profielwerkstuk: accu’s - nieuws « superkart team...

Profielwerkstuk: Accu’s

Inhoud

Inleiding pg. 3

Hoe werkt een accu? pg. 4, 5, 6

Wat voor soorten accu’s zijn er? pg. 6, 7, 8, 9

Oriënterende proefjes pg. 9 - 11- Proef 1 pg. 9- Proef 2 pg. 10, 11- Uitbreiding proef 2 pg. 11

Vervolgproeven pg. 12 - 18- De ‘meetaccu’ voor de vervolgproeven pg. 12- Belastingsafhankelijkheid (verschillende belastingen) pg. 13, 14- Temperatuurafhankelijkheid pg. 15- Belastingsafhankelijkheid (manier van belasten) pg. 16, 17- Inwendige weerstand pg. 17, 18

Accu in de kart pg. 18, 19

Modelrondje van de kart pg. 19 - 25- Schematische weergave en formules pg. 19, 20- Massa van de kart pg. 20, 21- Rolwrijving pg. 21- Luchtwrijving pg. 22- Inwendige weerstand pg. 22- Piekvermogen pg. 23- Elektrisch vermogen pg. 23- Piekstroom pg. 23- Stationaire stroom pg. 24- E,optrekken, E,constant en E,accu (totale energie) pg. 24, 25

Mate waarin de accu zichzelf verwarmt pg. 25 Interview met Michel Dekker pg. 26, 27

Nog meer mogelijke proeven pg. 28

Betrouwbaarheid van onderzoeksresultaten pg. 28

Evaluatie van onderzoeksproces pg. 29,30

Nawoord pg. 30

Bronnen pg. 31

Logboek pg. 31, 32

Bijlagenaankondiging pg. 33

Bijlage 1: ruitjespapier geprint vooraanzicht van de kart pg. 34

Bijlage 2: specificatie accu BSOL BL 48-50P pg. 35

2

Inleiding

De First Electro League houdt in dat teams van verschillende scholen tegen elkaar strijden met elektrische karts. De karts hebben een elektromotor die is begrensd op 80 kilometer per uur. Het draait in deze competitie niet alleen om de beste eindtijd, maar in deze race wordt ook gekeken wie de afstand het energiezuinigst heeft afgelegd. Tevens moet de kart natuurlijk goed in elkaar zitten en wat langer mee kunnen gaan. Net als in de Formule 1 draait het om de prestaties van het hele team. Als team moeten verschillende disciplines worden aangepakt. Innovaties moeten ontwikkeld en getest worden, sponsors geworven, onderhoud gepleegd, het team gepresenteerd en de pers te woord gestaan. De wedstrijden vinden plaats op Circuit Park Zandvoort en bestaan uit verschillende onderdelen.

De Techno Challenge stelt elektrisch aangedreven superkarts ter beschikking voor teams die er serieus mee aan de slag willen gaan. Onze school, het Gymnasium Felisenum, doet mee aan de competitie. Voor ons is een unieke samenwerking mogelijk met het technisch college in Velsen (het TCV), waardoor theoretische plannen ook daadwerkelijk uitgevoerd kunnen worden. Mij leek het erg leuk om te helpen een zo efficiënt mogelijke kart te ontwikkelen, met het oog op de technische kant. Er zijn tal van gebieden waar onderzoek aan gedaan kan worden en dingen aan verbeterd kunnen worden. Zo zijn er bijvoorbeeld de aerodynamica, de vering, de banden, materiaal, accu, motor enzovoorts. Mij leek het interessant om me bezig te houden met de accu, zo ben ik dan ook tot het onderwerp van mijn profielwerkstuk gekomen. Op deze manier kon ik het project combineren met mijn profielwerkstuk en de resultaten hiervan nuttig gebruiken voor de kart.

Onderzoeksvraag:Wat is de meest efficiënte manier van accugebruik voor een kart?

Deelvragen:Hoe werkt een accu?Wat voor soorten accu’s zijn er?Hoe en wat valt er aan een accu meten? – Dit komt tot uiting in de gedane proeven (zie pg. 9-25, 28)Hoe valt een accu te verbeteren?

- (bijvoorbeeld: invloed temperatuur)Hoe kan een accu zo efficiënt mogelijk gebruikt worden voor de kart? (Valt samen met de onderzoeksvraag).

3

Hoe werkt een accu? (Deelvraag)

Om tot de antwoorden van de eerste twee deelvragen te komen, heb ik verschillende boeken geraadpleegd. Te weten: Energie survival gids – inzicht in energie en uitzicht voor de toekomst,Zo werkt dat! – De techniek van vandaag en Prisma – Techniek in woord en beeld. Hieronder volgt de werking van batterijen en accu’s.

Als twee verschillende metalen in een geleidende, waterige oplossing (bijv. verdund zwavelzuur) worden geplaatst, dan zal de neiging van de metalen om zich op te lossen niet even groot zijn. Bij het oplossen krijgen de metalen een verschillende elektrische lading, zodat het ene metaal ten opzichte van het andere negatief of positief wordt; door dit chemische proces ontstaat er een spanning. Men kan de metalen in een door Volta ontdekte volgorde plaatsen, waarbij elk materiaal (elke elektrische geleider) in een waterige oplossing steeds een positieve lading krijgt ten opzichte van het volgende, zoals in de reeks: koolstof, goud, kwik, zilver, koper, lood, tin, nikkel, kobalt, cadmium, ijzer, zink, mangaan en aluminium.Als twee metalen in een waterige oplossing worden geplaatst voor het opwekken van elektriciteit uit chemische energie, spreekt men van een galvanisch element.

Bij het Volta-element (figuur 1) zijn koper (+) en zink (-) in verdund zwavelzuur ondergedompeld. Sluit men vervolgens aan de polen bijv. een gloeilamp aan, dan vloeit er een elektrische stroom doorheen. De stroomkring die buiten het element door de lamp wordt gevormd, wordt erbinnen gesloten door de geleidende vloeistof, de elektrolyt. De stroom in het inwendige van het element leidt tot de vorming van gas aan de elektroden, dat de inwendige weerstand verhoogt (polarisatie) en daardoor de opgewekte spanning en de stroomleverantie reduceert. Het is vooral het aan de positieve pool (anode) gevormde waterstofgas dat onschadelijk gemaakt moet worden.

4

Bij het salmiakelement (Leclanché-element, figuur 2) gebeurt dit door een mengsel van bruinsteen (mangaanoxide) en grafiet als depolarisatoren. Dergelijke elementen zijn opgebouwd uit een koolstof als anode (met depolarisator), een negatieve pool (kathode) van zink en een waterige oplossing van

salmiak (ammoniumchloride) als elektrolyt. Tegenwoordig wordt het Leclanché-element voornamelijk als droge cel (‘batterij’) uitgevoerd, waarbij de elektrolytische oplossing tot een brijachtige massa is gemaakt door toevoeging van verdikkingsmiddelen. Dit element levert een spanning van 1,5 Volt. De grootte van het element heeft geen invloed op de spanning, maar is wel bepalend voor de stroomsterkte die het kan leveren. De chemische energie, die zich bij gebruik van het element omzet in elektrische energie, wordt verkregen doordat de zinkelektrode in oplossing gaat. Dit is

een onomkeerbaar proces en daarom zal de zinkelektrode van tijd tot tijd moeten worden vernieuwd.

Elementen waarbij de elektroden worden verbruikt, noemt men primaire elementen (batterijen), terwijl bij secundaire elementen door het toevoeren van elektrische energie (opladen) de oorspronkelijke situatie kan worden hersteld en de elektroden kunnen worden geregenereerd. Deze elementen worden accumulatoren of accu’s genoemd.

Accu’s zoals die in auto’s worden gebruikt, bestaan meestal uit 6 elementen die in serie zijn geschakeld, waardoor ze een spanning van 12 Volt kunnen leveren. De autoaccu is meestal een loodaccu (figuur 3). Met zo’n loodaccu heb ik mijn eerste proefjes uitgevoerd.

