Wat veroorzaakte de brand in onze elektrische auto?

Mijn ideeën over de Tesla batterij brand

Het is precies twee jaar geleden dat onze elektrische Volvo Amazon combi vlam vatte tijdens onze reis in Zweden. Een vraag die heel vaak bij me opkwam, en nog steeds opkomt, is : Waarom? Net als ik willen veel mensen weten ‘Wat was de oorzaak van de brand, weet je dat?’ Ik heb veel onderzoek gedaan en gelezen over elektrische autobranden. Mijn antwoord was dat ik wel wat theorieën had, maar het waarschijnlijk nooit zeker zou weten. Hoewel ik nog steeds wat experimenten wil doen om meer antwoorden te vinden, is de tijd gekomen om mijn ideeën over de oorzaak van de brand te delen.

29-07-2023: Nieuwe inzichten, dankzij de input van mensen die mijn verhaal hebben gelezen. Check chapter 15. Addendum.

  1. Samenvatting van de context
  2. Wat gaat er mis bij lithium-ion accu’s?
  3. Batterij management systeem fouten?
  4. Vermeldenswaardige bijzonderheden
  5. De chemie van batterijen begrijpen
  6. Hypothese 1 : Externe kortsluiting
  7. Hypothese 2 : Interne celkortsluiting
  8. Is de capaciteit afgenomen of heb ik hem niet gebruikt?
  9. Batterij temperatuur aka Rapidgating
  10. Perspectief van interne weerstand
  11. Samengevat ….
  12. Conclusie
  13. Epiloog : Geleerde lessen en preventie
  14. Dankwoord
  15. Aanvulling: belangrijke nieuwe inzichten op basis van feedback

1. Samenvatting van de context

Het is bekend dat in de meeste gevallen van EV’s die in brand vliegen dit optreedt tijdens het opladen. Dat was hier niet het geval. De auto was de dag ervoor, op 29 juni 2021, opgeladen. Ik hield het laadproces op de laadcontroller in de gaten en zag dat de eindstroom ongeveer 0,7A was en dat het pakket 388V bereikte. Dit kwam overeen met het gemiddelde van 4,05V per cel dat ik had gedefinieerd als de doelspanning en dus 100% SOC. Voor deze cellen is 4,05V relatief laag, maar ik wilde het zekere voor het onzekere nemen om er zeker van te zijn dat ik niet overlaad.

Dit is de laatste foto die ik nam op 29 juni rond 23:45, de avond voordat de auto afbrandde.

Geparkeerd laadt niet op

Ik heb acht Tesla Model S batterijmodules gebruikt om de auto om te bouwen. Drie zaten er voorin en vijf achterin.

Op 30 juni rond 7:55 kwam iemand naar onze tent en riep ‘Je auto staat in brand’.

De brand is zeker in de voorste accubak begonnen. Toen ik bij de auto aankwam, kwam er witte rook uit de auto en hoorde ik knallende geluiden van ventende of exploderende cellen.

Electric car on fire

Het antwoord op de vraag waarom mijn omgebouwde auto in brand vloog, is niet eenvoudig te geven. Laten we eerst eens kijken naar de hoe en waarom batterijen voor elektrische voertuigen falen. Met andere woorden, waarom of hoe ontstaat brand in een elektrische auto?

2. Wat gaat er mis bij lithium-ion accu’s?

In het rapport Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles uit 2019 van Roeland Bisschop et. al. van Research Institutes of Sweden (RISE) wordt veel informatie over branden door lithiumbatterijen samengevat en uitgelegd. Ze beschrijven zes oorzaken voor batterijstoringen en ik heb gekeken hoe waarschijnlijk deze oorzaak is in mijn situatie:

