211service.com
De elektrische koelbatterijtest
Later deze maand verschijnen er twee nieuwe elektrische auto's - de GM Volt en de Nissan Leaf - op milieubewuste opritten in de Verenigde Staten.
Batterij inbegrepen: Technici laden een batterij in een prototype Chevrolet Volt.
De Nissan Leaf belooft 73 mijl per elektrische lading, terwijl de GM Volt 35 mijl per lading krijgt, hoewel hij ook een reservebenzinemotor heeft voor langere reizen. Maar GM en Nissan hanteren verschillende benaderingen om ervoor te zorgen dat de batterijen in deze auto's lang meegaan en veilig blijven. De manier waarop deze batterijen de komende jaren presteren, zal een aanwijzing zijn voor welke aanpak beter is, en zou het ontwerp van toekomstige elektrische auto's en plug-inhybrides kunnen bepalen, wat alle grote autofabrikanten hebben beloofd. Sommige critici zeggen dat het ontwerp van het batterijpakket van Nissan, dat gebruikmaakt van een relatief eenvoudig koelsysteem, ertoe kan leiden dat de batterijen oververhit raken, waardoor de levensduur van de batterij wordt verkort en een veiligheidsrisico ontstaat.
Zowel GM als Nissan gebruiken lithium-ionbatterijen (een technologie die al lang wordt gebruikt in laptops en mobiele telefoons) in tegenstelling tot nikkel-metaalhydridebatterijen, die betrouwbaar zijn gebleken in gas-elektrische hybrides zoals de Toyota Prius, maar die omvangrijk zijn en zwaar.
Door voor lithium-ion te kiezen boven nikkel-metaalhydride, nemen GM en Nissan een risico omdat dergelijke batterijen nog niet betrouwbaar zijn gebleken in de veeleisende rol van het aandrijven van een auto. Autobatterijen moeten extreme temperaturen, harde schokken en voortdurende trillingen van de weg doorstaan en moeten ongeveer tien jaar goed presteren. In enkele zeldzame gevallen kunnen lithium-ionbatterijen oververhit raken en vlam vatten, een probleem dat een massale terugroepactie van sommige laptopbatterijen vereiste. De batterijen die nodig zijn voor elektrische voertuigen moeten ook veel meer energie opslaan, dus een brand veroorzaakt door autobatterijen kan bijzonder gevaarlijk zijn.
Een ander nadeel van het gebruik van lithium-ionbatterijen is dat ze snel hun vermogen verliezen om hun lading vast te houden. Na een paar jaar gebruik is het niet ongebruikelijk dat ze half zoveel stroom opslaan als toen ze nieuw waren. Autofabrikanten willen autobatterijen die de levensduur van een voertuig meegaan - ongeveer acht tot vijftien jaar.
Om deze problemen aan te pakken, hebben GM en Nissan belangrijke wijzigingen aangebracht in de lithium-ionbatterijen die ze gebruiken. In plaats van lithium-kobaltoxide - het materiaal dat de voorkeur heeft in laptopbatterijen vanwege de hoge energiedichtheid - als elektrode, gebruiken ze lithium-mangaanoxide, dat relatief veel energie opslaat, maar stabieler is, deels door de rangschikking van zijn atomen. In een mangaanoxide-elektrode vormen atomen een driedimensionale structuur die zijn vorm behoudt, zelfs als lithiumionen in en uit de elektrode bewegen terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen. De minder stabiele structuur van conventionele batterij-elektrodematerialen kan worden beschadigd als lithiumionen in en uit gaan, wat de nuttige levensduur van een batterij verkort.
GM en Nissan zijn ook overgestapt van een cilindrische vorm voor de batterijen (de batterijcellen in typische laptoppakketten zien eruit als grote AA-batterijen) naar een platte rechthoekige vorm die ruimte bespaart en ook warmte beter laat ontsnappen. Oververhitting kan de batterijen beschadigen, hun vermogen om lading op te slaan verminderen, en kan in sommige gevallen leiden tot een fenomeen dat thermische runaway wordt genoemd, wanneer verhoogde temperaturen leiden tot chemische reacties die leiden tot nog meer hitte, wat uiteindelijk resulteert in brand.
Maar er ontstaan grote verschillen als je kijkt naar hoe GM en Nissan hun batterijpakketten hebben ontworpen: de verzameling batterijcellen, elektronica en temperatuurregelaars waaruit de volledige batterij bestaat. Het grootste verschil is hoe de bedrijven ervoor kiezen om de temperatuur van de verpakkingen te regelen. Nissan heeft gekozen voor een eenvoudig ontwerp, waarbij een ventilator wordt gebruikt om de accu's te koelen. Er staat dat de platte vorm van de batterijcellen extra koeling overbodig maakt. Het ontwerp van GM is complexer. Een vloeibaar koelmiddel voert vloeistof langs het oppervlak van elke cel in het pakket en naar een kleine radiator buiten het pakket.
Vloeistofkoelsystemen kunnen de warmte van batterijcellen sneller afvoeren dan luchtkoeling. Bovendien is vloeistofkoeling veel compacter, zegt Bill Wallace, GM's directeur van wereldwijde batterijsystemen. Je kunt veel meer warmte verplaatsen, en veel gelijkmatiger.
Wallace zegt dat er voor vloeistofkoeling is gekozen om ervoor te zorgen dat alle cellen in een verpakking zich binnen twee °C van elkaar bevinden. Naast het voorkomen van overladen, is temperatuurregeling de belangrijkste knop die je kunt draaien om de levensduur van de batterij te verbeteren, zegt hij.
Vloeistofkoeling is de aanpak die Tesla Motors kiest, die een elektrische sportwagen maakt met lithium-ionbatterijcellen die oorspronkelijk voor andere toepassingen zijn ontworpen. De koelmethode zorgt ervoor dat zelfs als sommige cellen oververhit raken en vlam vatten, de rest dat niet doet. In een recente winstoproep met investeerders bekritiseerde Elon Musk, de CEO van Tesla Motors, het ontwerp van Nissan en zei dat het overal temperaturen zou kunnen veroorzaken, wat de prestaties van de batterij zou kunnen verminderen.
Omdat koud weer de hoeveelheid lading die een batterij kan opslaan kan beperken en schade aan de batterij kan veroorzaken, heeft het pakket van GM ook een weerstandsverwarmer van 1800 watt om te voorkomen dat het batterijpakket te koud wordt. Nissan beveelt een pakket voor koud weer aan dat een batterijverwarming bevat, maar dit is niet standaard. En de optie is niet beschikbaar voor de eerste Leafs die van de lopende band komen en kan later niet aan een auto worden toegevoegd. Als het Leaf-pack te koud of te warm wordt, gaat het naar een beperkte vermogensmodus, die de acceleratie en topsnelheid beperkt.
De Volt is ook ontworpen om een bepaalde hoeveelheid lading in reserve te houden wanneer de auto nieuw is om de levensduur van de batterij te verlengen. Naarmate de accu ouder wordt, komt een deel van deze reservecapaciteit vrij, waardoor de auto zijn elektrische actieradius in de loop van de tijd behoudt. GM verwacht dat de capaciteit van de batterij tijdens de levensduur van de auto (ongeveer acht tot tien jaar) tussen de 10 en 30 procent zal afnemen. Nissan heeft niet gezegd of het een vergelijkbare aanpak zal gebruiken, maar het heeft gezegd dat de batterijcapaciteit van de Leaf over 10 jaar met 30 procent zal afnemen. Het heeft ook opgemerkt dat blootstelling aan hoge temperaturen de batterijcapaciteit sneller zou kunnen verminderen.