Accupakketten: serie- en parallelschakeling van cellen

De accu van een elektrische auto bestaat uit honderden kleine cellen die in serie en parallel zijn geschakeld. Serie verhoogt de spanning, parallel vergroot de capaciteit. Dit artikel legt het uit, inclusief de rol van balancering en de gevolgen van een slechte configuratie.

Waarom serie- en parallelschakeling?

Een enkele lithium-ion cel heeft een nominale spanning van ongeveer 3,6-3,7 volt en een capaciteit van 2 tot 5 Ah. Om de hoge spanning en capaciteit van een EV-accu te bereiken, worden cellen op een slimme manier gecombineerd.

In een serie schakeling worden cellen achter elkaar geplaatst: de plus van de ene cel verbindt met de min van de volgende. De spanningen tellen op, terwijl de capaciteit gelijk blijft. Bijvoorbeeld: 96 cellen in serie geven een totale spanning van 96 × 3,7 V = 355 V (nominaal).

Bij een parallel schakeling worden cellen naast elkaar geplaatst: alle plussen en minnen zijn met elkaar verbonden. De capaciteit telt op, de spanning blijft gelijk. Twee cellen van 3,7 V en 100 Ah parallel geven bijvoorbeeld 3,7 V en 200 Ah.

In een accupakket worden deze twee methoden gecombineerd: groepen cellen in serie voor de spanning, en parallelle groepen voor de capaciteit. Dit wordt vaak genoteerd als XsYp (X in serie, Y in parallel).

Spanning en capaciteit berekenen

Deze voorbeelden laten zien hoe je met een combinatie een geschikt accupakket voor een bepaald type auto kunt samenstellen. De keuze van het aantal serieschakelingen hangt af van de spanning van de elektromotor en de omvormer, terwijl het aantal parallelle groepen de actieradius bepaalt.

Het belang van balancering

Bij seriegeschakelde cellen is het cruciaal dat alle cellen dezelfde spanning hebben. Als één cel een hogere spanning heeft dan de andere, kan die tijdens het laden overladen raken, terwijl andere cellen nog niet vol zijn. Dit leidt tot snellere veroudering en in extreme gevallen tot veiligheidsrisico's.

Het Battery Management Systeem (BMS) bewaakt continu de spanning van elke cel of celgroep. Het balanceert de cellen door overtollige energie van volle cellen af te voeren als warmte (passief balanceren) of door energie tussen cellen te verplaatsen (actief balanceren). Passief balanceren is eenvoudig maar genereert warmte, actief balanceren is efficiënter maar duurder.

Een goed gebalanceerd pakket heeft een langere levensduur en kan meer energie leveren. Zonder balancering zou het pakket al na enkele laadcycli defect raken.

Gevolgen van slechte celconfiguratie

Een fout in de configuratie kan ernstige gevolgen hebben. Als er bijvoorbeeld per ongeluk een parallelschakeling wordt gebruikt waar een serieschakeling bedoeld was, krijg je kortsluiting. Daarom worden cellen in een accupakket altijd geassembleerd in een gecontroleerde omgeving.

Ook kwaliteitsverschillen tussen cellen spelen een rol. Cellen uit dezelfde productiebatch kunnen kleine verschillen in inwendige weerstand en capaciteit hebben. Deze verschillen worden groter na verloop van tijd. Het BMS moet daarom in staat zijn om kleine verschillen te compenseren.

In de praktijk wijken cellen in een goed pakket minder dan 1% van elkaar af. Als een cel veel afwijkt, kan het BMS het hele pakket beperken of de cel uitschakelen. Dit zie je terug in een dalende actieradius of een foutmelding in je auto.

Toekomstige ontwikkelingen

De trend in de industrie is om grotere cellen te gebruiken met een hogere energiedichtheid. Zo gebruikt Tesla de 4680-cellen, die minder bekabeling en verbindingen nodig hebben. Ook solid-state batterijen zijn in ontwikkeling; deze hebben een hogere energiedichtheid en zijn veiliger, maar zijn nog niet op grote schaal beschikbaar.

Daarnaast wordt er onderzoek gedaan naar nieuwe BMS-algoritmes die gebruikmaken van kunstmatige intelligentie om de gezondheid van cellen beter te voorspellen, waardoor de levensduur nog verder kan worden verlengd.

Veelgestelde vragen

Hoeveel cellen zitten er in een accupakket van een moderne EV?

Dat verschilt per model. Een Nissan Leaf heeft bijvoorbeeld 192 cellen, een Tesla Model S heeft er meer dan 7.000 kleine cellen, en een Volkswagen ID.3 heeft ongeveer 288 cellen.

Wat gebeurt er als één cel in een serie defect raakt?

Het BMS detecteert de afwijking en kan de cel uitschakelen of het pakket beperken. In sommige gevallen moet het hele module vervangen worden. Het is daarom belangrijk om een accu te onderhouden.

Kan ik zelf een accupakket in elkaar zetten voor een conversie?

Ja, maar het vereist veel kennis van elektronica en veiligheid. Zonder de juiste apparatuur en kennis loop je risico op brand en elektrocutie. Laat dit altijd doen door een professioneel bedrijf.