 OorzaakOmstandighedenMijn situatieScore
1Interne celkortsluitingKan zeer plotseling en zonder waarschuwing vooraf optreden.Van toepassing++
2Mechanische vervorming en impactErnstige vervorming kan het gevolg zijn van bepaalde botsingen of hard op de grond vallen.Niet waarschijnlijk, auto stond meer dan een dag geparkeerd.
3LadenBij overladen kunnen dendrieten op de anode groeien en de separator binnendringen, waardoor een interne kortsluiting ontstaat.
Aan de kathode kan overladen leiden tot thermische ontleding en dus warmteontwikkeling.
Niet waarschijnlijk, de auto was niet aangesloten en de hoogste cel spanning waarde was 4,05V.
4OntladenHet probleem van overontlading treedt op wanneer accucellen onder hun minimumspanning worden ontladen.Niet van toepassing, de cellen zaten ver boven de minimumspanning.
5Externe kortsluitingKan optreden als de batterij wordt blootgesteld aan bijvoorbeeld ernstige mechanische vervorming, onderdompeling in water, corrosie, enzovoort.Kan van toepassing zijn+
6Blootstelling aan hoge temperaturenBij blootstelling aan hoge temperaturen (> 190 °C) kunnen interne afbraakmechanismen en exotherme reacties tot problemen leiden.Niet van toepassing, koelvloeistof en omgevingstemperatuur waren rond de 25 graden.

Voor mijn beoordeling heb ik overladen gedefinieerd als meer dan 4,2V en overontladen als minder dan 2,5V in lijn met de datasheet van een Panasonic NCR18650B die vergelijkbaar is met een Tesla cel. Het kan echter zijn dat de cellen door degradatie al onder stress stonden binnen deze bandbreedte. Ik zal verder ingaan op degeneratie in paragraaf 7, Hypothese 2: Interne celkortsluiting.

Dan blijven er nog twee mogelijke hoofdoorzaken over voor de brand in mijn accu:

  • Interne celkortsluiting
  • Externe kortsluiting

Zijn er vroegtijdige waarschuwingssignalen geweest? Ik had een degelijk batterij management systeem (BMS) van Lithium Balance. Had dat de brand kunnen voorkomen? Of zijn er aanwijzingen dat er iets mis was of kapot is gegaan? Enig inzicht uit het BMS-logboek?

3. Batterij management systeem fouten?

Daarnaast kan het natuurlijk zijn dat het BMS dingen verkeerd meette en dat de gegevens die ik zag gedeeltelijk onjuist waren. Of misschien een losse cel meetpunt?

Geen CAN-BUS log

Hoewel de mannen van de brandweer erin slaagden om de USB-geheugenstick uit het beeldscherm (de Ecumaster ADU) te trekken die ik gebruikte voor het loggen, stond het geluk niet aan mijn kant.

Op de dag dat we naar Zweden vertrokken, ging de GEVCU (Vehicle Control Unit) kapot. New Electric leverde een vervanger en die had weer andere problemen. De nieuwe VCU gaf geen toerentalsignaal. Op dat moment concludeerde ik dat we zonder konden.

Geen CAN   BUS log vanwege GEVCU fout

Pas op 30 juni bleek dat dit signaal de trigger was voor de ADU om te beginnen met loggen. Dus helaas had ik geen gegevens vanaf 6 juni.

Lithium Balance batterij management ysteem logboek

Het goede nieuws is dat de BMS-master achterin zat en onbeschadigd was.

Achterkant helemaal goed en BMS master OK

Dus na het openen van de achterste accubak sloot ik het BMS aan op de werkbank en bekeek het foutenlogboek.

Het Lithium Balance sBMS heeft geen realtime klok, dus de gebeurtenissen hebben geen tijdstempel. Maar op 23 juni (dus een week voor de brand) heb ik een log gedownload van het BMS naar mijn computer zodat ik die twee kon vergelijken en uit kon zoeken wat de recente fouten waren. Ik heb slechts twee soorten fouten gevonden:

  • Te hoge stroom IN, bijv. stroom: 3,5 A, drempel: 1 A
  • Contactor fout, Main –

Deze zijn niet relevant. De Main – fout was een lage 12v-batterij spanning waardoor de contactor niet wilde sluiten. De te hoge ingaande stroom was te wijten aan het feit dat de laadregelaar (Thunderstruck EVCC) de maximum toegestane laadstroom zoals aangegeven werd door het BMS niet kon gebruiken en interpreteren. Als gevolg daarvan zou het BMS de contactors openen wanneer de laadstroom die door de EVCC wordt aangestuurd te hoog zou zijn.

Maar geen bevindingen zoals “Lek gedetecteerd” of “Cel onbeheerd” of iets dergelijks. Ik besloot dat nog eens te controleren en wat celtappen los te koppelen op de werkbank.

