Batterij voor elektrische voertuigen

Interne componentenEdit

Het ontwerp van het accupakket voor elektrische voertuigen (EV’s) is complex en varieert sterk per fabrikant en specifieke toepassing. Ze bestaan echter allemaal uit een combinatie van een aantal eenvoudige mechanische en elektrische onderdelen die de vereiste basisfuncties van het pakket uitvoeren.

De eigenlijke batterijcellen kunnen verschillende chemische eigenschappen, fysieke vormen en afmetingen hebben, afhankelijk van de voorkeur van de diverse pakketfabrikanten. Batterijpacks bevatten altijd vele discrete cellen die in serie en parallel zijn geschakeld om de totale spanning en stroomsterkte van het pack te verkrijgen. Batterijpakken voor alle EV’s met elektrische aandrijving kunnen verscheidene honderden afzonderlijke cellen bevatten. Elke cel heeft een nominale spanning van 3-4 volt, afhankelijk van de chemische samenstelling

Om de fabricage en assemblage te vergemakkelijken, wordt de grote stapel cellen meestal gegroepeerd in kleinere stapels, modules genaamd. Verscheidene van deze modules zullen in één enkel pak worden geplaatst. Binnen elke module worden de cellen aan elkaar gelast om het elektrische pad voor de stroom te voltooien. Modules kunnen ook koelmechanismen, temperatuurmonitors en andere apparatuur bevatten. In de meeste gevallen kan met modules ook de spanning worden bewaakt die door elke batterijcel in de stapel wordt geproduceerd met behulp van een Battery Management System (BMS).

De stapel batterijcellen heeft een hoofdzekering die de stroom van het pakket beperkt in geval van kortsluiting. Een “service plug” of “service disconnect” kan worden verwijderd om de batterijstapel in twee elektrisch geïsoleerde helften te splitsen.

De accu bevat ook relais, of contactors, die de distributie van de elektrische stroom van de accu naar de uitgangsklemmen regelen. In de meeste gevallen zullen er minstens twee hoofdrelais zijn die de stapel batterijcellen verbinden met de belangrijkste positieve en negatieve uitgangsklemmen van het pack, die dan hoge stroom leveren aan de elektrische aandrijfmotor. Sommige packontwerpen omvatten alternatieve stroompaden voor het vooraf laden van het aandrijfsysteem via een voorlaadweerstand of voor het voeden van een hulpbus, die ook hun eigen bijbehorende controlerelais hebben. Om veiligheidsredenen zijn deze relais allemaal normaal open.

Het batterijpak bevat ook een verscheidenheid aan temperatuur-, spannings- en stroomsensoren. Het verzamelen van gegevens van de sensoren en het activeren van de relais gebeurt door de Battery Monitoring Unit (BMU) of het Battery Management System (BMS). Het BMS is ook verantwoordelijk voor de communicatie met het voertuig buiten het batterijpakket.

Opladen

Batterijen in BEV’s moeten periodiek worden opgeladen. BEV’s worden meestal opgeladen via het elektriciteitsnet (thuis of via een oplaadpunt op straat of in een winkel), dat op zijn beurt wordt opgewekt door verschillende binnenlandse bronnen, zoals steenkool, waterkracht, kernenergie, aardgas en andere. Thuis- of netstroom, zoals fotovoltaïsche zonnecelpanelen, wind, of micro-waterkracht kan ook worden gebruikt en wordt bevorderd vanwege de bezorgdheid over de opwarming van de aarde.

Met geschikte voedingen, wordt een goede levensduur van de batterij meestal bereikt bij laadsnelheden niet meer dan de helft van de capaciteit van de batterij per uur (“0.5C”), waardoor het twee of meer uur duurt voordat de batterij volledig is opgeladen, maar zelfs voor batterijen met een grote capaciteit is sneller opladen mogelijk.

