen gezet. Met name Pipistrel heeft voor GA al een paar
mooie trainingstoestellen op de markt gezet. Om dat mogelijk te maken is gekozen voor nieuwe
accutechnieken zoals Lithium-ion, Lithium-polymeer, en meer recent Lithium-ijzer-fosfaat
(LiFePO4) accu’s. Lithium-ion en lithium-polymeer accu’s worden in de luchtvaart afgeraden
vanwege de kwetsbaarheid en brand- en explosiegevaar. Zowel Pipistrel als Siemens hebben al
toestellen verloren aan deze types. Deze laat ik daarom buiten beschouwing voor de discussie of
deze in GA toestellen bruikbaar zijn.
LiFePO4 accu’s worden inmiddels door een aantal fabrikanten aangeboden aan de GA markt als
aantrekkelijke vervanging van de traditionele lood- of gel accu’s, en ook voor onze experimentele toestellen zijn deze accu’s beschikbaar. Bekende leveranciers zijn het Amerikaanse EarthX en AeroAkku uit Duitsland.
In dit artikel kijken we naar de toepasbaarheid, de voor- en de nadelen van dit type accu. Aan de hand hiervan kunt u bepalen of dit type accu voor uw toestel geschikt is.
De voordelen:
Het grootste voordeel van LiFePO4 accu’s is het lage gewicht. De eerste keer dat ik in 2013 in Friedrichshafen deze accu tegen het lijf liep en oppakte dacht ik met een marketing model te maken te hebben. Zo licht kon een accu toch nooit zijn? Het ging hier om een AeroAkku LFP450D, die qua afmetingen vrijwel identiek is aan de Odyssey PC680 die velen van ons gebruiken om de Rotax aan te slingeren. Alleen weegt een PC680 met montage materiaal zo’n 7 kg, en de LFP450D slechts 1,7kg. Een aanzienlijke gewichtsbesparing dus!
Een ander voordeel is dat de inwendige weerstand van dit type accu erg laag is. Dit zorgt dat de accu een hoge startstroom kan leveren, wat helpt bij de koude start. Een raar fenomeen is dat deze accu even chemisch ‘op gang’ moet komen bij lage temperaturen. Bij traditionele accu’s zet je zo min mogelijk aan om zoveel mogelijk energie voor de start te bewaren. Geheel tegen je gevoel in is het bij LiFePO4 accu’s raadzaam om op koude dagen bij het aflopen van de checklist van de kist alvast wat elektrische systemen aan te zetten zodat de accu intern warm is voor de start.
De LiFePO4 accu heeft nauwelijks last van ‘geheugen effect’. Waar andere types niet goed tegen onvolledig laden kunnen, kan de LiFePO4 accu dit wel. De levensduur is prima. Ik heb mijn eerste accu uit 2013 pas dit jaar vervangen. Niet omdat de accu zwak werd, maar vanwege gemoedsrust.
Uit meting bleek dat zowel start- als duurcapaciteit na ruim 7 jaar nog vrijwel op nieuwwaarde uitkwam.
De nadelen:
LiFePO4 accu’s zijn opgebouwd uit een aantal cellen die bij volle lading 3.6V leveren. De cellen zijn robuust, maar niet bestand tegen diep ontladen (onder 2,5V gaan ze stuk) en overladen. Met 3,6V per cel zijn er in ieder geval 4 cellen in serie nodig voor een 14V boordsysteem, en 8 cellen voor een 28V boordsysteem. Nu zijn deze cellen zelden identiek en daar schuilt een gevaar. Als er een ‘zwakkere’ cel tussen zit dan zal deze sneller ontladen worden dan de overige cellen. Valt de
lading van deze ene cel onder de 2,5V dan wordt de cel permanent beschadigd. Zonder maatregelen kan het dus zijn dat een 14V accu nog 11V levert, maar dat één van de cellen al kapot gaat omdat deze de kritische ondergrens van 2,5V bereikt heeft. Ook bij het opladen kan één cel overladen raken terwijl de anderen nog niet vol zijn. Goedkope LiFePO4 accu’s gaan hier vaak door stuk.
Goede LiFePO4 accu’s zijn beschermd door een Battery Management System (BMS). Dit is elektronica die ieder cel apart in de gaten houdt en de balans bewaart, en ook de maximale laadstroom in de gaten houdt. Soms is het BMS buiten de accu geplaatst, maar bij de meeste luchtvaart accu’s is het BMS integraal onderdeel van de accu. Het BMS is een essentiël onderdeel van het systeem. Mocht u voor de LiFePO4 accu kiezen, kies dan altijd een type met integraal
BMS.
