Thermisch beheer van de batterij

De batterijtemperatuur beïnvloedt laden, vermogensafgifte, regeneratief remmen, efficiëntie en duurzaamheid, omdat cellen niet bij iedere temperatuur even goed energie kunnen opnemen of leveren.

Een thermisch beheersysteem voor de batterij (BTMS) verwarmt en koelt het pakket daarom en maakt de temperatuur gelijkmatiger op basis van chemie, laadtoestand, vereist vermogen en de regelstrategie van de fabrikant.

Waarom de batterijtemperatuur ertoe doet

Batterijcellen zijn elektrochemische apparaten. Weerstand, reactiesnelheid, beschikbare energie en verouderingsgedrag veranderen allemaal met de temperatuur.

Het thermische beheersysteem moet verschillende prioriteiten in evenwicht brengen:

Voldoende vermogen voor rijden beschikbaar maken
Veel laadvermogen en vermogen voor regeneratief remmen toestaan
Elektrische verliezen beperken
Cellen binnen veilige grenzen houden
Degradatie op lange termijn verminderen
Vergelijkbare temperaturen in het hele pakket handhaven
Zo weinig mogelijk energie voor verwarming en koeling gebruiken

Een batterij kan zich binnen haar veilige temperatuurbereik bevinden zonder voor iedere taak de beste temperatuur te hebben.

Er bestaat geen universele ideale batterijtemperatuur. Een temperatuur die voor efficiënt rijden geschikt is, kan nog te laag zijn voor maximaal snellaadvermogen. Een batterij die voor laden met hoog vermogen is voorbereid, kan warmer zijn dan nodig voor parkeren of langdurige opslag. Audi beschrijft bijvoorbeeld een voorkeursbereik van 30–35°C voor de batterij van de e-tron GT onder veeleisende rij- en laadomstandigheden, maar dit is geen universeel doel voor iedere EV. (Audi)

Wat er gebeurt wanneer de batterij koud is

Een lage temperatuur vertraagt de verplaatsing van ionen door elektrolyt en elektrodematerialen. De interne weerstand neemt toe, waardoor bij een bepaalde stroom een grotere spanningsdaling en meer warmteontwikkeling ontstaan.

De bestuurder kan het volgende merken:

Minder acceleratie
Lager piek- en continuvermogen
Beperkt regeneratief remmen
Langzamer DC-laden
Minder direct beschikbare energie
Hoger verbruik tijdens korte winterritten

Een lage temperatuur beschadigt een batterij normaal niet op zichzelf. Het grotere risico ontstaat wanneer een koude cel met hoge stroom wordt geladen.

In conventionele lithium-ioncellen met een negatieve elektrode op grafietbasis kunnen lithiumionen het elektrodeoppervlak sneller bereiken dan ze in het grafiet kunnen worden opgenomen. Dan kan zich via een proces dat lithiumplating wordt genoemd metallisch lithium op het oppervlak vormen.

Lithiumplating kan:

Lithium verbruiken dat anders voor cyclisch gebruik beschikbaar zou blijven
Capaciteitsverlies vergroten
De interne weerstand verhogen
Ongelijkmatige afzettingen vormen
In ernstige gevallen veiligheidsrisico's vergroten

Het BMS beperkt daarom laden en regeneratief remmen totdat de cellen warm genoeg zijn om meer stroom op te nemen. Snelladen zonder lithiumplating blijft een van de belangrijkste technische uitdagingen bij koud laden of laden met een hoge C-rate. (US Department of Energy)

Wat er gebeurt wanneer de batterij heet is

Een warmere batterij heeft aanvankelijk een lagere weerstand en kan vaak meer vermogen leveren of opnemen. Dit betekent niet dat heter altijd beter is.

Een hoge temperatuur versnelt ongewenste reacties tussen elektroden en elektrolyt. Langdurige blootstelling kan bijdragen aan:

Snellere kalenderveroudering
Verlies van actief lithium
Groei van oppervlaktelagen zoals de SEI
Ontleding van de elektrolyt
Gasvorming
Toegenomen interne weerstand
Kortere cyclische levensduur

Temperatuur en laadtoestand beïnvloeden elkaar. Een batterij langdurig bij zowel een hoge temperatuur als hoge SOC parkeren is doorgaans belastender dan haar kort voor een laadsessie opwarmen.

Ook hoge temperaturen tijdens extreem snelladen zijn moeilijk te beheersen. Onderzoek van het Amerikaanse Department of Energy noemt warmteontwikkeling in de batterij en temperaturen boven ongeveer 45°C belangrijke obstakels voor aanhoudende prestaties bij extreem snelladen en voor de batterijlevensduur. De exacte grens blijft afhankelijk van chemie en ontwerp. (US Department of Energy)

Waar batterijwarmte vandaan komt

Een batterij ontwikkelt warmte wanneer er stroom loopt.

