Thermisch beheer van EV-accu’s: koelen, verwarmen en voorconditioneren

Een koude accu moet mogelijk worden verwarmd vóór het snelladen; een warme accu moet wellicht eerst afkoelen om hetzelfde vermogen te kunnen opnemen. Thermisch accubeheer voert warmte naar het pakket of eruit, bereidt het voor op rijden of laden en beperkt daarbij energieverbruik en temperatuurverschillen.

Dit hoofdstuk sluit aan op de celconstructie in Celformaten en de integratie in het voertuig in Batterijpakket en configuratie.

Waarom temperatuurdoelen veranderen

Lage temperaturen verhogen de weerstand en vertragen de processen waarmee een cel lading opneemt. Bij lithium-ioncellen met grafiet kan een te hoge laadstroom metallisch lithium afzetten op de negatieve elektrode in plaats van het in het grafiet op te slaan. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Celchemie en componenten legt dit mechanisme van lithiumplating uit.

Deze grenzen beïnvloeden zowel laden als rijden. Tesla’s handleiding voor de Model 3 beschrijft lagere laadsnelheden en minder regeneratief remmen bij een koude accu, en het opwarmen van de accu vóór een geplande laadstop. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning

Opwarmen kan de laadprestaties verbeteren, maar langdurige blootstelling aan warmte versnelt veroudering. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) De langetermijneffecten van temperatuur en laadtoestand staan in Batterijdegradatie. Vóór een snellaadstop kan de auto een accu voorbereiden die al warm genoeg was om te rijden; Audi beschrijft hiervoor het opwarmen van een zeer koude e-tron GT-accu. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

Fabrikanten noemen temperaturen voor verschillende doeleinden. Audi’s documentatie uit 2021 geeft 30–35°C als voorkeurstemperatuur voor de accu van de oorspronkelijke e-tron GT. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021) Porsches aankondiging van de Cayenne Electric uit 2025 noemt juist een beginvoorwaarde voor laden: de opgegeven optimale snellaadcurve is haalbaar vanaf een accutemperatuur van 15°C. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025)

Warmteproductie en warmteopslag

Weerstand en elektrochemische verliezen produceren warmte tijdens laden en ontladen. Voor de bijdrage van weerstand geldt:

P = I²R

Hier is P het thermische vermogen in watt, I de stroom in ampère en R de weerstand in ohm. Bij gelijkblijvende weerstand levert een verdubbeling van de stroom viermaal zoveel weerstandsverwarming op. Celreacties hebben ook een omkeerbare thermische bijdrage die warmte kan afgeven of opnemen, afhankelijk van elektrodematerialen, laadtoestand en stroomrichting. Wind and Vie: Entropy Profiles for Li-Ion Batteries (2025)

De pakkettemperatuur stijgt wanneer geproduceerde en toegevoerde warmte groter zijn dan de afgevoerde warmte. Cellen en pakketmaterialen slaan thermische energie op. Na het inschakelen van de koeling duurt het daarom even voordat de temperatuur in het hele pakket verandert.

Binnen een cel bepalen de warmtecapaciteiten en thermische weerstanden van materialen hoe de temperatuur verandert en warmte het koeloppervlak bereikt. Li en collega’s modelleren deze eigenschappen afzonderlijk voor het elektrodesamenstel, de stroomcollectoren en de celbehuizing. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021)

Hoe warmte de accu verlaat

Koelen omvat twee samenhangende taken: warmte vanuit de cellen overbrengen naar een koeloppervlak en die vervolgens vervoeren naar een plek die haar kan opnemen of afgeven. Het koelvloeistof- of koudemiddelcircuit bepaalt het tweede deel; de celconstructie en het contact met de koelstructuur bepalen het eerste.

