e-drive, accu en BMS

Waarschuwing: dit is een stukje over elektronica in hybride fietsen. Veel theorie dus. Het kan wel van belang zijn voor wie denkt aan het "hybridiseren" van zijn (lig-)fiets of velomobiel.

In eFAW staat de "e" voor de elektrische ondersteuning. Die doet het prima, dank u. Het principe met de motor voor de trapas is eenvoudig qua opzet, betrouwbaar en het blijkt de aandrijving geen pijn te doen. Af en toe wordt namelijk geopperd dat die motor op de aandrijflijn een extra belasting hiervan betekent. Dat is uiteraard zo, maar ik merkte daar nog geen nadelige gevolgen van.

De "gas"hendel doet het ook goed.

Een ander, minder gelukt, aspect is de Cyclone accu en dat is waar dit stukje over gaat. In de twee jaar dat ik met eFAW rijd, heb ik met die accu al een aantal minder goede ervaringen opgedaan. Grosso modo de helft van de LiFePo4 (prismatische) cellen was ondertussen vervangen, maar dat loste het probleem niet op. Nu lijkt het erop dat de oorzaak niet zozeer de kwaliteit van de cellen is, maar het BMS of een combinatie van beide componenten.

BMS staat voor Battery Management System: een stukje elektronica dat de staat van de afzonderlijke cellen bewaakt. Het systeem meet een aantal waarden en stuurt een reeks zaken:

• laden stopt zodra de maximale spanning van 29,2V bereikt is
• laden stopt zodra een cel of cellenpaar de maximale spanning van 3,85V bereikt heeft
• na een eerste laadbeurt start het "balanceren": de cellen die volgeladen zijn worden gedeeltelijk ontladen, waarna het laadproces weer start
• het laden stopt volledig zodra de batterij de maximale spanning van 29,2V bereikt heeft
• de stroomtoevoer wordt onderbroken als de totale spanning onder 23,2V zakt (dit is een conservatieve waarde. Andere BMS-fabrikanten werken met een lagere benedengrens) 
• stroomtoevoer stopt wanneer de minimale spanning van een cel onder de 2,9V daalt

Nu bleek dat het BMS in de originele accu wel de maximumgrens bewaakt, maar dat geen rekening (meer) gehouden wordt met de benedengrens van de individuele cellen.
Dat het BMS de boel niet uitbalanceert, betekent dat het laden stopt zodra de maximale batterijspanning van 29,2V bereikt is. De cellen die daar wat meer tijd voor nodig hebben, bijvoorbeeld omdat hun capaciteit wat hoger is, raken daardoor nooit volledig geladen. Dat heeft al vanaf het begin als gevolg gehad dat de opgegeven capaciteit van de accu (16 Ah) nooit gehaald werd.
Die 16 Ah is uiteindelijk puur een rekenkundige waarde: elk element heeft een opgegeven capaciteit van 8 Ah. Elk paar bereikt dus 16 Ah. Er zijn 8 paren, wat tot een gemiddelde spanning van 25,6V leidt. Zo krijg je een accupack van "nominaal" 24V (8 x 3V) en 16 Ah. Dat is geen realiteit, maar een theoretische opgave. De capaciteit wordt enkel bereikt onder de volgende omstandigheden:

• elke individuele cel heeft een reële capaciteit van 8 Ah
• elke cel wordt geladen tot de maximumspanning van 3,85V
• de stroom wordt pas onderbroken als elke cel de minimale spanning bereikt heeft

Dat de benedengrens van de individuele cellen niet gecontroleerd wordt, heeft als gevolg dat, als ik de accu echt leeg rijd, cellen te diep ontladen worden en zo beschadigd raken.
Dat zijn zaken waar je zomaar geen zicht op hebt. In eFAW bouwde ik wel een Cycle Analyst in, maar die geeft enkel algemene waarden: spanning, geleverd en opgenomen vermogen, aantal laadbeurten, ...

Het is pas als de zaak echt fout loopt en een specialist (in deze mijn vader) een grondige analyse maakt, dat dergelijke dingen boven water komen. Het lijkt er dus sterk op dat de oorzaak niet te zoeken is bij een minderwaardige kwaliteit van cellen (wat eerst zo leek), maar bij een foute keuze of instelling van het BMS. Is dat een gevolg van de complexiteit van het systeem, van onvoldoende kennis bij Cyclone of van een foute keuze om de kosten te drukken, dat zal ik wellicht nooit weten. Ik, als eindgebruiker, kocht namelijk een accupack, een geheel van cellen, BMS en een verpakking hiervoor.