Bronnen zijn:

Elektrische weerstand in de cellen
Ionentransport door elektrolyt en elektroden
Elektrochemische reacties
Celtabs en stroomcollectoren
Busbars en elektrische verbindingen
Contactoren en pakketverbindingen
Inefficiëntie tijdens laden en ontladen
Warmteoverdracht van nabije vermogenselektronica

Weerstandswarmte neemt ongeveer met het kwadraat van de stroom toe:

Weerstandswarmte ∝ Stroom² × Weerstand

Een verdubbeling van de stroom kan dus ongeveer viermaal zoveel weerstandswarmte ontwikkelen als de weerstand gelijk blijft.

Dit verklaart waarom veeleisende omstandigheden een hoge thermische belasting veroorzaken:

DC-laden met hoog vermogen
Herhaald krachtig accelereren
Langdurig rijden met hoge snelheid
Lange beklimmingen
Trekken van een aanhanger
Circuitgebruik
Krachtig regeneratief remmen

Warmte ontstaat niet altijd gelijkmatig. Het midden van een grote cel kan warmer zijn dan het buitenoppervlak. Cellen nabij koelmiddeluitlaten of pakketranden kunnen bij andere temperaturen werken dan cellen elders in het pakket. Onderzoek van NREL heeft temperatuurongelijkheid in verband gebracht met plaatselijke verschillen in laadtoestand, lithiumplating, SEI-groei en degradatie. (US Department of Energy)

Er bestaat geen universele ideale temperatuur

De gewenste batterijtemperatuur hangt af van wat het voertuig gaat doen.

Normaal rijden

Bij gematigd rijden kan het systeem prioriteit geven aan laag hulpverbruik in plaats van de batterij tot het snellaaddoel te verwarmen of koelen.

Rijden met hoog vermogen

Herhaald accelereren, trekken, klimmen of rijden met hoge snelheid kan extra koeling vereisen om het beschikbare vermogen te handhaven.

DC-snelladen

De batterij moet vaak warmer zijn dan tijdens gewoon rijden in de winter. De celweerstand moet laag genoeg zijn om hoge stroom op te nemen zonder een te grote spanningsstijging of lithiumplating.

Parkeren

De auto houdt de batterij tijdens parkeren doorgaans niet op de snellaadtemperatuur. Dat zou energie verspillen. Het pakket mag normaal binnen een ruimer beschermend temperatuurbereik bewegen.

Langdurige opslag

Een hoge temperatuur en hoge SOC zijn onwenselijk voor langdurige opslag, ook al kan een tijdelijk warme batterij doeltreffender laden of vermogen leveren.

Thermisch beheer is dus een voortdurende afweging tussen directe prestaties, energiegebruik en veroudering.

Architecturen voor thermisch beheer

EV-fabrikanten gebruiken verschillende methoden om warmte de batterij in en uit te verplaatsen.

De belangrijkste benaderingen zijn:

Passief thermisch beheer
Luchtkoeling
Indirecte vloeistofkoeling
Directe koudemiddelkoeling
Geïntegreerde koelmiddel- en warmtepompsystemen

De meeste moderne EV's die voor hoog laadvermogen zijn ontworpen, gebruiken actieve vloeistofkoeling, vaak via een warmtewisselaar of chiller met het koudemiddelcircuit van het voertuig verbonden.

Passief thermisch beheer

Een passief beheerde batterij vertrouwt hoofdzakelijk op warmteoverdracht via:

Celbehuizingen
Modulestructuren
Batterijbehuizing
Voertuigonderzijde
Omringende lucht

Deze aanpak heeft weinig componenten en verbruikt weinig energie.

Voordelen

Lage kosten
Laag gewicht
Geen pompen of koelmiddel
Weinig onderhoudspunten
Laag stand-byverbruik

Beperkingen

Beperkt warmteafvoerend vermogen
Sterke afhankelijkheid van de omgevingstemperatuur
Langzame verwarming en koeling
Moeilijk om gelijkmatige celtemperaturen te handhaven
Slecht geschikt voor herhaald laden met hoog vermogen

Passief thermisch beheer kan voor een stads-EV met laag vermogen voldoende zijn, maar wordt steeds beperkter naarmate laadsnelheid, batterijgrootte en aanhoudend vermogen toenemen.

Luchtkoeling

Luchtgekoelde systemen verplaatsen omgevings- of cabinelucht door of rond de batterij.

De luchtstroom kan door ventilatoren of de beweging van het voertuig worden opgewekt.