Loodaccu (autoaccu) a. afsluitdopb. minpoolc. dekseld. merktekens vloeistofniveaue. celconnectorf. behuizingg. bevestigingsrandh. scheidingswandi. positieve plaatj. kunststof scheidingsplaatk. negatieve plaat

5

l. connectorFiguur 3: Loodaccu (autoaccu)

Het meest gebruikt wordt de uitvoering met loden platen die in verdund zwavelzuur zijn gedompeld (de elektrolyt). In geladen toestand bestaat de kathode (-) uit zuiver lood (Pb) en de anode (+) uit loodoxide (PbO2). Bij het ontladen wordt er loodsulfaat (PbSO4) gevormd, de elektronen die daarbij vrij komen, stromen naar de anode. Dankzij deze elektronen kan het lood in het (vierwaardige) PbO2 van de anode ook in oplossing gaan als het (tweewaardige) PbSO4 , dat bij het laden weer overgaat in lood en loodoxide. Een afzonderlijke lood-zwavelzuurcel levert een spanning van ca. 2 Volt (max. 2,75 Volt). Hogere spanningen worden bereikt door meerdere elementen achter elkaar (in serie) te schakelen , grotere stroomsterkten door ze parallel te schakelen.

De chemische reacties in een loodaccua. het verloop van de reacties bij het ontladen b. het verloop van de reacties bij het laden Pb + H2SO4 PbSO4 + 2e- + 2H+ PbSO4 + 2e- + 2H+ Pb + H2SO4

2H+ + 2e- + PbO2 + H2SO4 PbSO4 + 2H2O PbSO4 + 2H2O 2H+ + 2e- + PbO2 + H2SO4

PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

Figuur 4: De chemische reacties in een loodaccu

Wat voor soorten accu’s zijn er? (Deelvraag)

Een belangrijke grootheid bij accu’s en batterijen is de energiedichtheid. Die geeft aan hoeveel energie per liter of kilo kan worden opgeslagen. Met name voor mobiele krachtbronnen wordt steeds naar een zo groot mogelijke energiedichtheid gestreefd. Dat heeft onder meer geleid tot de ontwikkeling van de nikkel-cadmiumaccu (NiCd). Deze heeft echter het nadeel dat cadmium een giftig zwaar metaal is, dat zorgvuldig uit het milieu moet worden gehouden. Bovendien hebben NiCd-accu’s vaak last van een geheugeneffect, waardoor de accu bij verkeerd gebruik niet meer geheel kan worden geladen. De nikkel-metaalhydrideaccu (NiMH) heeft deze nadelen niet. Een (NiMH) is in feite een nikkel-cadmiumaccu, alleen is het gevaarlijke cadmium vervangen door waterstof. NiMH-accu’s

6

hebben een hoge energiedichtheid, namelijk: 0,06 kWh per kg, ze zijn relatief goedkoop en veilig. NiMH-accu’s zijn echter minder goed bestand tegen hoge stromen. Hogere prestaties nog kunnen de lithium-ion-accu’s leveren (figuur 5). Lithium is onder meer wegens zijn geringe gewicht een zeer geschikt metaal voor batterijen en accu’s. Omdat het sterk reageert met de lucht, wordt het in een koolstofmatrix opgenomen (LiC6). Bij het laden en ontladen worden de lithium-ionen uitgewisseld met de andere elektrode. Die kan bestaan uit lithiummangaanoxide (LiMn2O4), lithiumkobaltoxide (LiCoO2) of lithiumnikkeloxide (LiNiO2). De structuur van anode en kathode wordt niet veranderd door de uitwisseling van Li-ionen. De elektrolyt bestaat meestal uit een gel-achtig polymeer. Lithium-ion-accu’s halen ongeveer 0,14 kWh/kg.

Figuur 5: De omkeerbare uitwisseling van lithiumionen bij een lithium-ionaccu

In een loodaccu kan niet veel energie. In een doorsnee loodaccu van 12 Volt en 40 Ah (ampère-uur) is dat 12 × 40 watt-uur = 480 watt-uur ofwel 0,48 kWh. Dat is ongeveer de energie van een wijnglas vol benzine. Per kg bevat die loodzware accu ca. 0,03 kWh. Voor een klein overzicht van de levering van energie van verschillende accu’s, zie tabel 1. Voor uitgebreider overzicht, zie tabel 2.

Tabel 1: levering energie van verschillende accu’s

Wanneer een accu volledig geladen en bij hogere temperatuur bewaard wordt, gaat het verlies van capaciteit (door chemische processen) het snelst. De optimale bewaarcondities zijn: half geladen en op een koele plek. Accu’s hebben problemen als ze erg veel energie in korte tijd moeten leveren – veel vermogen dus –, bijvoorbeeld om snel op te trekken. Dat komt doordat de chemische processen (waar de opslag eigenlijk op berust) betrekkelijk langzaam gaan. Dankzij deze omkeerbare chemische processen is het laden en ontladen van accu’s mogelijk. Idealiter zou een accu onbeperkt herlaadbaar zijn, maar in de praktijk is het aantal laad-ontlaadcycli tot enkele duizenden beperkt (zie ook tabel 2), omdat de

7

Accu EnergieGewone loodaccu ca. 0,03 kWh/kgNikkel-metaalhydride (NiMH) ca. 0,06 kWh/kgLithium-ion (Li-ion)- accu ca. 0,14 kWh/kgLi-ion-polymeer-accu (Lipo) ca. 0,20 kWh/kg

chemische processen die bij het laden plaatsvinden nooit helemaal kunnen worden teruggedraaid bij het ontladen.

Uit kostenoverwegingen worden in elektrische auto’s tot op heden gewoonlijk loodaccu’s gebruikt, waarmee een actieradius van meestal niet meer dan 60-100 km kan worden bereikt. Nikkel-metaal-hydride- en lithium-ion-accu’s worden nog steeds voornamelijk in kleine elektronische apparatuur (mobiele telefoons, digitale camera’s) gebruikt (zie bovenaan deze pagina). Toch zijn er al prototypes ontwikkeld voor gebruik in elektrische auto’s. NiMH-accu’s lijken zich, door de grote vermogensdichtheid en de korte laadtijden, vooral goed te lenen voor hybride aandrijvingen. Voor een puur elektrische aandrijving zou de lithium-ion-accu het meest geschikt zijn, wegens de hoge energiedichtheid die ermee bereikt kan worden. Aan andere accutypes kleven vaak onoverkomelijke bezwaren. Zo heeft de natrium-nikkel-chloride-accu een bedrijfstemperatuur van 260 tot 370°C en kan dus in auto’s niet goed worden gebruikt. Zink-luchtbatterijen, die ook wel zijn getest, kunnen niet worden opgeladen, maar moeten worden geregenereerd in de fabriek.

soort accu energie-dichtheid (Wh/kg)

vermogens-dichtheid (W/kg)

bedrijfs-temperatuur (°C)

laad- en ontlaad-rendement (%)

levensduur (laad/ontlaad-cycli)

kosten (euro/ kWH)

fase van ontwikkeling

lood-gelaccu 30 75 -20… +60 75 – 90 600 125 serieproduct

lood-vliesaccu 31 108 -20… +60 75 – 90 600 100 serieproduct

nikkel-cadmium 45 200 -20… +50 65 – 85 1000-2000 650 serieproduct

nikkel-metaalhydride 60 175 -20… +50 65 – 85 1000-2000 500 serieproduct

natrium-nikkel-chloride 80 80 +260.. +370 75 – 85 1000-1500 150 prototype

zink-broom 60 40 +7 … +40 50 – 70 500-1000 200 prototype

lithium-ion 140 180 … … >1000 200 serieproduct

Tabel 2: De eigenschappen van verschillende accutypes

De accu, die de elektrisch aangedreven kart zal bevatten, is een LiFePO4-accu (lithium-ijzerfosfaat). Daarover heb ik nog wat extra informatie weten te vinden op http://batteryuniversity.com.

Ten eerste nogmaals een afbeelding (figuur 6) en korte uitleg van de werking van een lithium-ion-accu: Wanneer de cel oplaadt en ontlaadt, bewegen de ionen tussen de kathode (positieve elektrode) en de anode (negatieve elektrode). Bij ontladen ondergaat de anode oxidatie, ofwel neemt elektronen op, de kathode werkt dan als reductor, ofwel verliest elektronen. Bij opladen is het precies andersom.

Figuur 6: ionenstroom bij ontladen en opladen

8

Hieronder volgt een tabel (tabel 3) met specificaties van een Li-fosfaat-accu.

SpecificatiesLi-fosfaatLiFePO4 (LFP)

Spanning 3.30V

Oplaadlimiet 3.60V

levensduur (laad-/ontlaadcycli)

1,000–2,000

Specifieke energie 90–120Wh/kg

VeiligheidErg veilig, heeft uitbalancering van de cel nodig en V- bescherming.

Thermische terugloop1 270°C(518°F)

Kosten Hoog

In gebruik sinds 1999

OpmerkingenGroot vermogen, gemiddelde specifieke energie, hoge zelfontlading

Tabel 3: Specificaties van Li-fosfaat-accu.

