Electric Fiero ‐ LithiumDavid Malloy

The Story Thus Far• Started Conversion of a Pontiac Fiero mid 2007

– Advanced DC 9”, Curtis 144V controller– Maiden voyage 12/2008

• Used Lead Acid Batteries (12*Trojan 30XHS)– Lithium was still expensive; anxious to get started– Range was 18 miles, handling was “heavy”– Batteries were the “weak link”, but there were many areas for 

improvement

• Presented to the NBEAA Oct 2009– www.nbeaa.org/presentations/MalloysFieroOct09.ppt

• Daily driver throughout 2009– And then, after 13 months and 2000 miles …

Battery Failure !• Range started dropping

– Range went down to 15 miles or so• Tracked it down to a failing cell under load

– All cells showed the same voltage at rest– But under load, one cell sagged more than others

• And the “self discharge rate” was much higher

• Lithium prices were dropping and decided to upgrade– … and so began Phase II

Outline

• Batteries• Battery Management and Instrumentation• Other Upgrades

– Charger– Control Board– Vacuum Pump– Heater

• Lessons Learned• Scorecard

• Future Projects

Batteries

Battery Choice

ThunderSky (now Sinopoly) 160Ah

• Thunder Sky 160Ah– Readily available– Installed in “blocks of four”– Size comparison:

• Lithium(x4)     = 4       x 10.2   x 11• Lead Acid(x1) = 6.75  x 14      x 10.1

• Decided on a 44 Cell Pack– Have 11 “blocks of four” cells– 4x Lithiums have a slightly higher 

nominal voltage than 1x SLA– Wanted to be conservative on max 

voltage– In retrospect, 48 cells would have 

been fine and would have given more range

Lead Acid Battery Boxes

• Original design was “bolted steel”– Cheap, within my abilities, but far from ideal

Lithium Battery Boxes

• The upgraded design: TIG Welded Aluminium– Bought a welder, learnt from youtube and trial and error– Weight savings total:  ~120 lbs

Lead Acid Battery Layout 

12 Trojan 30XHS Lead Acid Cells7 rear, 5 front (58%/42%)

Lithium Battery Layout 

44 ThunderSky 160Ah Lithium Cells28 rear, 16 front (64%/36%)

Battery Safety• Layout Notes

– Layout: lowest voltage cell at rear left, highest voltage cell at front right.

– Two contactors, one fuse, one circuit breaker in high current path

– For Lithium, removed the Anderson connectors and added the circuit breaker

• “Battery Box” Construction– Lithium cells came in “packs of four”.  Retained original holding plates and straps when possible

– Cell straps and BMS connections covered with plexiglass(gives protection from a “dropped wrench”)

– Lugs feed through plexiglass, connected via jumpers

“Battery Box” Construction

Lithium vs Lead AcidLead Acid Lithium

Pack 12 * Trojan 30XHS 44 * ThunderSky 160Ah

Cell Dimensions (w*l*h)Cell VolumePack Volume

6.75 x 14 x 10.1954.5 cu in11454 cu in

2.55 x 4 x 11112.2 cu in (224.4)4937 cu in

1/2(X.43)

Cell WeightPack Weight

66 lbs792 lbs

12.3 lbs542 lbs (‐250lbs)

2/3(X.68)

Expected lifetime (# charges) 500 3000 X6

Capacity – ratedCapacity – usable (est)Capacity – pack (est)

72Ah (75A for 57 min)44Ah (est)6.4KwH(11.8V *12*45Ah)

160Ah (480A for 20 min)106Ah (est)15KwH(3.2 * 44 * 106 Ah)

X2.3

Maintenance Monthly Watering n/a

Cost $2,200 $10,000  X4.5

Range went from 18 to 40+ miles

Battery Managementand Instrumentation

Battery Management Functions• While driving …

1. Measure pack state of charge2. Measure individual cell undervoltage3. Indicators (/ preventative actions) if pack or cell is 

undercharged• Idiot light, buzzer, limp‐home mode

• While charging …4. Stop Charger when the Pack is fully charged5. Stop Charger if a single cell gets overcharged

• and6. Cell Balancing (keeping cells in balance)7. Diagnostics (early detection of a failing cell)

Lead Acid Battery Instrumentation

PakTrakr

State of Charge

DC/DC Converter Status

Pack Charge Status

Ammeter

Motor OverTemp

Lithium BMS RequirementsBMS Feature Lead Acid Lithium

Pack SOC YES – Curtis REQUIRED

Cell UV YES – PakTrakr REQUIRED

Idiot LightBuzzerLimp Home

NoNoNo

REQUIREDNice to haveMaybe

Charge TerminationCell Overvoltage

AlgorithmNo. (results in Hydrogen Gas)

REQUIREDREQUIRED

Cell Balancing n/a A strategy is required.  Automatic balancing is a nice to have (?)

Diagnostic Basic logging supported but not used

A strategy is required.Manual voltmeter is the fallback.

BMS Requirements for Lead Acid vs Lithium are slightly different.