Voordelen

Eenvoudiger dan vloeistofkoeling
Lagere massa
Geen batterij-koelmiddelcircuit
Minder risico op koelmiddellekkage

Beperkingen

Lucht voert veel minder warmte af dan vloeibaar koelmiddel
Koeling hangt sterk af van de luchttemperatuur
Luchtkanalen nemen ruimte in
Gelijkmatige temperaturen kunnen moeilijk te handhaven zijn
Ventilatorgeluid en energieverbruik nemen bij hoge belasting toe

Een luchtgekoelde batterij kan één snellaadsessie succesvol voltooien, maar moeite hebben om voor herhaald laden genoeg warmte af te voeren. Nissan documenteerde tijdens tests van de luchtgekoelde LEAF e+-batterij een dalend laadvermogen vanaf de tweede snellaadsessie. (Nissan)

Indirecte vloeistofkoeling

Indirecte vloeistofkoeling is de meest gebruikte architectuur in huidige EV's met hoog vermogen.

Een koelmiddel van water en glycol stroomt door:

Koelplaten onder de cellen
Kanalen naast de celrijen
Geëxtrudeerde delen in de pakketvloer
Platen die de brede vlakken van cellen raken
Koelstructuren die in modules zijn geïntegreerd

Het koelmiddel stroomt normaal niet in de cellen. Warmte moet verschillende lagen passeren:

Binnenzijde van de cel
Celbehuizing
Thermisch interfacemateriaal
Koelplaat
Koelmiddel

Thermisch interfacemateriaal kan een pad, pasta, lijm, gel of een andere geleidende laag zijn die kleine spleten tussen cel of module en koelplaat opvult.

De Audi Q4 e-tron gebruikt een afzonderlijk batterijcircuit voor lage temperatuur waarin een water-glycolmengsel door vlakke kanalen onder de celcompartimenten stroomt. Thermische pasta verbindt de cellen met de koelstructuur, terwijl een hoogspanningsverwarming het koelmiddel bij koude omstandigheden verwarmt. (Audi)

Voordelen

Groot warmteoverdrachtsvermogen
Gelijkmatiger temperatuur dan bij passieve of luchtkoeling
Doeltreffende verwarming en koeling via dezelfde platen
Geschikt voor rijden en laden met hoog vermogen
Kan met een radiator, chiller of warmtepomp worden verbonden

Afwegingen

Voegt koelmiddel, pompen, kleppen, slangen en warmtewisselaars toe
Verhoogt gewicht en kosten
Creëert mogelijke lek- en onderhoudspunten
Vereist zorgvuldige afdichting en corrosiebeheersing
Koelprestaties hangen af van het contact tussen cellen en platen

Koeling via een radiator

Wanneer de omgevingslucht koel genoeg is, kan het batterijkoelmiddel warmte via een radiator afgeven.

Dit is vaak de energiezuinigste koelmodus, omdat het systeem mogelijk alleen nodig heeft:

Een koelmiddelpomp
Luchtstroom door de radiator
Een koelventilator wanneer de voertuigsnelheid onvoldoende is

Radiatorkoeling kan de batterijtemperatuur niet onder de omgevingstemperatuur brengen. Ook kan ze tijdens warm weer of laden met hoog vermogen onvoldoende worden.

Koeling met een koudemiddelchiller

Wanneer de radiator onvoldoende warmte kan afvoeren, kan het koelmiddel door een chiller lopen die met het koudemiddelcircuit van de airconditioning is verbonden.

De chiller draagt warmte van het batterijkoelmiddel over aan het koudemiddel. De elektrische compressor verplaatst deze warmte vervolgens door het airconditioningsysteem en geeft ze buiten het voertuig af.

Een vereenvoudigd warmtepad is:

Batterijcellen
    ↓
Koelplaat
    ↓
Water-glycolkoelmiddel
    ↓
Koudemiddelchiller
    ↓
Koudemiddel van de airconditioning
    ↓
Condensor en buitenlucht

Hiermee kan het voertuig de batterij tot onder de omgevingstemperatuur koelen of haar onder aanhoudende thermische belasting op temperatuur houden.

De Audi e-tron GT gebruikt vier onderling verbonden koelcircuits. Bij hoge rij- of laadbelasting verbinden kleppen het batterijcircuit met het koudemiddelcircuit van de airconditioning voor intensievere koeling. (Audi)

Directe koudemiddelkoeling

Sommige ontwerpen plaatsen koudemiddelkanalen of verdamperoppervlakken rechtstreeks tegen de koelstructuur van de batterij, in plaats van eerst een afzonderlijke water-glycollus te gebruiken.

Dit kan het aantal warmteoverdrachtsfasen verminderen en krachtige koeling bieden.