1 Een volledig opgeladen batterij verhoogt de minimale temperatuur voor thermische terugloop, een gedeeltelijke oplading verlaagt deze.

Oriënterende proefjes

Ter oriëntatie ben ik begonnen met een aantal proefjes. Ik had een loodaccu tot m’n beschikking en daarmee ben ik van start gegaan. De eerste drie opzetjes die we hadden bedacht waren:

- Hoeveel energie (in Joules) levert deze loodaccu per kilogram gewicht?- Wat is de inwendige weerstand van de accu?- Wat heeft de temperatuur voor invloed op de prestaties van de batterij? (Deze proef is

doorgeschoven naar de vervolgproeven)

Proef 1 aantal geleverde Joules per kilogram gewicht van de loodaccu

Ik ben gaan werken met een loodaccu van het merk ad, type nr. 545.23. Op het internet ben ik op zoek gegaan naar het aantal Ampère-uur van deze loodaccu. Ik vond dat dit 45 Ah is. Verder heb ik

9

de accu gewogen, het gewicht bedraagt: 14,0 kg. Met deze twee gegevens (en het feit dat de opgeladen accu 11,6 Volt leverde) ben ik gaan rekenen.

spanning (U) × stroom per uur (I) = vermogen (P)Volt × Ampèr = Watt11,6 × 45 = 522 Wattt = 1 uur = 3600 seconden

Hiermee rekende ik door met de formule: energie (E) = vermogen (P) × tijd (t) Joule = Watt (Joules/seconden) × tijd (seconden) 522 × 3600 = 1.879.200 Joule

Om tot de geleverde energie per kilogram te komen, deelde ik 1.879.200 door 14 en hier kwam ca. 134 J/kg uit.

Conclusie eerste proefje: de loodaccu levert afgerond 134 J/kg.

Proef 2 inwendige weerstand van de loodaccu

Als tweede oriënterende proefje heb ik de inwendige weerstand van de loodaccu bepaald. Ik ging als volgt te werk: eerst heb ik de spanning vooraf gemeten, deze was 11,28 Volt. Dit wordt de klemspanning genoemd, namelijk de spanning die de accu (/batterij) levert.Ik heb in principe de schakeling gehanteerd, die te zien is in figuur 7.

Legenda

Figuur 7: schakeling en legenda

Om de inwendige weerstand te bepalen heb ik het aantal lampjes gevarieerd en de Ampèremeter en Voltmeter afgelezen. Hierna heb ik een grafiek gemaakt van de klemspanning (Uklem (V)) tegen de stroom (I(A)). Het hellingsgetal van de grafiek is de inwendige weerstand, want:

Ubron = I × Rinw + Uklem

Bronspanning = (stroom × inwendige weerstand) + klemspanningVbron = A × Ω + Vklem

10

Oftewel: Uklem = Ubron – I × Rinw

De resultaten waren:

Uklem (V) I (A)11,16 0,1611,13 0,1911,12 0,2211,09 0,2811,01 0,3910,92 0,5510,83 0,77 Tabel 4

Grafiek 1

Af te lezen uit grafiek 1 is dat het hellingsgetal -0,0543 bedraagt, oftewel de inwendige weerstand is: 0,0543 Ω ≈ 0,05 Ω

Uitbreiding proef 2 inwendige weerstand van een 12 V batterij

Ter uitbreiding van bovenstaande proef, de bepaling van de inwendige weerstand, heb ik ook voor een 12 Volt batterij de inwendige weerstand bepaald. Ik ging op dezelfde manier te werk als bij de accu. De spanning vooraf was 12,2 Volt. De resultaten waren als volgt:

Uklem (V) I(A)11,9 0,07611,8 0,09911,7 0,18611,6 0,3411,4 0,44

Tabel 5

Af te lezen uit grafiek 2is dat het hellingsgetal-0,12 bedraagt, oftewel de inwendige weerstand is 0,12 Ω

Dit is aanzienlijk hoger Grafiek 2dan de inwendige weerstand van de accu, die 0,05 Ω bedraagt.

11

10.6

10.7

10.8

10.9

11

11.1

11.2f(x) = − 0.0542857142857143 x + 11.2542857142857

Inwendige weerstand

Uklem (V)Linear (Uklem (V))

I (A)

Ukle

m (V

)

0.076

0.09900000000000010.186

0.340.44

11.111.311.511.711.9

f(x) = − 0.12 x + 12.04

Inwendige weerstand

Ubron (V)Linear (Ubron (V))

I (A)

Ukle

m (V

)

Vervolgproeven

Het volgende stukje schreef ik voor mijn tweede sluisje. (De daadwerkelijke proeven die ik heb uitgevoerd zijn beschreven vanaf pagina 11.)

‘Als vervolg wil ik graag onderzoeken wat de invloed van de temperatuur op de prestaties van de accu is. De bedoeling is om de loodaccu in een bad, waarvan de temperatuur in te stellen is, te leggen. Wanneer de accu op de te onderzoeken temperatuur is gekomen, wil ik de inwendige weerstand bepalen, op dezelfde manier als bij de oriënterende proeven. Door verschillende resultaten te vergelijken, kan ik erachter komen onder welke temperaturen de accu het meest efficiënt is.Verder is de bedoeling dat ik op school een onbemande opstelling zal maken, waarbij door een computer verschillende cycli worden gemeten, bijvoorbeeld:

- Constant een hoge spanning- Bepaalde tijd een hoge spanning en bepaalde tijd een lage spanning- Redelijk snel variërende spanning

De computer zal met een Voltmeter het verloop van de spanningsafname bijhouden en registreren. Op deze manier is te onderzoeken welk rijgedrag het meest bevorderlijk is voor de accu.

Uiteindelijk kunnen de resultaten vergeleken worden met prestaties van andere accu’s. Hierdoor zal uiteindelijk duidelijk worden welke accu, en op welke manier deze te gebruiken, het meest voordelig is voor een kart in de Electro League.’

De ‘meetaccu’ voor de vervolgproevenHet idee was om metingen te verrichten aan de loodaccu, maar omdat een loodaccu teveel verschilt van de Li-ijzerfosfaat-accu, die gebruikt gaat worden in de kart, ben ik overgestapt op een lithium-ion-accu. Dit was een kleine accu uit een camera, model: NO.CGA-S007E 3,7 Volt 1000 mAh.Om aan de accu te kunnen gaan meten is een klein houdertje voor de accu gemaakt, met aan te sluiten draadjes, zodat meten gemakkelijk zou worden. Zie figuur 8 en 9. Het was praktisch om zo’n kleine accu te gebruiken, omdat deze snel opgeladen kon worden.

12

Figuur 8: de camera-accu in het houdertje Figuur 9: het accuhoudertje

Belastingsafhankelijkheid (verschillende belastingen)

Ten eerste ben ik de totale capaciteit bij normale omstandigheden (kamertemperatuur: ca. 20°C) gaan bepalen met behulp van een voltmeter en een laptop (zie figuur 10).

Figuur 10: Opstelling van parallelgeschakelde weerstanden

Ik heb een variërend aantal weerstanden van ieder honderd Ohm parallel geschakeld, waardoor totale weerstanden van 6,8 Ω (dertien weerstanden), 7,2 Ω (veertien weerstanden), 7,7 Ω (vijftien weerstanden) en 8,2 Ω (zestien weerstanden) ontstonden. De zojuist genoemde weerstanden heb ik met een digitale multimeter gemeten, omdat de weerstanden van 100Ω niet zo’n grote significantie hadden.

13

De voltmeter, die ik heb gebruikt, kon met een Go-Link aangesloten worden op de laptop en met behulp van het programmaatje Logger Lite, registreerde deze voltmeter de waargenomen waardes. Er ontstonden grafieken zoals te zien in figuur 11, op de volgende pagina. Met het programma Logger Pro konden de Logger Lite-bestanden worden geopend en de oppervlakte onder de grafiek (optie: Integral) worden bepaald. Deze integraal werd gemaakt van de spanning tegen de tijd. Om tot de capaciteit (Q) te komen, moet de integraal van de stroom tegen de tijd worden bepaald.

