Accupakket en configuratie

Een EV-accupakket combineert cellen met elektrische verbindingen, koelhardware, regelelektronica en beschermende structuren tot een hoogspanningsenergiesysteem.

De elektrische configuratie bepaalt spanning, capaciteit en stroombelastbaarheid, terwijl de fysieke integratie invloed heeft op gewicht, koeling, botsbescherming, ruimtegebruik, onderhoudbaarheid en energiedichtheid op pakketniveau.

Wat zit er in een accupakket?

De cellen slaan energie op, maar vormen slechts één deel van het complete accupakket.

Een gangbaar EV-accupakket bevat:

• Batterijcellen
• Modules of andere structuren om cellen te groeperen
• Busbars en hoogspanningsgeleiders
• Celbewakingselektronica
• Positieve en negatieve hoofdcontactoren
• Zekeringen en pyrotechnische scheiders
• Stroom-, spannings- en isolatiesensoren
• Een onderhoudsscheider
• Koelplaten en koelmiddelkanalen
• Thermische interfacematerialen
• Een afgedichte pakketbehuizing
• Bescherming tegen botsingen en binnendringen
• Routes voor drukontlasting en gasbeheer
• Hoogspanningsstekkers en -verbindingen

De hoofdcontactoren koppelen de cellen los van de rest van het voertuig wanneer het hoogspanningssysteem wordt uitgeschakeld. De cellen blijven binnen het pakket onderling verbonden en elektrisch actief.

Een conventionele zekering beschermt tegen te hoge stroom, terwijl een pyrotechnische scheider tijdens een zware botsing of elektrische storing snel een hoogspanningsverbinding kan onderbreken.

Het batterijmanagementsysteem bewaakt en regelt het pakket. Thermisch beheer van de batterij legt de koel- en verwarmingssystemen uitgebreider uit.

Batterijconfiguratie

De batterijconfiguratie beschrijft hoe cellen elektrisch zijn verbonden.

De twee basismethoden zijn:

• Serieschakeling, die de spanning verhoogt
• Parallelschakeling, die de capaciteit in ampère-uur en stroombelastbaarheid verhoogt

De meeste EV-pakketten combineren beide.

Serieschakelingen

Wanneer identieke cellen of celgroepen in serie worden geschakeld, worden hun spanningen bij elkaar opgeteld.

Door iedere cel of parallelle groep in de serieschakeling loopt dezelfde stroom.

Pakketspanning = Aantal groepen in serie × Celspanning

Een serieschakeling van 100 cellen met een nominale spanning van 3,7 volt levert een nominale pakketspanning van ongeveer 370 volt.

De in ampère-uur gemeten capaciteit neemt niet toe wanneer identieke cellen uitsluitend in serie worden geschakeld.

Parallelschakelingen

Wanneer identieke cellen parallel worden geschakeld, blijft de spanning gelijk en worden de capaciteiten in ampère-uur bij elkaar opgeteld.

Capaciteit van parallelle groep =
Aantal parallelle cellen × Celcapaciteit

Vier parallel geschakelde cellen van 72 Ah vormen een groep van 288 Ah.

Parallelle cellen delen ook de stroom. Onder evenwichtige omstandigheden voert elk van vier identieke parallelle cellen ongeveer een kwart van de groepsstroom.

De werkelijke stroomverdeling kan iets verschillen door variaties in:

• Interne weerstand
• Temperatuur
• Leeftijd van de cellen
• Elektrische verbindingen
• Productietoleranties

Het BMS bewaakt parallel geschakelde cellen normaal als één spanningsgroep, omdat ze dezelfde klemspanning hebben.

De s- en p-notatie begrijpen

Batterijconfiguraties worden doorgaans geschreven met:

• s voor serie
• p voor parallel

Een 3s4p-configuratie bevat:

• Drie in serie geschakelde groepen
• Vier parallel geschakelde cellen in elke groep
• In totaal twaalf fysieke cellen

Het totale aantal cellen is:

Totaal aantal cellen = Aantal in serie × Aantal parallel

Voor een pakket met identieke cellen:

Nominale pakketspanning =
Aantal in serie × Nominale celspanning

Pakketcapaciteit in Ah =
Aantal parallel × Celcapaciteit

Nominale pakketenergie in Wh =
Nominale pakketspanning × Pakketcapaciteit

Spanning vermenigvuldigd met ampère-uur geeft een benaderde nominale energiewaarde.

De celspanning verandert voortdurend met de laadtoestand. Deze berekening is daarom geen exacte meting van de energie die het pakket tijdens een volledige ontlading kan leveren. Fabrikanten kunnen de nominale of bruto capaciteit bovendien bepalen met celkarakteriseringsmethoden die enigszins van deze eenvoudige berekening afwijken.

Voorbeeld: Audi Q8 55 e-tron

De batterij van de Audi Q8 55 e-tron bevat 432 prismatische cellen, verdeeld over 36 modules. Elke module bevat 12 cellen.

