Range extender - deel 3

Dit is deel drie van een serie E-gebonden berichten. Wie niets heeft met elektrische ondersteuning, kan hier alweer afhaken.
Een reeks, omdat het originele bericht langer en langer werd. Daarom is het in hapbare brokken verdeeld.
We blijven nog even theoretisch en in dit bericht is het allemaal tekst. Het is wel belangrijk, omdat de bedenkingen een belangrijk deel uitmaken van het proces dat leidt tot de definitieve keuze. Op fietshandelaars moet je meestal niet afgaan, want ze weten er simpelweg veel te weinig van.

Welk type accu?

Als je nog een accu toevoegt is een gevolg dat  het gewicht toeneemt . Hoeveel, dat hangt af van de gekozen capaciteit en technologie.

Eerst moet hier nog even een begrip verklaard worden: energiedichtheid. Dat kun je omschrijven als hoeveel energie in een bepaald gewicht of volume van een cel gaat. Anders gesteld: 1 Ah energie kan 500g cel nodig hebben, maar evengoed 1 kg, afhankelijk van de technologie. De ene lithiumvariant heeft een hogere energiedichtheid dan de andere, maar daar staan dan meestal weer nadelen tegenover, dus ook dit wordt afwegen. In gewicht kan dat algauw 2 kg voor de accu verschillen voor eenzelfde capaciteit...
In eenheden uitgedrukt: LiFePo4 heeft een energiedichtheid van 90 Wh/kg. Voor LiIon (algemeen) is dat 100 - 250 Wh/kg. Meer informatie vind je bijvoorbeeld hier.

Omdat het bereik vergroot, moet minder geladen worden. Indien de accu's alternerend gebruikt worden, moeten ze elk maar half zo vaak geladen worden als die ene accu nu. Dat betekent dat het aantal opgegeven laadcycli voor LiFePo4 (1500 tot 2000) eigenlijk niet nodig is. Daarbij hoort wel nog een ander aspect: het kan zijn dat de veroudering van de cellen ervoor zorgt dat dat aantal laadcycli niet gehaald wordt.
Rekening houdend met ongeveer een levensduur van 800 laadbeurten kom ik op een vermoedelijke benaderende levensduur van 10 jaar.
Om het nog wat ingewikkelder te maken, citeer ik nog even uit een Engelstalig Wikipedia-artikel: "LiFePo4 cells experience a slower rate of capacity loss (aka greater calendar-life) than lithium-ion battery chemistries such as LiCoO2 cobalt or LiMnO4 manganese spinel or lithium-ion batteries. After one year on the shelf, a LiFePO4 cell typically has approximately the same energy density as a LiCoO2 Li-ion cell, because of LFP's slower decline of energy density. Thereafter, LiFePO4 likely has a higher energy density." Anders gezegd: de chemische veroudering van LiFePo4 gaat trager dan die van wat onder de noemer LiIon valt. Hierdoor is die energiedichtheid, waarover hierboven gesproken wordt, enkel bij nieuwe cellen geldig.Na amper een jaar (gebruikt of niet) is de verhouding al helemaal anders.

Maar er is meer. Een accu bestaat niet enkel uit cellen, maar ook uit een deel elektronica. Los van het aantal verwachte laadcycli, zit je nog met chemische veroudering (puur in tijd) en met de veroudering van de elektronische componenten. De betrouwbaarheid van elektronica laat dikwijls te wensen over. Denk maar aan alle toestellen die je in huis haalde en hoeveel daarvan er simpelweg de brui aan geven omdat één minuscuul componentje het begeeft. Radio's, telefoons, wekkers, koffiezet, ... noem maar op. Overal zit elektronica in en die sneuvelt vaak voortijdig. Dat is dus een gok: de cellen mogen dan heel betrouwbaar zijn, de vraag is of de elektronica dat ook zal zijn.