De oplaadtijd thuis wordt beperkt door de capaciteit van het stopcontact, tenzij er speciale elektrische bedradingswerkzaamheden worden uitgevoerd. In de VS, Canada, Japan, en andere landen met 110 volt elektriciteit, levert een normaal huishoudelijk stopcontact 1,5 kilowatt. In Europese landen met 230 volt elektriciteit kan tussen 7 en 14 kilowatt worden geleverd (eenfasig en driefasig 230 V/400 V (400 V tussen fasen), respectievelijk). In Europa wordt een 400 V (driefase 230 V) netaansluiting steeds populairder omdat nieuwere huizen geen aardgasaansluiting hebben vanwege de veiligheidsvoorschriften van de Europese Unie.

OplaadtijdEdit

Elektrische auto’s zoals Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3, etc., kunnen hun accu’s bij snellaadstations binnen 30 minuten tot 80 procent opladen. Een Tesla Model 3 Long Range die wordt opgeladen aan een 250 kW Tesla Version 3 Supercharger ging bijvoorbeeld van 2% laadtoestand met een actieradius van 9,7 km (6 mijl) naar 80% laadtoestand met een actieradius van 390 km (240 mijl) in 27 minuten, wat neerkomt op 520 mijl (840 km) per uur.

ConnectorsEdit

De laadstroom kan op twee manieren op de auto worden aangesloten. De eerste is een directe elektrische verbinding die bekend staat als geleidende koppeling. Dit kan zo eenvoudig zijn als een netsnoer in een weerbestendig stopcontact via speciale hoge capaciteitskabels met connectoren om de gebruiker te beschermen tegen hoge spanningen. De moderne norm voor het opladen van plug-in voertuigen is de geleidende connector SAE 1772 (IEC 62196 Type 1) in de VS. De ACEA heeft voor toepassing in Europa gekozen voor de VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Type 2), die zonder vergrendeling onnodig veel extra stroom vraagt voor het vergrendelingsmechanisme.

De tweede benadering staat bekend als inductief opladen. Een speciale “paddle” wordt in een gleuf op de auto geplaatst. De peddel is één wikkeling van een transformator, terwijl de andere in de auto is ingebouwd. Wanneer de peddel wordt ingebracht, wordt een magnetisch circuit tot stand gebracht dat de accu van stroom voorziet. Bij één inductief laadsysteem is één wikkeling bevestigd aan de onderkant van de auto, en blijft de andere op de vloer van de garage liggen. Het voordeel van de inductieve aanpak is dat er geen kans is op elektrocutie omdat er geen blootliggende geleiders zijn, hoewel vergrendelingen, speciale connectoren en aardfoutdetectoren conductieve koppeling bijna even veilig kunnen maken. Inductief laden kan ook het gewicht van het voertuig verminderen, doordat meer laadcomponenten buiten het voertuig worden geplaatst. Een voorstander van inductief laden van Toyota beweerde in 1998 dat de totale kostenverschillen minimaal waren, terwijl een voorstander van conductief laden van Ford beweerde dat conductief laden kostenefficiënter was.

OplaadplekkenEdit

In april 2020 zijn er wereldwijd 93.439 locaties en 178.381 EV-laadstations.

Reisbereik vóór het opladenEdit

Het bereik van een BEV is afhankelijk van het aantal en het type batterijen dat wordt gebruikt. Het gewicht en type van het voertuig, evenals het terrein, het weer en de prestaties van de bestuurder zijn ook van invloed, net als op het aantal kilometers van traditionele voertuigen. De prestaties van elektrische auto’s zijn afhankelijk van een aantal factoren, waaronder de chemische samenstelling van de batterij:

• Loodzuur-batterijen zijn het meest beschikbaar en goedkoop. Dergelijke conversies hebben over het algemeen een bereik van 30 tot 80 km (20 tot 50 mi). Productie-EV’s met lood-zuur-batterijen kunnen tot 130 km per lading afleggen.
• NiMH-batterijen hebben een hogere specifieke energie dan lood-zuur; prototype-EV’s hebben een bereik tot 200 km.
• Nieuwe EV’s met lithium-ion-batterijen hebben een bereik van 320-480 km per lading. Lithium is ook minder duur dan nikkel.
• Nikkel-zink-batterijen zijn goedkoper en lichter dan nikkel-cadmium-batterijen. Zij zijn ook goedkoper dan (maar niet zo licht als) lithium-ion-batterijen.