Een ander nadeel kan de lage interne weerstand zijn. Waar dit positief is voor de startstroom, is dit mogelijk een gevaar voor de laadstroom. Een simpel laadsysteem voor een lood- of gel accu zal vaak begrensd worden door de interne weerstand van de accu waardoor bijvoorbeeld niet meer dan 15 á 20A laadstroom naar de accu mogelijk is. Bij een LiFePO4 accu kan met hetzelfde laadsysteem een veel hogere laadstroom voorkomen. Bedrading, connectors, relais en de accu zelf moeten hier wel op gedimensioneerd zijn. Is de accu geschikt voor 20A laden, maar kan de dynamo 40A leveren dan zal in het beste geval de BMS ingrijpen en het laden onderbreken, en in het slechtste geval de accu defect raken.
LiFePO4 heeft nog een nadeel, namelijk de lagere energiedichtheid. De eerder genoemde OdysseyPC680 kent een capaciteit van 17Ah. De LFP450D slechts 7Ah. Bij uitval van de dynamo zal er dus een veel kleiner stroombudget beschikbaar zijn om de elektronica in het toestel in leven te houden terwijl u naar een uitwijkluchthaven vliegt.
De consequenties:
Het lage gewicht kan helpen bij het verruimen van de range van uw toestel. Wanneer u tegen MTOW aan loopt, dan staat het verschil van ruim 5kg gelijk aan 7 liter brandstof en daarmee zo’n 30 minuten extra vliegtijd achter een Rotax 912. Zeker bij toestellen waar de useful load al vrij klein is, kan dit helpen.
Uiteraard betekent zo’n wijziging dat de W&B sheet aangepast moet worden. Afhankelijk van de locatie van de accu kan de winst nog groter worden (een lichtere accu voorin kan minder ballast achterin betekenen als daar sprake van is), maar soms ook teniet gedaan worden als de gewichtsbesparing een extra ballast elders in het toestel nodig maakt. Vooraf doorrekenen bespaart u teleurstellingen.
Bij het ontwerpen van het elektrisch systeem voor uw experimental is het een gegeven dat er berekend wordt hoeveel tijd u heeft voordat uw essentiële boordsystemen er mee stoppen omdat de boordspanning te laag wordt. Belangrijk om te weten is dat een fabrieksopgave van 7Ah niet betekent dat u een uur lang 7 Ampere kunt verbruiken voor de accu leeg is. Deze fabriekswaarden zijn gebaseerd op een duurtest van 10 of 20 uur waarbij een veel lagere stroom verbruikt wordt. Bij hogere stromen horen hogere verliezen en daarmee minder tijd. Als u een reserve van 30 of 45 minuten verwacht is het verstandig om hooguit 60 á 70% van de fabriekswaarde als uitgangspunt te nemen. Voorbeeld: 60% van 7Ah = 4,2Ah budget. Als uw essentiële systemen 10A verbruiken dan
is uw 7Ah accu na 25 minuten leeg.
Voor VFR vliegtuigen die uitgerust zijn met simpele motoren die zichzelf van brandstof en ontsteking kunnen voorzien (Rotax 503/582/912, VW, Jabiru, Lycoming/Continental met magneto’s etc) is het uitvallen van de het elektrisch systeem geen veiligheidsrisico, anders dan het landen zonder radio of transponder. Met goed energiemanagement kan een kleine accu heel lang de basis apparatuur voor navigatie en communicatie werkend houden.
Wanneer echter uw motor afhankelijk is van externe elektrische voeding (Rotax 915, Lycoming IO,UL-Power, Verner, Subaru etc) en er is geen reserve dynamo in het systeem, dan is de keuze voor een geschikte accu letterlijk van levensbelang. Accu leeg betekent dat de motor stopt. Een mogelijke oplossing kan dan een dubbel accu systeem zijn, maar het is de vraag of dat het doel niet voorbij schiet. Twee LiFePO4 accu’s met bijbehorende extra bekabeling, extra relais enz wegen
mogelijk net zoveel als een traditionele accu met afdoende capaciteit. Om nog maar niet te spreken van extra complexiteit in de cockpit, wat in geval van een defect de veiligheid niet ten goed komt.
Dus zeker als de motor afhankelijk is van de accu om te vliegen, moet u zich afvragen of een LiFePO4 accu de juiste keuze is.
En dan hebben we nog een laatste nadeel. Dat is de prijs. LiFePO4 accu’s voor luchtvaartdoeleinden kosten een veelvoud van de zwaardere traditionele versies. Zeker als je dan ook nog dubbel moet uitrusten voor de veiligheid, kan het een dure grap worden.
Wanneer u deze accu overweegt voor een gecertificeerd toestel dan zal er uiteraard toestemming voor aangevraagd moeten worden. EASA en FAA zijn nog niet zover om algemene TSO goedkeuringen te verlenen maar het staat op de agenda.
Conclusie:
LiFePO4 accu’s kunnen een prima lichtgewicht optie zijn, mits de beperkingen scherp in het oog gehouden worden. Reken uit wat kan, en bij twijfel, vraag raad! De NVAV Technische commissie helpt u graag met advies.