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)
  • Batterijcel balancering

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 Hydride (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.

Batterijcel balancering:
Door middel van passieve en actieve batterijcel balancering (Engels: cell balancing) wordt iedere cel door de ECU bewaakt om een gezonde batterijstatus te behouden. Dit verlengt de levensduur van de cellen door diepe ontlading of overlading te voorkomen. Vooral lithium-ion cellen moeten binnen strikte grenzen blijven. De spanning van de cellen is evenredig met de toestand van de lading. De lading van de cellen moeten zoveel mogelijk in evenwicht worden gehouden van elkaar. Met cel balancering is het mogelijk om de laadtoestand tot op 1 mV (0,001 volt) nauwkeurig te regelen.

  • Passief balanceren zorgt voor een eventwicht in laadtoestand van alle batterijcellen door de cellen met een te hoge ladingstoestand voor een deel te ontladen (hier komen we verderop in de paragraaf op terug);
  • Actief balanceren is een complexere balanceringstechniek die tijdens het laden en ontladen de cellen afzonderlijk kan regelen. De laadtijd met actief balanceren is korter dan met passief balanceren.

In de volgende afbeelding zien we een batterijmodule met acht cellen. 
De acht cellen zijn tot 90% geladen. De levensduur van een cel neemt namelijk af als hij voortdurend tot 100% wordt geladen. Omgekeerd neemt de levensduur ook af als de batterij verder dan 30 ontlaadt: bij een ladingstoestand van <30% is de cel diep ontladen.

De ladingstoestand van de cellen zal dus altijd tussen de 30% en 90% zijn. Dit wordt door de elektronica bewaakt, maar ziet de bestuurder van het voertuig niet.
Het digitale beeldscherm in het dashboard geeft 0% of 100% aan bij het bereiken van 30% of 90%.

Door ouderdom kunnen een aantal cellen zwakker worden dan de anderen. Dit heeft grote invloed op de ladingstoestand van de batterijmodule. In de volgende twee afbeeldingen zien we de ladingstoestand wanneer er twee cellen door ouderdom een lagere capaciteit hebben. De batterijcellen zijn in deze situaties niet gebalanceerd.

  • Sneller ontladen door slechte cellen: de twee middelste cellen zijn door hun lagere capaciteit sneller ontladen. Om diepontlading te voorkomen, kunnen de andere zes cellen in de module niet meer energie afstaan en kan dus niet meer worden gebruikt;
  • Laadt niet helemaal op door slechte cellen: door de lage capaciteit van de middelste twee cellen zijn ze sneller opgeladen. Doordat ze sneller de 90% hebben bereikt dan de andere zes cellen, kan er niet verder worden geladen. 
Sneller ontladen door slechte cellen
Laadt niet helemaal op door slechte cellen

Het is duidelijk dat cellen met een lagere capaciteit zowel bij het ontladen (tijdens het rijden) als bij het opladen de beperkende factor zijn. Om de volledige capaciteit van het accupakket optimaal te benutten en ten goede te komen voor een lange levensduur.

Er zijn twee methoden voor de batterij balancering: de passieve en actieve.

  • Zonder balancering: vier cellen hebben allemaal een andere ladingstoestand. Cel 2 is bijna leeg en cel 4 is volledig geladen;
  • Passief: de cellen met de meeste capaciteit worden ontladen tot de ladingstoestand van de zwakste cel (in het voorbeeld cel 2) is bereikt. De ontlading van de cellen 1, 3 en 4 is verlies.
    In het voorbeeld zien we dat in de bekers worden ontladen totdat ze de ladingstoestand van cel 2 hebben bereikt;
  • Actief: de energie uit de volle cellen wordt gebruikt om de lege cellen te vullen. Er is nu geen sprake van verlies, maar van het overhevelen van energie vanuit de ene cel naar de andere.

Hieronder wordt het werkingsprincipe van de passieve en actieve cel balancering uitgelegd.

Voorbeeld van actieve en passieve cel balancering

Passieve celbalancering:
In het voorbeeld zien we vier in serie geschakelde batterijcellen met parallel daaroverheen een inschakelbare weerstand (R). De weerstand wordt in dit voorbeeld met het schakelaartje aan massa geschakeld. In werkelijkheid is dit een transistor of FET.

In het voorbeeld zien we dat cel 3 voor 100% is geladen. Vanuit de eerdere paragrafen weten we dat deze cel sneller laadt omdat hij zwakker is dan de andere drie. Omdat de ladingstoestand van cel 3 100% is, worden de andere drie cellen niet meer bijgeladen.

De weerstand die zich parallel over cel 3 bevindt wordt door de schakelaar in het stroomcircuit betrokken. Cel 3 ontlaadt doordat de weerstand spanning opneemt zodra er stroom doorheen loopt. De ontlading vindt net zo lang plaats, totdat de cel op het niveau is van de andere cellen; in dit geval 90%.

Wanneer alle vier de cellen in deze module dezelfde ladingstoestand hebben, kunnen ze verder worden opgeladen.

Passieve cel balancering

Bij passieve cel balancering gaat er energie verloren: de spanning die door de parallel geschakelde weerstanden is opgenomen, is immers verloren gegaan. Desondanks passen tot op de dag van vandaag veel fabrikanten deze manier van balanceren toe.

Actieve cel balancering:
Veel efficiënter is uiteraard de actieve cel balancering. Hierbij wordt de energie uit de te volle cel gebruikt om de lege cel te laden. Een voorbeeld van de actieve cel balancering zien we hieronder.

In het voorbeeld zien we twee in serie geschakelde cellen (3 en 4) met daarboven hun spanningen (4 resp. 3,9 volt). Door middel van de transformator wordt cel 3 ontladen. De FET aan de primaire zijde maakt ontlading mogelijk. De primaire spoel in de transformator wordt hiermee geladen. De FET aan de secundaire zijde schakelt de secundaire spoel van de transformator in. De verkregen laadstroom wordt voor de bekrachtiging van de transformator onder een andere cel gebruikt. De transformator onder cel 4 wordt eveneens door FET’s in- en uitgeschakeld.

Actieve cel balancering