De interne weerstand van sommige batterijen kan aanzienlijk toenemen bij lage temperatuur, wat kan leiden tot een merkbare vermindering van de actieradius van het voertuig en van de levensduur van de batterij.

Het vinden van de economische balans tussen actieradius versus prestaties, batterijcapaciteit versus gewicht, en batterijtype versus kosten vormt een uitdaging voor elke EV-fabrikant.

Met een wisselstroomsysteem of een geavanceerd gelijkstroomsysteem kan regeneratief remmen de actieradius onder extreme verkeersomstandigheden met maximaal 50% verlengen zonder volledig te stoppen. Anders wordt de actieradius met ongeveer 10 tot 15% vergroot in de stad, en slechts verwaarloosbaar op de snelweg, afhankelijk van het terrein.

EV’s (inclusief bussen en vrachtwagens) kunnen ook gebruik maken van genset-aanhangwagens en duwaanhangwagens om hun actieradius te vergroten wanneer dat gewenst is, zonder het extra gewicht tijdens normaal gebruik met een korte actieradius. Aanhangwagens met een lege boodschappenmand kunnen onderweg worden vervangen door aanhangwagens met een nieuwe lading. Indien gehuurd kunnen onderhoudskosten worden doorgeschoven naar het agentschap.

Sommige BEV’s kunnen hybride voertuigen worden, afhankelijk van de energie- en aandrijflijn van de aanhangwagen en de auto.

Aanhangwagens

Hulpaccucapaciteit in aanhangwagens kan de totale actieradius van het voertuig vergroten, maar vergroot ook het verlies aan vermogen als gevolg van de luchtweerstand, vergroot de effecten van gewichtsverplaatsing en vermindert de tractiecapaciteit.

Wisselen en verwijderen

Een alternatief voor opladen is het uitwisselen van lege of bijna lege accu’s (of accu range extender modules) met volledig opgeladen accu’s. Dit wordt batterijomruil genoemd en gebeurt in omruilstations.

De eigenschappen van wisselstations zijn onder meer:

1. De consument hoeft zich niet langer zorgen te maken over de kapitaalkosten van de batterij, de levenscyclus, de technologie, het onderhoud of de garantie;
2. Wisselen gaat veel sneller dan opladen: batterijwisselapparatuur gebouwd door de firma Better Place heeft automatische wisselingen in minder dan 60 seconden gedemonstreerd;
3. W wisselstations verhogen de haalbaarheid van gedistribueerde energieopslag via het elektriciteitsnet;

Over wisselstations bestaan onder meer de volgende bezwaren:

1. Potentieel voor fraude (de kwaliteit van de batterij kan alleen worden gemeten over een volledige ontladingscyclus; de levensduur van de batterij kan alleen worden gemeten over herhaalde ontladingscycli; degenen die deelnemen aan de swaptransactie kunnen niet weten of ze een versleten of minder effectieve batterij krijgen; de kwaliteit van de batterijen gaat in de loop van de tijd langzaam achteruit, zodat versleten batterijen geleidelijk in het systeem worden gedwongen)
2. Onwil van fabrikanten om de toegang tot batterijen / de implementatiedetails te standaardiseren
3. Zorgen over de veiligheid

HervullenEdit

Zink-bromine flow-batterijen kunnen met een vloeistof worden bijgevuld, in plaats van met connectoren, wat tijd bespaart.