Audi specificeert:

• 114 kWh bruto capaciteit
• 106 kWh bruikbare capaciteit
• 396 V nominale spanning
• 36 modules
• 432 cellen

Elke module gebruikt een 3s4p-indeling. Het complete pakket is daarom 108s4p. (Audi)

Op basis van de nominale celwaarden:

• Celspanning: ongeveer 3,6667 V
• Celcapaciteit: 72 Ah
• Capaciteit parallelle groep: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Modulespanning: 3 × 3,6667 V = ongeveer 11 V
• Modulecapaciteit: 288 Ah

De 36 modules zijn in serie geschakeld:

• Volledige configuratie: 108s4p
• Pakketspanning: 36 × 11 V = 396 V
• Pakketcapaciteit: 288 Ah
• Nominale energie: 396 V × 288 Ah = 114.048 Wh

Het resultaat is ongeveer 114 kWh en komt overeen met de gepubliceerde bruto capaciteit van Audi.

Dit voorbeeld toont twee belangrijke beginselen:

• Cellen of modules in serie schakelen verhoogt de spanning
• Modules in serie schakelen verhoogt de capaciteit in ampère-uur niet

Voorbeeld: Porsche Macan Electric

De Porsche Macan Electric gebruikt:

• 100 kWh bruto capaciteit
• Ongeveer 95 kWh bruikbare capaciteit
• 12 modules
• 15 prismatische cellen in serie per module
• In totaal 180 cellen
• Een 800-voltarchitectuur

Het complete pakket kan daarom als 180s1p worden beschreven. Elke grote prismatische cel levert al de vereiste capaciteit in ampère-uur, zodat binnen iedere positie in de serieschakeling geen parallelle fysieke cellen nodig zijn.

Porsche stelt ook dat de 12 modules en verschillende andere belangrijke pakketcomponenten afzonderlijk kunnen worden vervangen. (Porsche Newsroom)

Dit verschilt wezenlijk van een pakket met duizenden kleine cilindrische cellen, hoewel beide ontwerpen dezelfde basisfuncties vervullen.

Illustratief pakket met kleine cilindrische cellen

Neem een pakket met 4.416 cilindrische cellen in een 96s46p-indeling.

Veronderstel dat iedere cel heeft:

• Nominale spanning: 3,7 V
• Capaciteit: 4,8 Ah

Het resulterende pakket heeft:

Pakketspanning = 96 × 3,7 V
               = 355,2 V

Pakketcapaciteit = 46 × 4,8 Ah
                 = 220,8 Ah

Nominale energie = 355,2 V × 220,8 Ah
                 = ongeveer 78,4 kWh

Dit is een illustratieve configuratie en geen specificatie voor ieder voertuig met een vergelijkbaar aantal cellen.

Werkelijke cilindrische pakketten verschillen in:

• Celcapaciteit
• Celchemie
• Leverancier
• Fabriek
• Modeljaar
• Batterijversie
• Bruikbaar spanningsvenster

Voorbeelden van batterijconfiguraties

Fabrikanten publiceren niet altijd de volledige sXp-notatie. Configuraties met een sterretje zijn afgeleid uit gepubliceerde cel- en module-indelingen.

Batterij	Jaar	Bruto of nominale capaciteit	Cellen/modules	Configuratie	Nominale spanning of architectuurspanning
Mitsubishi i-MiEV, Amerikaanse specificatie	2012	16,3 kWh	88 cellen	88s1p*	325,6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	264 cellen/27 modules	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, generatie van 35,8 kWh	2017	35,8 kWh	264 cellen/27 modules	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 cellen/36 modules	108s4p	396 V
Audi Q6 e-tron/A6 e-tron PPE-batterij	2024	100 kWh	180 cellen/12 modules	180s1p*	800-voltklasse
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 cellen/12 modules	180s1p*	800-voltklasse
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh nominaal	384 cellen	Niet officieel gepubliceerd	337 V nominaal
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 pouchcellen/6 modules	Niet officieel gepubliceerd	800-voltklasse

Het testpakket van de Mitsubishi i-MiEV gebruikte 88 cellen, had een nominale capaciteit van 50 Ah, een nominale energie van 16,3 kWh en een nominale spanning van 325,6 V. (US Department of Energy)

De oorspronkelijke e-Golf gebruikte 264 cellen, 27 modules, 323 V en 24,2 kWh. De latere versie van 35,8 kWh behield hetzelfde aantal cellen en modules, dezelfde nominale spanning en dezelfde gepubliceerde batterijmassa. (VW Press)

De Audi PPE-batterij gebruikt 12 modules en 180 grote prismatische cellen in plaats van de 36 modules en 432 cellen in de Q8 e-tron. (Audi)

