zaterdag 26 oktober 2013

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.

11 opmerkingen:

  1. Hallo Jan,

    Boeiende leesstof deze keer, niet mijn ding maar toch interessant. Ik ga er als leek op dit gebied ook gewoon van uit dat de e-bike van mijn vrouw in orde is en blijft, de ervaring met de vorige was op elektrisch gebied ook goed te noemen. Geen kosten of klachten wat dat betreft. De nieuwe heeft de motor in de voornaaf ipv op de trapas, een andere insteek, maar werkt ook prima, en lijkt meer te ondersteunen dan de vorige. Met de batterijen zijn nog geen problemen geweest, zowel niet bij de oude als bij de nieuwe.
    Onze keuze was wel een e-bike met een "eenvoudig" systeem, een fiets die regelmatig aan de computer moet voor een update leek ons niet echt handig ivm onze locatie. De Trek fiets van mijn vader heeft dat wel af en toe nodig. Ook het vervangen van banden kan ik nu zelf, zonder dat het hele motormanagment in de war raakt, wat ik ooit had met de eerste Sparta die mijn vrouw had. Toen nog woonachtig in Nederland, dus vlug opgelost. Dat gaf wel de aanzet tot inruil en aanschaf van een ander model e-bike.

    Groeten, Adri.

    BeantwoordenVerwijderen
  2. Benzine versies van snorfietsen zijn al bekend. Nu komt kennis van elektriciteit.

    BeantwoordenVerwijderen
  3. Hoi Jan,

    Als je het over achteruitgang van de cellen hebt dan heb je inderdaad twee zaken die belangrijk zijn:
    Het aantal laadcycli en de shelf life. (de genoemde waarden worden alleen gehaald als de accu goed wordt behandeld, niet overladen, niet te ver leeg getrokken, niet te warm worden enz.)
    Het grote voordeel van LiFePo4 accu's is juist dat ze in beide uitblinken boven Li-ion accu's
    Li-ion accu kunnen typisch zo'n 800 laadcycli aan en hebben een shelf life van zo'n 3 jaar.
    LiFePo4 accu's kunnen typisch zo'n 2000 laadcycli aan en hebben een shelf life van zo'n 10 jaar.
    Een ander voordeel van LiFePo4 accu's is dat ze chemisch een stuk stabieler zijn en daardoor minder kritisch zijn voor mishandeling.
    Helaas hebben LiFePo4 accu's ook een paar nadelen:
    Ze zijn zwaarder en groter en duurder bij dezelfde capaciteit dan Li-ion accu's.
    Ze hebben een veel kleiner verschil in voltage tussen vol geladen en leeg waardoor ten eerste de BMS veel nauwkeuriger moet zijn om de cellen goed te kunnen balanceren. Ten tweede kan je bij een Li-ion accu redelijk goed de lading status bepalen aan de hand van de spanning, bij een LiFePo4 accu is dit eigenlijk niet te doen en heb je een extra stukje elektronica nodig die bij houdt hoeveel stroom er in en uit de accu gaat om aan de hand daar van te bepalen hoeveel de restcapaciteit nog is.

    Groet André

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Dag Andre. Een mooie verduidelijking. Helaas voldoen de Cyclone LiFePo4 accu's duidelijk niet aan die criteria. Het aantal laadcycli zal met de vorige accu hooguit zo'n 400 bedragen en de shelf life van de totale accu zo'n 2 jaar. In die periode was al de helft van de cellen vervangen...
      Het vermoeden is dat het BMS kwalitatief onvoldoende is om de cellen in optima forma te houden. Iets met kostenbesparing misschien? Of onvoldoende kennis of onzorgvuldige research.

      Verwijderen
    2. Als de BMS zijn werk niet goed doet dan heeft de accu vaak geen lang leven inderdaad.

      Verwijderen
    3. Nog een leerrijke bron: http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion
      Het is duidelijk dat er heel wat soorten accu's zijn die onder de noemer LiIon vallen.

      Verwijderen
  4. Hallo, hoe weet ik dat ik de goede accu aanschaf? Twijfel namelijk over de oude van mijn auto.

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Je hebt het toch over een accu voor een elektrische fiets? Een loodzuuraccu (autoaccu) is eigenlijk niet geschikt hiervoor, maar wel goedkoop. Weegt veel en beschikt niet over de juiste eigenschappen. LiIon (en daarbinnen LiFePo) is veel beter. Je kunt zelf veel opsteken via het wereldwijde web, via fora van elektrische fietsers of ten rade gaan bij een specialist terzake, die je het materiaal kan leveren.