Levenscyclus van EV-batterijenEdit

Down-cycling van afgedankte EV-batterijenEdit

Elektrische voertuigbatterijen die aan het eind van hun levenscyclus zijn (met verminderde stroomcapaciteit en niet langer geschikt voor het aandrijven van elektrische voertuigen) kunnen worden hergebruikt voor second-life toepassingen, zoals gebruik in e-bus power packs, back-ups voor grote gebouwen, gebruik in energieopslag voor thuis, stabilisatie van de toevoer voor zonne- en windenergiegeneratoren, back-upstroom voor telecommunicatiebasisstations en datacentra, de aandrijving van vorkheftrucks, elektrische scooters en fietsen, enz. Hergebruik van autobatterijen in tweede leven-toepassingen vereist speciale expertise in omgekeerde logistiek. Alexander Kupfer, verantwoordelijk voor duurzame productontwikkeling/circulaire economie bij Audi, stelt dat “een gemeenschappelijke verbindingsinterface moet worden ontwikkeld waarmee deze autoaccu’s kunnen worden aangestuurd door een stationair opslagbeheersysteem”. Een dergelijke interface zou een mechanisme bieden voor communicatie met het opslagbeheersysteem, onafhankelijk van de fabrikant van de accu. De interface zou samen met de leveranciers van opslagcapaciteit moeten worden ontwikkeld.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) heeft voorgesteld dat nutsbedrijven gebruikte batterijen zouden kunnen kopen voor back-up- en load levelling-doeleinden. Zij stellen dat deze gebruikte accu’s weliswaar niet meer bruikbaar zijn in voertuigen, maar dat hun restcapaciteit nog steeds een aanzienlijke waarde heeft.

LevensduurEdit

Afzonderlijke accu’s worden gewoonlijk gerangschikt in grote accupakketten van verschillende spanning en ampère-uurcapaciteitsproducten om de vereiste energiecapaciteit te leveren. De levensduur van batterijen moet in aanmerking worden genomen bij de berekening van de uitgebreide eigendomskosten, aangezien alle batterijen uiteindelijk verslijten en moeten worden vervangen. De snelheid waarmee ze verslijten hangt af van een aantal factoren.

De ontladingsdiepte (DOD) is het aanbevolen deel van de totale beschikbare energieopslag waarbij die batterij zijn nominale cycli zal halen. Deep-cycle loodzuur-batterijen mogen in het algemeen niet worden ontladen tot minder dan 20% van de totale capaciteit. Modernere formuleringen kunnen diepere cycli aan

In de praktijk hebben sommige Toyota RAV4 EV’s, die nikkel-metaalhydride batterijen gebruiken, meer dan 160.000 km afgelegd zonder dat hun dagelijkse actieradius veel achteruitging. Uit een evaluatie van Southern California Edison (SCE):

“De test met vijf voertuigen toont de duurzaamheid op lange termijn aan van nikkel-metaalhydridebatterijen en elektrische aandrijflijnen. Tot nu toe is slechts een lichte verslechtering van de prestaties waargenomen bij vier van de vijf voertuigen…. EVTC-testgegevens leveren sterke aanwijzingen dat alle vijf voertuigen de kaap van 160.000 km zullen overschrijden. De positieve ervaring van SCE wijst erop dat een levensduur van de nikkel-metaalhydridebatterij en de aandrijflijn van 130.000 tot 150.000 mijl (240.000 km) zeer waarschijnlijk is. EV’s kunnen dus evenveel of meer kilometers afleggen dan vergelijkbare voertuigen met verbrandingsmotor. “In juni 2003 werden de 320 RAV4 EV’s van de SCE-vloot voornamelijk gebruikt door meterlezers, servicemanagers, buitendienstmedewerkers, serviceplanners en postbezorgers, en voor veiligheidspatrouilles en carpools. In de vijf jaar dat de RAV4 EV’s in gebruik waren, had de vloot meer dan 6,9 miljoen kilometer afgelegd, waarbij ongeveer 830 ton aan luchtverontreinigende stoffen werd geëlimineerd en meer dan 3.700 ton aan koolstofdioxide-uitstoot werd voorkomen. Gezien de succesvolle werking van de EV’s tot nu toe, is SCE van plan ze te blijven gebruiken tot ver nadat ze allemaal 100.000 mijl hebben afgelegd.