NIO publiceert 384 cellen, een nominale spanning van 337 V, 446 Ah en 575 kg voor zijn batterij van 150 kWh, maar biedt onvoldoende openbare informatie om een betrouwbare volledige sXp-configuratie te vermelden. (NIO)

De Porsche Cayenne Electric gebruikt zes modules en 192 grote pouchcellen in een functiegeïntegreerde batterij. (Porsche Newsroom)

Spanning, stroom en vermogen

Elektrisch vermogen hangt af van spanning en stroom:

Vermogen = Spanning × Stroom

Hetzelfde vermogen kan worden overgedragen met:

• Een hogere spanning en lagere stroom
• Een lagere spanning en hogere stroom

Voor een geïdealiseerde overdracht van 300 kW is nodig:

Bij 400 V:

Stroom = 300.000 W ÷ 400 V
       = 750 A

Bij 800 V:

Stroom = 300.000 W ÷ 800 V
       = 375 A

Het 800-voltsysteem levert hetzelfde vermogen met de helft van de stroom.

Elektrische verliezen in geleiders kunnen worden benaderd als:

Weerstandsverlies = Stroom² × Weerstand

Als de weerstand gelijk blijft, vermindert halvering van de stroom het weerstandsverlies tot een kwart.

Werkelijke voertuigen zijn complexer omdat ook de afmetingen van geleiders, stekkerweerstand, halfgeleiders, koeling en werkelijke batterijspanning veranderen. De berekening verklaart niettemin waarom een hogere spanning aantrekkelijk wordt naarmate laad- en aandrijfvermogen toenemen.

Systemen in de 400- en 800-voltklasse

De termen 400 volt en 800 volt beschrijven brede systeemklassen, geen vaste batterijspanningen.

De pakketspanning verandert met:

• Laadtoestand
• Celchemie
• Temperatuur
• Stroom
• Aantal in serie geschakelde cellen
• Spanningslimieten van de fabrikant

Een batterij die als 400 volt wordt verkocht, kan werken vanaf een bereik net boven 300 tot boven 400 V.

Een pakket in de 800-voltklasse kan een nominale spanning hebben die dichter bij 650–750 V ligt en bij een hoge laadtoestand 800 V benaderen of overschrijden.

Systemen in de 400-voltklasse

Een architectuur in de 400-voltklasse blijft voor veel gangbare EV's voldoende.

Voordelen

• Volwassen en breed beschikbare componenten
• Lagere componentkosten
• Eenvoudige compatibiliteit met bestaande laders
• Minder veeleisende isolatie-eisen
• Voldoende vermogen voor veel personenauto's
• Gevestigde reparatie- en productieprocessen

Afwegingen

• Hogere stroom voor hetzelfde vermogen
• Grotere stroomvoerende geleiders bij zeer hoog vermogen
• Meer opwarming van stekkers en kabels
• Moeilijker om extreem laadvermogen te bereiken
• Hogere stroomvereisten voor aandrijflijnen met veel vermogen

Een goede 400-voltbatterij kan nog altijd zeer snel laden wanneer ze cellen voor hoge stroom, doeltreffende koeling en een brede laadcurve combineert.

Systemen in de 800-voltklasse

Een architectuur in de 800-voltklasse vermindert de stroom die voor een bepaald vermogen nodig is.

Voordelen

• Lagere stroom bij hoog laadvermogen
• Minder geleiderverliezen
• Potentieel kleinere of lichtere hoogspanningskabels
• Meer vermogen binnen de stroomlimieten van stekkers
• Efficiënte levering van veel aandrijfvermogen
• Zeer geschikt voor laden met hoog vermogen

Afwegingen

• Duurdere hoogspanningscomponenten
• Veeleisender isolatie en grotere kruipafstanden
• Hogere eisen aan contactoren en sensoren
• Complexere vermogenselektronica
• Compatibiliteitsproblemen met laders met een lagere spanning
• Hogere ontwikkelings- en validatiekosten

Een hogere spanning garandeert geen sneller laden.

De laadprestaties hangen ook af van:

• Celchemie
• C-rate van de cellen
• Batterijtemperatuur
• Laadcurve
• Stroomlimieten
• Koelvermogen
• Laadtoestand
• Vermogen van de lader

Een 800-voltbatterij laden aan een lader met lagere spanning

Een lader moet voldoende spanning leveren om stroom de batterij in te sturen.

Een batterij in de 800-voltklasse kan normaal niet rechtstreeks laden aan een lader waarvan de maximale uitgangsspanning ruim onder de pakketspanning blijft.

Fabrikanten lossen dit op verschillende manieren op:

• Een afzonderlijke DC-boostconverter
• Gebruik van motor en omvormer als onderdeel van een boostcircuit
• Herconfiguratie van de batterij in banken met lagere spanning
• Beperkte laadmogelijkheden aan incompatibele laders

Laden in banken

Bij laden in banken wordt de elektrische configuratie van de batterij tijdens het laden gewijzigd.

