Batterijpakket & Configuratie

Batterijconfiguratie

In een elektrisches Fahrzeug (Elektroauto) verwijst de batterijconfiguratie naar de rangschikking van individuele batterijcellen binnen het batterijpakket. Deze configuratie beïnvloedt de spanning, capaciteit, vermogensafgifte en de algehele voertuigprestaties.

De meest voorkomende configuratie voor batterijpakketten in Elektroauto's is een serie-parallelhybride. In deze opstelling zijn meerdere cellen in serie geschakeld om de spanning van het batterijpakket te verhogen, en worden vervolgens meerdere groepen van in serie geschakelde cellen parallel geschakeld om de totale capaciteit van het batterijpakket te vergroten.

• Series Connection: Verhoogt de spanning van het batterijpakket, wat essentieel is om het benodigde vermogen te leveren om het voertuig aan te drijven.
• Parallel Connection: Verhoogt de capaciteit van het batterijpakket, essentieel om de energie op te slaan die nodig is om de gewenste actieradius te bereiken.

Om de bruto grootte van het batterijpakket te berekenen, vermenigvuldigt u de totale parallelle capaciteit in ampère-uur (Ah) met de nominale spanning van het batterijpakket in volt (V). Het resultaat is in wattuur (Wh).

Voorbeeld: Audi Q8 e-tron 55

Het onderstaande diagram toont de configuratie van een batterijmodule van de Audi Q8 e-tron 55. Deze module bevat 12 batterijcellen, waarvan er vier in parallel zijn geplaatst, en er zijn drie groepen van deze parallelle configuratie in serie geschakeld.

• Specificaties batterijcel: Elke cel heeft een nominale spanning van 3.6667 volt en een capaciteit van 72 Ah.
• Modulespanning: Drie batterijcellen in serie geven een modulespanning van 11 volt.
• Modulecapaciteit: 4 x 72 Ah in parallel geeft een totale modulecapaciteit van 288 Ah.
• Batterijpakketspanning: De Q8 e-tron 55 heeft in totaal 36 modules in serie. 36 x 11 volt geeft 396 volt voor het batterijpakket.
• Bruto capaciteit: 396 volt x 288 Ah = 114,048 Wh of 114 kWh bruto capaciteit.

Voorbeeld: Tesla Model Y Long Range

De Tesla Model Y Long Range gebruikt 4,416 batterijcellen in het kleine 21700-formaat, met 96 rijen en 46 cellen parallel geschakeld.

• Specificaties batterijcel: Elke cel is 4.8 Ah met een nominale spanning van 3.7 volt.
• Parallelle capaciteit: 4.8 Ah x 46 geeft in totaal 220.8 Ah.
• Batterijpakketspanning: 96 x 3.7 volt geeft een nominale spanning van 355 volt.
• Bruto capaciteit: 355 volt x 220.8 Ah = 78.4 kWh.

Voorbeeld: Kia EV6 Long Range

De long-range batterij van de Kia EV6 heeft in totaal 384 batterijcellen, geconfigureerd in 192 rijen met twee cellen parallel, gegroepeerd in modules van 12 cellen.

• Specificaties batterijcel: Elke cel heeft een capaciteit van 55.6 Ah.
• Parallelle capaciteit: 2 x 55.6 Ah = 111.2 Ah.
• Batterijpakketspanning: De nominale spanning is 3.63 volt per cel. 192 x 3.63 volt = 696.96 volt nominaal voor het batterijpakket.
• Bruto capaciteit: 696.96 volt x 111.2 Ah = 77.5 kWh.

Meer voorbeelden van batterijpakketten

Hier zijn enkele configuratievoorbeelden:

De specifieke batterijconfiguratie die in een Elektroauto wordt gebruikt, hangt af van verschillende factoren, zoals de gewenste actieradius, vermogensafgifte en het totale voertuiggewicht.

400 of 800 Volt?

Fabrikanten configureren batterijpakketten meestal op ongeveer 400 volt of 800 volt. Elke configuratie heeft zijn voor- en nadelen:

Voordelen van een 400-voltpakket

• Meer volwassen technologie: 400-volt-systemen zijn bewezen en betrouwbaar.
• Lagere kosten: Goedkoper te produceren.
• Breed beschikbare laadinfrastructuur: Makkelijker om laadstations te vinden.
• Meer beschikbare celconfiguraties: Biedt meer flexibiliteit in celopties.

Nadelen van een 400-voltpakket

• Langzamer laden: Vereist langere laadtijden.
• Beperkte vermogensafgifte: Levert mogelijk niet hetzelfde vermogen als 800-volt-systemen.
• Zwaarder: Vereist dikkere kabels voor dezelfde laadsnelheid.

Voordelen van een 800-voltpakket

• Sneller laden: Ondersteunt hogere laadsnelheden.
• Hogere vermogensafgifte: Kan meer vermogen leveren.
• Lichter gewicht: Vereist dunnere kabels.

Nadelen van een 800-voltpakket

• Beperkte laadinfrastructuur: Minder openbare laadstations ondersteunen 800-volt laden.
• Vereist kleinere batterijcellen: Voorkomt het gebruik van grotere cellen, die een hogere energiedichtheid bieden en minder bekabeling vereisen.

Ontwerpen van batterijpakketten

Er zijn verschillende standaardontwerpen voor het bouwen van batterijpakketten.