Voor testen cel 1 losgekoppeld
Voor het testen van cel 1 losgekoppeld zichtbaar in fouten

Dit was meteen zichtbaar in het Lithium Balance dashboard, omdat hij toen een ‘Cell over voltage’ en ‘Cell end of life voltage’ fout meldde.

En op basis hiervan en mijn ‘contactors off’ instellingen, zouden de contactors zijn geopend of helemaal niet gesloten als er een losse cel verbinding zou zijn geweest.

Instellingen contactors open

De laatste controle die ik heb uitgevoerd is of de celspanningen die ik heb gemeten met een multimeter overeenkomen met de spanningen die worden gerapporteerd in de BMS-software en met de spanningen die worden verzonden via CAN-BUS en worden weergegeven op het display.

Dit was inderdaad het geval.

Spanningen op display correct

Dus blijven er nog twee hoofdoorzaken over voor de brand in mijn batterij: een interne celkortsluiting of een externe kortsluiting. Voordat ik daar dieper op inga, wil ik drie dingen naar voren brengen die in mijn geval ‘ongewoon’ zijn.

4. Vermeldenswaardige bijzonderheden

Er zijn drie onderwerpen die het vermelden waard zijn.

1. Evans waterloze koelvloeistof

Gewone koelvloeistof is geleidend. Gemiddeld is het geleidingsvermogen ongeveer 3 tot 4 mS/cm. Daarom heb ik heel wat onderzoek gedaan naar alternatieven. Als er een lek in het systeem zou zitten, wilde ik geen externe kortsluiting veroorzaken. Ik heb Evans gevonden die beweert:

Evans waterloze koelvloeistoffen bevatten geen zuurstof en zijn vrijwel niet-geleidend, waardoor corrosie effectief wordt voorkomen.

Op hun pagina ‘geen elektrolyse’ wordt dit gekwantificeerd als een geleidbaarheid van 0,7 mS/cm.

Verder vertelden ze dat Emoss, de bouwer van elektrische trucks, het ook gebruikt, dus ik besloot het ook te proberen.

Evans waterloze koelvloeistof

Maar wat ik nog steeds wil testen: als er een lek is en de waterloze koelvloeistof in contact komt of is geweest met een Tesla-batterijcel, wat gebeurt er dan?

2. Aangepaste Tesla batterij modules

Zoals gezegd heb ik slechts acht Tesla model S batterijmodules gebruikt. Dat was het maximale wat ik erin kon krijgen qua volume en gewicht. Om op 96s te kunnen draaien (355V nominaal) werden ze echter door de verkoper gemodificeerd van 6s74p naar 12s37p.

Aangepaste Tesla   modules

Er werden extra cel taps geïnstalleerd, celtap draden werden ingepakt in een extra huls en op hun plaats gelijmd met speciale niet-geleidende lijm. Verder heb ik de cel meetpunten gezekerd. Maar één vraag bleef maar bij me opkomen: Kan de aanpassing de oorzaak van de brand zijn geweest?

Hij gebruikte een ge-CNC-de route en een bovenfrees met twee stofzuigers om te voorkomen dat er deeltjes in de module vielen. Na een zorgvuldige inspectie heeft hij de gesneden busbar afgedicht met speciale kit. In theorie had er een splinter kunnen liggen of misschien een spaan die op de busbar was achtergebleven en later had kunnen vallen. Wetende hoe grondig de modificatie is uitgevoerd is dit niet waarschijnlijk, maar je weet maar nooit.

3. Plotselinge toename van celspanning delta

Het derde vermeldenswaardige punt is dat de avond voor de brand de delta tussen de hoogste en laagste cel iets groter was dan normaal.

Normaal was het 0,02V, maar op dat moment was het 0,06V.

Ik was toen niet gealarmeerd en logde niet in op het BMS om het verder te controleren, helaas. Met de kennis van vandaag is dat waarschijnlijk DE indicator dat er al iets mis ging.

Celspanning delta toename voor de brand

Maar wat betekent dat precies als er ‘iets misgaat’? En als er iets misgaat, eindigt het dan altijd in een thermische runaway? Om die vragen te beantwoorden moeten we de (implicaties van) de chemische samenstelling van de batterij onderzoeken.