De Porsche Macan kan zijn 800-voltbatterij opdelen in twee afzonderlijke 400-voltcircuits. De twee batterijhelften worden dan gelijktijdig met maximaal 135 kW geladen, zonder afzonderlijke hoogspanningsbooster. (Porsche Newsroom)

De cellen verplaatsen niet en het pakket wordt niet fysiek verdeeld. Hoogspanningsschakelaars veranderen hoe de delen elektrisch zijn verbonden.

Dit toont aan dat de batterijconfiguratie niet in iedere bedrijfsmodus vast hoeft te blijven.

Accupakketarchitecturen

De elektrische configuratie beschrijft hoe cellen zijn verbonden.

De pakketarchitectuur beschrijft hoe cellen, koelsysteem, behuizing, modules en voertuigstructuur fysiek zijn geïntegreerd.

De belangrijkste benaderingen zijn:

• Pakketten op basis van modules
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body of Cell-to-Chassis
• Structurele of functiegeïntegreerde pakketten

Deze categorieën overlappen.

Een structurele batterij kan nog steeds modules bevatten. Een Cell-to-Pack-ontwerp kan nog altijd interne frames, samengedrukte rijen, banken of andere structuren voor celgroepering gebruiken.

Pakketten op basis van modules

In een traditioneel pakket op basis van modules worden cellen tot modules geassembleerd voordat de modules in de batterijbehuizing worden geplaatst.

Cel → Module → Pakket → Voertuig

Modules kunnen het volgende bevatten:

• Celframes
• Compressiestructuren
• Busbars
• Celbewakingselektronica
• Koelaansluitingen
• Elektrische isolatie
• Mechanische bescherming
• Stekkers op moduleniveau

Voordelen van pakketten op basis van modules

• Schaalbaarheid: verschillende capaciteiten kunnen met verschillende aantallen modules worden gecreëerd.
• Gescheiden productie: moduleassemblage en uiteindelijke pakketassemblage kunnen afzonderlijk worden getest.
• Beheerste celgroepen: compressie, elektrische verbindingen en koeling kunnen binnen vastgelegde eenheden worden beheerd.
• Potentiële repareerbaarheid: een defecte module kan mogelijk worden vervangen zonder het complete pakket te vervangen.
• Leveranciersflexibiliteit: modules kunnen een interface vormen tussen celproductie en voertuigassemblage.
• Hergebruik van platforms: één moduleontwerp kan soms in verschillende voertuigen worden gebruikt.

Afwegingen van pakketten op basis van modules

• Extra inactief materiaal: frames, afdekkingen, bevestigingen en stekkers voegen massa toe.
• Meer onderdelen: er zijn meer behuizingen, afdichtingen, busbars en interfaces nodig.
• Lagere pakketefficiëntie: er is ruimte nodig rond zowel cellen als modules.
• Meer assemblagefasen: modules vereisen afzonderlijke productie, tests, vervoer en installatie.

De aanwezigheid van modules maakt een pakket niet automatisch repareerbaar.

De repareerbaarheid hangt ook af van:

• Toegang tot het pakket
• Lijmen en afdichtmiddelen
• Ontwerp van het koelcircuit
• Beschikbaarheid van vervangende onderdelen
• Diagnoseondersteuning
• BMS-programmering
• Reparatieprocedures van de fabrikant

De Porsche Macan Electric is een modern voorbeeld van een op reparatie gericht modulepakket. Porsche stelt dat de 12 modules en andere belangrijke componenten afzonderlijk kunnen worden vervangen. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, doorgaans afgekort tot CTP, verwijdert of verkleint de conventionele tussenliggende modulebehuizing.

Cel → Pakket → Voertuig

Cellen kunnen nog steeds zijn gerangschikt in:

• Rijen
• Samengedrukte groepen
• Interne frames
• Banken
• Structurele reeksen

CTP betekent niet noodzakelijk dat iedere cel los in één onverdeelde behuizing zit.

Voordelen van Cell-to-Pack

• Betere benutting van het pakketvolume: modulewanden en -afdekkingen nemen minder volume in.
• Minder inactieve massa: er zijn minder tussenliggende behuizingen en bevestigingen nodig.
• Minder onderdelen: elektrische en structurele interfaces kunnen worden samengevoegd.
• Mogelijk lagere kosten: het verwijderen van herhaalde componenten kan de assemblage vereenvoudigen.
• Directere koelintegratie: cellen kunnen rechtstreeks op koelstructuren van het pakket aansluiten.
• Minder verbindingen: grote cellen en directe integratie kunnen het aantal busbars en stekkers verminderen.