Passieve warmteafvoer en geforceerde luchtkoeling

Passieve koeling voert warmte af via de pakketstructuur en de omringende lucht. Geforceerde luchtkoeling gebruikt een ventilator. Luchtkoeling kan de techniek eenvoudiger maken, maar door de lage warmtecapaciteit van lucht zijn warmteafvoer en een gelijkmatige temperatuur lastiger dan bij vloeistofkoeling. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

De Nissan LEAF e+ van de tweede generatie is een bruikbaar voorbeeld van passieve koeling. Nissans technische publicatie uit 2022 omschrijft het LEAF-systeem als natuurlijke warmteafvoer. In de test met herhaald snelwegrijden en snelladen namen de laadprestaties van de LEAF e+ vanaf de tweede laadsessie af naarmate de accutemperatuur steeg. De vloeistofgekoelde Ariya behield zijn laadprestaties in die test. Nissan Technical Review No. 88: Ariya battery and thermal control (2022)

Indirecte vloeistofkoeling

In een indirect systeem scheiden vaste koelstructuren de koelvloeistof van de cellen. De thermische weerstand van de tussenliggende lagen beïnvloedt de warmteafvoer. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

Audi’s documentatie over de Q4 e-tron uit 2021 beschrijft water-glycolkoelvloeistof die door vlakke kanalen onder de celcompartimenten stroomt. Warmtegeleidende pasta verbindt de accu met die koelstructuur; een hoogspanningsverwarming verwarmt de vloeistof wanneer nodig. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

De vloeistofkring voert warmte uit het pakket, maar moet die daarna afgeven. Een radiator draagt warmte uit de koelvloeistof over aan buitenlucht wanneer het temperatuurverschil dat toelaat. Een chiller draagt warmte over aan het koudemiddel van de airconditioning, zodat compressorkoeling mogelijk is wanneer buitenlucht alleen niet volstaat. Audi beschrijft de koppeling van het accucircuit van de oorspronkelijke e-tron GT aan het koudemiddelcircuit bij hoge belasting. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Met een chiller loopt de warmteroute van cellen via koelstructuur, koelvloeistof en koudemiddel naar de buitenste warmtewisselaar. Anders dan koeling met alleen een radiator kan een koelinstallatie de accu tot onder de buitenluchttemperatuur koelen.

Directe koudemiddelkoeling

Bij directe koudemiddelkoeling stroomt het koudemiddel door de koelstructuur van de accu zonder tussenliggende water-glycolkring. Warmte bereikt het via de structuur buiten de afgedichte cellen; het koelcircuit voert die warmte uit de auto. BMW beschreef dit in zijn technische documentatie voor de i3 uit 2013. BMW i Innovation Days: refrigerant cooling (April 2013)

Koelcontact en plaatsing

Koeling via de bodem of zijkant van een cel creëert verschillende warmteroutes door de interne materialen. Het onderzoek van Li en collega’s naar cilindrische cellen laat zien waarom de behuizing en interne verbindingen het resultaat beïnvloeden. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021) Celformaten gaat nader in op deze richtingsafhankelijke warmteroutes en voorbeelden van koeling via aansluitlippen.

Porsches technische aankondiging van de Cayenne Electric uit 2025 beschrijft accukoeling van zowel boven als onder. Dit is een concreet voorbeeld van extra koeloppervlakken om de temperatuur te regelen in een pakket met grote pouchcellen. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025) De structurele functie en module-indeling van het pakket staan in Batterijpakket en configuratie.

Hoe de accu wordt verwarmd

Een koelvloeistofverwarmer zet elektrische energie om in warmte en laat die door de koelstructuur van de accu circuleren. Zo kan een koud pakket worden voorbereid zonder te wachten op opwarming door rijverliezen. Het hierboven beschreven oorspronkelijke Q4 e-tron-systeem gebruikt deze aanpak. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

Warmtepompen verplaatsen warmte tussen temperatuurniveaus met een koudemiddelcircuit. Onder geschikte omstandigheden is de geleverde warmte groter dan de elektrische energie die de compressor verbruikt, doordat een deel uit een andere bron komt. Bij een luchtwarmtepomp vermindert koudere buitenlucht de beschikbare warmte en kan het rendement dalen. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