5. De chemie van batterijen begrijpen

Er zijn tegenwoordig drie veelgebruikte batterij chemie technologiën die in elektrische voertuigen worden gebruikt. De meeste fabrikanten gebruiken NMC. Of voluit Lithium Nikkel Mangaan Kobaltoxide (LiNiMnCoO2). Tesla gebruikt NCA (volledig Lithium Nikkel Kobalt Aluminium Oxide (LiNiCoAlO2)). De derde is LFP Lithium IJzer Fosfaat (LiFePO4). Ze hebben allemaal hun voor- en nadelen.

In hun rapport uit 2010 “Batteries for Electric Cars. Challenges, Opportunities and the Outlook to 2020” De Boston Consulting Group (BCG) bracht de afwegingen tussen verschillende batterij chemiën in beeld:

BCG NMA
BCG NMC
BCG LFP

Er is geen chemie die op alle parameters de maximale score heeft, dus het is altijd een compromis. De NCA chemie die Tesla in mijn modules gebruikt, zorgt voor een hoog vermogen en een hoge vermogensdichtheid, maar scoort lager op veiligheid. Aan de andere kant van het spectrum is LFP intrinsiek veiliger, maar heeft het een lagere energie-inhoud per massa. Maar hoe ziet ‘batterijveiligheid’ eruit? Hoe kunnen we dat bepalen of kwantificeren?

Zoals wordt geconcludeerd in het rapport Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance van Daniel H. Doughty voor het National Renewable Energy Laboratory (NREL), is thermische stabiliteit misschien wel de belangrijkste van verschillende parameters die de veiligheid van lithium-ioncellen, -modules en -batterijpakken bepalen.

Thermische stabiliteit

In het artikel Elektrische veiligheid van commerciële Li-ioncellen op basis van NMC- en NCA-technologie in vergelijking met LFP-technologie wordt de ’thermische stabiliteit’ gekwantificeerd als de mate van zelfverhitting die afhankelijk is van de celtemperatuur, gemeten aan de behuizing van de cel.

De maximale temperatuur stijging snelheden van LFP zijn veel lager dan die van de NMC- en NCA-cellen. NCA- en NMC-cellen vertonen temperatuur stijg snelheden van meer dan 400 °C/min. Dit betekent dat de onderzochte LFP-cellen een significant hogere thermische stabiliteit vertonen en dat de thermische stabiliteit van de NMC-cel hoger is dan die van de NCA-cel.

Thermische stabiliteit van lithium   ion batterijen

Dit betekent dat wanneer een NCA thermische runaway start, deze zeer snel voortplant.

Laten we met het bovenstaande in gedachten eens kijken naar de twee overgebleven mogelijke hoofdoorzaken voor mijn accubrand.

6. Hypothese 1 : Externe kortsluiting

Laten we die hypothese dus hypothese één noemen, namelijk dat de brand werd veroorzaakt door kortsluiting van buitenaf.

Een externe kortsluiting kan zich voordoen op het niveau van het pack, de batterijenbak, de module en de cel. Op een hoger niveau zijn er echter zekeringen die doorslaan voordat de kortsluiting overgaat in brand. In uitgeschakelde toestand waren de voorste en achterste accubak losgekoppeld en door het ontwerp en het gebruik van contactors kwamen er geen twee stroomvoerende kabels uit elk van de bakken. Dit betekent dat de hoogste kortsluitspanning binnen de voorste accubak zou zijn geweest. Volgens mij is het niet waarschijnlijk dat een moduleaccukabel een geleidelijke kortsluiting tussen een module + en – zou veroorzaken. Misschien via de behuizing van de accubox, maar dat zou hebben geleid tot isolatiebewakingsfouten (die zich niet voordeden). Bovendien hadden de kabels allemaal hun originele isolatie, krimpkous met lijm en een extra huls. Een kortsluiting tussen twee draden van een accumodule naar het BMS is ook niet waarschijnlijk, omdat dan de zekering van het cel meet punt zou zijn gesprongen en er een onbeheerde cel zou zijn ontstaan. Als je verder inzoomt, kan het een (nieuwe) cel meet draad op de module zelf zijn. Maar ik verwacht dat de 0,34mm2 draad dan zelf als zekering zou werken en zou smelten/verdampen. Dan blijft er een externe kortsluiting over op 37p celgroep of op individuele cel niveau.

