Accupack zonneauto gaat tot het gaatje

De opkomst van de elektrische auto en de e-bike geeft de ontwikkeling van de accu (of battery) een boost, met lage kosten en grote aantallen als trefwoorden. Efficiency en veiligheid van de accu moeten daarbij worden gewaarborgd door battery management. Nieuwe oplossingen daarvoor worden bij voorkeur getest onder uitdagende omstandigheden. Een mooi voorbeeld is de World Solar Challenge, de race dwars door Australië voor zonneauto’s die worden aangedreven vanuit een accupack dat op zijn beurt wordt gevoed door de zon. Solar Team Twente en elektronicabedrijf 3T ontwikkelden een Battery Management System dat uiterst secuur de veiligheid bewaakt en nauwkeurig de accucapaciteit kan bepalen. ‘Down Under’ waren de ‘scrutinizers’ enthousiast.

Door Bert van den Berg, Koen Bosman, Tom Vocke en Hans van Eerden

Bert van den Berg is projectleider bij ontwikkelaar van elektronica en embedded systems 3T in Enschede. Koen Bosman (student Elektrotechniek aan hogeschool Saxion in Enschede) en Tom Vocke (student Electrical Engineering aan Universiteit Twente) waren in Solar Team Twente 2011 verantwoordelijk voor de elektronica. Hans van Eerden is freelance tekstschrijver te Winterswijk.

Aan de tweejaarlijkse World Solar Challenge, dwars door de Australische ‘outback’ van Noord (Darwin) naar Zuid (Adelaide), nemen al sinds 2001, respectievelijk 2005, studententeams uit Delft (TU) en Twente (UT en Saxion) deel. De Nederlanders scoren goed in het internationale veld en maken indruk met de innovatieve ontwerpen voor hun zonneauto’s. Zo blonk de Delftse auto uit door zijn lage gewicht en presenteerde Solar Team Twente in voorgaande edities innovaties voor optimale lichtinval, zoals een kantelbaar zonnepaneel en een constructie met Fresnellenzen. In oktober 2011 eindigde Nuna6, de Delftse zonneauto, bij de ruim 3.000 km lange race als tweede en de Twentse 21Connect als vijfde, terwijl die vanwege de snelste kwalificatietijd nog wel als eerste had mogen starten. Een direct na de start opgeblazen motorcontroller (een door bijna alle teams gebruikt standaardkoopdeel) zorgde echter voor oponthoud. Niet vanwege het luttele kwartier voor het verwisselen van het onderdeel, maar door het tijdrovende inhalen van alle teams in het drukke verkeer op de openbare weg. Daardoor kwam Twente in een front van slecht weer en bosbranden terecht; de top-drie bleef daar net voor en bleek niet meer te achterhalen.

Samenwerking STT-3T

De 21Connect is de vierde generatie zonneauto van Solar Team Twente (STT). Een groot aantal kennisinstellingen en bedrijven sponsort elke keer het team. De meeste bedrijven doen dat in de vorm van materialen, 3T levert vooral kennis en expertise. Vanaf het begin is 3T op het gebied van de elektronica de stabiele kennisbron voor het team dat elke twee jaar compleet nieuw wordt samengesteld. Zo vond de ontwikkeling van het Battery Management System (BMS) in 2006-2007 volledig bij 3T plaats en vervulde het bedrijf voor de overige elektronica vooral een review-functie. Voor de 2011-auto nam het team het voortouw en deed 3T vooral de reviews van de ontwerpwijzigingen in PCB en firmware die werden aangedragen. Zo nodig kon het team via 3T componenten bestellen.

Goedgekeurd

Nadat de auto in Nederland was gebouwd en getest (onder meer in een windtunnel) verhuisde hij naar Australië voor laatste testen en de verplichte keuring door de race-organisatie. Wat betreft de elektrische veiligheid en de uitvoering van de accupack waren de zogeheten scrutinizers enthousiast over de Twentse auto. “The first team to do it right.” Dat bevestigde het team in zijn keuze om de auto zo simpel en betrouwbaar mogelijk uit te voeren. Zo werd op elektrisch gebied onder meer gekozen voor één accupack met een geïntegreerde ‘start-up’-print, in plaats van voorheen twee packs en een aparte start-up-box. Het oude systeem vereiste voor het veilig in- en uitschakelen drie relais, terwijl er nu nog maar één nodig was. Voorts waren de verbindingen voor het in serie schakelen van de Li-ion-batterijcellen met puntlassen gemaakt, niet met solderen, omdat dit laatste tijdens de bewerking meer warmte inbrengt en daardoor de verbindingen onbetrouwbaarder maakt.

