Elektrisch

Voor batterij-elektrische vervoermiddelen spelen de volgende ontwikkelingen een centrale rol:

• Batterijtechnologie;
• Batterij management systemen (BMS);
• Energiemanagementstrategieën (EMS);
• In-wheel motorconcepten;
• Oplaadtechnieken.

Batterijtechnologie

Een van de meest evoluerende technologieën in elektrische vervoermiddelen is onmiskenbaar de batterij. Wereldwijd werken wetenschappers en de industrie eraan om de prestaties van lithium-ion cellen te verbeteren. Dit heeft het afgelopen decennium tot snel dalende batterijkosten (circa factor tien) en een stijgende energiedichtheid (circa factor 3) geleid [BloombergNEF, 2020]. De nieuwe generatie batterijen richt zich op een aantal onderwerpen:

• Minder gebruik en afhankelijkheid van kobalt;
• Verhogen levensduur van de batterij (lees: meer oplaadcycli);
• Solid-state batterijen.

Minder gebruik en afhankelijkheid van kobalt

Tegenwoordig wordt meer dan 50% van de wereldwijde kobaltproductie gebruikt in lithium-ion (Li-Ion) batterijen. Kobalt is een van de duurste metalen die gebruikt worden in batterijen. Bovendien is kobalt een zeldzame metaal dat vaak wordt gedolven onder slechte werkomstandigheden (deels met de hand in niet-beveiligde mijnen). Mede hierdoor wordt er veel onderzoek gedaan naar mogelijkheden om het gebruik van kobalt in Li-Ion batterijen te verminderen. Een van de nieuwste cel chemie proporties is NCM811, een nikkel-kobalt-mangaan batterij, die 80% nikkel, 10% kobalt en 10% mangaan bevat. Er zijn concrete marktintroductieplannen van diverse partijen voor deze nieuwe batterij:

• In april 2019 heeft de Chinese batterijfabrikant CATL aangekondigd dat het gestart is met de massaproductie van de NCM811;
• Kort daarop heeft de Koreaanse batterijfabrikant Automotive Energy Supply Corporation (AESC) plannen uitgebracht om NCM811 te produceren. AESC belooft een productiestart van NCM-batterijen in 2020 met een energiedichtheid van circa 300 Wh/kg per cel;
• LG Chem is in het eerstye kwartaal van 2020 begonnen met de massaproductie van NCM712 batterijen (nikkel-kobalt-mangaan in een verhouding van 70%-10%-20%), zonder informatie over energiedichtheid bekend te maken;
• Tesla's nieuwste 21700 NCA-cellen (21 mm in diameter en 70 mm in lengte) bestaan voor 80% uit nikkel, 15% kobalt en 5% aluminium. In model 3 vertonen deze cellen een geschatte energiedichtheid van 246 Wh/kg.

Verhogen levensduur van de batterij

Om de levensduur van de batterij te verhogen, is het essentieel om cellen te ontwikkelen die een hoog aantal laadcycli doorstaan. Verwacht wordt dat batterijfabrikanten later dit jaar de productie opstarten van batterijcellen met een capaciteit van 4.000 tot 5.000 oplaadcycli, goed voor circa 1,6 miljoen voertuigkilometers.

Solid-state batterijen

Batterijfabrikanten hebben ook een roadmap voor solid-state batterijtechnologie geïntroduceerd als potentieel volgende generatie batterij, als vervanging van Li-Ion. In theorie is bij solid-state batterijen het risico dat elektrolyt (als gevolg van fysieke schokken) wordt blootgesteld aan de lucht of explodeert, laag. Dit komt omdat solid-state batterijen een vaste elektrolyt gebruiken die is gemaakt van polymeer of keramische materialen in plaats van de vloeibare elektrolyt, zoals wordt gebruikt in de huidige lithium-ion batterijen. Dankzij hun hoge prestaties bij hoge temperaturen en hoge capaciteit van vaste elektrolyten, heeft dit materiaal de potentie om de energiedichtheid verder te verhogen. Vóór 2025 worden echter geen solid-state batterijen op de markt verwacht.

Impact op kosten

Verbeteringen die hierboven zijn beschreven resulteren naar verwachting in een verdere daling van de totale kosten van een batterij. In 2020 werden de gemiddelde kosten van een batterijpakket geschat op ongeveer $ 137/kWh. Het huidige doel van de industrie is om tegen 2023 $ 100/kWh te bereiken [BloombergNEF, 2020].

