Made in Europe: de slimme batterijcel

Elektrische auto’s zitten boordevol elektronica. Deze dient niet alleen om te assisteren tijdens het rijden of het comfort te verhogen, maar ook om de toestand van de batterijen te monitoren en hun werking eventueel bij te sturen. Dit gebeurt via het batterijbeheersysteem, het BMS. Dat zorgt er bijvoorbeeld voor dat alle individuele batterijcellen tijdens het ont- en herladen netjes binnen de marges blijven waarbinnen de hoogste veiligheid maar ook de langste levensduur heerst. In feite monitort het BMS voortdurend de veiligheids- en gezondheidsstatus van de batterij en geeft het op basis daarvan opdracht om de prestaties bij te sturen. 

Momenteel ligt het BMS meestal boven op de batterijmodule, als een uitwendig brein bestaande uit een centrale computer, een dichte bedrading en tal van sensoren. Die schikking is mede het gevolg van het feit dat het BMS niet door de batterijfabrikant zelf wordt ontwikkeld maar pas later, door de zogeheten batterij-integrator, op de modules wordt geplaatst. Een batterijpakket is dan typisch nog eens opgebouwd uit verschillende modules. 

Hardware BMS aan individuele cellen gekoppeld dankzij slimme batterijcel

Niet alleen neemt het BMS daardoor extra plaats en gewicht in de elektrische auto in, de bedrading is vaak vrij complex en zorgt ervoor dat de batterijconstructie een tijds- en kostenintensief proces is. Bovendien bemoeilijkt die configuratie het mogelijke hergebruik van de batterij omdat het BMS vaak dient te worden vervangen. ‘Zo verliezen we echter de informatie over de karakteristieken van die cellen’, zegt Serge Peeters van VITO/EnergyVille. ‘En die hebben we nodig om de veiligheid te garanderen en hun resterende levensduur te kunnen berekenen, en dus ook hun restwaarde.’ 

Met zogenaamde slimme batterijcellen kunnen die problemen worden verholpen. Daarbij ligt de ‘intelligentie’ van het BMS verspreid over de module, ingebed in de individuele cellen. ‘Bij slimme cellen is de hardware van het BMS rechtstreeks gekoppeld aan de individuele cellen’, zegt Peeters. ‘Dat heeft verschillende voordelen, waaronder een kostenreductie door een veel minder complexe bedrading.’ 

Nog een voordeel is dat de cellen zo al ‘slim’ zijn wanneer ze uit de batterijfabriek komen. Hun toestand wordt dus van in het prille begin gemonitord, en de cellen dragen die informatie met zich mee tijdens hun volledige levensduur. Daardoor kunnen ze elk moment worden uitgelezen, bijvoorbeeld wanneer een baterijmodule wordt gedemonteerd en er wordt nagegaan wat de status is van de individuele cellen. Peeters: ‘Het stelt ons straks in staat om bijvoorbeeld sneller de sterkste cellen of modules te selecteren en opnieuw in te zetten voor een volgende applicatie. Zo krijgen die een tweede leven met een indrukwekkende resterende levensduur.’ 

Maar dat is dus voor straks, want de slimme-cel-technologie moet eerst nog worden ontwikkeld, op punt gesteld en uitvoerig getest en gedemonstreerd – en dit tegen een achtergrond van een snel ontwikkelend en verbredend scala aan batterijtoepassingen. Een eerste ontwikkelingsstap gebeurt momenteel in de batterijlabs van VITO/EnergyVille, onder meer in het kader van Europese Horizon 2020-financiering via de projecten Current Direct en NAIMA. ‘We bevinden ons nog maar in het beginstadium van de ontwikkeling. Het afgelopen jaar hebben we de specificaties van onder meer de microchips en de microsensoren bepaald waarmee de slimme cellen zullen worden uitgerust. Dat gebeurde in nauwe samenspraak met batterijfabrikanten en -integratoren, om te kijken wat zij precies willen en wat wij hen kunnen bieden’, aldus Peeters. 

Autonome Europese batterijenproductie

Veel meer dan de huidige batterijcellen zal het BMS de vinger aan de pols kunnen houden van de karakteristieken en prestaties van de slimme cellen, en dit tijdens de verschillende stadia die ze tijdens hun levenscyclus doormaken – van de celassemblage en module-opbouw over de operationele tot de diagnostische fase. Die laatste fase past binnen een doorgedreven hergebruik en recyclage van batterijen. Uiteindelijk moet de strakke monitoring deel gaan uitmaken van het zogenaamde batterijpaspoort dat elke cel zal bezitten en dat leert uit welke materialen ze is opgebouwd, waar en wanneer ze is geproduceerd (dit is de ‘statische’ info) maar ook hoe ze al is gebruikt geweest en welke impact dit heeft gehad op de levensduur (de ‘dynamische’ info). Ondanks de decentralisatie van het BMS zal er overigens nog een minimaal centraal, overkoepelend ‘moederbrein’ overblijven. Het is daar dat de gegevens van de individuele cellen worden vertaald naar informatie op systeemniveau. 

De ontwikkeling van slimme cellen past binnen de huidige ambities van de Europese Unie om de waardeketens achter batterijen – voor welke toepassingen dan ook, gaande van elektrisch vervoer en transport over stationaire netwerkstroomopslag tot thuisbatterijen – weer meer in eigen handen te nemen. ‘De EU doet dit door duidelijk positie in te nemen en op enkele aspecten te focussen, zoals duurzaamheid, kwaliteit (lange levensduur, hoge prestaties) en veiligheid’, zegt Jeroen Büscher van VITO/EnergyVille. Onze innovatieve oplossing kan bij al die aspecten een belangrijke rol spelen en zo de ruggengraat vormen voor een hele waardeketen. Een betere monitoring op celniveau resulteert immers in een hogere restwaarde voor hergebruik, betere prestaties en een hogere veiligheid. ‘Uiteindelijk zullen we naar een nieuw economisch model voor batterijen evolueren waarin ze 15 tot 20 jaar meegaan en waarin hergebruik van modules of cellen een veel belangrijkere rol speelt.’ Vandaag worden bij elektrische wagens de meeste batterijen al vervangen na 9 jaar, hoewel ze vaak op pakketniveau nog 80 procent van hun oorspronkelijke capaciteit bezitten. 

En zo kunnen slimme cellen een middel zijn voor de Europese batterijenproductie om zich van de Aziatische te onderscheiden en onafhankelijker te worden van de huidige grote spelers. ‘Dit is strategisch erg belangrijk, maar het kost tijd. Pas over een viertal jaar kunnen we concurrentieel zijn, mede door onze focus op kostenreductie, op langer en optimaler gebruik en op meer hergebruik. Het is zelfs mogelijk dat we dankzij deze vorm van slimme innovatie op termijn goedkoper zullen worden dan Azië’, aldus Büscher. 

Meer info 
serge.peeters@energyville.be