Energiezuinig

De accupack drijft een driefasen-elektromotor aan die in het voorwiel is geplaatst. Deze constructie maakt een overbrenging overbodig en beperkt de verliezen, waardoor het maximum rendement van de 21Connect-motor liefst 98% bedroeg. Efficiënt was ook de elektrische installatie aan boord, die naast de besturing met name de datacollectie (van auto- en omgevingsparameters) omvat. Ten opzichte van de vorige keer was het benodigde vermogen meer dan gehalveerd, van 35 naar 16 W, een besparing van zo’n 2% op de gemiddelde totale vermogensconsumptie van de auto. Dit werd gerealiseerd door een slim elektrisch ontwerp, inclusief de reductie van het aantal relais en de verplaatsing van de computer voor de dataverwerking naar de volgauto, waar zich het strategiecentrum bevond.

Strategie

De zonneautorace draait namelijk niet om topsnelheid maar om strategie. Het BMS speelt daarin een cruciale rol. Op topsnelheid verbruikt de auto veel meer (2,5 kW aan vermogen bij 135 km/uur) dan de 6 m2 aan Si-zonnecellen kunnen leveren (max. 1,3 kW, gemiddeld 0,9 kW). Dit keer gebruikten de meeste teams op grond van nieuwe regels dezelfde Si-cellen, want van de duurdere GaAs-cellen met hogere energieopbrengst mochten de teams slechts 3 m2 gebruiken. Bij aanvang van de race zijn de batterijen vol en op het eind moeten ze zoveel mogelijk zijn leeggetrokken, maar dat moet niet voortijdig gebeuren, want opstarten vanuit een lege accu kost veel tijd.

Uitgangspunt voor de strategie is het automodel dat het rijgedrag beschrijft afhankelijk van energieopname en omstandigheden. Naast het BMS komt input ook uit de weersvoorspelling (met name over bewolking en wind; dit keer was RTL-weervrouw Helga van Leur lid van het Twentse raceteam), uit een hoogtekaart van het traject (bijvoorbeeld om stilvallen op een helling te voorkomen) en uit informatie over andere obstakels (cattle grids, bebouwde kommen, enz.). Het streven is de optimale kruissnelheid te vinden en zoveel mogelijk met constante snelheid te rijden, want accelereren en afremmen kost (extra) energie. Dit keer was de uitdaging groter dan in voorgaande jaren, omdat het weer allesbehalve constant was en bosbranden voor oponthoud en ‘zonsverduistering’ zorgden.

Veiligheid

De hoofdfunctie van het BMS is echter het bewaken van de veiligheid. De enorme accupack bevat veel energie en dat kan in geval van disfunctioneren gevaar opleveren. Als hij te ver wordt opgeladen, kan er oververhitting optreden en daarmee brandgevaar. Hetzelfde geldt voor het te ver leegtrekken van de accu’s; dan ontstaat kans op het ‘verkeerd-om’ laden van de lege cellen, met brandgevaar tot gevolg – dit overkwam twee teams tijdens de race, hoogstwaarschijnlijk als gevolg van het ontbreken van een BMS. In 2005 maakte de eerste Twentse zonneauto gebruik van een standaard-BMS. Dat beschikte echter niet over de gewenste nauwkeurigheid voor het bepalen van de accucapaciteit en voldeed daarmee niet aan de gecombineerde eisen wat betreft veiligheid en rendement. Immers, als de capaciteit niet nauwkeurig bekend is, moeten (te) ruime veiligheidsmarges worden aangehouden en dat gaat ten koste van de beschikbare capaciteit.

Accupack

Voor de 21Connect werd vanwege hun hogere capaciteit bij een lager gewicht (oftewel hogere energiedichtheid) overgestapt naar Li-ion-batterijen, die wat betreft veiligheid kritischer zijn dan de voorheen gebruikte Li-polymeer-batterijen. De accupack telde 38 cellen, met totaal ruim 5,1 kWh capaciteit. Hardwarematig wordt bij een spanning van 4.230 V afgeschakeld, want boven de maximumspanning van 4,235 V per cel dreigt brandgevaar. Daarom werd in de BMS-software als bovengrens 4,21 V aangehouden. De maximale spanning van de pack bedroeg daarmee zo’n 160 V, en dat was ruim boven de voor mensen veilige grens van 50 V; voorzichtigheid bij de handling was dus geboden.

Capaciteitsbepaling

Tijdens gebruik moet het BMS dus kunnen aangeven hoeveel energie er nog beschikbaar is. Die capaciteitsbepaling vindt indirect plaats door het meten van de accustroom. Door integratie van de stroom tot geleverde lading kan de resterende lading in de accu worden bepaald en daarmee de resterende energetische capaciteit. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de voor een accu karakteristieke ontladingscurve, die vooraf kan worden bepaald en die het verband tussen lading en accuspanning weergeeft. Bij 3T is onderzoek gedaan naar het zorgvuldig karakteriseren van een accu. Bij het ontladen moet de accu op de verschillende meetpunten eerst goed relaxeren voordat een spanning (OCV, Open Circuit Voltage) kan worden gemeten die een betrouwbare maat is voor de ‘state-of-charge’ van de accu.

image012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Screenshot van het BMS-interface, met per cel de indicatie van de actuele spanning (rechtsonder) en het verloop in de tijd (linksboven).