Afwegingen zijn:

Moeilijkere verdeling van koudemiddel
Grotere gevoeligheid voor druk en afdichting
Complexere onderhoudsprocedures
Risico op ongelijkmatige koeling als de koudemiddelstroom niet goed wordt beheerst
Nauwere integratie van batterij en HVAC-systeem

Indirecte vloeistofkoeling blijft gangbaar, omdat ze het batterijkoelcircuit van het koudemiddelcircuit onder hoge druk scheidt.

Geïntegreerd thermisch beheer

Moderne thermische EV-systemen verbinden batterij, motoren, vermogenselektronica, laadhardware en cabine steeds vaker.

Afhankelijk van de huidige omstandigheden kan warmte:

Uit de batterij worden afgevoerd
Opnieuw worden gebruikt om de cabine te verwarmen
Van de aandrijflijn naar de batterij worden verplaatst
Via een radiator worden afgegeven
Door het koudemiddelcircuit worden verplaatst
Door een warmtepomp aan de buitenlucht worden onttrokken

De Audi Q6 e-tron gebruikt warmtewisselaars voor koel- en koudemiddel, terwijl het voorspellende regelsysteem de verwarming en koeling van de batterij coördineert. Nissan beschrijft eveneens een geïntegreerd systeem dat warmte die tijdens rijden en laden ontstaat opnieuw voor batterij en cabine gebruikt. (Audi)

Methoden om de batterij te verwarmen

Het verwarmen van een koude batterij kost energie. Fabrikanten verschillen in de manier waarop ze deze leveren.

Hoogspanningsverwarming voor koelmiddel

Een afzonderlijke elektrische verwarming kan het koelmiddel verwarmen dat door de koelplaten van de batterij stroomt.

Verwarmingselementen met een positieve temperatuurcoëfficiënt, of PTC, worden veel gebruikt omdat hun elektrische weerstand toeneemt naarmate ze heter worden. Dit helpt overmatige verwarming te beperken.

Voordelen

Werkt in vrijwel alle omgevingsomstandigheden
Levert voorspelbaar verwarmingsvermogen
Kan de batterij verwarmen zonder te rijden
Relatief eenvoudig te regelen

Afwegingen

Elektrische energie wordt rechtstreeks in warmte omgezet
Hoog verwarmingsvermogen kan het beschikbare rijbereik verminderen
Voegt hardware, gewicht en kosten toe

Audi gebruikt hoogspanningsverwarming in verschillende thermische EV-systemen, waaronder het koelcircuit van de Q4 e-tron. (Audi)

Verwarming met een warmtepomp

Een warmtepomp verplaatst warmte in plaats van deze volledig met elektrische weerstand te produceren.

Mogelijke warmtebronnen zijn:

Buitenlucht
Koelmiddel van motor en omvormer
Laadhardware
Afvoerlucht uit de cabine
Het koudemiddelcircuit

Onder geschikte omstandigheden kan een warmtepomp meer thermische energie verplaatsen dan haar compressor aan elektrische energie verbruikt.

De prestaties nemen af naarmate het temperatuurverschil groter wordt. Veel voertuigen combineren een warmtepomp daarom met weerstandsverwarming voor snelle verwarming of zeer koude omstandigheden.

Terugwinning van restwarmte

Motoren, omvormers, boordladers en DC-DC-omvormers ontwikkelen tijdens bedrijf warmte.

Een geïntegreerd thermisch systeem kan een deel van deze warmte omleiden naar:

De batterij
De cabine
Een andere koelmiddellus

Terugwinning van restwarmte is nuttig tijdens rijden en laden, maar kan na een koude start niet altijd genoeg warmte leveren. Nissan beschrijft het hergebruik van warmte uit aandrijflijn en laden als onderdeel van zijn geïntegreerde strategie voor temperatuurregeling. (Nissan)

Warmte die tijdens het rijden ontstaat

Rijden zelf verwarmt de batterij, omdat de stroom warmte ontwikkelt.

Een koud pakket kan geleidelijk laadvermogen en regeneratief remvermogen terugkrijgen na:

Rijden op de snelweg
Klimmen
Krachtig accelereren
Langdurig gebruik van vermogen

Deze verwarming is niet gratis. De warmte komt van energie die door weerstand en andere inefficiënties verloren gaat.

Sommige voertuigen kunnen vóór het laden doelbewust extra elektrische belasting creëren of de werking van de aandrijflijn aanpassen. Of dit wordt gebruikt en hoe krachtig, hangt af van de thermische voertuigarchitectuur.

Plaatsing van koelplaten

De positie van het koeloppervlak beïnvloedt hoe doeltreffend warmte zich door de cel kan verplaatsen.