(Nu wordt het nog technischer)
Binnen de batterijtechnologie zijn heel wat varianten. De loodzuur of loodgelaccu's (ook SLA genoemd) zijn sowieso uitgesloten. Het enige voordeel is dat die goedkoop zijn. Ze zijn echter niet geschikt om continu stroom te leveren (eerder om de startmotor van een auto of motor te doen draaien), zijn volumineus en lood(sic)zwaar. Daarnaast hebben ze een erg beperkte levensduur en zijn ze erg temperatuurgevoelig. Alsof dat nog niet genoeg is, zijn het loodbatterijen en dus slecht voor het milieu.
Dan blijven alle mogelijke lithiumvarianten over. Meestal worden dat voor accupacks lithium-ion accu's genoemd. Bekijk een e-bike en er staat op dat er een LiIon accu in zit. Dat is echter een vlag die een ruime lading dekt. Er zijn grote verschillen in kenmerken. De meest courante in e-bikes zijn wellicht LiMn cellen. Die zijn relatief goedkoop en betrouwbaar. Anderzijds is het aantal laadcycli beperkt tot 500 à 800, zijn ze temperatuurgevoelig (een lagere capaciteit naargelang de temperatuur daalt) en kennen ze een lineair spanningsverloop. Dat laatste wil zeggen dat hoe verder je rijdt, hoe minder pit je motor vertoont.
LiFePo4 is een recentere technologie. Die werd pas helemaal op het einde van de 20ste eeuw ontwikkeld (1996) en kende in het begin redelijk wat problemen. De voordelen zijn de lange levensduur (tot 2000 laadcycli), het feit dat ze veel minder temperatuurgevoelig zijn en een interessant spanningsverloop. Dat laatste betekent dat ze bijna tot ze leeg zijn zowat dezelfde spanning behouden en de motor dus even goed presteert. De keerzijde is dan dat het op het einde pijlsnel bergaf gaat.
Negatief is dat de energiedichtheid lager is, waardoor een LiFePo4 accu voor eenzelfde capaciteit een stukje meer weegt en groter is.

Illustratie van het web

In deze grafiek is duidelijk dat LiFePo4 veel langer dezelfde spanning houdt: de curve is bijna vlak en daalt dan snel aan het einde.
 
Wat je nodig hebt, is dus afhankelijk van hoe en hoe vaak je de fiets gebruikt. Als je niet veel kilometers aflegt en bijvoorbeeld één keer per week of minder moet laden, doe je met een LiMn accu wellicht ook tien jaar, afgaande op de opgegeven laadcycli. Dan maken we wel abstractie van de veroudering in tijd. In realiteit blijken "LiIon" accu's vaak maar drie à vier jaar mee te gaan.

En, om de verwarring nog te vergroten, blijkt dat alle geproduceerde cellen ook nog eens in kwaliteitscategorieën verdeeld worden (A tot F). Bijna geen enkele leverancier van accupacks vermeldt van welke categorie de gebruikte cellen zijn. Is de accu erg goedkoop, dan kan je zo goed als zeker zijn dat de cellen gemerkt zijn als F, maar het is dan weer niet zo dat een duurdere accu betere cellen bevat. Het kan evengoed zijn dat een merk snel winst wil boeken en dan weer van de markt verdwijnt.

Dit zijn dus allemaal afwegingen die gemaakt moeten worden om tot de keuze van de accu te komen: welke kenmerken primeren, wat wil je eraan uitgeven en hoe zie je de balans tussen kost en verwachte levensduur.

Over tien jaar zal de accutechnologie wellicht al heel veel verder staan (en ik vraag me af of ik over 10 jaar nog met diezelfde E-Orca zal rijden). Het streefdoel van die evolutie is een zo hoog mogelijke energiedichtheid: zoveel mogelijk energie opslaan in een zo licht en compact mogelijke accu, die dan ook nog liefst heel veel laadbeurten aan kan.

Onderweg met twee accu's

Een praktische vraag is hoe het moet bij het laden. Om bagage te beperken, is het handig om één lader mee te nemen, maar dat impliceert dat je maar één accu per keer kunt laden en dat dus de laadtijd verdubbelt. Ofwel offer je ruimte op voor een tweede lader, waardoor je ze simultaan kunt vullen, in de veronderstelling dat je twee stopcontacten ter beschikking hebt.
Een lange laadtijd is op zich geen probleem - 3u van leeg tot vol met de 5 A lader is redelijk -, maar indien dat tijdens een meerdaagse rit moet gebeuren en dus 's avonds, wordt het wel wat moeilijker. Dan moet je echt plannen; de eerste aan de lader hangen zodra je gearriveerd bent, zodat je nog tijd hebt voor de tweede. Dat alles is dan wel in de veronderstelling dat je ze allebei zo goed als leeg gereden hebt.
Nog een andere oplossing is voor nog een zwaardere lader gaan. Daar zijn grenzen aan, omdat je een accu ook weer niet te snel mag laden. Doe je dat wel, dan gaat de levensduur snel achteruit. 8A zou nog kunnen en daarmee zou de laadtijd bijna nog eens gehalveerd worden. Met 8A laadt je een 15 Ah accu op nog geen twee uren. Maar: zo'n lader is alweer groter en zwaarder.

