HV-accu

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Materialen en specificaties van verschillende accu’s
  • Loodaccu
  • Nikkel-cadmium (Ni-Cd)
  • Nikkel-methaalhydride (Ni-MH)
  • Lithium-ion (Li-ion)
  • Super condensator (supercap)

Inleiding:
De hybride auto heeft grotere, zwaardere accu’s dan auto’s met alleen een verbrandingsmotor. Bij hybride auto’s wordt er met ontzettend hoge spanningen gewerkt, die bij reparaties door ondeskundige mensen levensgevaarlijk kunnen zijn. Als voorbeeld:

  • Een startmotor die in werking is, gebruikt rond de 1,2 kW (1200 Watt)
  • Een hybride auto die volledig op elektriciteit rijdt, gebruikt rond de 60 kW (60.000 Watt)

Aan hybride auto’s mag alleen maar door mensen worden gewerkt die daarvoor een speciale opleiding hebben gevolgd. Er is een 12 volt-boordnet voor de spanningsvoorziening van accessoires (zoals radio etc) met een eigen kleine accu, en er is een hoogspanningsboordnet die (afhankelijk van merk) op 400 volt werkt. De 400 v spanning wordt door een speciale DC/DC omvormer omgezet naar 12 v, en laadt de desbetreffende accu op.

Aan de hybride aandrijfaccu’s worden hoge eisen gesteld. Ze moeten een zeer grote opslagcapaciteit hebben. Er worden grote energievoorraden opgeslagen, en er worden zeer hoge spanningen afgenomen bij het ondersteunen van de verbrandingsmotor, of bij het zorgen voor de complete aandrijving.

De onderstaande afbeelding toont een accupakket van een Toyota Prius. In deze Nikkel Metaal Hybride (NiMH)-accu bevinden zich 28 modules die elk uit 6 cellen bestaan. Iedere cel heeft een spanning van 1,2 volt. In totaal bedraagt de spanning van dit accupakket 201,6 volt.

Materialen en specificaties van verschillende soorten accu’s:
Bij het ontwikkelen van de elektrische aandrijflijn wordt een keuze gemaakt tussen verschillende soorten accu’s. De eigenschappen, prestaties, constructiemogelijkheden en de kosten spelen daarbij een grote rol. De meest gebruikte accusoorten bij hybride- en volledig elektrische voertuigen zijn de Ni-MH (nikkel-metaalhydride) en de Li-ion (lithium-ion) accu’s.

Naast de types Ni-MH en de Li-ion vindt er een ontwikkeling van elektrolytische condensatoren plaats, die we onder de noemer “super-condensator”, ofwel “supercaps” plaatsen. 

De tabel toont de materialen van de verschillende accu’s met hun specificaties.

Looadaccu: in de tabel wordt ook de lood-accu genoemd (gel- en AGM-uitvoeringen zijn buiten beschouwing gelaten). Omdat de lood-accu de hoogste levensduur heeft bij een ontlading van maximaal 20%, bij veroudering last krijgt van sulfatering en een lage energiedichtheid -en inhoud heeft, is deze niet geschikt voor gebruik in elektrische voertuigen. Wel vinden we de loodaccu terug als accessoire accu; de laagspanningsverbruikers als de verlichting, comfortsystemen (carrosserie) en het infotainment functioneren op een spanning van rond de 14 volt.

Nikkel-cadmium (Ni-Cd): in het verleden hadden Ni-Cd batterijen last van een geheugeneffect en zijn om die reden al ongeschikt voor gebruik in de elektrische aandrijving: er vindt constant gedeeltelijke lading en ontlading plaats. Moderne Ni-Cd batterijen hebben nagenoeg geen last meer van het geheugeneffect. Het grootste nadeel van dit type batterij is de aanwezigheid van de giftige stof cadmium. Dat maakt de Ni-Cd batterij uiterst milieuonvriendelijk. Het toepassen van deze batterij is daarom wettelijk verboden.

Nikkel-methaalhydride (Ni-MH): is sneller te laden dan een loodaccu. Tijdens het laden ontstaat er zowel warmte als gas, welke moeten worden afgevoerd. De accu’s zijn voorzien van een koelsysteem en ontluchtingsklep. Dankzij de lange levensduur en hoge energie- en vermogensdichtheid is de Ni-MH accu geschikt voor gebruik in elektrische voertuigen. Wel is dit type accu gevoelig voor overlading, te grote ontladingen, hoge temperaturen en snelle temperatuursveranderingen.

De onderstaande afbeelding toont het Ni-MH accupakket van een Toyota Prius. Dit accupakket bevindt zich in de kofferbak, achter de leuning van de achterbank. Wanneer de temperatuursensoren een hoge temperatuur registreren, wordt de koelventilator aangestuurd (in de foto aan de rechterzijde te zien aan de witte behuizing). De ventilator zuigt de lucht uit het interieur en blaast dit door de luchtkanalen in het accupakket om de cellen te koelen. 

Ni-MH accupakket Toyota Prius 3 (Bron: Toyota)

Lithium-ion (Li-ion): vanwege de hoge energie- en vermogensdichtheid van de Li-ion accu (t.o.v. de Ni-MH) wordt deze meestal toegepast bij plug-in hybrides en volledig elektrische voertuigen. De Li-ion accu presteert goed bij lage temperaturen en heeft een lange levensduur. De verwachting is dat de eigenschappen de komende jaren dankzij doorontwikkeling zullen verbeteren.