Gebruikelijke indelingen zijn:

Bodemkoeling
Zijwandkoeling
Koeling tussen celrijen
Koeling via brede vlakken
Koeling via tabs of polen
Dubbelzijdige koeling

Bodemkoeling

Een plaat onder de modules of cellen is relatief gemakkelijk in een vlak pakket te integreren. Warmte uit de bovenste delen van een hoge cel moet naar de koelplaat afdalen.

Koeling via zijwand of breed vlak

Koeling van de grote vlakken van prismatische of pouchcellen kan het warmtepad verkorten, maar vereist consistent mechanisch contact en compressie.

Koeling tussen celrijen

Kanalen tussen cilindrische cellen bieden een groot contactoppervlak, maar nemen pakketruimte in en creëren veel herhaalde koelmiddelpaden.

Dubbelzijdige koeling

Koeling van een grote cel aan beide zijden verkleint de afstand die warmte moet afleggen en kan de temperatuur gelijkmatiger maken.

De Porsche Cayenne Electric gebruikt koelplaten boven en onder elk van zijn zes modules. Volgens Porsche kunnen de platen de batterij zowel verwarmen als koelen, waardoor de grote pouchcellen hun doeltemperatuur doeltreffender bereiken. (Porsche Newsroom)

Gelijkmatige temperatuur

De gemiddelde pakkettemperatuur verlagen is niet genoeg. Het thermische systeem moet ook verschillen tussen cellen en binnen iedere cel minimaliseren.

Een ongelijkmatige temperatuur kan veroorzaken:

Verschillende celweerstand
Ongelijkmatige stroomverdeling
Verschillende laadtoestanden
Plaatselijke veroudering
Plaatselijke lithiumplating
Eén celgroep die vroeg een spanningslimiet bereikt
Minder bruikbare capaciteit

Mogelijke probleemgebieden zijn:

Het midden van grote cellen
Modules ver van de koelmiddelinlaat
Cellen dicht bij contactoren en busbars
Dicht opeengepakte centrale modules
Cellen met slecht contact met de koelplaat
Gebieden die aan warmte van weg of uitlaat zijn blootgesteld

Het thermische beheersysteem, BMS, koelplaatontwerp, celformaat en pakketcompressie dragen allemaal bij aan een gelijkmatige temperatuur. DOE-onderzoek naar cellen voor extreem snelladen noemt interne temperatuurgradiënten als oorzaak van ongelijkmatige degradatie en als beperking voor grote cellen die slechts aan één zijde worden gekoeld. (US Department of Energy)

Preconditionering van de batterij

Preconditionering brengt het pakket dichter bij de temperatuur die voor een geplande taak nodig is.

De term verwijst meestal naar voorbereiding op DC-snelladen, maar kan ook omvatten:

Verwarmen vóór vertrek
Koelen vóór laden
Voorbereiden op veel aandrijfvermogen
Een geschikte temperatuur handhaven terwijl het voertuig op AC-laden is aangesloten

Preconditionering betekent niet altijd verwarmen. Een hete batterij kan actieve koeling nodig hebben voordat ze een snellader bereikt.

Preconditionering voor snelladen

Wanneer in het ingebouwde navigatiesysteem een DC-snellader wordt gekozen, kan het voertuig schatten hoeveel verwarming of koeling vóór aankomst nodig is.

Invoer kan zijn:

Huidige batterijtemperatuur
Omgevingstemperatuur
Afstand en rijtijd
Verwachte SOC bij aankomst
Recente rijbelasting
Verwacht vermogen van de lader
Hoogteprofiel en snelheid van de route

Vervolgens past het systeem tijdens de rit de verwarming of koeling aan.

Het thermische beheer van de Audi e-tron GT kan ongeveer een halfuur vóór aankomst bij een geplande lader met hoog vermogen de batterijkoeling intensiveren, of het pakket bij koude omstandigheden verwarmen.

Preconditionering garandeert geen pieklaadvermogen. Laden hangt nog steeds af van:

SOC bij aankomst
Spanning en stroom van de lader
Celspanning
Celonbalans
Pakkettemperatuur
Batterijtoestand
De laadcurve van het voertuig
Vermogensdeling op de laadlocatie

Handmatige preconditionering

Bij sommige EV's kan de bestuurder de batterijvoorbereiding handmatig starten.

Dit is nuttig wanneer:

Een telefoon of routeplanner van een derde partij wordt gebruikt
De lader in de ingebouwde database ontbreekt
De geplande laadstop is veranderd
De bestuurder geen routebegeleiding gebruikt
Het voertuig het verkeerde ladertype heeft gekozen
Laden eerder wordt verwacht dan het navigatiesysteem voorspelt

Handmatige preconditionering kan nog steeds beperkingen hebben:

Een minimale SOC
Temperatuurafhankelijke beschikbaarheid
Een vaste maximale gebruiksduur
Automatische uitschakeling
Minder verwarmingsvermogen bij een lage SOC
Annulering als de bestuurder van bedrijfsmodus verandert

Het starten van preconditionering bewijst evenmin dat de batterij haar doeltemperatuur heeft bereikt. De beschikbare voorbereidingstijd en het verwarmingsvermogen blijven van belang.