Cell-to-Module (C2M)

Het Cell-to-Module (C2M)-ontwerp omvat het samenstellen van meerdere batterijcellen in een enkele, zelfstandige module met geïntegreerde elektronica en koelsystemen. Deze modules kunnen vervolgens eenvoudig worden gekoppeld om het complete batterijpakket te vormen.

Elke module heeft een eigen Battery Management System (BMS) dat het laden en ontladen van de cellen binnen de module bewaakt en regelt, waardoor nauwkeurigere controle en monitoring van individuele cellen mogelijk is.

Voordelen van Cell-to-Module (C2M):

• Modulariteit: Individuele batterijmodules kunnen onafhankelijk worden vervangen of onderhouden. Als een module uitvalt, kan deze worden vervangen zonder het gehele batterijpakket te beïnvloeden.
• Thermomanagement: Modules bieden ruimte voor thermomanagementcomponenten (zoals koelplaten of vloeistofkoelingskanalen), wat helpt de celtemperatuur te regelen en optimale prestaties te garanderen.
• Schaalbaarheid: C2M-ontwerpen bieden flexibiliteit bij het configureren van batterijpakketten. Fabrikanten kunnen het aantal modules aanpassen om te voldoen aan verschillende voertuigvereisten (bijv. actieradius, vermogen of formaat).
• Veiligheid: Het isoleren van cellen binnen modules verhoogt de veiligheid. Als een cel thermische runaway of andere problemen ondervindt, heeft dit geen directe invloed op aangrenzende cellen.
• Efficiëntie in productie: Het afzonderlijk bouwen van modules vereenvoudigt assemblage en kwaliteitscontrole. Het maakt ook parallelle productie van modules mogelijk, waardoor het productieproces wordt gestroomlijnd.

Cell-to-Pack (CTP)

Cell-to-Pack (CTP)-batterijen zijn een nieuw type batterijtechnologie dat de noodzaak voor batterijmodules elimineert door de cellen direct in het batterijpakket te integreren. Verschillende bedrijven, zoals Tesla, BYD en CATL, ontwikkelen deze technologie.

BYD Blade en CATL Qilin zijn twee voorbeelden van CTP-batterijen. Het belangrijkste verschil tussen deze twee batterijen is hun koelsysteem. BYD Blade gebruikt een vloeistofkoelsysteem, terwijl CATL Qilin een structureel koelsysteem gebruikt, dat efficiënter is.

Voordelen van Cell-to-Pack (CTP):

• Eenvoud: CTP-ontwerpen elimineren de noodzaak voor tussenliggende modules, wat de complexiteit vermindert. Het batterijpakket integreert individuele cellen direct.
• Ruimtegebruik: Zonder modules is er meer ruimte beschikbaar voor cellen, wat de energiedichtheid kan verhogen.
• Kostenefficiëntie: Minder componenten (geen modules) kunnen leiden tot kostenbesparingen in productie en assemblage.
• Gewichtsreductie: Het elimineren van modulebehuizingen vermindert het totale gewicht, wat de efficiëntie van het voertuig verbetert.

Structureel batterijpakket

Een structureel batterijpakket is ontworpen om een structureel onderdeel van de Elektroauto te worden. Deze benadering kan het gewicht van de Elektroauto verminderen door dubbele structuren tussen het batterijpakket en de voertuigstructuur te verwijderen, aangezien het batterijpakket deel gaat uitmaken van de voertuigstructuur.

Dit ontwerp kan de algehele prestaties en efficiëntie van de Elektroauto verbeteren. Structurele batterijpakketten zijn nog relatief nieuw, maar verschillende bedrijven en onderzoeksinstellingen onderzoeken en ontwikkelen ze.

Structurele batterijpakketten, een game-changer in het ontwerp van Elektroauto’s, bieden veel voordelen. Ze verminderen gewicht en complexiteit, verhogen de prestaties en faciliteren naadloze integratie van batterijtechnologie in verschillende toepassingen.

Tesla Model Y en Tesla Cybertruck zijn twee modellen met structurele pakketten. Volgens Tesla biedt deze oplossing veel voordelen, zoals een aanzienlijke vermindering van het aantal onderdelen in zowel het batterijpakket als de auto.

Belangrijker nog, het bedrijf zei dat de nieuwe cellen en het structurele batterijpakket naar verwachting de actieradius van de Model Y met 16 procent vergroten en het totale gewicht van de auto met 10 procent verminderen, wat resulteert in verbeterde acceleratie en wegligging.

Tesla gebruikt roze polyurethaanschuim om de componenten binnen het structurele batterijpakket te encapsuleren en te beveiligen. Dit schuim dient zowel als isolator als structureel element, waarbij het stevigheid en bescherming biedt. Het schuim zorgt ervoor dat de batterijcellen en andere kritieke componenten veilig op hun plaats blijven en fungeert als brandscherm tussen verschillende secties van het batterijpakket.

Dit schuim is even sterk als een baksteen en draagt bij aan de algehele structurele integriteit van het batterijpakket.

De video hieronder toont een gedetailleerde analyse van het batterijpakket door Munro & Associates.

Energiedichtheid op het niveau van het batterijpakket

De onderstaande tabel toont hoe de dichtheid van het batterijpakket in de loop van de tijd is veranderd voor enkele voorbeeld-batterijpakketten.

Voor meer details over batterijpakketten raden we aan BatteryDesign.net te bezoeken.