Een andere mogelijke oorzaak is veroudering van de cellen. Bij de technische specificaties van LiFePo4 cellen wordt vol trots gemeld dat ze tot 2000 keren of meer herladen kunnen worden. Als je dat aantal laadbeurten omzet in een levensduur, kom je makkelijk op vijf tot tien jaar uit. Het lijkt er echter sterk op dat de tijd een veel grotere rol speelt; dat cellen in de praktijk zo snel verouderen dat ze nooit aan die laadbeurten raken, maar ondertussen al dood zijn of toch zo goed als. Dat heeft dan niets met het aantal laadbeurten te maken, maar gewoon met de ouderdom van de cellen. Voor een aantal ervan blijkt zelfs een levensduur van twee jaar het maximum!

Een hele collectie defecte cellen

Fietser.be heeft me hierin wel goed ondersteund. Op dit moment rijd eFAW met een andere 16Ah accu die Brecht bezorgde, waarin we ook weer enkele cellen dienden te vervangen, afkomstig van alweer een andere donoraccu. Dit geheel doet het eindelijk goed: alle cellen hebben zo goed als dezelfde capaciteit en het BMS doet wat het moet. Deze keer haalt de accu (bijna) de opgegeven 16 Ah.
Daarnaast staat nog een 20ah accu klaar om te testen. Dat is de (zeer redelijke) tegenprestatie die Brecht van mij verwacht. Zodra die geassembleerd is (BMS is volledig nagezien, alle cellen geladen, ontladen, opnieuw geladen en gemeten) en goedgekeurd, krijgt hij een perfect functionerende 20 ah accu terug.

Wat ik ook leerde ondertussen, is dat alleen al een "accu" voor een elektromotor een zeer complex gegeven is. Om te weten hoe dit werkt, is heel wat uren studie nodig. Ik ben dus benieuwd hoe fietshandelaren hiermee omspringen. Wellicht blijft de "kennis" bij problemen op dat vlak beperkt tot vervangen - binnen de garantietermijn - of een nieuwe verkopen.

Het grootste probleem is dat het bijna onmogelijk is om vooraf de kwaliteit van een accupack te kennen. Je zou kunnen zeggen: "ik kies voor Panasonic cellen". Dan heb je het enkel over de cellen, maar weet je nog niet wat je BMS waard is. In een BMS zit ook een eprom en als die niet goed geconfigureerd is, loopt het ook fout. Ondertussen merkte ik ook dat bepaalde fabrikanten blijkbaar in elk accupack hetzelfde BMS gebruiken. 8 cellen, 16, 24,.. maakt niet uit. Dit is uiteraard kostenbesparend en zo kan een goedkoper product aangeboden worden, maar technisch is het ver van optimaal. Maar, zoals gezegd, dat kun je niet zomaar weten.
En omdat het zo nieuw is en zo snel evolueert, mag je zelfs niet verwachten dat je fietshandelaar dit weet. Die moet op zijn beurt weer vertrouwen op zijn leverancier. Of die dat vertrouwen waard is, dat weet je handelaar ook pas na x tijd. Ondertussen zijn het wel jouw zuurverdiende centen die uitgegeven zijn.

In de praktijk worden wellicht voornamelijk voorgeconfigureerde elektrische fietsen verkocht, waarbij je er op moet vertrouwen dat de fabrikant zijn huiswerk goed gemaakt heeft. Je fietshandelaar is dan enkel doorgeefluik voor een afgewerkt product, waarbij enkel nog wat afstelwerk nodig is. Dit is zowat analoog aan mijn ervaringen met motorfietsen in het verleden: de klassiek geschoolde mechanicien kon prima sleutelen aan de motor, kon de motor tunen (ik had in mijn VFR een Dynojet kit zitten, die vermogen en koppel verbeterde), maar haakte af zodra de elektronica eraan kwam en haperingen vertoonde.
Ook hier, in de fietswereld, geldt hetzelfde: de geometrie van een fiets, de mechanische afstelling en de rudimentaire elektrische circuits hebben geen geheimen voor de fietsmechanicien, maar zodra meer gesofisticeerde elektronica zijn intrede doet, wordt de grens van het kunnen bereikt. Elektromotoren met alles wat daarbij hoort, horen duidelijk tot dat domein.