De andere weg

Wat je ook kunt optimaliseren is de laadtijd, door het op zoek gaan naar een lader met een hoog vermogen, die tot aan de grens gaat van wat je accu aan kan. Een vuistregel is dat snel laden de levensduur van de cellen vermindert, dus doe je dat zo weinig mogelijk. Onderweg kan het echter wel een oplossing zijn.
Ergens hierboven stel ik dat laden met 1A gedurende een uur ongeveer 10 km extra betekent, uitgaande van die 3,3 Wh/km. Let wel: ik heb het hierbij over de Orca. Met een minder aerodynamische fiets (ligfiets, trike of gewone e-bike) bedraagt het verbruik bij eenzelfde snelheid altijd meer, dus zal die ene Ah je niet zo ver brengen.
De laders die ik ter beschikking heb, leveren 2,5 A en 5 A of 25 en 50 km extra met een uur laden.

Nu heeft Grin Technologies (de fabrikant van o.a. de Cycle Analyst) een schitterende lader uitgebracht: de Cycle Satiator.

Foto: Grin Technologies

Die is programmeerbaar en kan met meerdere programma's werken. Je kunt bijvoorbeeld de laadstroom instellen, maar ook de spanning waarbij die moet in- of uitschakelen. Zo kan je bijvoorbeeld een "snel" programma instellen (laden met 8 A tot de maximale spanning, zo'n 42 V onbelast) en een "normaal" programma, dat dan langzamer laadt.
Die Satiator is licht, compact (bekijk de maten op de folder), waterdicht en heeft een hoog rendement en dus geen koeling. Dit is op dit moment de ideale lader voor wie weet wat hij doet. Eén nadeel: de prijs is pittig! De lader kost zowat hetzelfde als een bescheiden accu: reken op € 350 eer die bij jou thuis ligt.

Met dat snelle programma raak je met een uur laden weer 80 km verder! 8 A betekent ook dat je de meeste accu's (meestal ligt de capaciteit tussen 9 en 16 Ah) op één à twee uren van leeg tot helemaal vol kunt laden.

En natuurlijk kun je ook beide opties combineren. Twee accu's betekent een groter bereik; een krachtige, compacte lader betekent veel kortere laadtijden. Zo kun je, met relatief korte stops, je bereik nog eens vergroten.

Maar: al die mogelijkheden betekenen ook weer dat je moet weten wat je doet. Wie een e-bike koopt, krijgt er een lader bij met wat ledjes en twee stekkers. De ene stop je in het stopcontact, de andere in de accu. Meer is er niet aan. Als het ledje groen oplicht, is de accu geladen.

Met die satiator moet je nadenken: wil ik snel of trager laden? Wil ik laden om onmiddellijk verder te rijden (tot maximale spanning laden) of leg ik de accu nog enkele dagen opzij (lagere spanning)? En dan moet je het corresponderende programma kiezen.
Dit is een "ingenieursoplossing": heel knap, met een hoog rendement, maar voor iemand die weet waar hij/zij mee bezig is. 

Natuurlijk houdt niemand je tegen om voor beide te gaan: én een extra accu als range extender én een heel snelle lader om onderweg het bereik nog maar te vergroten.

De derde optie

We zijn er nog niet. Wil je elektrisch autonoom onderweg zijn, dan zou je kunnen denken aan fotovoltaïsche panelen. (als ik het niet vertel, zal iemand anders er wel mee aan komen). Theoretisch is dat mooi: zo lang er licht is, krijg je "gratis" energie. Alleen: die laadstroom is zo klein dat je een groot oppervlak nodig hebt en dat heeft ook praktische gevolgen:

• het wordt erg duur (reken maar in duizenden euro's)
• je hebt meerdere vierkante meters zonnecellen nodig
• de praktische kant van de velomobiel ben je kwijt, door de noodzakelijke omvangrijke constructie

Denk dan maar aan zoiets (maar het werkte wel prima).

Bron: https://solarvelomobile.wordpress.com/2013/02/17/le-waw-solaire-roule/

Het werkte zo goed, dat dit vermoedelijk de reden was waarom de deelnemer "aangemoedigd" werd om uit de zonnerace te stappen waaraan hij deelnam. Het is ook duidelijk dat dit voor alledaags gebruik niet praktisch is, los van de hoge kost van de panelen.

Die derde weg is dus praktisch niet haalbaar

In deel vier wordt het praktisch: welke accu is gekozen en hoe is die geïnstalleerd.