Toch kan ik er maar niet helemaal bij hoe dit er eigenlijk uit zou zien. Aan de positieve kant van de 18650 liggen de plus en min dicht bij elkaar omdat de buitenkant van de cel de min is. Misschien een koelvloeistof lek waarbij koelvloeistof tussen het plastic boven- en onderdeksel van een accumodule is gekomen en kortsluiting heeft veroorzaakt in celgroepen of cellen?

Dan zou de Evans toch te geleidend moeten zijn. Of is er misschien koelvloeistof in de cel terechtgekomen, waardoor de beschermende barrières in de cel zijn opgelost en er kortsluiting is ontstaan?

18650 Cell

Hoe geleidend is (Evans) koelvloeistof en wat is de invloed?

Zoals hierboven vermeldt, heeft Evans-koelvloeistof een geleidbaarheid van 0,7 mS/cm en gewone koelvloeistof van 3 tot 4 mS/cm. Geleidbaarheid is de inverse van weerstand(ρ). We kunnen de wet van Pouillet gebruiken om de weerstand (R) in Ohm te berekenen uit de resistiviteit en het oppervlak (m) en de lengte (m).

\[ R = \rho \frac{l}{A}\]

Als we aannemen dat er een druppel koelvloeistof van 1 x 1 x 2 mm bovenop een batterijcel ligt die + en – kortsluit, dan kunnen we de weerstanden berekenen. Met behulp van de wet van Ohm I = V / R kunnen we dan de stroom bij 4,05V berekenen. Uitgaande van het geleidingsvermogen van Evans zou dat 0,14 mA zijn en gewone koelvloeistof zou resulteren in een stroom van 0,6 mA. Niet iets om je direct zorgen over te maken als het gaat om warmteontwikkeling.

Een ander type externe kortsluiting kan zijn dat door de modificatie van de module de isolatiebarrières zijn veranderd. Of misschien werkten koelbuizen nu als geleider tussen twee celgroepen.

Helaas vond ik in de accubak alleen een grote zwarte puinhoop en lege accucellen. Helaas vond ik in de accubak alleen een grote zwarte puinhoop en lege accucellen.

In de accubak met verbrande Tesla   modules

Laten we dus naar de andere mogelijkheid gaan, de interne cel sluiting.

7. Hypothesis 2 : Interne cel kortsluiting

De interne kortsluiting is het lastigst. Er is niet veel dat je kunt doen om het te voorkomen en als het gebeurt, is de schade vaak ernstig. Een interne celkortsluiting kan zeer plotseling en zonder voorafgaande waarschuwing optreden. De cel ontlaadt zijn energie door de kortsluiting wat warmte veroorzaakt. Zodra dit voorbij het omslagpunt komt, hebben we gezien dat de temperatuur stijging snelheden van NCA extreem kunnen zijn en dus snel tot een volledige thermische runaway kunnen leiden.

Een van de vragen is dus: wat kan de oorzaak zijn van een interne kortsluiting?

Het RISE-rapport vermeldt dat dit het gevolg kan zijn van fabricagefouten, fysieke schade door dendrietgroei of mechanische vervorming. In mijn geval lijken fabricagefouten of mechanische vervorming niet waarschijnlijk omdat de cellen in een Tesla en in mijn auto zijn gebruikt en niet kort voor de brand zijn gecrasht. Laten we eens verder kijken naar dendrieten. Maar laten we eerst eens kijken naar batterijveroudering en -degradatie in het algemeen.

Batterijveroudering en capaciteitsverlies

Een lithium-ion cel bestaat onder andere uit een anode, kathode en elektrolyt die allemaal zorgvuldig zijn ontworpen en gefabriceerd. Maar hoe degraderen lithium batterijen?

In het Journal of Power Sources vond ik het artikel ‘Modeling of lithium plating induced aging of lithium-ion batteries: Transition from linear to nonlinear aging‘ waarin de auteurs concluderen:

Gedomineerd door de groei van de vaste elektrolyt interfase (SEI), vertoont het capaciteitsverlies van lithium-ion accu’s een kwadratische afhankelijkheid van de tijd bij opslag. Bij gebruik blijkt het capaciteitsverval lineair te zijn met de stroom aan het begin, wat duidt op SEI-gedomineerde veroudering. Na langdurig ontladen en opladen daalde de celcapaciteit echter abrupt en nam de celimpedantie sterk toe, wat erop wijst dat een ander mechanisme het verouderingsproces overnam.

