Lithium-ion batterijen en de test op de koeling

Er staat de wagens voor personentransport een aantal grote veranderingen te wachten in de komende jaren. Er zijn een aantal technologieën die bezig zijn met hun opmars aan het maken in de commerciële markten. Eén van deze technologieën zijn uiteraard de elektrische en de hybride wagens, die dus deels of volledig aangedreven worden door een elektromotor. Eén van de eerste wagens die één van deze nieuwe technologieën gebruikt is de Toyota Prius. De Toyota Prius is tot nu toe het icoon geweest van de hybride wagens. Maar daar dreigt verandering in te komen, namelijk want ook andere autofabrikanten hebben een wagen ontwikkeld die gebruik maakt van een nieuwe technologie voor de aandrijving van de wagen.

Deze andere automerken zijn Chevrolet en Nissan. Wel is het zo dat de twee fabrikanten kiezen voor een lichtjes verschillende technologie. Nissan heeft een nieuw model ontwikkeld namelijk de Nissan Leaf. Leaf staat voor Leading Environmentally friendly, Afforble Family car en de wagen is een vijfdeurs hatchback met een actieradius van 160 kilometer. De Nissan Leaf is verkrijgbaar in Europa sinds 1 december en is nu ook uitgeroepen tot de auto van 2011. De Leaf is voorzien van een lithium-ion batterij die kan opgeladen worden via twee, in de voorkant van de auto geplaatste stekkers. Eén daarvan is bedoeld voor het gewone stopcontact, hiermee kan de batterij in acht uur opgeladen worden. De andere stekker waarmee de batterij van de Leaf opgeladen kan worden is bedoeld voor het 'snelladen'. Bij snelladen laadt de accu op tot 80% in slechts 30 minuten. Omdat de motor van de auto nauwelijks geluid maakt, is de Leaf uitgerust met en waarschuwingsgeluid zodat voetgangers de auto toch horen aankomen. Er is ook een apart geluid voor wanneer de wagen achteruitrijdt. De Leaf is de allereerste wagen die in massaproductie gemaakt wordt door één van de grote automerken.

De tweede grote autofabrikant is Chevrolet en zij hebben een plug-in hybride wagen op de markt gebracht. In feite is het niet echt Chevrolet die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van deze nieuwe technologie maar heeft GM hier eigenlijk voor gezorgd. Want bij de Chevrolet Volt wordt er gebruik gemaakt van Voltec, of ook gekend als E-Flex, Voltec is een aandrijflijn ontwikkeld door General Motors, speciaal voor plug-in wagens. Deze aandrijflijn maakt gebruikt van een 'plug-in capable, battery-dominant series hybrid architecture - dit wil zeggen dat het mogelijk is om de batterij op te laden via het stopcontact, dat er maar één motor is die de wielen van de wagen aandrijft en dit is een elektrische motor. Maar bij Voltec is het mogelijks om aan boord van de wagen de batterij te gaan opladen. Namelijk kan de wagen uitgerust worden met een brandstofcel of met een verbrandingsmotor die dan indien nodig elektriciteit gaat opwekken om de batterij te gaan opladen.

Dit is verschillend in vergelijking met sommige andere hybride wagens zoals bijvoorbeeld de Toyota Prius. Bij de Prius zijn er twee verschillende motor die de wielen van de wagen kunnen aandrijven. Namelijk is er een elektromotor die de wielen aandrijft zolang de batterij nog voldoende elektriciteit kan leveren, en wanneer de batterij leeg is neemt een verbrandingsmotor over en dan drijft deze de wielen aan. Daarnaast is er ook de mogelijkheid om gebruik te maken van recuperatief remmen. Recuperatief remmen is het terugwinnen van de in een bewegende massa of voertuig opgeslagen kinetische energie wanneer deze wordt afgeremd. Deze teruggewonnen energie wordt terug geleverd aan de voedingsbron van waaruit het gevoed wordt. Dit in tegenstelling tot weerstandsremmen waarbij de remenergie in elektrische weerstanden wordt omgezet in warmte. Dit wordt niet alleen gebruikt bij elektrische of hybride wagens, maar ook in vele andere elektrische tractie systemen, zoals bijvoorbeeld bij trein, tram, metro, liften en hijswerktuigen. De Chevrolet Volt is de eerste wagen waarbij het Voltec systeem van GM gebruikt wordt. En doordat het Voltec systeem verschillend is dan dat van de Toyota Prius wordt de Chevrolet Volt niet echt als een hybride wagen beschouwd. De Chevrolet Volt is begrensd tot maximumsnelheid van 160 kilometer per uur, dit omdat bij nog hogere snelheden de batterij te snel leegloopt. De auto wordt dus gevoed door een accu en deze geeft de wagen een actieradius van 60 kilometer. Maar wanneer de accu leeg dreigt te raken wordt een benzinemotor opgestart die de accu oplaadt.

Deze twee verschillende types elektrische wagens van deze twee merken zullen het komende jaar hun intrede gaan maken op onze wegen. Het feit dat de twee autofabrikanten gekozen hebben voor een lichtjes verschillende technologie is omdat ze elk overtuigd zijn dat hun aanpak ervoor zal zorgen dat de batterij zo lang mogelijk meegaat. En dus zal het binnen een afzienbare duidelijk worden welke van de twee hun batterij het langst kan doen meegaan. En dus zullen we binnen een paar jaar weten van de twee autofabrikanten het nu bij het rechte eind heeft. De technologie van die fabrikant waarvan zal blijken dat de batterij er het langst meegaat, kan het design voor de toekomst van de elektrische en hybride wagens vormen. Namelijk omdat vele automerken al hebben aangekondigd dat ze binnenkort een elektrische of hybride wagen op de markt zullen brengen maar daar tot nu toe nog niet veel concreets over hebben laten weten.