Afwegingen van Cell-to-Pack

• Meer verantwoordelijkheid op pakketniveau: koeling, compressie, isolatie en bescherming tegen voortplanting moeten over grotere delen worden opgelost.
• Sterker geïntegreerde productie: een productiefout kan een grotere eenheid treffen.
• Minder modulaire vervanging: celgroepen kunnen moeilijk afzonderlijk te verwijderen zijn.
• Afhankelijkheid van het platform: celafmetingen, koeling, pakketbehuizing en voertuigvloer zijn nauw verbonden.
• Mogelijk hogere reparatiekosten: schade aan één deel kan vervanging van een grotere pakketeenheid vereisen.

CATL Qilin

CATL beschrijft Qilin als een CTP-architectuur van de derde generatie.

CATL claimt voor het ontwerp een benutting van 72% van het pakketvolume. Dit is een specificatie van Qilin en geen resultaat dat voor iedere CTP-batterij geldt.

De betekenis gaat verder dan het verwijderen van conventionele modulebehuizingen. Qilin integreert koeling, structuur, thermische bescherming en cellen op pakketniveau.

Volkswagen Unified Cell en Cell-to-Pack

De Unified Cell van Volkswagen Group is een gestandaardiseerd platform voor prismatische cellen dat met een nieuw Cell-to-Pack-batterijsysteem is ontworpen.

Het brede celplatform is bedoeld voor:

• NMC
• LFP
• Natrium-ion
• Mogelijke toekomstige solid-statetechnologie

De eerste Unified Cell die PowerCo in Salzgitter produce…305 tokens truncated…arsbalken

• Onderzijde
• Zijstructuren
• Structuren voor stoelbevestiging
• Belastingspaden bij botsingen

De grens tussen geavanceerde CTP en CTB is niet altijd duidelijk. Ze hangt af van de onderdelen en functies die het pakket en de carrosserie delen.

BYD Seal Cell-to-Body

De BYD Seal gebruikt een Cell-to-Body-systeem waarin batterij en carrosserievloer een nauw geïntegreerde sandwichachtige structuur vormen.

De batterij fungeert zowel als:

• Energieopslagsysteem
• Structureel element in het voertuig

Voordelen van CTB en CTC

• Minder dubbele structurele lagen
• Meer interieurruimte bij een bepaalde voertuighoogte
• Mogelijk minder systeemmassa
• Grotere carrosseriestijfheid
• Lager zwaartepunt
• Betere verpakkingsefficiëntie

Afwegingen van CTB en CTC

• Ontwikkeling van batterij en carrosserie raakt nauw verweven
• Reparatie van botsingsschade kan batterij- en carrosseriestructuren betreffen
• Verwijdering van het pakket kan meer demontage vereisen
• Platformwijzigingen kunnen een nieuw batterijontwerp vereisen
• Afdichting en corrosiebescherming worden belangrijker
• Maattoleranties worden veeleisender

Structurele en functiegeïntegreerde pakketten

Een structurele batterij draagt aanzienlijke voertuigbelastingen, in plaats van uitsluitend als onder de carrosserie gemonteerde energieopslageenheid te dienen.

Een structureel pakket kan gebruikmaken van:

• Cellen die rechtstreeks in een structurele behuizing zijn gelijmd
• Grote structurele celreeksen
• Modules die in een carrosseriegeïntegreerde batterij zijn geplaatst
• Een batterijafdekking die ook als deel van de cabinevloer dient

Structurele integratie en het gebruik van modules zijn afzonderlijke ontwerpkeuzes.

Structureel accupakket van Tesla

Tesla begon in 2022 geselecteerde Model Y-voertuigen te produceren met intern gemaakte 4680-cellen, grote gegoten carrosseriedelen en een structureel accupakket.

Tesla heeft ook Model Y-varianten met conventionele niet-structurele pakketten en 2170-cellen geproduceerd. De batterijarchitectuur hangt dus af van de voertuigvariant en fabriek.

Porsche Cayenne Electric

De Porsche Cayenne Electric gebruikt wat Porsche een functiegeïntegreerde hoogspanningsbatterij noemt.

De batterij:

• Is rechtstreeks in de voertuigstructuur geïntegreerd
• Draagt bij aan de carrosseriestijfheid
• Bevat zes modules
• Bevat 192 grote pouchcellen
• Heeft 113 kWh bruto capaciteit
• Gebruikt dubbelzijdige modulekoeling

Dit is een nuttig voorbeeld van een structureel geïntegreerde batterij die modulair blijft, in plaats van een moduleloze CTP-architectuur te gebruiken. (Porsche Newsroom)

Voordelen van structurele pakketten

• Minder dubbele structuren in pakket en carrosserie
• Potentieel lagere totale systeemmassa
• Betere benutting van verticale ruimte
• Grotere carrosseriestijfheid
• Lager zwaartepunt
• Minder grote voertuigcomponenten

Afwegingen van structurele pakketten

• Ontwikkeling van batterij en voertuig wordt onscheidbaar
• Structurele schade kan de batterijbehuizing treffen
• Verwijdering van het pakket en carrosseriereparatie kunnen complexer zijn
• Productietoleranties worden veeleisender
• De batterij kan moeilijk op een ander platform herbruikbaar zijn
• Reparatie vereist gedetailleerde fabrikantprocedures

De onderstaande video geeft een gedetailleerde analyse van het structurele pakket van Tesla door Munro & Associates.