Of een warmtepomp de accu kan verwarmen, hangt af van de aansluiting op het accucircuit. Warmte kan ook de andere kant op stromen: Audi’s documentatie voor de oorspronkelijke e-tron GT beschrijft hoe de warmtepomp restwarmte van hoogspanningscomponenten gebruikt om het interieur te verwarmen. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Geïntegreerde systemen kunnen warmte hergebruiken die anders zou worden afgevoerd. Nissan beschrijft het combineren van thermische circuits voor interieur, accu en aandrijflijn om warmte uit rijden en laden te benutten voor klimaatregeling en accutemperatuur. Nissan: electric vehicle thermal conditioning Warmteterugwinning is nuttig als een geschikte bron beschikbaar is; na langdurig afkoelen kan er aanvankelijk weinig restwarmte zijn.

Temperatuurmeting en regeling

Het batterijmanagementsysteem meet spanningen, stroom en temperaturen en gebruikt die gegevens om de bedrijfsgrenzen van de accu te beheren. Texas Instruments: EV battery management systems Temperatuursensoren meten de omstandigheden op hun eigen locatie. Ze meten niet rechtstreeks elk punt binnen elke cel.

De interne temperatuur kan afwijken van de oppervlaktetemperatuur. NREL onderzocht bij extreem snelladen metingen binnen cellen en het verband tussen temperatuurverschillen en ongelijkmatig celgedrag. NREL: Heat Generation Concerns Associated with Extreme Fast Charging (2020) Daarom kan een gemiddelde pakkettemperatuur of één waarde op het dashboard de thermische toestand niet volledig beschrijven.

Ongelijke koelvloeistofverdeling of contact kan warme gebieden in het pakket achterlaten. Het koelontwerp moet rekening houden met lokale warmteroutes én de totale warmteafvoercapaciteit. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

Het BMS en andere voertuigregelaars stemmen het toegestane vermogen af op de thermische hardware. Als de accu de gevraagde stroom niet binnen zijn grenzen kan opnemen, moet het voertuig die beperken terwijl verwarming of koeling effect krijgt. Batterijmanagementsysteem legt de bewaking en vermogensbegrenzing uit; thermisch beheer levert de fysieke middelen om de temperatuur te veranderen.

Voorspellende regeling voegt informatie toe over wat er volgt. Audi’s documentatie voor de Q6 e-tron uit 2024 beschrijft het gebruik van de vertrektimer, route en navigatiegegevens om conditionering te plannen, en ook conditionering na gebruik. Audi: Q6 e-tron technical facts (2024) Vooruitplannen is belangrijk omdat het celinterieur langzamer reageert dan een verwarming of compressor kan worden ingeschakeld.

Normaal thermisch beheer regelt de temperatuur tijdens rijden en laden; Batterijveiligheid behandelt het beperken van storingen en bescherming tegen verspreiding van thermal runaway.

Voorconditionering voor laden en vertrek

Voorconditionering brengt de accu dichter bij de omstandigheden die nodig zijn voor een komende taak. Voor snelladen kan dit het opwarmen van een koud pakket of afkoelen van een warm pakket betekenen. Kia’s Amerikaanse EV9-handleiding uit 2026 beschrijft beide situaties en vermeldt dat voorbereiding tijd en accu-energie kost. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Voorbereiding op een snellader

Navigatiegestuurde voorconditionering gebruikt de geplande laadstop om onderweg met voorbereiden te beginnen. Voor de oorspronkelijke e-tron GT meldde Audi dat de koeling ongeveer een halfuur voor aankomst bij een in de navigatie gekozen snellader wordt opgevoerd. Audi beschreef afzonderlijk het opwarmen van een zeer koude accu kort na een winterse start om snelladen voor te bereiden. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

Handmatige activering is nuttig als de bestuurder een stop buiten de ingebouwde routeplanner kiest. Volkswagens ID.7-beschrijving van januari 2024 noemt Google Maps of Waze via App Connect als voorbeelden: handmatig voorconditioneren is handig wanneer de fabrieksrouteplanner niet actief is. Volkswagen Netherlands: automatic and manual ID.7 preconditioning (January 2024)

Het bovenstaande scherm toont een geschatte huidige snellaadcapaciteit van 155 kW en mogelijke optimalisatie tot 162 kW, met een geschatte voorbereidingstijd. Dit zijn voertuigschattingen, geen laadmetingen. Pas vlak voor aankomst beginnen kan te weinig tijd overlaten.