Q = ∫I × dtU = I × R Q = ∫(U/R) × dt Q = 1/R ∫U × dt

Door gebruik te maken van de laatstgenoemde formule, kan de integraal, gemaakt door Logger Pro, gebruikt worden om de capaciteit (Q) te bepalen (echter moet wel vermenigvuldigd worden met 3600, want er zitten 3600 seconden in een uur). Daarna moet dit vermenigvuldigd worden met 1/R en zo wordt de totale capaciteit duidelijk. Ik kwam tot de volgende capaciteiten:

Dertien weerstanden (6,8 Ω) bij 20°C:Integraal: 7,671 h (=uur) ×V (=spanning) 7,671 × 3600 = 27615,6(1/6,8) × 27615,6 ≈ 4061 Coulomb Q = 4061 Coulomb

Veertien weerstanden (7,2 Ω) bij 20°C:Integraal: 7,048 h × V 7,048 × 3600 = 25372,8(1/7,2) × 25372,8 = 3524 Coulomb Q = 3524 Coulomb

Vijftien weerstanden (7,7 Ω) bij 20°C:Integraal: 6,559 h × V 6,559 × 3600 = 23612,4(1/7,7) × 23612,4 ≈ 3057 Coulomb Q = 3057 Coulomb

Zestien weerstanden (8,2 Ω) bij 20°C:Integraal: 6,147 h × V 6,147 × 3600 = 22129,2 (1/8,2) × 22129,2 ≈ 2699 Coulomb Q = 2699 Coulomb

Wanneer we de totale capaciteiten met elkaar vergelijken, zien we dat de totale capaciteit bij dertien weerstanden het hoogste was, wat natuurlijk ook logisch is: Minst hoge belasting geeft de grootste totale capaciteit.

14

Figuur 11: ontlaadcurve bij zestien weerstanden en de bijbehorende integraal, continue belasting Temperatuurafhankelijkheid

Omdat ik proeven wilde gaan doen bij hogere temperaturen, heb ik een opstelling gebruikt, waarbij een gloeilamp een af te sluiten piepschuimen doos verhit, zie figuur 12 en figuur 13.

Figuur 12 en figuur 13: isolatiekamer van piepschuim met daarin de lamp als verwarmingselement en het accuhoudertje

Door verschillende spanningen op de lamp te zetten, is het mogelijk verschillende temperaturen te bereiken. De dikke piepschuimen wanden zorgen voor een goede isolatie, zodat zoveel mogelijk warmte in de doos blijft. Aanvankelijk wilde ik een tabel en grafiek opstellen, waarbij de spanning tegen de temperatuur zou worden uitgezet. Dit was echter tijdrovend en lukte niet goed, omdat de temperatuur bleef stijgen. Heel langzaam aan het eind, maar een lichte stijging bleef waarneembaar.

15

Ik heb het plan van het opstellen van een grafiek laten varen en ben begonnen metingen aan de accu te verrichten, wanneer een relatief stabiele temperatuur bereikt was. Zo heb ik metingen verricht bij temperaturen van 20°C, 31°C, 46°C, 52°C. Ik heb telkens hetzelfde aantal weerstanden gebruikt, namelijk: zestien weerstanden. Deze zestien weerstanden parallel geschakeld leverden een totaal van 8,2 Ω. Hieronder staan de uitkomsten (de capaciteit bij 20°C heb ik nogmaals opgeschreven).

Zestien weerstanden (8,2 Ω) bij 20°C:Integraal: 6,147 h × V 6,147 × 3600 = 22129,2(1/8,2) × 22129,2 ≈ 2699 Coulomb Q = 2699 Coulomb

Zestien weerstanden (8,2 Ω) bij 31°C:Integraal: 6,150 h × V 6,150 × 3600 = 22140(1/8,2) × 22140 = 2700 Coulomb Q = 2700 Coulomb



Zo werd mij duidelijk dat des te hoger de temperatuur, des te groter de totale capaciteit van de accu. De verschillen zijn niet heel erg groot, maar dit zou bij een grotere accu, zoals in de kart zal komen, misschien wel het geval zijn.

Belastingsafhankelijkheid (manier van belasten)

16

Om erachter te komen of een accu een grotere capaciteit zou hebben, wanneer deze een bepaalde tijd intensief belast en een bepaalde tijd niet belast zou worden dan bij een continue belasting, heb ik de accu, zoals in proeven hierboven beschreven, aangesloten op een aantal parallelgeschakelde weerstanden. Dit waren er zestien, de totale weerstand bedroeg 8,2 Ω. Deze weerstand en de eerder gebruikte digitale voltmeter, die de spanningsveranderingen bijhield, heb ik hier weer op aangesloten. Extra toegevoegd heb ik een schakelingenbord, waarmee ik door middel van een pulsgenerator en een relais de weerstanden automatisch ‘los’ kon koppelen en weer ‘vast’. Ik heb de pulsgenerator op 1 Hz gezet, dus zo werden elke seconde de weerstanden ‘los’ en ‘vast’ gekoppeld. Door in het programmaatje Logger Pro de meting, gemaakt in Logger Lite, te openen, was het weer mogelijk middels de optie: Integral, de oppervlakte onder de grafiek te bepalen en hiermee de totale capaciteit.

Zestien weerstanden (8,2 Ω) bij 20°C:Integraal: 13,38 h × V 13,38 × 3600 = 481681/8,2 × 48168 ≈ 5874 Coulomb Q = 5874 Coulomb

Figuur 14: ontlaadcurve bij zestien weerstanden en de bijbehorende integraal, wisselende belasting

Ik vond de uitkomst opvallend, het duurde nu namelijk 3,6 uur voordat de accu helemaal leeg getrokken was, waar het bij een continue belasting (gelijk aantal weerstanden) 1,7 uur duurde. Het duurde dus bij een wisselende belasting meer dan twee keer zo lang voordat de accu leeg was als bij

17

een continue belasting. In principe is het wel logisch dat het twee keer zo lang zou duren, aangezien de accu de helft van de tijd niet belast werd (door het relais, dat de weerstanden ‘los’ en ‘vast’ koppelde). Toch is het wel opvallend dat het meer dan twee keer zo lang duurt. Verder is de totale capaciteit (bij 20°C) 5874 Coulomb, ten opzichte van 2699 Coulomb ook meer dan twee keer zo groot (namelijk: 5874 / 2699 ≈ 2,18 keer). Aangezien de capaciteit 2751/2699 = 1,019.. keer zo groot is bij een temperatuur van 52°C ten opzichte van 20°C, zal de capaciteit van de accu bij een wisselende belasting en 52°C waarschijnlijk zo rond de 5864 × 1,019.. = 5986,9… / 2 ≈ 2989 Coulomb liggen.We kunnen concluderen dat een wisselende belasting voordeliger is voor een accu dan een continue belasting.

Inwendige weerstand

De inwendige weerstand (R,inw) heb ik aan de hand van de ontlaadgrafieken, uit Logger Lite, bepaald: U,klem = U,bron – R,inw × I. Hieronder volgt de uitwerking:

Dertien weerstanden (6,8 Ω): U,klem = 4,085U,bron = 4,218I = U × R = 4,218 × 6,8 = 28,6824 AU,klem = U,bron – R,inw × I4,085 = 4,218 – R,inw ×28,6824-0,133 = -R,inw × 28,6824R,inw = 0,133 / 28,6824 ≈ 0,00464 Ω

Veertien weerstanden (7,2 Ω):U,klem = 4,058U,bron = 4,212I = U × R = 4,212 × 7,2 = 30,3264 AU,klem = U,bron – R,inw × I4,058 = 4,212 – R,inw × 30,3264-0,154 = -R,inw × 30,3264R,inw = 0,154 / 30,3264 ≈ 0,00508 Ω

Vijftien weerstanden (7,7 Ω):U,klem = 4,061U,bron = 4,209I = U × R = 4,209 × 7,7 = 32,4093 AU,klem = U,bron – R,inw × I4,061 = 4,209 – R,inw × 32,4093-0,148 = -R,inw × 32,4093R,inw = 0,148 / 32,4093 ≈ 0,00456 ΩZestien weerstanden (8,2 Ω):U,klem = 4,025

18

U,bron = 4,207I = U × R = 4,207 × 8,2 = 34,4974 AU,klem = U,bron – R,inw × I4,025 = 4,207 – R,inw × 34,4974-0,182 = -R,inw × 34,4974R,inw = 0,182 / 34,4974 ≈ 0,00528 Ω

Dus de R,inw van de camera-accu bedraagt: (0,00464 + 0,00508 + 0,00456 + 0,00528) / 4 ≈ 0,0049 ΩR,inw = 0,0049 Ω

Accu in de kart

Na het meten aan de camera-accu, was het de bedoeling metingen te gaan verrichten aan de uiteindelijke accu, die in de kart zal komen. Centraal is namelijk bepaald dat voor alle teams dezelfde motoren en accu’s beschikbaar gesteld worden. Helaas was de levering van de onderdelen vertraagd, wat ervoor zorgde dat ik niet snel genoeg de accu tot m’n beschikking had.