      Verwijderen
  5. goeiemorgen

    Uw ervaring lijkt goed aan te sluiten bij mijn vraag.
    Ik heb een e-bike met een onbeschermd systeem. Gewoon een + en een - aansluiten op controller en wiel en volia rijden maar ( al 4 jaar dus)
    Nu komt het
    Ik heb een ION ( li-ion ) accu gekocht van een Sparta Koga maar die blijkt beschermd. De bescherming loopt via de BMS die een code heeft en in de plug die de accu doorverbind met de controller zit een magnetisch veld zodat er geen stroom op staat (ik denk uitgeschakeld door BMS aangezien er wel een rode en zwarte draad op aangesloten zit maar die geven geen spanning )
    Ik zoek oplossingen

    1 ik meet op de laadplug gewoon 41v spanning. Kan ik daar aftappen. ( ik denk nl dat de draadjes die vanaf de laadplug naar de bms lopen te dun zijn ( lader geeft max 2a ) Als ik hiervandaan stroom trek naar de controller kan de spanning oplopen naar 8a ). Kunnen d die draden dan niet gewoon opnieuw worden gesoldeerd maar dan dikker ?

    2

    Kan er binnen in de accupack de + en - die vanaf de accucellen lopen naar de BMS niet worden onderbroken voor een 2e + en _ uitgang die gaat naar de controller

    3 Kan dde hele gecontroleerde BMS niet ertussenuit worden gehaald en worden vervangen door een niet beschermde. Alle draden liggen er toch ?

    wat kan en wat niet

    vr gr

    Chris
    06-55722511

    p.s ik heb een technische ploeg van defensie als techneuten als back up

    BeantwoordenVerwijderen
  6. Mooi blog! Jammer dat je LiFePo4 cellen kapot zijn gegaan. Maar maak je niet de fout door ze veel te hoog te laden? Namelijk: 29,2 volt /8 = 3,65 volt maximaal per cell, Maar pasop! (hier komt de adder onder het gras) Wat als je cellen (celgroepen) iets in onbalance zijn.... een of meer zijn lager dan 3,65. bijv. 3,54 (helemaal niet zo raar..) Helaas zijn dan andere cellen BOVEN !!! de 3,65 volt !!! Want anders heb je immers niet gemiddeld 3,65v ofwel 29,2 volt over 8 serieel. Helaas heb je dan je accucellen al beschadigd. dwz die te veel spanning hebben gehad. Ik ben ook in het bezit van een flinke lifepo4 accu voor mijn fiets. Ik laad de accu echter maar tot 27,6 volt. Hierdoor kan de accu 4x langer meegaan! 27,6volt / 8 = 3,45 volt gemiddeld per cell... Als je weet dat nominaal LiFePo4 3,4 volt heeft. Dat is dus de gemiddelde effectieve werkspanning. Feitelijk is je accu te gebruiken van 3,45 tot 3,10 of zelfs 3,0 volt. Vanaf 3,40 volt gaat het cel voltage bij het laden ook super snel omhoog, als je het vergelijkt met laden van 3,10 volt naar 3,20 volt. Je kan eenvoudig je laadspanning iets naar beneden draaien, als je zo'n aluminium charger hebt. Check een blauw pot metertje vlakbij (onder) de uitgang naar de accu. Deze kan je met een kleine mini schroevendraaier en een multimeter naar beneden draaien. Ook is het aan te raden regelmatig met een multimeter je cel(groep) spanningen na te meten.

    Zoals gezegd mijn laadspanning voor mijn Headway 40152 8S2P staat nu op 27,6 volt. Ook rijdt ik mijn accu nooit leeg en staat ie meestal aan de lader. Sinds deze week heb ik een extra Headway 40152 8s2p accu-pack, maar voor deze is de BMS dus nog niet binnen. Ik rij nu heerlijk op 48 volt!

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Praktijkervaring drie jaar later: de Flevobike LiFePo4 accu (13,2 Ah) is nog altijd in goede gezondheid (behalve dat het BMS het onlangs begeven had en vervangen is). Dit na drie jaar en zo goed als dagelijks gebruik, met laden tot 41,2V. De Crystalyte accu (10 Ah) is duidelijk minder goed en - het moet gezegd - de service bij Crystalyte is ook van een andere, minder goede, orde. Bij vraag naar de werking van hun systeem kwam een vaag antwoord en toen meer details gevraagd werden, kwam er niets meer terug. In de praktijk lijkt het BMS de zwakste schakel. Al de rest van jouw uitleg is technisch wel interessant, maar je mag niet verwachten dat iedereen met een pedelec zich daarmee bezig zal houden. Het moet gewoon goed zijn.

      Verwijderen