Figuur 7: Historische ontwikkeling van batterijkosten [BloombergNEF, 2021]

Batterij management systemen (BMS)

Recente onderzoeken in batterij management systemen (BMS) richten zich vooral op het verkrijgen van een beter inzicht in de kenmerken van een cel, zoals de laadstatus, de conditie van de batterij, enz. Dit wordt bereikt door machine learning-methoden toe te passen en ook door nieuwe vormen van modellering (fysieke modellering). Deze verbeteringen verhogen de efficiëntie van het pakket en maken een nauwkeurigere cel-balancering mogelijk. Verder wordt er ook onderzoek gedaan naar management op celniveau en een BMS op basis van cloudapplicaties.

Energiemanagementstrategieën (EMS)

Het thermische beheer van componenten in de aandrijflijn vormt een cruciaal deel van een elektrische voertuig, zeker naar mate de weersomstandigheden extremer worden. Energiemanagementstrategieën (EMS), die fungeren als toezichthouder van alle energiebuffers op het voertuig, distribueren de energie op een optimale manier over de subsystemen. Als gevolg hiervan blijft de temperatuur van de batterijen binnen een acceptabele bandbreedte. Dit is een belangrijke factor voor de levensduur.

In-wheel motorconcepten

Elektrische aandrijvingen worden ontwikkeld voor verschillende voertuigen en toepassingen: personenauto’s, bussen, vrachtauto’s, etc. De meest voorkomende elektrische voertuigen hebben achterwielaandrijving (RWD) of vierwielaandrijving (AWD). De elektromotoren zijn meestal verbonden met een aandrijfas die het koppel op de wielen overbrengt. In-wheel motorconcepten winnen de laatste tijd aan populariteit omdat hierbij geen sprake is van energieverliezen in de versnellingsbak, differentieel of aandrijfassen. Ook wordt het gewicht omlaag gebracht, waardoor de actieradius van het voertuig verbetert. In 2021 worden de eerste personenvoertuigen met in-wheel motoren op de markt verwacht. Voor bussen en vrachtwagens zijn deze al veel langer op de markt.

Oplaadtechnieken

Er zijn twee belangrijke onderzoekstromen als het gaat om het opladen van voertuigen: snel opladen en draadloos opladen. Momenteel kunnen de snelste openbare laders een elektrisch voertuig in ongeveer 25 minuten opladen tot ongeveer 80% (bijvoorbeeld de Porsche Taycan). Met behulp van een Tesla V3 Supercharger kan een Tesla model 3 Long Range na 5 minuten laden een actieradius van 120 kilometer bereiken. De industrie heeft plannen voor laadstations die voertuigen kunnen opladen met laadvermogens tot 350 kW. Het thermische gedrag vormt hierbij de grootste uitdaging, voor zowel de infrastructuur (met name de stekker) als het voertuig (batterij en elektronica) zelf.

Onderzoekers aan de Universiteit van Pennsylvania werken aan een oplossing, waarbij de batterijtemperatuur tijdens het opladen wordt beperkt tot 60^oC door middel van een dunne nikkelfolie. Hierdoor kan de batterij in tien minuten tot 80% worden opgeladen zonder deze te beschadigen of de levensduur te verkorten. Het zal naar verwachting twee tot drie jaar duren voordat de testfase van deze technologie is voltooid en het gebruikt kan worden in commerciële voertuigen.

Draadloos opladen zal naar verwachting de komende jaren toenemen, aangezien de prestaties vergelijkbaar zijn met traditioneel opladen, maar tegelijkertijd is het gemakkelijker en minder gevoelig voor schade. Een opstelling voor draadloos opladen bestaat doorgaans uit drie delen:

• Een muurinstallatie die het vermogen van het net overdraagt aan de primaire spoel;
• Een primaire spoel die zich onder de grond bevindt;
• Een secundaire spoel die zich in de bodem van het voertuig bevindt.

SAE-standaard J2954 definieert drie klassen laadsnelheden: WPT 1, 2 en 3, met een maximaal vermogen van respectievelijk 3,3 kW, 7,7 kW en 11 kW.