Pakketarchitectuur en onderhoudbaarheid

Het is verleidelijk batterijarchitecturen als volgt te rangschikken:

Modules = repareerbaar

Cell-to-Pack = moeilijk te repareren

Structureel pakket = niet repareerbaar

De werkelijkheid is complexer.

De onderhoudbaarheid hangt af van:

• Of de afdekking zonder beschadiging kan worden geopend
• Of modules of celgroepen kunnen worden verwijderd
• Structurele lijmen, schuim en ingietmaterialen
• Toegang tot koelplaten
• Koelmiddelaansluitingen
• Beschikbaarheid van modules en elektronica
• Diagnosegereedschap
• BMS-programmering en het koppelen van componenten
• Goedgekeurde reparatieprocedures
• Schade aan de pakketbehuizing of voertuigstructuur

Een conventionele batterij op basis van modules kan nog steeds uitsluitend als complete eenheid worden vervangen als de fabrikant geen modules of reparatie-instructies levert.

Een structureel geïntegreerde batterij kan nog altijd vervangbare onderdelen bevatten:

• Modules
• Contactoren
• Zekeringen
• Sensoren
• Regeleenheden
• Koelmiddelcomponenten

De Porsche Cayenne Electric toont aan dat structurele integratie en modulaire constructie naast elkaar kunnen bestaan.

De pakketarchitectuur beïnvloedt de reparatiemogelijkheden, maar bepaalt ze niet op zichzelf.

Energiedichtheid op pakketniveau

Energiedichtheid op celniveau beschrijft de energie die de cellen opslaan in verhouding tot hun massa of volume.

Energiedichtheid op pakketniveau omvat alles wat nodig is om de cellen te laten werken, verbinden, koelen en beschermen:

• Celbehuizingen
• Modulestructuren
• Pakketbehuizing
• Koelsysteem
• Busbars en bedrading
• Contactoren en zekeringen
• Regelelektronica
• Botsbescherming
• Afdichtingen en bevestigingen
• Thermische interfacematerialen

De gravimetrische energiedichtheid van het pakket is:

Gravimetrische energiedichtheid van het pakket =
Pakketenergie in Wh ÷ Volledige pakketmassa in kg

De volumetrische energiedichtheid van het pakket is:

Volumetrische energiedichtheid van het pakket =
Pakketenergie in Wh ÷ Extern pakketvolume in liter

Een cel met een hoge energiedichtheid kan nog steeds een relatief zwaar pakket opleveren als uitgebreide koeling, insluiting of structurele hardware nodig is.

Een chemie met een lagere dichtheid, zoals LFP, kan door efficiënte integratie een respectabel resultaat op pakketniveau bereiken, maar het verschil in dichtheid op celniveau verdwijnt niet volledig.

Ontwikkeling van de energiedichtheid op pakketniveau

De tabel gebruikt bruto- of door de fabrikant opgegeven energie in plaats van bruikbare energie.

De waarden moeten als representatieve voorbeelden worden beschouwd en niet als een laboratoriumvergelijking. Fabrikanten definiëren pakketmassa of nominale energie niet altijd op precies dezelfde manier.

Accupakket	Jaar of generatie	Bruto of nominale capaciteit	Pakketmassa	Berekende dichtheid
Mitsubishi i-MiEV, Amerikaanse specificatie	2012	16,3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Ongeveer 540 kg	Ongeveer 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Ongeveer 699 kg	Ongeveer 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, generatie van 35,8 kWh	2017	35,8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, grote batterij	2021	82 kWh	Ongeveer 500 kg	Ongeveer 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82,56 kWh	Ongeveer 558 kg	Ongeveer 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron/Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Ongeveer 570 kg	Ongeveer 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, versie van 52 kWh	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, vernieuwde batterij	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
NIO-wisselbatterij van 100 kWh	Huidige gepubliceerde specificatie	100 kWh nominaal	555 kg	180 Wh/kg
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh nominaal	575 kg	261 Wh/kg

De cijfers voor de Mitsubishi i-MiEV komen uit een testrapport van het Amerikaanse Department of Energy, dat 16,3 kWh nominale energie en een pakketmassa van 363 lb vermeldt, gelijk aan ongeveer 165 kg. (US Department of Energy)

Tesla specificeerde de oorspronkelijke Model S officieel met een batterij van 85 kWh. De pakketmassa van ongeveer 540 kg is een veelgenoemde technische schatting en geen cijfer uit de oorspronkelijke voertuigspecificatie van Tesla. De berekende dichtheid moet daarom als benadering worden beschouwd. (Tesla)

Volkswagen vermeldt voor beide generaties e-Golf-batterijen officieel 318 kg. (VW Press)

In 2018 arriveerde de Audi e-tron met een batterij van 95 kWh die ongeveer 699 kg woog. De waarde is een nuttig voorbeeld van een pakket dat werd ontworpen rond krachtige koeling, structurele bescherming, reproduceerbaar laden en modulaire constructie, niet alleen rond een minimale massa.