Lithium-ion batterijen zijn tot op zekere hoogte vergankelijk; ze verliezen per jaar een deel van hun maximale opslagcapaciteit, zelfs als ze niet worden gebruikt. Nikkel-metaalhydridebatterijen verliezen veel minder capaciteit en zijn goedkoper voor de opslagcapaciteit die ze geven, maar hebben aanvankelijk een lagere totale capaciteit voor hetzelfde gewicht.

Jay Leno’s Baker Electric uit 1909 werkt nog steeds op zijn originele Edison-cellen. De kosten van BEV’s voor het vervangen van accu’s kunnen geheel of gedeeltelijk worden gecompenseerd door het ontbreken van regelmatig onderhoud, zoals het vervangen van olie en filters, zoals bij voertuigen met een verbrandingsmotor, en door de grotere betrouwbaarheid van BEV’s vanwege hun geringere aantal bewegende onderdelen. Zij maken ook een einde aan veel andere onderdelen die in een gewone auto normaliter onderhoud vergen, zoals de versnellingsbak, het koelsysteem en de afstelling van de motor. En tegen de tijd dat accu’s eindelijk aan vervanging toe zijn, kunnen ze worden vervangen door accu’s van een latere generatie die wellicht betere prestatiekenmerken bieden.

Lithiumijzerfosfaataccu’s bereiken volgens de fabrikant meer dan 5000 cycli bij een respectieve ontladingsdiepte van 70%. BYD, ’s werelds grootste fabrikant van lithium-ijzerfosfaatbatterijen, heeft een breed scala van cellen ontwikkeld voor deep-cycle toepassingen. Dergelijke batterijen worden gebruikt in stationaire opslagsystemen. Na 7500 cycli, met een ontlading van 85%, hebben zij nog een reservecapaciteit van ten minste 80% bij een snelheid van 1 C; dit komt bij een volledige cyclus per dag overeen met een levensduur van min. 20,5 jaar. De door Sony Fortelion ontwikkelde lithium-ijzerfosfaatbatterij heeft een restcapaciteit van 71% na 10.000 cycli bij een ontladingsniveau van 100%. Deze batterij is sinds 2009 op de markt.

Gebruikt in combinatie met zonnepanelen hebben lithium-ionbatterijen deels een zeer hoge cyclusbestendigheid van meer dan 10.000 laad- en ontlaadcycli en een lange levensduur tot 20 jaar.

Plug-in America deed een onderzoek onder Tesla Roadster-rijders (2008) naar de levensduur van hun batterijen. Daaruit bleek dat de batterij na 160 km nog een resterende capaciteit van 80 tot 85 procent had, ongeacht in welke klimaatzone de auto werd gebruikt. Tesla garandeert de Model S met een 85-kWh batterij voor onbeperkte kilometers binnen een periode van 8 jaar.

Varta Storage biedt een garantie van 14.000 volledige cycli en een levensduur van 10 jaar.

In december 2016 is ’s werelds best verkochte elektrische auto aller tijden de Nissan Leaf, met meer dan 250.000 verkochte exemplaren sinds de ingebruikname in 2010. Nissan verklaarde in 2015 dat tot dan toe slechts 0,01 procent van de accu’s vervangen hoefde te worden vanwege defecten of problemen en dan nog alleen vanwege van buitenaf toegebrachte schade. Er zijn een paar voertuigen die al meer dan 200.000 km hebben afgelegd; geen daarvan had problemen met de accu.

