Ideale batterij temperatuur?

De levensduur van accu’s van elektrische voertuigen is afhankelijk van cycli en het binnen het juiste temperatuurbereik gebruiken. Deze blogpost serie gaat over temperatuur management van de batterij in elektrische auto’s. Ik zal beginnen met een inleiding en ingaan op de vraag “Wat is de ideale batterij temperatuur?”. Eerst vanuit een gebruik / ontlading perspectief en vervolgens voor het opladen. In de volgende blogposts kijk ik naar wat autoproducenten zoals Tesla en Nissan doen en wat we daarvan kunnen leren. Daarna zal ik mijn eigen implementatie delen in een doe-het-zelf omgeving. Tot slot zal ik data verzamelen en delen temperatuur gegevens uit de praktijk.

Temperatuur van de batterij en ontladen/gebruik

De hoeveelheid bruikbare energie uit een batterij neemt af bij een daling van de temperatuur. Dit heeft invloed op het bereik en de prestaties van een elektrische auto. In de onderstaande grafiek wordt de ontladingsstroom gevisualiseerd afhankelijk van de batterij temperatuur.

Temperature ontlaad stroom curve

De gewenste bedrijfstemperatuur van een lithium-ion batterij in een elektrische auto is 15 °C tot 35 °C. Onder de 15 °C is de elektrochemische activiteit/werking traag en is het beschikbare vermogen beperkt. Een significant en merkbaar verschil begint waarschijnlijk bij temperaturen onder nul. In het warme temperatuurgebied is het niet de batterij die het beschikbare vermogen beperkt. In plaats daarvan moet het elektrische voertuig het vermogen beperken om verdere temperatuurstijging te minimaliseren en degradatie of erger, thermische-runaway, te voorkomen. De ideale batterijtemperatuur voor het maximaliseren van de levensduur en de bruikbare capaciteit ligt tussen 15 °C en 35 °C. De temperatuur waar de batterij het meeste kan leveren is echter hoger, rond de 45 °C.

Impact van de temperatuur van de batterij op de beschikbare capaciteit

Universitair onderzoek van een enkele batterijcel toont de impact van temperatuur op de beschikbare capaciteit in meer detail aan. De onderstaande gegevens zijn voor een enkele 18650 cel met een capaciteit van 1,5 Ah en een nominale spanning van 3,7V (ondergrens 3,2V en bovengrens 4,2V).

De onderzoekers hebben de spanning en capaciteit bij verschillende temperaturen gemeten tijdens het ontladen met 5C.

DisCharge temperature characteristics of a Li ion cell at 20C rate b

Grafiek / gegevensbron: Mohamad Aris, Asma & Shabani, Bahman. (2017). An Experimental Study of a Lithium Ion Cell Operation at Low Temperature Conditions. Energy Procedia. 110. 128-135. 10.1016/j.egypro.2017.03.117.

Uit dat onderzoek en de bovenstaande grafiek blijkt dat bij -5 °C slechts 92% of de volledige capaciteit overbleef. Bij -10 °C was dit nog maar 85% en bij -15 °C werd het verder teruggebracht tot 82%. Andere studies tonen zelfs een grotere impact aan.

Deze capaciteitsverliezen zijn voornamelijk te wijten aan de toename van de interne weerstand waardoor er meer warmteontwikkeling optreedt. Het goede nieuws is dat het ‘probleem’ zichzelf dus deels oplost. Door het gebruik / ontladen van de batterijen warmen ze op. Aan de andere kant, als het koud is zul je waarschijnlijk een hogere energievraag hebben. Bijvoorbeeld om het interieur te verwarmen waardoor het bereik van de auto juist afneemt. Daarom heb ik een standkachel geïmplementeerd (details later in de DHZ blogpost).

Impact van de temperatuur van de batterij op de levensduur

Hoge en lage temperaturen buiten het ideale temperatuurgebied hebben niet alleen invloed op de beschikbare capaciteit, maar ook op de levensduur van de batterij. Daar waar bij gebruik lage temperaturen vooral leiden tot een verminderde beschikbare capaciteit, zorgen hoge temperaturen voor degradatie van de batterij.

De onderstaande grafiek is van een andere studie waar een prismatische 1,35 mAh cel van Sony met een nominale spanning van 3,6V werd gebruikt. Hierdoor is het niet 1:1 vergelijkbaar met de bovenstaande grafiek, maar geeft het wel een goede indruk.

De onderzoekers keken naar de maximale capaciteit na een aantal cycli (keer een batterij is volledig opgeladen en ontladen) als een functie van de temperatuur.

temperature versus lifespan

Grafiek / gegevensbron: Effect van temperatuur op de verouderingssnelheid van Li Ion Battery Operating above Room Temperature, Feng Leng, Cher Ming Tan & Michael Pecht (2015) Nature.com Scientific Reports

Uit die grafiek en dat onderzoek zien we dat de batterij bij hogere temperaturen een hogere maximale bruikbare capaciteit heeft dan de nominale capaciteit. Het nadeel is echter dat de maximale capaciteit (snel) afneemt naarmate het aantal cycli toeneemt.