Lithium Instrumentation

E‐Xpert Pro VoltmetersFor Pack and 12V

Pull to TripCircuitBreaker

E‐Xpert Pro

• Single most important gauge– Pack “gas gauge”, voltmeter and ammeter

• Measures: charge‐ and discharge current, consumed amp hours

• Used with 5:1 prescaler– Keeps high voltage out of cabin

• Programmable

Lithium BMS – “MiniBMS”

www.cleanpowerauto.com

Mini BMS• Analog BMS with all the basic features ‐• While driving

– If any cell drops below 2.6v (the Low Voltage Cutoff),– the BMS sounds a buzzer and turns on a dash light

• While charging– If any cell goes over 3.8v (the High Voltage Cutoff),– the BMS stops the charger

• Also supports “Top” balancing– If the cell goes over 3.7v (the “Shunt Voltage Threshold”), the shunt 

resistor is enabled (current is ~750ma) The benefits of Top Balancing are controversial

• And supports “Limp home” mode– The BMS Master can control the accelerator potbox But this was not used

Mini BMS ‐ Installed

• Grouped the remotes rather than place them directly above a cell

• Easier to see the state of the pack

• “Spaghetti wiring”• Mixed feelings about the results

Other Upgrades

Charger• Wanted a 110V “opportunity” charger

– Had a 220V onboard charger– 220v plugs weren’t standardized; always charged “at home”

• Removed the Zivan NG3, added an ElCon PFC 1500– Supports both 110 / 220– Has BMS integration with “charge enable” contacts

• Rethinking the Strategy– J1772 is now standardized; an EVSE upgrade in progress– Will also add a larger charger onboard

Control Board• Contactor Control

– Primary Contactor, Secondary Contactor, and KSI relay– Lockouts:

• Inertia Switch – deactivates contactors on collision• “High Pedal” – accelerator must be “off” to enable contactors• Charger – cannot enable contactors when charging

– Recommended operation:• Primary ON when charging or enabled (turns on DC/DC)• Secondary ON when enabled• KSI ON when accelerator depressed

• Charger Control– Integrate the BMS with the Charger

• Instrumentation– Drive Dash Indicators, etc

Control Board

Lead Acid                                 Lithium v1

Contactor Control – Off the shelf

Evworks – ZEVA EV management system www.evworks.com.au

Pacific EV – EVCM (EV Control Module)www.pacificev.com/pev_evcm_electric_vehicle_control_module.html

Control Board – In ProgressBattery / Ignition / Ground Inertia Switch

Primary Contactor

Secondary Contactor, KSI

PotboxMicroswitch

BMS Master

Vacuum Pump• Gast – original conversion

– Relatively noisy– Not integrated

• Tried the VBS– Works quickly; relatively quiet– High current draw (~20A)– Not integrated

• Settled on MES‐DEA– Well integrated– Quiet and low current draw

Heater• Had wired up a single element of a ceramic heater

– Did not work well• Considered alternatives

– Electric fluid heater– Propane, natural gas heaters, truck cabin heaters

• Finally– Wired up both elements of existing ceramic heater– Works well and quickly; fine for defrosting windows– Single “on off” switch so no automatic temperature control

• Conclusion– Ceramic is OK but need to consider temperature control– Should have a lockout so element is not “on” unless fan is on– Current draw (~8A) is acceptable

Lessons Learned• Cell Failure and Cell  Diagnosis

– 2/44 Lithium cells replaced in pack so far• Contactor Control Failure

– Contactor would drop out when driving.  Probably due to contact pitting in one of the relays

• DC/DC Converter and 12v Accessory Battery– Original conversion downsized the 12v battery.  The TBS vacuum pump strained the 12v system and caused battery failure.

– Best way to measure is with a 12v analog meter• Coupler Failure

– Original clutchless conversion was misaligned and destroyed itself after 3500mi.  Was redone.

Coupler Failure !

Scorecard

Lead Acid Component Scorecard Component Now Major Dislikes

Batteries Trojan 30XHS – SLA Capacity, weight, weight distribution, safety

Battery Boxes Bolted Weight, durability

Drive System ADC 9” / Curtis 1231C  Whistle when starting; No regenerationNo Integrated contactor control

Adapter Design Clutchless

Pack Charger Zivan NG3 ‐ Onboard 220V No 110V, not sealed, no BMS integration

DC/DC Converter Zivan NG1 Not sealed

Heater Ceramic Not functional

Vacuum Pump Gast/vacuum switch/reservior Noisy, not integrated

Contactors Albright Noisy, not sealed

Instrumentation PakTrakr, LEDs, ammeter High voltage in cabin, no data logging

Safety 2 contactors + fuse No Emergency Disconnect

Lithium  Component ScorecardComponent Now Improvement areas

Batteries 44*160Ah ThunderSky A few more cells (8) would give more range and performance

Battery Boxes TIG welded aluminum Aluminum is fine, still thinking about overall mechanical design.

Drive System ADC 9” / Curtis 1231C  Whistle when starting; No regenerationNo Integrated contactor control

Adapter Design Clutchless

Pack Charger Elcon 1Kw Has BMS integration; need a bigger model

DC/DC Converter Zivan NG1 Not sealed

Heater Ceramic Works now, but only one setting

Vacuum Pump MES‐DEA Better than Gast pump, but still  too noisy

Contactors Albright Noisy, not sealed

Instrumentation eXpertPro, MiniBMS, LEDs Logging BMS in development

Safety 2 contactors, fuse, circuit breaker

In Progress• Currently

– Control Board Upgrade– J1772– Logging BMS– DC/DC Converter Upgrade

• Planning for Next Conversion– 1984 Pininfarina Spider

J1772 ‐ EVSE• Purchased EVLink / Schneider Electric from stock at Home Depot in Rohnert Park

• Installation requires 30‐50A 220VAC• 18’ cable was too short.

– Added a 12’ extension using a Bulgin Buccaneer 900 plug/socket (IP68, 32A, 600V)

J1772 Inlet and Active Vehicle Control

Malloy BMS – In Progress

• Digital Monitoring• CAN bus• Real Time display• Logging

Summary• All upgrades have contributed to a safer, more reliable, and more pleasant to drive car

• The upgrade to Lithium Batteries has made the single biggest difference