Ook het artikel A closer look at how batteries fail van Paul Voelker vermeldt “Langdurige opslag van lithium-ion accu’s is een andere omstandigheid die resulteert in een toenemende toename van de dikte van de SEI-film (solid electrolyte interphase) en capaciteitsverlies.”

SEI-groei, wat zeg je?

Je hebt dus een bepaalde hoeveelheid ‘natuurlijke’ SEI-groei nodig, maar niet te veel. Maar wat is het en waar ‘groeit’ het? In een ander artikel in het Journal of Power Sources met de titel ‘Mechanistic understanding of Li dendrites growth by in- situ/operando imaging techniques‘ vond ik geweldige informatie over wat dit betekent.

De vaste elektrolytische interfase (SEI) die spontaan gevormd wordt op het grensvlak van lithium (Li) metaal en elektrolyt is mechanisch niet stabiel genoeg om de grote volumeveranderingen van de lithiumanode op te vangen tijdens herhaalde lithiumdepositie/oplossen, wat leidt tot de plaatselijke vorming van lithiumdendrieten en overmatig verbruik van vers lithium en elektrolyt. Bovendien kunnen de lithiumdendrieten met smalle wortels tijdens langdurige cycli gemakkelijk loskomen van het elektrisch geleidende afzettingssubstraat en elektrochemisch inactief (dood) lithium vormen. Onder extreme omstandigheden kunnen lithiumdendrieten interne kortsluiting maken tussen de elektroden en catastrofale verschijnselen en explosie van de cel veroorzaken.

SEI   groei en Li dendrieten
Schematische weergave van de belangrijkste uitdagingen van een Li metaalanode: (a) Kortsluiting geïnduceerd door Li dendrieten, (b) vorming van inactief (dood) Li, en (c) ontwikkeling van dikke en mechanisch instabiele SEI.

8. Is de capaciteit afgenomen of heb ik hem niet gebruikt?

Het verbruik in de laatste etappe was 156 Wh/km. Onze totale reis naar en in Zweden was 1678 km en we gebruikten 308 kWh, dus dat is 183 Wh/km. Dat komt goed overeen met wat ik verwachtte bij die gemiddelde snelheden. De langste etappe die we aflegden was 114 km op 18 kWh, dus dat was slechts 158 Wh/km. Qua voltages en ladingstoestand varieerde dat van gemiddeld 4,0V per cel (384V) en 95% SOC tot 3,6V per cel (346V op packniveau) en 46% SOC. Op dat moment zagen we onderspanningswaarschuwingen die werden geactiveerd als één cel(groep) onder de 3,4V kwam. Dus hoewel het verbruik precies overeenkwam met mijn schatting van 180 Wh/km, was de bruikbare capaciteit dat niet. Acht Tesla-modules van 5,3 kWh zouden ons een bruikbare capaciteit van ongeveer 40 kWh moeten geven en dus een bereik van meer dan 200 km. Ik laadde echter maar tot 4,05V per cel. De vraag is dus of de capaciteit niet wordt gebruikt of niet bruikbaar is.

Bruikbare en gebruikte capaciteit van een Tesla Model S batterijmodule

Hieronder zie je een grafiek van de ontlading van de Tesla Model S batterijmodule, gemaakt door Jack Rickard van EVTV.

Tesla Model S module ontlaadcurve
Bron: EVTV Motor Verks Tesla Model S Battery Module Charge and Discharge Curves op Youtube, 5 juni 2018.

Het is een interessante grafiek. Zoals je kunt zien gaat de grafiek aan de rechterkant vrij steil omlaag. Er zit slechts 8 Ah energie tussen 3,3V tot 3,0V per cel. Dus vanaf 3,3V per cel zal de spanning snel dalen en heeft het niet veel zin om zo laag te gaan.

Bij een start op 4,05V per cel zou er ongeveer 20 Ah ongebruikte capaciteit zijn. Per module is dat dus 0,6 kWh (in totaal 5,3 kWh). De bovenstaande grafiek gaat al uit van een bruikbare capaciteit van 4,88 kWh in plaats van de volledige 5,3 kWh waarvoor deze modules bekend staan.