Preconditionering vóór vertrek

Wanneer de EV op thuisladen is aangesloten, kan geplande preconditionering netenergie gebruiken om de cabine en, bij sommige voertuigen, de batterij te verwarmen.

Dit kan de hoeveelheid opgeslagen batterij-energie verminderen die onmiddellijk na vertrek wordt gebruikt.

Drie functies mogen niet worden verward:

Preconditionering van de cabine
Preconditionering van de batterij
Laden dat zo is gepland dat het nabij vertrek eindigt

Sommige EV's voeren alle drie uit. Andere verwarmen alleen de cabine.

Het laden kort vóór vertrek voltooien kan toch helpen, omdat laden warmte in de cellen ontwikkelt. Een batterij die onlangs klaar was met laden, kan de rit warmer beginnen dan een batterij die vele uren eerder klaar was.

Een analyse van het Amerikaanse Department of Energy merkt op dat bij preconditionering terwijl het voertuig is aangesloten energie rechtstreeks uit het net kan komen en energieverliezen door een koude start tijdens korte winterritten kan verminderen. (US Department of Energy)

Koelen vóór snelladen

Bij warm weer of na veeleisend gebruik kan de batterij te heet in plaats van te koud zijn.

Dit kan optreden na:

Langdurig rijden met hoge snelheid
Trekken van een aanhanger
Rijden in de bergen
Circuitgebruik
Een eerdere snellaadsessie
Parkeren in sterke zon
Herhaald accelereren

Het voertuig kan ruim vóór de laadstop met actieve koeling beginnen. Een groot pakket heeft veel thermische massa en kan niet onmiddellijk van temperatuur veranderen.

Preconditionering heeft daarom genoeg reistijd nodig om warmte uit de binnenzijde van de cellen af te voeren en niet alleen de gemeten oppervlakken te koelen.

Waarom preconditionering bij een lage SOC kan stoppen

Het verwarmen en koelen van de batterij kost energie.

Bij een lage SOC moet de fabrikant het volgende in evenwicht brengen:

De lader bereiken
De batterij voorbereiden
Een reserve behouden
Te diepe celontlading voorkomen
Cabineverwarming handhaven

Het systeem kan de preconditionering van de batterij verminderen of stoppen wanneer de SOC onder een vastgelegde drempel komt.

De drempel verschilt per voertuig en kan met software veranderen. Het bovenstaande Kia EV9-voorbeeld toont één uitvoering en mag niet als algemene 12%-regel worden geïnterpreteerd.

Energiegebruik en rijbereik

Preconditionering van de batterij verbruikt energie. Wanneer het voertuig niet is aangesloten, komt deze energie uit de tractiebatterij en vermindert ze de hoeveelheid die voor aandrijving beschikbaar is.

De belangrijkste voordelen zijn:

Kortere laadstops
Meer beschikbaar aandrijfvermogen
Meer regeneratief remmen
Minder risico op schade door koud laden
Voorspelbaardere prestaties

Een warmere batterij kan een lagere weerstand hebben, maar dit betekent niet dat preconditionering altijd het totale rijbereik vergroot. De energie die door minder verliezen wordt bespaard kan kleiner zijn dan de energie die voor verwarming wordt gebruikt.

Tijdens een lange rit met een snellaadstop kan batterij-energie gebruiken voor preconditionering de totale reistijd toch aanzienlijk verkorten.

Wanneer het voertuig is aangesloten, biedt preconditionering op netenergie normaal het duidelijkste bereikvoordeel, omdat vóór vertrek minder opgeslagen energie wordt verbruikt.

Herhaald snelladen en thermische verzadiging

Het pieklaadvermogen beschrijft slechts één deel van de prestaties tijdens een lange reis.

Na één laadsessie blijft warmte achter in:

Binnenzijde van de cellen
Modulestructuren
Koelplaten
Koelmiddel
Busbars en polen
De batterijbehuizing

Deze opgehoopte warmte wordt vaak thermische verzadiging genoemd.

De volgende laadstop kan met een warmere batterij beginnen, ook als het dashboard geen waarschuwing toont. Het thermische systeem moet tijdens de rit warmte afvoeren en vóór het volgende laden een voldoende gelijkmatige temperatuur handhaven.