Hieronder volgt informatie over de accu die de beschikbaar gesteld zal worden voor de kart, deze informatie heb ik verkregen via www.batteries-direct.nl:

BSOL BL 48-50P 50 Ah-48V Li-FePO4 Lithium Power Block

48 volt 50 Ah - Li-FePO4 (lithium) Power Block - gesloten - oplaadbaar

Deze BL Lithium Power Block modellen maken gebruik van de Li-FePO4 (Lithium IJzer Fosfaat).

Deze BL Power Blocks zijn voorzien van een kwalitatief hoogwaardig Battery Management System (BMS), noodzakelijk voor de veiligheid en optimale benutting van de capaciteit. Figuur 15: Afbeelding acc

Gewicht in Kg 35.0000

Merk BSOL

19

Capaciteit 50 Ah

Nominale spanning 50,2 Volt

Afmetingen L x B x H (mm) 625 x 312 x 135 mm

Legering Li-FePO4

Temperatuurbereik -20°C tot + 50°C

Tabel 6: Specificaties van BSOL BL 48-50 P

Dit type accu verschilt wel van de door mij gebruikte lithium-ion-accu, maar toch komt bijvoorbeeld de ontlaadcyclus goed overeen. Ik ben (noodgedwongen) met de resultaten en metingen van de lithium-ion-accu, schattingen en aannames gaan maken voor het omgaan met de Li-FePO4-accu.

Modelrondje van de kart

Om de hoeveelheid energie per rondje, die tijdens de First Electro League behaald zal worden, te bepalen, heb ik een modelrondje opgesteld.

De hoeveelheid energie per rondje bestaat de volgende factoren:- massa van de kart (1)- rolwrijving(sverlies) (2)- luchtwrijving(sverlies) (3)- inwendige weerstand accu (4)- piekvermogen (5)- elektrisch vermogen (6)- piekstroom (7)- stationaire stroom (8)

Hierna heb ik de volgende dingen berekend:-energie bij optrekken, energie bij constante snelheid, totaal benodigde energie (9)

-mate waarin de accu zichzelf verwarmt (10)

De formules die ik gebruikt heb bij het berekenen of bepalen van voorgaande besproken dingen:

(1) E,kin = ½ × m × v2

(2) Fw,rol = F,veerF,veer = c × u

20

(3) Fw,lucht = ½ × ρ × A × cw × v2

(4) U,klem = U,bron – R,inw × I

(5) P,piek = E,kin/t(6) P,elektrisch = P,piek(7) U,motor = U,batterij – I,piek × R,inw

U = P / IP,motor/I,piek = U,batterij – I,piek × R,inwP,motor = (U,batterij – I,piek × R,inw) × I,piekU,klem = U,bron – R,inw × I

(8) U,motor = U,batterij – I,stationair × R,inwP,motor / I,piek = U,batterij – I,stationair × R,inwP,motor = (U,batterij – I,stationair × R,inw) × I,stationair

(9) E = I2 × R,inw × tE ,optrekken + E,constante snelheid = E, accu

(10) P = E/t

o Ten eerste ben ik de totale massa van de kart gaan bepalen (1):

Ik heb drie tafeltjes van elk 15 centimeter hoog neergezet om drie van de vier wielen van de kart te ondersteunen. Het laatste wiel van de kart werd ondersteund door een weegschaal, op gelijke hoogte als de tafeltjes gebracht door middel van verscheidene planken. (De massa hiervan bedroeg 8,5 kilogram). Zo kon de druk, die één wiel op de ondergrond levert, worden bepaald. Door de vier verschillende drukken op de wielen bij elkaar op te tellen, heb ik de totale massa van de kart bepaald. Daartoe moest natuurlijk nog wel vier keer de massa van de planken ter ophoging ervan afgehaald worden.

Achterwiel (nummer 1): 39,5 kilogramVoorwiel (nummer 2): 26,5 kilogramVoorwiel (nummer 3): 24,0 kilogramAchterwiel (nummer 4): 33,0 kilogram +Totale massa van de kart: (123,0 – (4 x 8,5)) = 89,0 kilogram

Figuur 16: schematische weergave van de kart

m = massa ‘lege’ kart (M1) + massa motor (M2) + massa PMS 865L regelaar (M3) + massa coureur (M4) + massa accubak (M5) + massa accu (M6)

M1 = 89,0 kgM2 = 23,6 kg

21

M3 = 6,1 kgM4 = 55,0 kg (naar schatting)M5 = 3,0 kg (naar schatting)M6 = 35 kg +m = 211,7 kg

De totale massa van de kart bedraagt: 211,7 kg

o Rolwrijving van de kart bepalen (2):Door middel van een veer heb ik de rolwrijving van de kart bepaald. Om de resultaten dichter bij de raceomstandigheden op het circuit van Zandvoort te brengen, heb ik deze meting buiten, op het asfalt voor de school, verricht. - Ik heb de uitrekking van de veer, die ik gebruikte, bepaald en zo de veerconstante. De uitrekking van de veer heb ik bepaald door een touw door de veer te laten lopen en de lengte van de veer in rust af te tekenen op het touw. Hierna liet ik de kart bewegen en bij constante snelheid heb ik opnieuw de lengte van de veer afgetekend. Dit heb ik een aantal keer herhaald en zo kwam ik tot een uitrekking van 20,5 cm.

- Om de veerconstante van de door mij gebruikte veer te bepalen, heb ik de veer opgemeten, bij vrije lengte van de veer, en de lengte van de veer bij vijf bekende gewichten ervan afgehaald. Zo kwam ik tot vijf verschillende uitrekkingen. Nu wist ik (door de bekende gewichten in kg × 10 te doen) de kracht in Newton en de uitrekking. Zo heb ik c bepaald: c = F / u.

Kracht (in Newton) Uitrekking (in cm) Veerconstante (N/cm)10 8,5 1,176..20 17,5 1,142..30 28,0 1,071..40 38,5 1,038..50 48,0 1,041..

Tabel 7: bepaling veerconstante

Het gemiddelde van de gevonden waarden van de veerconstante bedraagt 1,09 N/cm.De rolwrijving: F,veer = F,rolwrijvingF,veer [N] = c [N/cm] × uitrekking [cm]F,veer = 1,09 × 20,5 = 22,345 N

Fw,rol = 22,35 Newton

o Luchtwrijving van de kart bepalen (3):Met de formule F,w = ½ × ρ × A × cw × v2 heb ik de luchtweerstand bepaald.

- Ten eerste ben ik het frontaal oppervlak (A) van de kart gaan berekenen door een foto van de voorkant van de kart te maken. Deze foto heb ik op de computer gezet en uitgeprint op ruitjespapier

22

(zie bijlage 1). Door hokjes te tellen, heb ik het frontaal oppervlak bepaald. Ik kwam tot een totaal aantal hokjes van: 63 Eén afstand bij de echte kart heb ik opgemeten: de lengte van de spoiler bedroeg: 120,7 centimeter = 0,1207 meter. De spoiler telde op het ruitjespapier 11 hokjes. Daaruit volgt: 1,207 / 11 = 0,1097.. meter per hokje. Dus de oppervlakte van één hokje komt overeen met: 0,1097.. × 0,1097.. = 1,204.. × 10-2 m2. Oftewel het frontaal oppervlak van de kart bedraagt: 63 × 1,204.. × 10-2 = 0,76 m2

- De ρ bedraagt 1,3.- De cw heb ik gesteld op 0,4.- Voor v heb ik de topsnelheid genomen: 20 m/s (= 72 km/u).

