Wanneer ik beslis welke onderdelen ik ga gebruiken voor een EV-conversie is mijn eerste stap altijd het kiezen van de motor. Door het selecteren van de motor die in de auto zal worden ingebouwd, worden enkele belangrijke parameters zoals spanningsbereik en vereiste ontlaadstroom bepaald.
Batterijspanning en -grootte
De volgende stap na het kiezen van de motor is het bepalen van de grootte van het accupakket. Hier wordt duidelijk hoe belangrijk het is om te kiezen tussen serie- en parallelverbindingen.
In deze blogpost concentreer ik me op Li-ion chemie en laat ik LiFePO4 (LPF) buiten beschouwing, hoewel het volgens dezelfde principes werkt, alleen bij andere nominale spanningen (en andere OCV-curves). De meest gebruikte spanning in productie EV’s is tegenwoordig 355V nominaal (bij 3,7V per cel is dit 96S (oftewel 96 cellen in serie). Laten we aannemen dat dit ook is wat we nodig hebben voor onze motor.
Cellen parallel
Afhankelijk van het gebruikte celtype kunnen ze een andere (piek)stroom leveren en een andere capaciteit hebben. Cilindervormige cellen zoals bijvoorbeeld de 18650 die Tesla gebruikt hebben een relatief kleine capaciteit, dus je hebt er veel parallel nodig. Pouch- of prismatische cellen hebben vaak een hogere capaciteit. Je hebt er dus minder parallel nodig. In dit voorbeeld gebruik ik de LG E78 pouch cel die in verschillende Volkswagen MEB batterijmodules zit.
8s3p versus 12s2p
De Volkswagen modules die we nu het meest zien zijn 8s3p en 12s2p. Beide modules hebben dezelfde capaciteit van ongeveer 6,85 kWh en hetzelfde aantal LG cellen: 24 stuks.
12s2p
In een 12s2p-configuratie zijn twee pouches permanent met elkaar verbonden (+ op + en – op -). Elk paar wordt dan verbonden met het volgende paar (+ op -).
De nominale spanning is 12x 3,7v = 44,4 volt.
8s3p
Nu zijn drie pouches permanent met elkaar verbonden en wordt een groep van drie cellen in serie geschakeld.
Bij 29,6 volt is de nominale spanning lager en tegelijkertijd is de stroom die de module kan leveren hoger. De belasting wordt nu verdeeld over drie cellen in plaats van twee.
Dus om dezelfde systeemspanning van 355V nominaal (96s) te krijgen, zou je het volgende krijgen:
- 8x een 12s2p module, capaciteit = 54,8 kWh
- 12x een 8s3p module, capaciteit = 82,2 kWh
Vrije cel spanning vereffening
De cellen die permanent parallel zijn aangesloten op het laagste niveau (dus binnenin) van een module zullen zichzelf altijd vereffenen.
Dit gebeurt zonder interactie met de andere cellen in de module. In een goed gebalanceerd en gezond pakket zijn deze cellen gelijk en stroomt er geen energie. Als er echter interne weerstandsverschillen zijn onder zware belasting, kan er een (tijdelijk) verschil optreden. Ook als een cel uitvalt en energie lekt, kan zijn spanning lager worden. Als gevolg daarvan zal de spanning van alle parallel geschakelde cellen gemiddeld lager zijn en dat zal het BMS opmerken.
Hieronder wordt dit gevisualiseerd in een hypothetische 2s2p module.
Gezond en uitgebalanceerd pakket.
Eén cel gaat kapot in een module in één seriereeks,
De spanning van deze falende cel en de permanent aangesloten cel worden gelijk. De andere string in de module wordt niet beïnvloed.
Dubbele MEB pack grootte?
Maar wat als iemand meer bereik wil en deze modules wil gebruiken? We kunnen niet zomaar meer modules in serie zetten omdat dat zou resulteren in een hogere (nominale) spanning die in dit voorbeeld de motor niet kan verdragen.
De voor de hand liggende oplossing zou dus zijn om twee van de 54,8 kWh of zelfs twee van de 82,2 kWh pakketten te gebruiken en deze te combineren tot een 109,6 of zelfs 164,4 kWh pakket. Op papier lijkt het zelfs een goed idee zoals hieronder gevisualiseerd met in totaal 16 van die 12s2p modules:
Modules parallel = No Go
In mijn ogen is het echter een absolute No Go om modules op die manier parallel te schakelen. Ik zal teruggaan naar mijn 2s2p modulevoorbeeld om uit te leggen waarom ik denk dat dit het geval is.
