Henrik Beelen met batterijpakketten. Foto | Bart van Overbeeke

Sluitstuk | Batterijen doorgelicht

We worden steeds afhankelijker van oplaadbare batterijen. Voor veel mensen is de ladingstoestand van hun smartphone een continue bron van zorg, en het lijkt een kwestie van tijd voordat we allemaal elektrisch rijden. Promovendus Henrik Beelen ontwikkelde een methode om de temperatuur binnenin zulke batterijen te meten. Voor de veiligheid en om beter te kunnen inschatten hoe vol de batterij nog is.

De batterijen in zowel smartphones als elektrische auto’s zijn op basis van lithium-iontechnologie, vertelt Henrik Beelen, die promoveerde bij Control Systems (Electrical Engineering). “Vrijwel alle oplaadbare batterijen zijn tegenwoordig van dat type, ook die in laptops, e-bikes, gehoorapparaten en pacemakers.” Met al die belangrijke toepassingen spreekt het voor zich dat je zo goed mogelijk wilt kunnen inschatten hoeveel energie de batterij nog bevat, en hoe je ze duurzaam en veilig kunt gebruiken.

Om met die veiligheid te beginnen: er gebeuren soms ongelukken doordat lithium-ionbatterijen in brand vliegen, zegt de promovendus. “Als de inwendige temperatuur te hoog wordt, ontstaan er chemische processen die uit de hand kunnen lopen.” Daarom zijn alle batterijen voorzien van een temperatuursensor, legt hij uit. “Ook die in je smartphone.”

Het zogeheten batterijmanagementsysteem dat aan elke oplaadbare batterij is gekoppeld, gebruikt de informatie over de temperatuur bij het inschatten hoeveel lading er nog in de batterij zit, en zal bij dreigende oververhitting het apparaat uitschakelen. “Ik heb zelf wel eens mijn iPad in de brandende zon laten liggen, en die gaf netjes een waarschuwing voordat hij op zwart ging.”

Stroompje

Het probleem is dat een dergelijke temperatuursensor noodgedwongen aan de buitenkant van de batterij zit, terwijl de temperatuur binnenin de batterij relevanter is. Er bestaat echter een alternatieve manier om de inwendige temperatuur te meten. De temperatuur binnenin de batterij heeft namelijk invloed op de elektrische weerstand; daardoor kun je indirect deze temperatuur vaststellen door een klein stroompje door de batterij te sturen en de resulterende spanning te meten. Deze methode stond volgens Beelen nog in de kinderschoenen. “Het werd al wel gedaan, maar het was bijvoorbeeld nog onduidelijk hoe nauwkeurig het is.”

Essentieel voor deze meetmethode is uiteraard wel dat je weet welke gemeten weerstand bij welke inwendige temperatuur hoort: elke batterij moet daarom geijkt worden. Hiervoor gebruikte Beelen een speciale ‘klimaatkamer’, waarin hij de temperatuur naar believen kon variëren tussen -40 en 150 graden Celsius. Het installeren van deze meetopstelling op de zesde verdieping van Flux had nog wel wat voeten in de aarde, vertelt Beelen. “Iedereen loopt hier natuurlijk gewoon met batterijen in zijn smartphone en laptop rond. Maar als je aan batterijen gaat meten, dan gaan hier opeens alle alarmbellen af. Het heeft daardoor jaren geduurd voordat de opstelling er stond.”

Nu moet worden gezegd dat in de klimaatkamer niet alleen metingen aan batterijen ‘in rust’ moesten worden uitgevoerd, maar ook tijdens een realistische belasting. En omdat zijn project deel uitmaakte van een Europees project rond batterijen voor elektrische auto’s, betekende dit het simuleren van een standaard rijcyclus, die gepaard gaat met stromen van tientallen ampères. Aan de kast is dan ook behoorlijk wat vermogenselektronica gekoppeld. 

Beelen ontwikkelde ook een nieuw algoritme om de ladingstoestand te schatten en combineerde dit uiteindelijk met zijn temperatuurmetingen. Een volle batterij heeft namelijk een andere weerstand dan een bijna lege, en daardoor is dus ook de temperatuurschatting gekoppeld aan de ladingstoestand van de batterij. Daarnaast speelt de mate van veroudering een rol en maakt het uit of de batterij in gebruik is, zeker in een elektrische auto die op vol vermogen over de weg raast. “Die aspecten hangen allemaal samen”, zegt hij, “en dat maakt het geheel erg complex.” Zijn werk is volgens hem dan ook een mooie stap vooruit, maar klaar voor toepassing is de methode nog niet. Het onderzoek wordt daarom binnen Control Systems voortgezet.

Deel dit artikel via je socials