In de volgende afbeelding zien we het (Li-ion) accupakket van een BMW i3. Het deksel is eraf geschroefd en staat erachter. In gemonteerde toestand sluit het deksel luchtdicht af.

Het accupakket van de i3 zit onder het voertuig gemonteerd. De ruimte van de bodemruimte tussen de voor- en achteras is zoveel mogelijk benut om zo veel mogelijk ruimte voor het accupakket te bieden.

In de afbeelding zien we de acht losse blokken met ieder twaalf cellen. Ieder blok heeft een capaciteit van 2,6 kWh, dus dat maakt in totaal 22 kWh. Ter vergelijking: de huidige generatie i3 (anno 2020) heeft een accu met een capaciteit van 94 Ah en een vermogen van 22 kWh. Het formaat van het accupakket is sinds de introductie in 2013 hetzelfde gebleven, maar de prestaties (en daarmee zijn actieradius) zijn sterk verbeterd.

Li-ion accupakket BMW i3

Tesla gebruikt in de modellen vanaf 2013 (Model S en Model X) kleine batterijcellen die iets groter zijn dan standaard AA-batterijen die we kennen van de afstandbediening van de televisie. De batterijcellen (18650 van Panasonic) zijn 65 mm lang en hebben een diameter van 18 mm. In de meest uitgebreide accupakketten bevinden zich maar liefst 7104 van deze cellen.

In de onderstaande afbeeldingen zien we links de losse batterijcellen en rechts een accupakket waar de 7104 cellen in zijn ondergebracht.

De batterijcellen zijn ondergebracht in modules, die met elkaar in serie zijn geschakeld. De onderstaande volgende schematische weergave toont een accupakket die sterke overeenkomsten heeft met die van een Volkswagen E-UP! en Renault Zoë. Hierbij verschilt alleen het aantal cellen: het accupakket van de E-UP! heeft 204 cellen en die van de Renault Zoë 192.

In dit voorbeeld bestaat het accupakket uit twee pakketten van zes modulen. Iedere module bevat twee parallel geschakelde groepen van 10 serie geschakelde cellen.

  • Serieschakeling: de batterijspanning neemt toe. Bij een celspanning (Li-ion) van 3,2 volt, levert één batterijmodule (3,2 * 10) = 32 volt.
    Het nadeel van een serieschakeling is dat bij een slechte cel de capaciteit van de hele serieschakeling lager wordt.
  • Parallelschakeling: de spanning blijft gelijk, maar de stroom en capaciteit nemen toe. Een slechte cel heeft geen invloed op de cellen in het daarop parallel-geschakelde circuit.

Fabrikanten kunnen er dus voor kiezen om per module meerdere parallelschakelingen toe te passen. In de modules van de Volkswagen E-Golf zijn daarom niet (zoals in dit voorbeeld twee), maar drie groepen cellen parallel aan elkaar geschakeld.

Super codensator (supercap):
In de voorgaande paragrafen zijn verschillende accutypes genoemd met elk hun toepassingen, voor- en nadelen. Een nadeel waar iedereen met een dergelijke accu mee te maken heeft is de laadtijd. Het laden van een accupakket kan enkele uren in beslag nemen. Snel laden is een optie, maar dat gaat gepaard met meer warmte en mogelijk ook met snellere veroudering (en beschadiging) van het accupakket. 

Momenteel vindt veel onderzoek en ontwikkeling plaats naar super condensatoren. We noemen dit ook wel de “super caps” of “ultracondensatoren”. Het toepassen van supercaps zou hiervoor een uitkomst kunnen bieden:

  • Laden gaat zeer snel;
  • Ze kunnen zeer snel energie afstaan (ontladen), dus er is een flinke vermogenstoename mogelijk;
  • Duurzamer dan een Li-ion accu, er is een onbeperkte hoeveelheid laadcycli mogelijk (tenminste 1 miljoen) doordat er geen elektrochemische reacties optreden.
  • Mede in verband met het vorige punt geldt dat een supercap volledig mag worden ontladen, zonder dat dit schadelijke gevolgen heeft voor de levensduur.

Supercaps zijn condensatoren met een capaciteit en energiedichtheid die duizenden malen hoger ligt dan standaard elektrolytische condensatoren. De capaciteit wordt vergroot door het toepassen van een speciaal elektrolyt (isolatiemateriaal) dat ionen bevat en daardoor tussen de platen een zeer grote diëlektrische constante heeft. Een separator (een dunne folie) wordt daarbij gedrenkt in een oplosmiddel met ionen en tussen de platen aangebracht. De platen worden meestal van koolstof vervaardigd.
De capaciteit van de getoonde condensator bedraagt 5000 F.

Bron: Ultracap technology, Epcos

Met de supercaps kan een combinatie worden gemaakt met een Li-ion HV-accu; bij het kortstondig accelereren kan de energie van de condensatoren worden gebruikt in plaats van de energie uit de HV-accu. Bij regeneratief remmen laden de condensatoren binnen een fractie van een seconde weer volledig op. Toekomstige ontwikkelingen maken het wellicht ook mogelijk om de Li-ion accu accu te vervangen door een supercap-pakket. Helaas is met de huidige technologie de capaciteit en daardoor de vermogensdichtheid te laag ten opzichte van een lithium-ion accu. Wetenschappers zijn op zoek naar manieren om de capaciteit en vermogensdichtheid te verhogen.

Gerelateerde pagina’s:

Toekomstige uitbreiding van deze pagina:

  • Energiemanagement (controlesystemen)