Een actieve voorconditioneringsindicator betekent dat de voorbereiding loopt, niet dat de doeltemperatuur is bereikt. Na aansluiting hangt het laadvermogen ook af van laadtoestand, laadcurve en laadpaalcapaciteit, zoals uitgelegd in Batterij opladen.

Voorbereiding vóór vertrek

Geplande interieurconditionering, accuvoorconditionering en voltooiing van het laden zijn afzonderlijke functies. Een vertrektimer kan ze coördineren, maar de precieze werking moet in de handleiding worden nagegaan.

Als voorconditionering vóór vertrek netstroom gebruikt, kan opgeslagen accu-energie voor de rit behouden blijven. Het DOE-rapport over koud weer illustreert dit met tests van interieurvoorconditionering: op een stadsrijcyclus van 7,5 mijl (ongeveer 12 km) bij 20°F (ongeveer −7°C) daalde het energieverbruik met 9–20%. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

Vertrekvoorbereiding kan zowel interieur als accu voor de rit verwarmen. Tesla’s Model 3-handleiding beschrijft bijvoorbeeld het naar behoefte verwarmen van de accu bij activering van interieurvoorconditionering. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning Voorbereiding op een laadstop met hoog vermogen is een aparte taak die extra accuverwarming of -koeling kan vragen.

Kia’s Amerikaanse EV9-handleiding uit 2026 beschrijft ook accuvoorconditionering die via de app wordt gestart terwijl de auto geparkeerd is. In die modus stopt de werking zodra de accu het geschikte temperatuurbereik bereikt of na 30 minuten. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Lage laadtoestand en activeringsgrenzen

Voorconditionering verbruikt energie die ook nodig kan zijn om de laadpaal te bereiken. Volgens Kia’s Amerikaanse EV9-handleiding uit 2026 kan de functie bij lage laadtoestand niet beschikbaar zijn om rijbereik te behouden; die paragraaf noemt geen percentage. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Beide afbeeldingen tonen 12% SOC: de ene heeft het symbool voor actieve voorconditionering, de andere de melding ‘Accu bijna leeg. Accuconditionering uitgeschakeld’. De afgeronde SOC-weergave documenteert de waargenomen toestanden zonder de exacte uitschakeldrempel vast te leggen.

Energieverbruik en herhaalbare prestaties

Accuvoorconditionering kost elektrische energie. In een hypothetische berekening verbruikt een systeem dat gemiddeld 6 kW trekt gedurende 20 minuten 2 kWh. Bij een aangenomen rijverbruik van 18 kWh/100 km is dat de energie voor ongeveer 11 km rijden.

De 2 kWh beschrijft afgenomen elektrische energie, niet de warmte die de cellen bereikt. Een weerstandsverwarming zet elektriciteit om in warmte; een warmtepomp kan elders opgenomen warmte toevoegen. Een deel verwarmt ook andere onderdelen of verdwijnt naar de omgeving.

Op een rit met snellaadstop kan energie voor accuvoorbereiding de laadtijd verkorten. Het rijbereik neemt daardoor niet automatisch toe. De afweging betreft voorbereidingsenergie, eventuele vermindering van verliezen en gewonnen laadtijd.

Herhaalde laadtests tonen een andere eigenschap dan één piekvermogenscijfer, zoals de Nissan-vergelijking hierboven illustreert. Een nuttige vergelijking legt naast de laadresultaten ook omgevingsomstandigheden, laadtoestand bij aankomst, rijbelasting en instellingen voor voorconditionering vast.