Pakket met 2s2p modules parallel
Twee 2s2p modules parallel geschakeld en volledig opgeladen tot 4,18V per cel.
Uitval van één cel
Dan treedt er, zoals hierboven gevisualiseerd, een storing op in één cel die begint te vereffenen met zijn permanent verbonden parallelle buur.
Dan gaan de modules egaliseren
Daardoor wordt de spanning in die linker module lager. En omdat de modules ook permanent parallel zijn geschakeld, zullen deze ook gelijk worden.
Overbelasting van de cel!
Waarschijnlijk zal er door de defecte cel geen evenwicht zijn (wat het nog erger maakt), maar laten we aannemen dat dit wel het geval is en dat de modules gelijk worden op 7,32V.
Nu kun je het probleem zien! De module rechts laadde de module links op. Maar niet alleen de defecte string maar ook de gezonde string die al vol was. Als gevolg daarvan zullen deze cellen overladen worden en waarschijnlijk in brand vliegen.
De celspanningen die hierboven zijn aangegeven zijn niet exact, maar zijn bedoeld om te illustreren hoe permanent parallel geschakelde modules kunnen leiden tot overladen en dus zeer waarschijnlijk tot brand.
Dezelfde logica geldt voor het permanent parallel schakelen van pakketten!
Rol van het batterij management systeem
Detecteert het accumanagementsysteem de lagere celspanning niet?
Ja, het BMS zal de lagere cel-/stringspanning detecteren, maar door de permanente verbinding (van module tot module of van pack tot pack) kan het BMS niets doen om egalisatie / vereffening te voorkomen.
De perfecte pack capaciteit kiezen?
Uit het bovenstaande kunnen we concluderen dat cellen parallel op het laagste niveau de gemakkelijkste weg vooruit is. Daarom zoek ik altijd naar de donoraccu’s die:
- Resulteren in het vereiste spanningsbereik
- Overeen komen met de vereisten voor capaciteit/bereik.
Dit betekent dat 96s regio een 83 kWh MEB-pakket een handige keuze is. Als je per se een grotere wilt, kies dan voor een 90 of 100 kWh pakket uit een Tesla Model S.
Of, als dat nog steeds te klein is voor een bepaald voertuig, misschien toch overstappen op een parallelle opstelling.
Hoe implementeer je veilig een parallelle opstelling?
Naar mijn mening is het mogelijk om een parallelle opzet te implementeren en tegelijkertijd het risico op overbelasting te beperken, zoals hierboven aangegeven. Naar mijn mening zou de weg voorwaarts dan zijn:
- Twee batterij management systemen, elk met zijn eigen precharge, enzovoort
- Elk BMS speciaal voor één string
- Daarbovenop en een master controller die beslist of ze allebei veilig ‘online’ kunnen blijven/gaan.
Dus in het geval van een (plotselinge) celstoring zou het BMS van die string dit opmerken en de master waarschuwen. De master kan dan op zijn beurt de strings loskoppelen van het ene pack dat daardoor niet kan egaliseren naar het pack met de defecte cel.
Bovendien worden de parallelle strings bij het parkeren ook losgekoppeld, zodat ze veilig als één string werken.
Recap serie vs. parallelle cellen en modules
Als je gebruik maakt van parallelle cellen om de vereiste capaciteit en/of stroomsterkte te bereiken, moet dit naar mijn mening idealiter worden opgelost ‘op het laagste niveau’. Op die manier balanceren de cellen op cel niveau en worden andere cellen niet beïnvloed.
Later meer capaciteit toevoegen met behoud van de systeemspanning is daarom lastig. Als je dat wilt kunnen doen, dan is het beter om met minder modules te beginnen (voor zover de bandbreedte van de systeemspanning dat toelaat).
Dat gezegd hebbende: Een grotere batterij is naar mijn mening zeker niet altijd beter. Naar mijn mening is het algehele resultaat vaak beter als je een kleinere batterij kiest en daar CCS snelladen en actieve koeling aan toevoegt. Dit resulteert in een lichtere auto die vaak beter stuurt en zeer snel kan laden.