Een aantal critici zeggen dat het niet de technologie van Nissan zal zijn waarbij de batterij het langst zal meegaan. Namelijk omdat bij hun batterij een relatief simpel koelsysteem gebruikt wordt. Door dit simpele koelsysteem zouden de batterijen kunnen oververhitten en waardoor hun levensduur aanzienlijk wordt ingekort. Het is wel zo dat allebei de autofabrikanten dezelfde type batterijen gebruiken, namelijk lithium-ion batterijen, dezelfde dus als in de gsm's en laptop's. Dit terwijl ze voor de Toyota Prius hebben gekozen voor een nikkel-metaalhybride batterij. Deze batterijen zijn omvangrijk en zwaar voor in een wagen in vergelijking met een lithium-ion batterij. Maar zowel GM als Nissan nemen door deze keuze te maken wel een bepaald risico want lithium-ion batterijen hebben zichzelf nog niet bewezen dat ze betrouwbaar zijn voor het aandrijven van een wagen. De batterij van een elektrische of hybride wagen moet bestand zijn tegen relatief extreme temperaturen, harde stoten en continue trillingen afkomstig van het wegdek, en moeten zeker tot 10 jaar meegaan. Er zijn namelijk bepaalde, zeldzame gevallen bekend waarbij een lithium-ion batterij oververhit geraakte en uiteindelijk schoten deze in brand. En dus omdat de batterijen van een elektrische of hybride wagen een veel grotere hoeveelheid energie moeten gaan opslaan, is het enorm gevaarlijk indien deze in brandt zouden vliegen. En om te beletten dat dit zou gebeuren, worden de batterijen in elektrische of hybride wagen gekoeld.

En ander obstakel voor het gebruik van lithium-ion batterijen is dat deze relatief snel hun mogelijkheid om een grote elektrische lading op te slaan verliezen. Na een aantal jaren, is het niet ongewoon dat deze slechts nog de helft van de elektrische energie kunnen vasthouden dan dat ze dat in het begin van hun levensduur konden. Maar de automakers willen dat de batterij even lang mee gaat als dat het voertuig meegaat - dit is zo'n 15 jaar. Om dit obstakel uit de weg te helpen, hebben de automakers de lithium-ion batterij al aangepast opdat deze langer zou meegaan. Namelijk gebruiken ze andere materialen voor de elektrodes van de batterij als dan die van bij de batterijen in laptop's. Daarnaast zijn GM en Nissan overgeschakeld van een cilindervormige vorm naar een platte rechthoekige vorm. Een platte rechthoekige vorm is interessanter voor de inbouw-ruimte in een wagen en wordt ook beter gekoeld door het grotere contact-oppervlak met de lucht. Het allergrootste verschil tussen de batterijen van GM en Nissan zit hem in het pakket batterijen in zijn geheel - zoals de reeks cellen, elektronica, temperatuurscontrole en -beheer, etc. En het gaat hier dan vooral over het koelsysteem, Nissan heeft geopteerd voor een simpel systeem, namelijk wordt de batterij er gekoeld met een ventilator, die lucht blaast over de batterij. Bij Nissan zeggen ze dat de platte vorm van batterij voor de rest van de voldoende koeling zorgt. GM's koelsysteem is ietwat complexer dan dat van Nissan, namelijk wordt er de batterij gekoeld met koelvloeistof. De koelvloeistof wordt langs de wand van elke cel gevoerd om ze te gaan afkoelen en de koelvloeistof wordt dan op zijn beurt afgekoeld via een kleine radiator die zich buiten het batterij-pakket bevindt. Het systeem met de koelvloeistof blijkt een stuk compacter te zijn en men kan er meer warmte mee uit het batterij-pakket gaan vervoeren. Bij GM vertellen ze dat ze gekozen hebben voor een koelsysteem met koelvloeistof uit voorzorg zodat het batterij-pakket zeker niet zou oververhitten. Aangezien de levensduur van de batterij een cruciale factor is, is zo'n systeem volgens GM niet onnodig. Een koelsysteem met koelvloeistof wordt ook gebruikt door de autofabrikant Tesla Motors. Tesla Motors maakt elektrische sportwagens en gebruikt daarbij ook lithium-ion batterijen. Hun koelsysteem verzekerd dat zelf wanneer de batterijen zo erg oververhit geraken en in brand zouden vliegen dat dan de rest van wagen niet ook zal gaan branden.

Naast oververhitting, kan ook koude weersomstandigheden leiden tot beschadigingen aan de batterij. Daarom heeft GM de Chevrolet Volt uitgerust met een 1.800 watt weerstandsverwarming om te beletten dat de batterij te koud zou worden. Deze verwarming voor de batterij zit standaard in elke wagen die gebruikt maakt van de Voltec aandrijvingslijn, terwijl bij de Nissan Leaf zo'n verwarmingselement voor de batterij slechts een optie is. Het wordt uiteraard wel sterk aangeraden door Nissan maar de Leaf is er niet standaard mee uitgerust. Daarnaast is bij de Chevrolet Volt het zo ingesteld dat de batterij steeds een klein beetje opgeladen blijft, dit om wanneer de batterij ouder wordt nog een beetje reserve capaciteit overhoudt. Dit zijn maar enkele factoren die inspelen op de levensduur van de batterij van elektrische wagens. Maar er zijn er ook nog vele andere waardoor er vele voorspellingen gedaan kunnen worden over welke van de twee batterijen er nu het langst zal meegaan. Uiteindelijk zullen we pas met zeker weten welke nu het langst zal meegaan binnen een paar jaar.

Geschreven door Emile Glorieux, bron [technologyreview]