Voor de BYD Seal wordt een pakketmassa van ongeveer 558 kg gebruikt voor de LFP Blade Battery van 82,56 kWh. Dat levert ongeveer 148 Wh/kg op en vormt een nuttige moderne LFP-referentie.

Renault publiceert officieel 52 kWh bruikbare capaciteit en een pakketmassa van 297 kg voor de Renault 5. De tabel gebruikt 55 kWh als de door EVKX gehanteerde bruto capaciteit, wat ongeveer 185 Wh/kg oplevert. (Renault Ireland)

Audi publiceert 105 kWh bruto capaciteit en 625 kg voor de vernieuwde e-tron GT-batterij. (Audi)

NIO publiceert 555 kg voor zijn batterijen van 100 kWh en 575 kg voor de versie van 150 kWh. (NIO)

Vroege EV-pakketten waren niet allemaal gelijk

De tabel toont geen eenvoudige stijging van jaar tot jaar.

De Mitsubishi i-MiEV en oorspronkelijke e-Golf waren behoudende vroege batterijsystemen met:

• Bescheiden capaciteit
• Laag laadvermogen
• Aanzienlijke ondersteunende structuur
• Ruimtegebruik dat door kleine platforms of platforms met meerdere aandrijfvormen werd beperkt

De eerste e-Golf haalde slechts 76 Wh/kg op pakketniveau.

De oorspronkelijke Tesla Model S was een belangrijke uitzondering. De grote, speciaal ontworpen vloerbatterij behaalde in 2012 ongeveer 157 Wh/kg, ondanks het gebruik van:

• 7.104 kleine cilindrische cellen
• 16 modules
• Vloeistofkoeling
• Duizenden elektrische verbindingen
• Een sterke structurele behuizing

De Model S liet zien hoe een cel met veel energie en een voertuig dat rond een groot vlak pakket was ontworpen, veel kleinere vroege EV-batterijen konden overtreffen.

Twee generaties e-Golf-batterijen

De twee e-Golf-pakketten bieden een uitzonderlijk duidelijke vergelijking, omdat de gepubliceerde pakketmassa, het aantal cellen en modules en de nominale spanning gelijk bleven.

Specificatie	e-Golf van 24,2 kWh	e-Golf van 35,8 kWh
Nominale capaciteit	24,2 kWh	35,8 kWh
Pakketmassa	318 kg	318 kg
Aantal cellen	264	264
Aantal modules	27	27
Nominale spanning	323 V	323 V
Berekende dichtheid	76 Wh/kg	113 Wh/kg

De latere batterij slaat ongeveer 48% meer energie op zonder toename van de gepubliceerde pakketmassa of het aantal cellen.

De verbetering kwam voornamelijk door een grotere celcapaciteit en niet door een grotere batterijbehuizing.

Modern LFP: BYD Seal Blade Battery

De BYD Seal biedt een nuttig voorbeeld van een modern LFP-pakket.

De Blade Battery van 82,56 kWh weegt ongeveer 558 kg, wat een berekende pakketdichtheid van circa 148 Wh/kg oplevert.

Dat is lager dan bij verschillende moderne nikkelhoudende pakketten, hoewel de Seal een efficiënte Cell-to-Body-architectuur gebruikt.

Het resultaat illustreert twee afzonderlijke effecten:

• LFP-cellen slaan normaal minder energie per kilogram op dan toonaangevende nikkelrijke cellen
• Efficiënte pakketintegratie verkleint het nadeel op celniveau, maar neemt het niet weg

Het pakket van de Seal is niet slecht ontworpen. Het geeft prioriteit aan een andere balans van:

• Materiaalkosten
• Cyclische levensduur
• Thermische stabiliteit
• Pakketintegratie
• Structurele efficiëntie

De pakketdichtheid mag daarom niet als een volledige kwaliteitsrangschikking voor batterijen worden beschouwd.

Renault 5: hoge dichtheid in een klein modulair pakket

De Renault 5 E-Tech is opmerkelijk omdat de compacte batterij met de gehanteerde brutowaarde van 55 kWh ongeveer 185 Wh/kg bereikt.

Specificatie	Renault 5 E-Tech
Door EVKX gebruikte bruto capaciteit	55 kWh
Officiële bruikbare capaciteit	52 kWh
Pakketmassa	297 kg
Berekende brutodichtheid	185 Wh/kg
Aantal modules	4

Het resultaat is bijzonder interessant omdat de Renault 5 geen moduleloos CTP-ontwerp gebruikt.

