Accu en actieradius van de elektrische auto

Wat betekent een accucapaciteit van 40 kWh?

40 kWh houdt in dat de accu theoretisch de capaciteit heeft om een uur lang een vermogen van 40 kW te leveren. Even terug naar de basis: de stroomsterkte wordt uitgedrukt in ampère (A). Dat staat voor de hoeveelheid elektrische lading die per tijdseenheid door een draad of stroomverbruiker stroomt. De elektrische lading van een batterij wordt uitgedrukt in ampère-uur (Ah). Die lading in Ah van batterij wordt bepaald door die batterij te ontladen met een constante stroom gedurende 20 uur bij 20 °C. Een batterij van 40 Ah kan bij 20 °C dus 20 uur lang 2 ampère leveren, dan is hij leeg. De capaciteit van een accu met lading van 100 Ah en een spanning tussen de plus- en minpool van 400 volt bedraagt 40 kWh (100 x 400 = 40.000 = 40 kWh).

Hoe lang gaat een accupakket mee?

Daar valt nog niet heel veel over te zeggen. Autofabrikanten melden dat een accupakket in principe een autoleven lang meegaat, waarbij niet exact kan worden aangegeven hoe lang
dat is. In alle gevallen is het echter meer dan tien jaar of 100.000 kilometer. Wij verwachten dat het dubbele ook geen probleem hoeft te zijn. Kijken we naar de eerste auto’s met een hybride aandrijflijn, dan zien we dat die al bijna twintig jaar op de markt zijn en met enkele honderdduizenden kilometers achter de rug door de bank genomen geen noemenswaardige problemen geven (althans niet bij ons bekend).

Wat gebeurt er met afgedankte accupakketten?

Heel veel afgedankte accupakketten zijn er nog niet. In recyclingprogramma’s worden oude accu’s uit elkaar gehaald. Veel van de gebruikte materialen zijn prima te hergebruiken. Het is voor sommige stoffen zelfs erg wenselijk. De voorraad lithium bijvoorbeeld is beperkt en deze grondstof kan in slechts een beperkt aantal landen worden gewonnen. Start-ups halen afgedankte accu’s uit EV’s en auto’s met hybride aandrijflijn en gebruiken deze voor stationaire toepassingen. Denk daarbij aan backupsysteem als de stroom uitvalt of om te bufferen wanneer er meer wind- of zonne-energie wordt opgewekt dan er op dat moment wordt gebruikt. Bijvoorbeeld in een 'powerwall'. Dat is schoner en goedkoper dan het recyclen van accu’s.

Waarom zijn de capaciteit van de accu en actieradius kleiner?

Een belangrijke factor tussen accu en actieradius is de temperatuur; in de kou presteert de accu minder en in de hitte wordt de levensduur bekort. Het best komt de accu tot zijn recht bij kamertemperatuur; dan verloopt het laden lekker vlot, is zijn rendement mooi hoog en gaat hij langer mee. Bij een lagere temperatuur van een accu verlopen de chemische omzettingen in de accu trager en bij een te lage temperatuur stoppen ze zelfs helemaal. Dat zie je zowel tijdens het laden als bij het belasten. Hierdoor daalt dan ook de snelheid waarmee de elektronen naar buiten komen (de stroom) en zal de accu minder vermogen kunnen leveren.

En of dat al niet erg genoeg is neemt bij lage temperaturen de inwendige weerstand van een accu toe (wat vermogen kost), waardoor ook de spanning van de accu zal dalen. Dat heeft weer een negatieve invloed op het vermogen van de accu. Zijn we er al? Nee, nog niet. Op een gegeven moment neemt de inwendige weerstand van de accu zo veel toe zodat er helemaal geen elektronen meer willen stromen, ook al zijn er misschien nog wel elektronen in het lithium over die nog naar buiten zouden ‘willen’, maar het gewoon niet meer kunnen. Oftewel: de capaciteit loopt sterk terug.

Als het koud is?