Dus in mijn geval zou er bij een range van 4,05 naar 3,3V per cel een bruikbare capaciteit van 4,2 kWh per module moeten zijn, dus in totaal 33,7 kWh bruikbare energie.

Dit was ook wat het BMS aangaf bij volledig opladen.

Op basis van het werkelijke gemiddelde verbruik berekende mijn EV Peripherals controller een actieradius. Rekening houdend met enige marge.

Een bruikbare resterende energie van 34 kWh zou de 153 km actieradius opleveren bij gebruik van 222 Wh/km. Maar we gebruikten veel minder, gemiddeld 180 Wh/km, dus het zou meer moeten kunnen.

Usable capacity 34 kWh

In Nederland kwamen we er echter al snel achter dat dit zeker niet het geval was. Tijdens een testrit op 30 mei hebben we dit een paar keer ervaren. Het goede nieuws is dat het loggen toen nog werkte, zodat ik die gegevens kon analyseren en wat grafieken kan delen.

Al bij 39% SOC en 15 kWh resterende energie kregen we waarschuwingen voor lage celspanning, dus minstens één celgroep dook onder de 3,4V.

Onderspanningswaarschuwingen bij 36 procent SOC

Op de terugweg verwachtten we dat we de dijk Lelystad – Enkhuizen zouden kunnen oversteken, maar dat lukte niet, opnieuw vanwege waarschuwingen voor onderspanning. Dus door spanningsdaling onder belasting was het niet mogelijk om de laatste 10 of 12 kWh eruit te halen.

Nadat we bij een snellader waren afgezet, konden we opladen en onze reis voortzetten. Maar wederom, veel minder bruikbaar bereik door onderspanningswaarschuwingen. Zoals je in de afbeelding linksonder kunt zien, begon dat al rond de 3,6V per cel. Onder belasting was er een groot verschil in de hoeveelheid spanningsval tussen de cellen. De delta was tot 270 mV in dit voorbeeld.

Bij rust was de balans erg goed, maar onder belasting niet. Hierdoor was de bruikbare capaciteit niet 33,7 kWh maar rond de 20 kWh. Het lijkt er dus op dat sommige cellen moeite hadden om hun spanning op peil te houden onder belasting. Helaas heb ik niet bijgehouden welke string de laagste spanning aangaf.

Op dat moment besefte, wist en begreep ik niet wat ik nu weet. Misschien had het feit dat ik een veel lager bereik had, alarmbellen moeten doen rinkelen. De laatste indicatoren die ik wil bespreken zijn temperatuur en daarna interne weerstand.

9. Batterij temperatuur aka Rapidgating

Toen de sleepwagen ons bij een snellader afzette, hebben we twee laadbeurten van in totaal ongeveer 30 minuten gedaan bij 80 A en dus een C-rate van 0,67. Uit het logboek heb ik de volgende gegevens.

ParameterBegin van de sessieEinde sessieDelta
Temperatuur koelvloeistof batterij22 °C30 °C8 °C
Buitentemperatuur21 °C21 °C0 °C
Hoogste temperatuur in de batterij31 °C39 °C8 °C

We laadden 14 kWh en omdat het accupakket behoorlijk warm werd, besloten we eerst weer een stukje te gaan rijden. Met een buitentemperatuur van nu ongeveer 19 °C kwam de temperatuur van de accukoelvloeistof weer op 23 °C. De hoogste temperatuur van de accu bleef met 34 °C aan de hoge kant. We moesten nog een keer laden (weer met 80A, 0,67C) om thuis te komen, nu met de volgende gegevens.

ParameterBegin van de sessieEinde sessieDelta
Temperatuur koelvloeistof batterij23 °C28 °C5 °C
Buitentemperatuur19 °C20 °C1 °C
Hoogste temperatuur in de batterij34 °C36 °C4 °C

We hebben maar 6 kWh geladen omdat het BMS de stroom begon af te bouwen en we precies genoeg hadden om thuis te komen.

Dus wat kunnen we concluderen uit deze temperatuurgegevens? De temperatuur stijgt door warmteontwikkeling vanwege de interne weerstand. Laten we daar eens naar kijken.