Het probleem zit ’m in de integratiestap. Alle (systematische) fouten en ruis in de meting van de stroom worden door integratie tot een lading vertaald naar een afwijking die over de tijd flink kan toenemen, zeker als afwisselend netto ontlading en oplading (vooral buiten racetijden) plaatsvindt. De capaciteitsbepaling is dan niet meer betrouwbaar en daarom bevat een standaard-BMS een thermozekering als ultieme beveiliging. Voor een zonnerace is zo’n zekering ongewenst, vanwege het risico dat ie er – mogelijk onterecht – uitvliegt en zo de auto voor langere tijd stilzet. De beveiliging moet daarom uit de software en hardware komen, die uiteraard is gekoppeld aan het relais in de start-up-box.

Voor de aan het BMS gekoppelde stroommeter werden componenten gebruikt die weinig drift vertonen en een lage temperatuurgevoeligheid hebben. Ook werd de stroommeting nauwkeurig gekalibreerd. Dezelfde aanpak was nodig om de totale accuspanning, van maximaal 160 V, met enkele mV nauwkeurigheid te kunnen meten.

Energie werd ook nog gestoken in het ontwikkelen van een accubalanceersysteem. Een accupack werkt namelijk optimaal als alle cellen een gelijke capaciteit hebben; bij serieschakeling is de cel met de laagste capaciteit bepalend voor de prestatie. Balanceren houdt in alle cellen op dezelfde capaciteit brengen door ze naar de zelfde spanning te ontladen. Voorheen gebeurde dat handmatig in een langdurige procedure, het afgelopen jaar ontwikkelden STT en 3T samen een automatisch balanceersysteem.

Onderste uit de kan

De Twentse investeringen in het BMS betaalden zich uit. Illustratief is de anekdote over een concurrerend team dat de 21Connect vol bravoure inhaalde, maar vijf kilometer verder weer door de Twentenaren werd gepasseerd, toen het met een rokende accu in de berm stond. Aan de finish in Adelaide bleek de Twentse accu op 100 Wh (2% van de maximale capaciteit) na volledig te zijn leeggetrokken. Niet veel teams durfden het aan om zo ‘scherp aan de wind te zeilen’ wat betreft hun batterijcapaciteit, want het schrikbeeld van een auto die in het zicht van de finish stilvalt was in voorgaande jaren al eens bewaarheid. Dankzij de nauwkeurige capaciteitsbepaling door het BMS kon Twente wel het onderste uit de kan halen.

image013

 

Verloop gedurende een racedag van de capaciteit van de accupack en de snelheid van de zonneauto. Tijdens het rijden neemt de capaciteit gestaag af. Netto opladen vindt plaats in de vroege ochtend en de namiddag, buiten de racetijden van acht tot vijf, en tijdens stilstand gedurende de race.

Kruisbestuiving

De bijdrage van 3T aan de ontwikkeling van het BMS heeft in de loop der jaren nauwe raakvlakken gehad met het werk van het Enschedese elektronicabedrijf voor Sparta. Voor deze fabrikant van onder meer elektrische fietsen ontwikkelt 3T al vele jaren de elektronica voor de besturing, inclusief het BMS voor NiMH-accu’s. De door 3T opgedane ervaring met het Solar Team BMS (Li-polymeer- en Li-ion-accu’s) is toegepast voor het nieuwe Li-ion-systeem van Sparta. Zo is de kennis van en ervaring met nauwkeurige capaciteitsbepaling voor de accu van de zonneauto terug te vinden in het BMS voor de nieuwe Sparta ION®. Weliswaar zijn elektrische fietsen minder kritische applicaties, omdat in het gebruik niet de extremen – van (te) vol en helemaal leeg – worden opgezocht, maar bewaking van de veiligheid is essentieel. In de accu voor de ION, met zeven of tien cellen, bevat daarom elke cel een BMS-printje dat nauwkeurig de spanning en temperatuur bewaakt. Ook wat betreft het balanceren van de cellen, dat bij de ION tijdens gebruik actief gebeurt, is er bij 3T sprake van kruisbestuiving tussen de massa- en de special-toepassing. En de focus op hoog rendement, en dus energiezuinige elektronica, betaalt zich nu uit voor consumentenfietsen.

Zie ook:

www.solarteamtwente.nl
www.worldsolarchallenge.org