Door in te vullen, werd duidelijk hoe groot de luchtwrijving was:Fw,lucht = ½ × 1,3 × 0,76 × 0,4 × 202

Fw,lucht = 79,04 Newton

o Toen heb ik de inwendige weerstand van de accu bepaald (4):

Figuur 17: ontlaadcurve accu BSOL Li-FePO4-accu

U,klem = U,bron – R,inw × IBij 300A (2C) daalt de spanning van de accu van 52V naar 50,5V (zie figuur 17):50,5 = 52 – R,inw × 300R,inw =1,5/300 =0,005 ΩR,inw = 0,005 Ω

o Daarna heb ik het piekvermogen, bij het optrekken, bepaald (5):P,piek = E,kin / t

E,kin = ½ m v2

m = 211,7 kg (zie 1)

23

v = voor de topsnelheid bij het optrekken heb ik 20 m/s genomen (= 72 km/u)E,kin = ½ × 211,7 × 202 = 42340 Joulest = 5 sec. (naar schatting)

P,piek = 42340÷5 = 8468 J/s = 8468 Watt P,piek = 8468 Watt

o Zo kwam ik tot het elektrische vermogen (6):P,el. = P,piekP,el. = 8468 Watt

o Vervolgens heb ik de piekstroom bepaald (7):U,motor = U,batterij – I,piek × R,inwP,motor / I,piek = U,batterij – I,piek × R,inwP,motor = (U,batterij – I,piek ×R,inw) × I,piekP,piek = (U,batterij – I,piek ×R,inw) × I,piek

P, piek = 8468 WattR,inw = 0,005 ΩU,batterij = 52 V (zie figuur 17)

8468 / I,piek = 52 – I,piek × 0,0058468 = 52 × I,piek – 0,005 I,piek2

0,005 × I,piek2 – 52 × I,piek - 8468 = 0 0,005x 2 – 52x – 8468 = 0D = b2 – 4acD = (-522) – 4 × 0,005 × -8468

D = 2873,36x=−b±√D2a

x = (52+ √2873,36) / 2 × 0,005 v x = (52 - √2873,36) / 2 × 0,005x ≈ 10560,4 v x ≈ - 160,4 I = 10560 A v I = 160 A

I,piek = 160 A

o Daarna ben ik I,stationair gaan bepalen, de stroom bij het rijden met constante snelheid (8):U,motor = U,batterij – I,stationair × R,inwP,motor/I,piek = U,batterij – I,stationair × R,inwP,motor = (U,batterij – I,stationair ×R,inw) × I,stationair

24

Voor het rijden bij constante snelheid is het vermogen dat de kart moet leveren gelijk aan het vermogen van de wrijving maal de gemiddelde snelheid. Die bedraagt:P,wrijving = (Fw,rol + Fw,lucht) × 20P,wrijving = (22,35 +79,04) × 20 =1013,9 WattR,inw = 0,005 ΩU,batterij = 52 V

1013,9 / I,stationair = 52 – I,stationair × 0,0051013,9 = 52 × I,stationair – 0,005 × I,stationair2

0,005 × I,stationair2 – 52 × I,stationair – 1013,9 = 0 0,005x 2 – 52x – 1013,9 = 0D = b2 – 4acD = (-522) – 4 × 0,005 × -1013,9D = 2724,27..

x=−b±√D2a

x = (52 + √2724,27..) / 2 × 0,005 v x = (52 – √2724,27. .) / 2 × 0,005x ≈ 10419,4.. v x ≈ - 19,46.. I = 10419 A v I = 19,5 A

I,stationair = 19,5 A

o Om uiteindelijk de totaal benodigde energie (9) te bepalen heb ik het volgende gedaan:E, accu = E ,optrekken + E,constante snelheid

E = I2 × R,inw × tE,optrekken = I,piek2 × R,inw × tI,piek = 160 AR,inw = 0,005 Ωt = 5E,optrekken = 1602 × 0,005 × 5 = 640 Joules10x optrekken: 10 × 640 = 6400 JoulesE,optrekken = 6400 Joules

Na de energie bepaald te hebben bij het optrekken (6400 Joules), heb ik nog de energie bij constante snelheid moeten bepalen, om tot de totaal benodigde energie te komen. Want: E,accu = E,optrekken + E,constante snelheidE = I2 × R,inw × tE,constante snelheid = I,stationair2 × R,inw × tI,stationair = 19,5 AR,inw = 0,005 Ω

25

t = 75 sec.Om t te bepalen, heb ik voor de lengte van de baan 2000m, hiervan de afstand van het optrekken afgehaald: 10× optrekken. V,gemiddeld bij optrekken : 10 m/s. 5 seconden voor het optrekken : 10 × 5 = 50 meter. 10 × 50 = 500 meter. Dus er blijft 1500 meter over.De constante snelheid wordt gereden bij 20 m/s. Dus de tijd die hiervoor nodig is, is : 1500/20 = 75 sec. E,constante snelheid = 19,52 × 0,005 × 75 = 142,59.. JoulesE,constante snelheid = 143 Joules

E,accu = E,optrekken + E,constante snelheidE,accu = 6400 + 143 = 6543 Joules

De totaal benodigde hoeveelheid energie per rondje is 6543 Joules.

o Mate waarin de accu zichzelf verwarmt (10):Hiervoor heb ik de totale energie, die ik heb berekend, gedeeld door de tijd van één rondje, deze bedraagt: 75 + (10 × 5) = 125 sec. Op die manier kwam ik aan de mate waarin de accu zichzelf verwarmt. Wanneer je namelijk energie, in Joules, deelt door het aantal seconden, kom je uit op J/s, en dit is het aantal Watt.P= E/tP = 6543/125 = 52,344 Watt

De accu verwarmt zichzelf dus met 52,3 Watt.

Zo is het warmteverlies van de accu te bepalen. In feite is dit ‘verlies’ de temperatuur die de accu zal bereiken. Hiervoor gebruiken we de volgende formule:

P = k × A × (T,binnen – T,buiten)- k = 40,0 (de k is afhankelijk van het materiaal) Om aan de k-waarde te komen, moet de warmtegeleidingcoëfficiënt gedeeld worden door de dikte van het materiaal. De warmtegeleidingcoëfficiënt voor plastic bedraagt: 0,2 W/(m × K) nemen, en de dikte van het materiaal is 5 mm = 0,005 m. -> 0,2/0,005 = 40- A = om de A van de accu te bepalen heb ik de afmetingen van de accu, gegeven in Tabel 6: Specificaties van BSOL BL 48-50 P, gebruikt: lengte x breedte x hoogte (mm) 625 x 312 x 135 mm,Oftewel: 0,625 × 0,312 × 0,135 m. A = (2 × (0,625 × 0,312)) + (2 × (0,625 × 0,135)) + (2 × (0,312 × 0,135) ≈ 0,64 m2

52,3 = 40 × 0,64 × (T,binnen – T,buiten)(T,binnen – T,buiten) = 52,3 / 25,6 ≈ 2°CAls we de omgevingstemperatuur stellen op 20°C, komen we op een temperatuur van 2 + 20 = 22°C. Aangezien het accubereik van de kart -20°C tot 50°C is, is er geen koeling nodig, en kan de accu eventueel in de buurt van de motor worden ingebouwd, om nog wat extra op te warmen. Zo stijgt namelijk ook de totale capaciteit van de accu.

Conclusies

26

Deelvragen: Hoe valt een accu te verbeteren? Onderzoeksvraag: Wat is de meest efficiënte manier van accugebruik voor een kart?

De conclusies die ik heb getrokken voor optimaal gebruik van de accu (onder andere aan de hand van de resultaten van de metingen, verricht aan de lithium-ion-accu uit de camera), heb ik hieronder schematisch weergegeven:

- De totale accucapaciteit van een accu neemt af, wanneer er meer van de accu gevraagd wordt. Dit is een logische conclusie, en voor het racen zelf niet al te zeer van belang.

- De totale accucapaciteit van een accu neemt toe, wanneer deze bij hogere temperaturen opereert. Aangezien de accu niet veel opwarmt, kan de accu bij de motor in de buurt ingebouwd worden, om de accu wat op te laten warmen en de totale capaciteit toe te laten nemen.

- De totale accucapaciteit van een accu neemt toe, wanneer deze met een wisselende belasting belast wordt. Tijdens het racen zal het dus beter voor de accu zijn vaker op te trekken en af te remmen. Op die manier wordt het mogelijk langer met de accu door te blijven rijden.

- Tussentijds bijladen beïnvloedt de accu altijd op een positieve manier, vooral de levensduur ervan, aldus dhr. Dekker (zie hieronder).

Interview met Michel Dekker

Als uitbreiding op wat ik al had gedaan, heb ik nog contact gezocht met een medewerker van Hytruck, om hem wat vragen over accu’s te stellen. Dit was Michel Dekker. Hieronder volgen de door mij opgestelde vragen en de antwoorden van meneer Dekker.

- Wat doet u precies voor Hytruck?

Hytruck is nog een relatief klein bedrijf dat uit 3 personen bestaat. In principe doen wij alle zaken gezamenlijk maar ik concentreer me het meeste op het voertuig. In de praktijk betekent dat, dat ik in samenwerking met onze leveranciers de aandrijflijn samenstel aan de hand van de gewenste prestaties door de klant. Daarnaast hou ik me ook bezig met het maken van documentatie en geef regelmatig presentaties over Hytruck.