Kortom, kou is niet alles voor een accu. Hoe warmer hoe beter. Of toch niet helemaal? Nee, want bij een te hoge temperatuur neemt de levensduur van de batterij sterk af, als gevolg van een onomkeerbaar proces waardoor de elektrode op den duur onbruikbaar wordt als accupool. Om accu’s tegen oververhitting te beschermen, worden ze gekoeld. Wanneer de accu stroom levert, produceert hij namelijk ook warmte. Omgekeerd is dit koelsysteem ook de accu onder koude omstandigheden tot hij op werktemperatuur is. Op deze manier kun je ook bij –25 °C wegrijden. De accu brengt zichzelf na vertrek snel genoeg op bedrijfstemperatuur. En wanneer de auto bij temperaturen lager dan –25 °C aan de stekker hangt, zal de accu eerst met elektrisch verwarmd koelwater op temperatuur worden gebracht. Bij –40 °C kan het uren duren voordat hij is verwarmd tot –25 °C en je kunt wegrijden of voordat het opladen begint (bij te lage temperaturen lukt opladen ook niet meer).

Overigens is dit voorverwarmen alleen nodig wanneer de auto langere tijd heeft stilgestaan, niet wanneer je de dag ervoor nog hebt gereden. Door de grote massa van het accupakket houdt die zijn warmte vrij lang vast, in elk geval lang genoeg om de volgende dag weer op pad te kunnen zonder voorverwarming. Kortom, vanaf –25 °C is de accu al te gebruiken, al zijn de prestaties dan wel vrij beperkt. O, en vergeet niet dat wanneer het buiten koud is er meer elektriciteit nodig is om het interieur op een aangename temperatuur te brengen en te houden.

Kan ik mijn oude EV upgraden met een groter accupakket?

Technisch kun je bijvoorbeeld een oudere Renault Zoe of een BMW i3 voorzien van een accupakket zoals dat nu in een nieuw exemplaar wordt geleverd. Een Nissan Leaf kan door een bedrijf worden voorzien van een groter accupakket. Een accupakket is duur en vergt een hoop sleutelwerk om te vervangen, zodat het financieel niet snel haalbaar is om zo’n ingreep te doen. Wellicht stijgen ooit de prijzen van gebruikte accupakketten, waardoor die een hoge inruilwaarde hebben. Dan zou het upgraden van een accu en actieradius rendabeler worden. Waarschijnlijk zal het nooit opwegen tegen de aanschaf van een nieuwe auto.

Kun je ook echt de totale accucapaciteit gebruiken?

Nee. Omwille van de levensduur van de accu (en wanneer er geen 12V-accu aan boord is, ook om de elektronica in leven te houden) zorgt de elektronische accubewaking ervoor dat de accu nooit helemaal leeg raakt. Overigens wordt er vanuit perspectief van levensduur ook voor gezorgd dat de accu nooit geheel wordt afgetopt. Wanneer de accu echt leeg is, kan hij niet meer worden opgeladen en wanneer die helemaal vol zit, hebben de elektroden het ook niet meer naar hun zin.

Even een rekenvoorbeeld met een accu met een bruto-capaciteit van 50 kWh en een onder- en bovenmarge van 10 procent. Omwille van de levensduur zorgt de elektronica ervoor dat de accu altijd voor nog 10 procent geladen blijft en nooit meer dan voor 90 procent wordt opgeladen. De netto capaciteit is dan 80 procent (want 100 - 10 - 10 = 80) van 50 kWh is 40 kWh. Dat is de hoeveelheid energie die je als bestuurder tot je beschikking hebt. De accumeter op het dashboard geeft aan dat je een 100 procent volle accu hebt wanneer deze 45 kWh aan elektrische energie bevat en melden dat de accu leeg is wanneer er technisch gezien nog 5 kWh aan boord is. Althans, wanneer de accu nieuw is.