Batterijen opladen en temperatuur

De temperatuur gevolgen voor het opladen van batterijen zijn nog groter. Om de levensduur van lithium-ion batterijen te maximaliseren, mogen ze niet worden opgeladen bij temperaturen onder nul graden of met alleen zeer lage stroom (druppellading). Ook bij lage temperaturen net boven nul is een conservatieve laadstroom noodzakelijk. Met dezelfde schaal als hierboven wordt dit gevisualiseerd in de onderstaande grafiek.

Laad temperatuur curve

In het bijzonder tijdens DC snelladen , kan koeling of zelfs actieve koeling nodig zijn.

Het feit dat men lithium-ionbatterijen niet onder de 0 °C kan opladen heeft niet alleen gevolgen voor het opladen van een auto, maar ook op het rijden. Regeneratief remmen = het opladen van de batterijen. De vehicle control unit (VCU) moet hier dus rekening mee houden en de bestuurder zal meer gebruik moeten maken van hydraulisch remmen wanneer het accupakket nog koud is. Beperkte regeneratieve rem mogelijkheden is een andere reden voor een verminderd bereik in de winter.

Ideale batterij temperatuur?

Bestaat er een ideale batterij temperatuur? Uit de gegevens in het hierboven samengevatte onderzoeken kunnen we concluderen dat het een afweging is tussen maximale bruikbare capaciteit en het voorkomen van batterij degradatie. Hoewel bij 35 °C de beschikbare capaciteit toeneemt, leidt het ook tot versnelde degradatie van de batterij. Als conclusie: 25 °C is in veel gevallen een ideale batterij temperatuur als balans tussen capaciteit en levensduur. Voor DC snelladen is de ideale temperature 32 °C. Tegelijkertijd zal door het laden een accu verder opwarmen dus is (actieve) koeling noodzakelijk. Anders is een lagere temperatuur en bijpassende stroom het beste om op te laden. En nogmaals, helemaal niet opladen bij temperaturen onder nul.

Koeling/verwarming van de batterij met lucht of vloeistof?

Er zijn twee benaderingen voor het beïnvloenden van de temperatuur van de batterij: lucht of vloeistof. Kort zullen we de voor- en nadelen van de twee benaderingen hieronder samenvatten.

Batterijverwarming en -koeling met behulp van lucht

Er zijn een paar voordelen van de lucht koeling/verwarmingsaanpak. Het is eenvoudig en goedkoop. Het voegt niet veel gewicht toe en het ontwerp en productie is relatief eenvoudig. Ook is het aantal componenten dat stuk kan gaan beperkt. Bovendien is er geen risico op lekkage en dus geen risico op elektrische kortsluiting door (vaak) geleidende koelvloeistof. En bovenal moet uiteindelijk alle restwarmte toch naar de lucht worden afgevoerd.

Helaas, “There ain’t no such thing as a free lunch”. De aanpak van de luchtkoeling heeft ook een aantal belangrijke nadelen. Allereerst is de warmte (transport)capaciteit laag. Ten tweede is het leiden van lucht langs individuele batterijcellen een uitdaging. Als gevolg hiervan zal er meer temperatuur variatie in het accupakket zijn. Daarnaast vereist luchtkoeling of verwarming het gebruik van sterke blowers die mogelijk herrie maken.

Verwarming en koeling van batterijen met vloeistof

Het belangrijkste voordeel van het gebruik van een vloeistof voor het koelen en verwarmen van batterijen is de uitstekende warmte (transport)capaciteit. Een warmte-uitwisseling plaat of buis tussen de cellen kan snel warmte toevoegen of absorberen. Hoe beter een warmtewisselaar tussen de cellen geïntegreerd is, hoger deze uitwisselingscapaciteit is. Hierdoor verdeelt de temperatuur in een accu gelijkmatiger en verbetert zo de thermische stabiliteit.

Echter, vloeibare koeling voegt meer complexiteit toe. Het vereist meer componenten die kapot kunnen gaan en storingen kunnen veroorzaken. Daarnaast voegt het kosten en gewicht toe. Als gevolg daarvan vereist het mogelijk meer onderhoud. Met andere woorden, effectievere warmte-uitwisseling heeft een prijs.

In de volgende blogpost zullen we kijken hoe Tesla omgaat met beheren van de batterij temperatuur.

Blogserie over batterij temperatuur management

  1. Ideale batterij temperatuur?
  2. Tesla koelsysteem onderdelen gebruiken
  3. Ander OEM thermisch management
  4. Voorbeeld van een doe-het-zelf aanpak
  5. Batterij temperatuur data in de praktijk

Feedback welkom

Alle feedback, toevoegingen, suggesties voor verbetering zijn welkom. Neem contact met mij op via e-mail.

Delen en linken

Vind je dit artikel leuk? Gelieve te delen en te linken (en niet kopiëren en plakken).

Plaats een reactie

Item toegevoegd aan winkelwagen.
0 items - 0,00
Op wachtlijst We zullen je informeren zodra er weer voorraad is. Laat hieronder een geldig mailadres achter.