- Hoe bepaalt u wat voor een accu/ welke eigenschappen een accu moet hebben voor een bepaalde vrachtwagen?

In principe gebruiken wij voor al onze vrachtwagens dezelfde accu’s. In eerste instantie kijk je naar de hoeveelheid kWh die nodig is om bepaalde transportbewegingen uit te voeren. Dit gaat eigenlijk over de afstand die je wilt rijden met een bepaald gewicht. Daar komt een benodigde capaciteit uit. Vervolgens kijken we op welke manier de batterijen de duur- en piekbelastingen kunnen leveren. Dus dan gaat het puur om de kW die direct uit de batterij komen. Tenslotte is nog van belang hoe snel de batterijen weer opgeladen kunnen worden. Dit is ook van belang bij het afremmen op de motor waarbij je met de remenergie de batterijen weer bijlaadt. Natuurlijk zijn er dan verschillende

27

batterijen die deze prestaties kunnen leveren. Wat uiteindelijk doorslaggevend is bij de keuze is het Battery Management System (BMS). Omdat er veel gewerkt wordt met cellen die in serie staan, is het van groot belang dat de status van al deze cellen goed in de gaten gehouden wordt. Daar zit bij veel fabrikanten verschil in en is wel heel belangrijk voor de betrouwbaarheid van je batterij. Verder zijn natuurlijk ook prijs en gewicht zaken die meespelen bij de keuze van batterijen.

Een voorbeeld van onze 16 ton’s Hytruck: die is uitgerust met een 120kWh Li-Ion batterijpakket. Dat is in principe voldoende voor een distributierit van 150 kilometer. Het batterijpakket is opgebouwd uit drie pakketten van 40 kWh die parallel gezet zijn. Eén 40kWh pakket is opgebouwd uit een serieschakeling van 24 x 12,8V Valence batterijen met een nominale capaciteit van 130Ah. Qua continue stroom kunnen ze 150Ah leveren, dat levert 46kW vermogen. Het piekvermogen dat geleverd kan worden ligt op 92kW per pakket. De drie pakketten zijn ruim voldoende om de 150kW elektromotor van stroom te voorzien. Het parallel schakelen geeft ook voordelen bij uitval van een batterij. Dan kan je op de overige pakketten nog gewoon doorrijden, er wordt ook met twee pakketten ruim voldoende vermogen geleverd. Bij het samenstellen van deze pakketten is het ook van belang dat je de juiste spanning kan leveren die de motor vraagt.

De volgende vragen gaan over Li-FePO4-accu’s, omdat in de kart van de Techno Challange een Li-FePO4-accu zal zitten: - Is er al veel ervaring opgedaan met deze accu? Ook door uzelf?

Ik heb geen ervaring met deze batterijen en kan daar dus niet veel over zeggen.

- Zijn er grote voordelen t.o.v. Li-ion? En zo ja, welke?

Zoals ik de specificatie zie is de Li-FePO4 batterij van de kart veel meer geënt op het leveren van piekbelastingen. De nominale capaciteit is 50Ah, de continue stroom die je uit de batterij kan halen 150A. Daar zit dus een factor 3 tussen. Bij de Li-Ion batterij die wij gebruiken is de nominale capaciteit 130Ah en kan er een continue stroom van 150A lopen. Dat verschil is dus veel kleiner en geeft ook het verschil in toepassing aan: een half uur racen op een circuit met grote verschillen in gevraagd vermogen in een korte tijd óf een dag met een vrachtwagen in de stad rijden waar duurbelasting belangrijker is. Maar ook de Valence is een fosfaat batterij, wat de verschillen in details zijn weet ik ook niet.

- Kan een Li-FePO4-accu tussentijds bijgeladen worden, of is het beter hem eerst helemaal te laten ontladen?

In principe is het altijd beter tussentijds bij te laden. Dat heeft met name voordelen voor de levensduur van de batterij.

Nog meer mogelijke proeven

28

-Naast de proeven die ik heb uitgevoerd, zou het ook nog interessant zijn om, aan de hand van de mate waarin de accu zichzelf verwarmt, te kijken hoe de accu eventueel nog opgewarmd zou kunnen worden, om de totale capaciteit te laten toenemen.-Verder zou getest kunnen worden wat de reactie van een accu is op tussentijds bijladen. Volgens meneer Dekker is dit altijd voordelig voor de levensduur van de batterij, maar in hoeverre? De proeven die dit zouden moeten uitwijzen, zouden echter wel langere tijd in beslag nemen.- Het zou leuk zijn om te kijken of de remenergie van de kart bruikbaar gemaakt zou kunnen worden om de accu wat bij te laden. Dat zal tevens een best groot onderzoek zijn.

Betrouwbaarheid van onderzoeksresultaten

De proeven die ik heb uitgevoerd zullen waarschijnlijk niet allemaal even betrouwbaar zijn.- Oriënterende proefjes:Uitzonderingen bevestigen de regel, want van deze heb ik het idee dat de uitkomsten wel vrij betrouwbaar zijn.- Vervolgproeven bij de ‘meetaccu’:De uitkomsten bij de temperatuurafhankelijkheid, zullen waarschijnlijk niet heel nauwkeurig zijn, omdat de temperatuur in de piepschuimen doos niet uiterst stabiel werd. Verder zal de temperatuur bij metingen als belastingsafhankelijkheid (verschillende belastingen én manier van belasten) geschommeld hebben, vanwege de schommelende temperatuur in de school: ’s ochtends vrij koud en daarna warmer.- Modelrondje van de kart:De formules kloppen, alleen de invulling ervan kan soms onnauwkeurigheden bevatten. De bepaling van de massa van de kart is vrij betrouwbaar, hoewel ik bij het bepalen van de totale massa van de ‘gevulde’ kart, enkele zaken geschat heb, namelijk de massa van de coureur en de massa van de accubak.De rolwrijving is denk ik een vrij betrouwbare uitkomst. Bij de luchtwrijving zijn weer een aantal waardes, die in de formule ingevuld moesten worden, geschat (cw, ρ). Hokjes tellen is doorgaans ook niet heel nauwkeurig.De inwendige weerstand heb ik bepaald aan de hand van een niet gemakkelijk af te lezen grafiekje, maar toch denk ik dat die uitkomst aardig betrouwbaar is.Het piekvermogen, elektrisch vermogen, de piekstroom, de stationaire stroom, de totale capaciteit en de mate waarin de accu zichzelf verwarmt, heb ik berekend aan de hand van de bovengenoemde zaken, dus deze zullen waarschijnlijk ook wat onnauwkeurigheden kunnen bevatten.

Evaluatie van het onderzoeksproces

29

Al met al vind ik dat het onderzoeksproces goed verlopen is. Ik ben wel aardig afgeweken van m’n ideeën over de vervolgproeven. Dit was omdat ik toen minder goed wist, waar ik precies mee bezig was en bepaalde dingen bleken gemakkelijker te zijn op een andere manier. Ik zal de aanvankelijk bedachte vervolgproeven nalopen op verschillen.

‘Als vervolg wil ik graag onderzoeken wat de invloed van de temperatuur op de prestaties van de accu is. De bedoeling is om de loodaccu in een bad, waarvan de temperatuur in te stellen is, te leggen. Wanneer de accu op de te onderzoeken temperatuur is gekomen, wil ik de inwendige weerstand bepalen, op dezelfde manier als bij de oriënterende proeven. Door verschillende resultaten te vergelijken, kan ik erachter komen onder welke temperaturen de accu het meest efficiënt is.’

- Ik heb deze proef op een heel andere manier uitgevoerd: ik heb gebruikgemaakt van een isolatiekamer van piepschuim, om de temperatuur te variëren. Op pagina 15, onder het kopje: temperatuurafhankelijkheid, staat dit beschreven.

‘Verder is de bedoeling dat ik op school een onbemande opstelling zal maken, waarbij door een computer verschillende cycli worden gemeten, bijvoorbeeld:

- Constant een hoge spanning- Bepaalde tijd een hoge spanning en bepaalde tijd een lage spanning- Redelijk snel variërende spanning

De computer zal met een Voltmeter het verloop van de spanningsafname bijhouden en registreren. Belangrijk is dat bij hogere spanning rekening wordt gehouden met hogere inwendige weerstand! Op deze manier is te onderzoeken welk rijgedrag het meest bevorderlijk is voor de accu.’