Wanneer de accu na verloop van tijd veroudert en de technische capaciteit terugloopt, zul je dat bij sommige automerken niet snel merken. Die zullen ervoor zorgen dat je (op basis ons fictieve rekenvoorbeeld) ook als de capaciteit technisch is teruggelopen tot bijvoorbeeld 44 kWh nog altijd 40 kWh tot je beschikking hebt door de marges aan de onder- en bovenkant terug te brengen tot 2 kWh. Hoewel de accu technisch 6 kWh is ‘kwijtgeraakt’, heb je dan praktisch nog 40 kWh tot je beschikking. De bovenstaande getallen zijn gekozen om het behapbaar te houden, in werkelijkheid gaat het om veel kleinere marges.

Neemt de accucapaciteit in de loop van de jaren af?

Het ligt voor de hand dat een accu van een EV na verloop van tijd gaat degenereren. Om dat te ondervangen, heeft Renault een tijd gewerkt met accuhuur. Mocht de batterij na verloop van tijd nog maar weinig prik over hebben, dan kon die door dit huursysteem gemakkelijk worden omgewisseld. Nu zijn we een paar jaar verder en blijkt dat de degradatie niet erg snel gaat. Van vloeistofgekoelde Tesla-accu’s is bijvoorbeeld bekend dat ze na 300.000 kilometer nog 90 procent van hun capaciteit over hebben. De luchtgekoelde accu’s die worden gebruikt in de Nissan Leaf en de Renault Zoe lijken gevoeliger voor degradatie.

Verder geven fabrikanten doorgaans een flinke garantie op de levensduur van hun accu’s. Dat is maar goed ook, want de accu is veruit het duurste onderdeel van de auto. Maar goed, de kilometerstand heeft dan misschien maar weinig invloed op de accu, er is nog niemand die weet wat de factor tijd gaat doen als de eerste tien of vijftien jaar erop zitten. Verder komen er steeds krachtiger snelladers. In het algemeen geldt dat het snel volladen van een batterij niet bevorderlijk is voor de levensduur, hoewel sommige merken claimen dat dat niet uitmaakt, zoals Nissan. Het is afwachten wat al die nieuwe technieken met de accu’s gaan doen.

Waarom geven jullie de laadtijd aan tot de accu 80 procent vol is? Ik wil liever weten hoelang het duurt om een accu 100 procent op te laden. Als 80 procent 47 minuten duurt, duurt 100 procent toch 59 minuten?

Het opladen van een accu is geen lineair proces. Tot 80 procent gaat het redelijk snel, maar de laatste 20 procent duurt veel langer.

Wat is een solid-state-accu?

De solid-state-accu kun je zien als de heilige graal op het gebied van accutechniek. Niemand heeft hem tot zijn beschikking. Ten opzichte van de huidige lithium-ionaccu heeft een solid-state-accu een hogere energiedichtheid. Dat betekent dat die kleiner en lichter kan zijn, maar een auto evengoed een veel grotere actieradius kan geven. Verder is een solid-state-accu veel beter opgewassen tegen de hogere temperaturen die vrijkomen bij het snelladen. Volgens de voorspellingen wordt het met de nieuwe techniek mogelijk te laden met een snelheid van 350 kW en later wellicht 1 megawatt.

Daarnaast heeft een solid-state-accu een veel langere levensduur dan de ‘klassieke’ lithium-ion- batterij. Technisch is het grootste verschil dat een lithium-ionaccu een vloeibaar elektrolyt gebruikt. In een solid-state-accu is dit een vaste stof. Elektrolyt is de verbinding tussen twee polen van een batterij. Zo’n beetje elke fabrikant van EV’s ontwikkelt solid-state-accu. De verwachtingsdatum wordt steeds opgeschoven. Momenteel rekent men op een toepassing in 2023. De verwachting is dat we die nieuwe technologie dan eerst in kleine elektronische apparaten zien. De komst van de solid-state-accu lijkt ons niet iets om de aanschaf van een EV voor uit te stellen, want dat gaat echt nog wel even duren.

Kan ik auto’s die hun power uitdrukken in kWh vergelijken met auto’s die dat uitdrukken in Ah?

Ja, door de spanning van het accupakket (in Volt) te vermenigvuldigen met de waarde in Ah krijg je kWh.