De vier grote modules verminderen herhaalde behuizingen, stekkers en ondersteunende componenten in vergelijking met pakketten die veel kleinere modules gebruiken.

Renault toont daarmee aan dat een hoge pakketdichtheid niet vereist dat het moduleniveau volledig wordt verwijderd.

De wisselbatterijen van NIO van 100 alsook 150 kWh

De batterijen van NIO van 100 alsook 150 kWh bieden nog een verhelderende vergelijking, omdat ze beide in de batterijwisselinterface van het bedrijf passen.

Specificatie	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Nominale capaciteit	100 kWh	150 kWh
Pakketmassa	555 kg	575 kg
Berekende dichtheid	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Verschil in massa	—	20 kg meer
Verschil in energie	—	50% meer

De batterij van 150 kWh slaat 50% meer nominale energie op en voegt slechts 20 kg toe ten opzichte van de gepubliceerde pakketspecificatie van 100 kWh.

De berekende dichtheid van ongeveer 261 Wh/kg ligt ver boven de gangbare voorbeelden in de tabel.

Ze mag niet als representatief voor de bredere EV-markt worden beschouwd. Het pakket gebruikt een gespecialiseerd celontwerp met hoge energie en is via het upgrade- en batterijwisselsysteem van NIO ingezet.

Waarom cijfers voor pakketdichtheid niet perfect vergelijkbaar zijn

Vergelijkingen van pakketdichtheid vereisen voorzichtigheid.

Fabrikanten kunnen verschillen in hun definitie van:

• Bruto capaciteit
• Nominale capaciteit
• Volledige pakketmassa
• Koelmiddelmassa
• Massa van de junction box
• Bodembescherming
• Gedeelde structurele componenten
• Productie- tegenover prototypespecificatie

Ook de voertuigeisen verschillen.

Een prestatie-EV kan meer nodig hebben van:

• Koeling
• Busbarcapaciteit
• Hardware voor hoge stroom
• Botsbescherming

Een SUV of terreinwagen kan een zwaardere behuizing nodig hebben dan een compacte hatchback.

Een wisselbatterij vereist structurele en mechanische interfaces die een permanent gemonteerd pakket niet nodig heeft.

Een pakket met een lagere dichtheid kan nog altijd het volgende bieden:

• Sneller en beter reproduceerbaar laden
• Betere koeling
• Meer botsbescherming
• Eenvoudigere vervanging van modules
• Hoger aanhoudend vermogen
• Langere levensduur
• Lagere productiekosten

Energiedichtheid op pakketniveau is nuttig, maar geen volledige score voor batterijkwaliteit.

Wat de pakketarchitectuur voor een EV-koper betekent

De pakketconfiguratie is normaal geen eigenschap die een koper rechtstreeks hoeft te vergelijken.

Een 180s1p-batterij is niet per definitie beter dan een 96s46p-batterij.

In het dagelijks gebruik telt het resultaat van het volledige ontwerp:

• Bruikbare batterijcapaciteit
• Voertuigefficiëntie
• Laadcurve
• Laden bij koud weer
• Preconditionering van de batterij
• Continu- en piekvermogen
• Degradatie
• Thermisch beheer
• Garantiedekking
• Bescherming tegen thermische voortplanting
• Reparatiemogelijkheden voor pakket en modules
• Vervangingskosten na schade

Een hogere spanning kan een EV helpen om veel laad- en aandrijfvermogen te bereiken, maar spanning alleen bepaalt de laadsnelheid niet.

Cell-to-Pack en structurele integratie kunnen gewicht verminderen en het ruimtegebruik verbeteren. Ze kunnen ook de reparatieprocedures veranderen en de gevolgen van schade aan de onderzijde of structuur vergroten.

Een modulair pakket kan meer reparatiemogelijkheden bieden, maar alleen wanneer vervangende onderdelen, diagnose en goedgekeurde procedures beschikbaar zijn.

De beste accupakketarchitectuur is de architectuur die voldoet aan de voertuigeisen voor:

• Prestaties
• Bereik
• Laden
• Veiligheid
• Duurzaamheid
• Productiekosten
• Ruimtegebruik
• Onderhoudbaarheid

De nieuwste afkorting is niet automatisch de beste batterij.

Zie Veiligheid en storingsbeheer van EV-batterijen voor de beschermingslagen rond de cellen en het complete pakket.

Bronnen

• Audi Q8 e-tron: batterijcapaciteit en laden
• Porsche Macan: batterij en laden
• US Department of Energy: batterijtests van de Mitsubishi i-MiEV
• Volkswagen: persinformatie over de e-Golf
• Audi: PPE-hoogspanningsbatterij
• NIO: gebruikershandleiding van de ET7
• Porsche Cayenne Electric: hoogspanningssysteem
• Volkswagen Group: batterij- en energietechnologieën
• Tesla Model S: specificaties
• Renault 5 E-Tech: specificaties
• Audi e-tron GT: hoogspanningsbatterij