- De onbemande opstelling is er gekomen, met de Voltmeter en de laptop, zie pagina 12, onder het kopje: de ‘meetaccu’ voor de vervolgproeven. Ik heb de belastingsafhankelijkheid met verschillende weerstanden gemeten, zie pagina 13 en 14 onder het kopje: belastingsafhankelijkheid (verschillende belastingen). Verder heb ik veelal metingen verricht bij constante belastingen en één meting bij variërende belasting, zie pagina15, onder het kopje: temperatuurafhankelijkheid en pagina 16 en 17 , onder het kopje: belastingsafhankelijkheid (manier van belasten). De conclusie betreffende het meest bevorderlijke rijgedrag voor de accu was, dat het voordelig was vaak op te trekken en weer af te remmen, zie pagina 26, onder het kopje: aannames wat betreft de accu in de kart.

‘Uiteindelijk kunnen de resultaten vergeleken worden met prestaties van andere accu’s. Hierdoor zal uiteindelijk duidelijk worden welke accu, en op welke manier deze te gebruiken, het meest voordelig is voor een kart in de Electro League.’

- Dit is deels zo gegaan, zie pagina 26 onder het kopje conclusies. Ik heb echter niet hoeven uitzoeken welke accu het meest voordelig zou zijn voor in de kart, aangezien er een bepaalde accu beschikbaar gesteld is.

Verder heb ik de proeven ten behoeve van het modelrondje en het opstellen van het modelrondje zelf, toegevoegd. Zie pagina 19, 20, 21, 22, 23, 24 en 25, onder het kopje: modelrondje van de kart.Ook heb ik een interview toegevoegd voor de afwisseling, alhoewel dat natuurlijk geen proef was.

30

De benodigdheden voor de proeven, die ik wilde doen, waren op school aanwezig en kleine extra dingen, zoals het accuhoudertje, konden eenvoudig worden gefabriceerd. De proeven, waarbij ik de accu geheel liet leeglopen, waren vrij tijdrovend en de accu diende ook weer te worden opgeladen. Aangezien de accu niet zo’n grote totale capaciteit heeft, ging het opladen en ontladen gelukkig wel relatief snel. Toch zou ik, wanneer ik deze proeven weer zou kunnen uitvoeren, om tijd te besparen, twee gelijkwaardige accu’s nemen en de één laten opladen, wanneer de andere zou ontladen (tijdens een proef) en andersom.Verder is het belangrijk de accu en de voltmeter goed contact te laten maken, zodat de metingen niet mislukken, zoals in het begin wel het geval was bij mij.Om proeven te kunnen doen en te kunnen schrijven heb ik veel van mijn tussenuren gebruikt. De drie dagen die bestemd waren om aan het profielwerkstuk te werken, heb ik goed besteed door op school te werken en zo nog hulp te kunnen krijgen van een docent. Thuis heb ik ook nog tijd aan mijn profielwerkstuk besteed. Het was geen grote moeite om aan de verplichte tachtig uur te komen, eigenlijk kwam het gewoon precies mooi uit.

Nawoord

Ik heb mijn profielwerkstuk zonder veel moeilijkheden kunnen voltooien en ben daar erg blij om. Hiervoor wil ik graag mijn begeleider bij dit werkstuk dhr. Appelman bedanken. Daarnaast heeft dhr. Newman mij veel geholpen en dhr. Sluiters met het leggen van contact met dhr. Dekker. Dhr. Dekker wil ik ook bedanken voor de medewerking, voor het beantwoorden van mijn vragen. Tot slot wil ik de jongens bedanken die mij geholpen hebben met kleine dingen tijdens bijvoorbeeld de profielwerkstukdagen of de tussenuren, waarin ik aan mijn profielwerkstuk gewerkt heb.

Rebecca Kossen

BronnenWebsite (over het project): - http://www.technochallenge.nl/Agenda/first-electro-league-eco-run.html

31

Website (met accuspecificaties): - www.batteries-direct.nl Boek: Energie survival gids – inzicht in energie en uitzicht voor de toekomst ; Jo HermansBoek: Zo werkt dat! – De techniek van vandaag ; uitgeverij: het Spectrum BVBoek: Prisma – Techniek in woord en beeld ; uitgeverij: het Spectrum BVWebsite (link via Energie survival gids): - http://batteryuniversity.com/ (Engelse site)

Logboek

Datum Tijd Plaats Werkzaamheden Opmerkingen20/05/2011

15 min. School Eerste overleg met begeleider

22/05/2011

15 min. Thuis Zoeken info in boek: Energie Survival Boek van Jo Hermans

22/05/2011

45 min. Thuis “Sluisje” 1 in orde maken Voltooid

28/05/2011

30 min. bibliotheek Naar boeken zoeken Drie boeken gevonden

17/06/2011

15 min. School Gesprek met begeleider

19/06/2011

20 min. Thuis Digitaliseren van informatie Prisma

21/06/2011

45 min. School Oriënterende proefjes Proef 1 voltooid

21/06/2011

30 min. Thuis Digitaliseren van gedane werk Proef 1 gedigitaliseerd

24/06/2011

45 min. School Oriënterende proefjes Proef 2 voltooid

25/06/2011

60 min. Thuis Digitaliseren van gedane werk Proef 2 gedigitaliseerd

30/06/2011

135 min. Thuis Digitaliseren van informatie Zo werkt dat!

01/07/2011

20 min. School Centraal overleg verschillende profielwerkstukken

02/07/2011

10 min. Thuis Digitaliseren van informatie Energie Survival Gids

05/07/2011

20 min. School Uitbreiding oriënterende proef 2

07/07/2011

10 min. Thuis Digitaliseren van gedane werk Uitbreiding proef 2

07/07/2011

150 min. Thuis “Sluisje” 2 in orde maken

08/07/2011

60 min. Thuis “Sluisje” 2 in orde maken Voltooid

07/09/2011

10 min. School Overleg met begeleider

32

08/09/2011

25 min. School Techno Challenge bijeenkomst

10/09/2011

20 min. Thuis Informatie bij elkaar zetten

10/09/2011

40 min. Thuis Informatie zoeken over Li-ion accu’s

16/09/2011

50 min. School Overleg met begeleider en informatie opzoeken op pc

22/09/2011


22/09/2011

60 min. school, TCV Techno Challenge bijeenkomst

23/09/2011

80 min. School Testproefopstelling hittekamer

05/10/2011

100 min. School proefjes

06/10/2011


07/10/2011

120 min. School proefjes Ontlaadcyclus bepalen

11/10/2011

15 min. School Contacten

11/10/2011

30 min. Thuis Schrijven aan profielwerkstuk

13/10/2011


17/10/2011

30 min. Thuis Nadenken over profielwerkstuk

herfst-vakantie


27/10/2011


26/10/2011


31/10/2011

120 min. Thuis Profielwerkstukdagen voorbereiden

01/11/2011

480 min. School Profielwerkstukdag 1

01/11/2011

120 min. Thuis Digitaliseren van gedane werk

02/11/2011


03/11/2011


03/11/2011

25 min. School Techno Challange bijeenkomst

04/11/2011

50 min. School Meten

07/11/2011

50 min. School Meten

33

08/11/2011

150 min. School Meten en schrijven

09/11/2011

100 min. School Meten en schrijven Fw,rol gemeten

09/11/2011

60 min. Thuis Schrijven

10/11/2011

25 min. School Techno Challange bijeenkomst

13/11/2011


15/11/2011

100 min. School Schrijven en meten C,veer en Fw,rol bepaald

16/11/2011

130 min. School Schrijven en meten Discontinue belasting

23/11/2011

100 min. School Schrijven

26/11/2011


27/11/2011


28/11/2011

45 min. School Schrijven

28/11/2011


29/11/2011

130 min. Thuis Schrijven Profielwerkstuk (“sluisje” 3) afgemaakt

Totaal 4920min. = 82 uur Sluisje 3

12/2011 40 min. School Gesprek met begeleider Evaluatie sluisje 313/01/201

260 min. Thuis Presentatie voorbereiden

21/01/2012

90 min. Thuis Profielwerkstuk verbeteren

22/01/2012


23/01/2012

40 min. School Presentatie voorbereiden

23/01/2012


24/01/2012


25/01/2012

30 min. School Presentatie voorbereiden Voltooid

Totaal 5550min. = 92,5 uur

34

BIJLAGEN

Bijlage 1: op ruitjespapier geprint vooraanzicht van de kartBijlage 2: specificatie accu BSOL BL 48-50P

35

profielwerkstuk: accu’s - nieuws « superkart team...

Documents