Li-ion accu’s verliezen over het algemeen 2,3 procent capaciteit per jaar. Vloeistofgekoelde Li-ion accupacks verliezen minder capaciteit per jaar dan luchtgekoelde packs.

RecyclingEdit

Aan het einde van hun levensduur kunnen accu’s worden hergebruikt of gerecycled. Met de aanzienlijke internationale groei van de verkoop van EV’s heeft het Amerikaanse ministerie van Energie een onderzoeksprogramma opgezet om methodes te onderzoeken voor het recyclen van gebruikte EV lithium-ion batterijen. Methoden die momenteel worden onderzocht zijn pyrometallurgisch (reductie tot elementen), hydrometallurgisch (reductie tot samenstellende metalen), en directe recycling (herstel van elektrochemische eigenschappen met behoud van de structuur van de oorspronkelijke materialen).

Bloomberg BNEF heeft voorspeld dat de batterij-industrie voor elektrische auto’s in 2050 meer dan 500 miljard dollar waard zal zijn naarmate de adoptie van elektrische voertuigen in de tussenliggende jaren versnelt

Vehicle-to-gridEdit

Smart grid maakt het mogelijk dat BEV’s op elk moment stroom aan het net leveren, met name:

• Tijdens piekbelastingperiodes (Wanneer de verkoopprijs van elektriciteit zeer hoog kan zijn. De voertuigen kunnen dan buiten de piekuren tegen goedkopere tarieven worden opgeladen, wat helpt om het overschot aan nachtstroom te absorberen. De voertuigen dienen als een gedistribueerd batterijopslagsysteem om stroom te bufferen.)
• Tijdens stroomuitval, als back-up stroombronnen.

Veiligheid

De veiligheidsaspecten van batterij-elektrische voertuigen worden grotendeels behandeld door de internationale norm ISO 6469. Deze norm bestaat uit drie delen:

• Aan boord opgeslagen elektrische energie, d.w.z. de batterij
• Functionele veiligheidsmiddelen en bescherming tegen storingen
• Bescherming van personen tegen elektrische gevaren.

Brandweerlieden en reddingswerkers krijgen een speciale opleiding om te kunnen omgaan met de hogere spanningen en chemicaliën die bij ongevallen met elektrische en hybride elektrische voertuigen worden aangetroffen. Hoewel BEV-ongevallen ongewone problemen kunnen opleveren, zoals branden en dampen als gevolg van snelle ontlading van de batterij, zijn veel deskundigen het erover eens dat BEV-batterijen veilig zijn in commercieel verkrijgbare voertuigen en bij kop-staartbotsingen, en veiliger zijn dan benzineauto’s met benzinetanks achterin.

Het testen van de prestaties van batterijen omvat gewoonlijk de bepaling van:

• Staat van Oplading (SOC)
• Staat van Gezondheid (SOH)
• Energie-efficiëntie

Prestatietesten simuleren de rijcycli voor de aandrijflijnen van Battery Electric Vehicles (BEV), Hybrid Electric Vehicles (HEV) en Plug in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) volgens de vereiste specificaties van autofabrikanten (OEM’s). Tijdens deze rijcycli kan de batterij gecontroleerd worden gekoeld, waarbij de thermische omstandigheden in de auto worden gesimuleerd.

Daarnaast regelen klimaatkamers de omgevingsomstandigheden tijdens het testen en maken ze simulatie van het volledige temperatuurbereik en de klimaatomstandigheden in de auto mogelijk.

PatentenEdit

Patenten kunnen worden gebruikt om de ontwikkeling of inzet van batterijtechnologie te onderdrukken. Zo waren octrooien voor het gebruik van nikkel-metaalhydridecellen in auto’s in handen van een filiaal van de aardoliemaatschappij Chevron Corporation, die een vetorecht behield over elke verkoop of licentieverlening van NiMH-technologie.