Een goed systeem voor lange afstanden moet:

De batterij vóór de eerste stop voorbereiden
Tijdens het laden warmte afvoeren
Na vertrek blijven koelen
Een te grote temperatuurstijging bij de volgende stop voorkomen
Reproduceerbaar laadvermogen handhaven
Onnodig verbruik van compressor en ventilator beperken

De Audi e-tron GT gebruikt onderling verbonden koel- en koudemiddelcircuits om herhaald hoog vermogen en snelladen te ondersteunen. De routegebaseerde thermische strategie kan de batterij vóór de laadstop verwarmen of koelen. (Audi)

Twee EV's met hetzelfde opgegeven piekvermogen kunnen daarom over meerdere laadsessies verschillend presteren.

Aanhoudende prestaties

Thermisch beheer bepaalt ook hoelang een EV een hoog aandrijfvermogen kan handhaven.

Een batterij kan enkele seconden een zeer hoog vermogen ondersteunen, maar continu een lager vermogen vereisen door:

Warmteontwikkeling in de cellen
Temperatuur van omvormer of motor
Koelmiddeltemperatuur
Radiatorcapaciteit
Capaciteit van het koudemiddelsysteem
Omgevingsomstandigheden

Dit is van belang tijdens:

Rijden op de Autobahn
Trekken van een aanhanger
Lange beklimmingen
Circuitgebruik
Herhaald accelereren

Een krachtige motor garandeert geen reproduceerbare prestaties als batterij en thermisch systeem deze niet kunnen ondersteunen.

Thermisch beheer tijdens parkeren

De batterij kan blijven verwarmen of koelen na:

Snelladen
Een veeleisende rit
Parkeren bij extreme hitte
Aansluiten op AC-laden
Voltooien van een geplande rit

Bestuurders kunnen het volgende horen:

Koelmiddelpompen
Ventilatoren
Kleppen
De aircocompressor
Elektrische verwarming

Dit kan normaal zijn, ook nadat de auto is vergrendeld.

Het voertuig houdt de batterij normaal niet onbeperkt op de ideale snellaadtemperatuur. In plaats daarvan staat het een ruimer temperatuurvenster tijdens parkeren toe en grijpt het in wanneer dit voor bescherming, laden of een gepland vertrek nodig is.

Strategieën verschillen per voertuig. Sommige auto's regelen de batterijtemperatuur alleen actief terwijl ze zijn aangesloten, andere kunnen tractiebatterij-energie gebruiken wanneer de temperatuur beschermingsgrenzen nadert.

Thermisch gedrag per celchemie

De vereisten voor thermisch beheer hangen deels af van de celchemie, maar het ontwerp van het complete voertuig blijft doorslaggevend.

Nikkelrijke lithium-ioncellen

NMC-, NCA- en NCMA-cellen kunnen een hoge energiedichtheid en een hoog vermogen leveren.

Hun prestaties zijn afhankelijk van een zorgvuldige beheersing van:

Hoge temperaturen
Hoge celspanning
Laadstroom
Gelijkmatige koeling
Tijd bij een hoge laadtoestand

Nikkelrijke cellen worden veel gebruikt in voertuigen die een groot bereik en hoog vermogen vereisen, maar stellen hoge eisen aan koeling en regeling.

Lithium-ijzerfosfaat

LFP biedt een sterke thermische stabiliteit en een lange cycluslevensduur.

De belangrijkste thermische beperking is het gebruik bij lage temperaturen. Koude LFP-cellen kunnen leiden tot:

Sterkere beperking van het laden
Minder regeneratief remmen
Lager vermogen
Moeilijkere schatting van de laadtoestand
Grotere afhankelijkheid van actieve verwarming

Een goed verwarmde LFP-batterij kan ook in de winter krachtige laadprestaties leveren. De celchemie alleen bepaalt het resultaat niet.

Natrium-ion

Sommige natrium-ionontwerpen worden specifiek ontwikkeld voor gebruik binnen een breed temperatuurbereik.

CATL stelt dat zijn Naxtra-natrium-ioncel voor personenauto's bij −40 °C nog 90% van het bruikbare vermogen levert. Dit is een fabrikantspecificatie voor dat specifieke product, geen algemene eigenschap van alle natrium-ioncellen. (CATL)

Ook natrium-ionaccupakketten vereisen thermisch beheer, omdat:

Laden warmte veroorzaakt
Celveroudering temperatuurafhankelijk blijft
Een gelijkmatige temperatuur belangrijk is
Vermogens- en laadlimieten nog steeds met de temperatuur veranderen
Het interieur en de aandrijflijn thermische voorzieningen delen

Thermisch beheer en batterijveroudering

Thermisch beheer beïnvloedt zowel cyclusveroudering als kalenderveroudering.

Een goed systeem beperkt:

Lange perioden met een te hoge temperatuur
Snelladen wanneer de cellen te koud zijn
Grote temperatuurverschillen tussen cellen
Herhaald gebruik van hoog vermogen zonder voldoende koeling
Plaatselijke hotspots
Langdurige blootstelling aan een hoge temperatuur en een hoge laadtoestand

Het doel is niet om de batterij voortdurend op één temperatuur te houden. Dat zou te veel energie kosten.

In plaats daarvan gebruikt het systeem verschillende temperatuurdoelen voor:

Rijden
Snelladen
Parkeren
AC-laden
Hoog vermogen
Batterijbescherming

Een voertuig met krachtige koeling kan de cellen tijdens het snelladen bewust warm laten worden en die warmte daarna afvoeren. Een korte, beheerste opwarming is iets anders dan langdurige blootstelling aan hitte.

Normale koeling beschermt niet tegen thermal runaway

Normaal thermisch beheer voert de warmte af die tijdens regulier laden en rijden ontstaat.

Thermal runaway is een andere toestand. Hierbij kunnen zichzelf versnellende interne reacties meer warmte vrijgeven dan het gewone koelsysteem kan afvoeren.

Als thermal runaway in een cel begint, hoeft het openen van de contactoren en inschakelen van de koelmiddelpompen de reactie niet te stoppen. De energie is al chemisch in de cel opgeslagen.

Bescherming hangt ook af van:

Celchemie
Productiekwaliteit
Afstand tussen de cellen
Thermische barrières
Richting van de ontluchting
Afvoerwegen voor gassen
Drukontlasting van het accupakket
Foutdetectie
Botsbescherming
Voorkomen dat de reactie zich naar aangrenzende cellen uitbreidt

Thermisch beheer helpt voorkomen dat cellen tijdens normaal gebruik in schadelijke omstandigheden terechtkomen, maar vervangt geen specifieke bescherming tegen thermische propagatie. NREL behandelt de normale thermische regeling van een accupakket en het beheersen van thermische schade als verwante, maar afzonderlijke technische vraagstukken. (NREL)

Afwegingen bij het thermische systeem

Een krachtiger thermisch systeem is niet zonder nadelen.

Het voegt het volgende toe:

Gewicht
Kosten
Koelmiddel
Pompen
Kleppen
Warmtewisselaars
Componenten voor het koudemiddel
Sensoren
Softwarecomplexiteit
Elektriciteitsverbruik
Onderhouds- en lekkagepunten

Een grote chiller en compressor kunnen herhaald laden met hoog vermogen ondersteunen, maar nemen meer ruimte in en verbruiken meer energie.

Een eenvoudiger systeem kan prima geschikt zijn voor een voordelige stads-EV die zelden snellaadt. Datzelfde systeem kan ontoereikend zijn in een voertuig met groot bereik dat bedoeld is voor herhaald snelladen, het trekken van een aanhanger of langdurig rijden op hoge snelheid.

Technologieën voor thermisch beheer vereisen daarom afwegingen tussen prestaties, kosten, efficiëntie, inbouwruimte en duurzaamheid. Ook de technologieroutekaarten van het Amerikaanse ministerie van Energie noemen extra gewicht, kosten en complexiteit als belangrijke beperkingen voor thermisch beheer. (US Department of Energy)

Wat EV-kopers moeten vergelijken

Fabrikanten publiceren zelden genoeg technische details om de hardware van koelsystemen rechtstreeks te vergelijken. Gedrag in de praktijk biedt beter bewijs.

Nuttige vragen zijn onder meer:

Start de auto automatisch met preconditioneren wanneer naar een lader wordt genavigeerd?
Kan preconditionering ook handmatig worden gestart?
Verwarmt een gepland vertrek de batterij of alleen het interieur?
Hoelang heeft de batterij nodig om zich in de winter voor te bereiden?
Bij welke laadtoestand stopt de preconditionering?
Kan de auto de laadsnelheid tijdens opeenvolgende laadstops handhaven?
Hoe zijn de laadprestaties bij warm weer?
Wordt regeneratief remmen sterk beperkt wanneer de batterij koud of vol is?
Behoudt de auto zijn aandrijfvermogen bij het trekken van een aanhanger of langdurig rijden op hoge snelheid?
Kan de bestuurder de batterijtemperatuur zien?
Blijft het voertuig na het laden koelen?
Is een warmtepomp standaard, optioneel of niet beschikbaar?

Het maximale laadvermogen alleen zegt weinig over de thermische prestaties. Belangrijker is of de EV met een voorbereide batterij bij een lader kan aankomen, een krachtige laadcurve kan handhaven en deze prestaties gedurende de hele reis kan herhalen.

Zie voor gerelateerd batterijgedrag Batterij laden en laadprestaties, Batterijdegradatie en Veiligheid en storingsbeheer van EV-batterijen.