10. Perspectief van interne weerstand

Helaas heb ik geen gegevens over de interne weerstand, maar wat interessant is om te bestuderen is de temperatuurstijging gezien de hoeveelheid energie die in de batterij is gegaan.

Tijdens het bouwen van de auto en het ontwerpen van het koel- en verwarmingssysteem heb ik wat berekeningen gedaan over de energie die nodig is om de temperatuur van het pack met één graad te laten stijgen en tijdens testbanktests bleken deze redelijk nauwkeurig te zijn.

Elektrisch Volvo Amazon koelsysteem

Voorlopig negeer ik de temperatuurstijging van de koelvloeistof en de energie die door de radiator wordt afgevoerd en gebruik ik alleen de stijging van 8 °C in de sessie van 30 minuten en de stijging van 4 °C in de sessie van 15 minuten.

Volgens mijn berekeningen moet de gemiddelde inwendige weerstand van de cellen ongeveer 45 mOhm zijn geweest. Wetende dat er wat warmte is afgevoerd,is dit in werkelijkheid meer. Dus hoeveel meer?

Uit berekeningen die ik eerder heb gedaan op basis van Newtons koelingswet en de temperaturen die hierboven worden getoond, blijkt dat de hoeveelheid warmte die via de radiator wordt afgevoerd ongeveer 1% is van de hoeveelheid warmte die nodig is voor de verhoogde temperaturen die ik zag. Dus ik denk dat we kunnen aannemen dat de orde van grootte van de 45 mOhm gemiddelde interne weerstand ongeveer OK is.

Hoewel ik oorspronkelijk verwachtte dat het rond de 34 mOhm zou zijn, klinkt die 45 mOhm niet alarmerend. In het bericht ‘Model X 100D Battery Internal DC Resistance‘ op teslamotorsclub.com meldt iemand 37 mOhm op celniveau.

Dus dat roept de vraag op, is de interne weerstand gezond?

De wet van Ohm als redding

Laten we de onderspanningswaarschuwingen eens wat nader bekijken. We kunnen de wet van Ohm gebruiken om te begrijpen wat er onder belasting gebeurt. De Wet van Ohm stelt dat de spanningsval over een weerstand (in dit geval de inwendige weerstand) gelijk is aan de stroom die er doorheen loopt vermenigvuldigd met de weerstand. Wiskundig kan het worden uitgedrukt als:

\[V_{drop} \times R_{internal}\]

Laten we dus de interne weerstand van de zwakste celgroep en de gezondste celgroep vergelijken.

 Celspanning minCelspanning max
Spanning zonder belasting3709 mV3728 mV
Spanning onder belasting3225 mV3498 mV
V_drop484 mV230 mV
Belastings stroom (pack)290 A290 A
Belastings stroom (per cel)7,8 A7,8 A
Interne weerstand62 mOhm29 mOhm

De bovenstaande tabel laat zien dat er een significant verschil is tussen de interne weerstanden binnen het pack.

En aangezien de totale schakel zo sterk is als de zwakste schakel, betekent dit dat deze onderspanningswaarschuwingen kunnen worden geactiveerd omdat één of enkele van de 96 strings van 37 cellen in parallel elk ondermaats presteren. Het zou zelfs zo kunnen zijn dat er binnen die 37 cellen die parallel staan echt zwakke en betere cellen zijn. Ik kan in de logs niet zien welke CMU of CMU’s de cel(groep) met de laagste spanning rapporteren. Ik heb ook geen loggegevens over hoe alle 96 stringspanningen zich gedroegen onder belasting, dus ik kan niet zeggen hoe wijdverspreid het probleem is.

Spanningsverzakking en    delta onder belasting

Een interessante vraag is nog steeds: waarom zijn er überhaupt zulke interne weerstandsverschillen? Je zou verwachten dat veroudering en degradatie als gevolg van opslag gelijk verdeeld zijn over de batterij modules. Misschien is er koelvloeistof op de module gemorst tijdens het uit elkaar halen van het Tesla pack? Of is er kortsluiting opgetreden tijdens de modificatie?

11. Samengevat ….

Er zijn nog steeds onzekerheden en veel daarvan zullen altijd blijven bestaan. Eén ding dat nog op mijn to do-lijst staat, is uitzoeken hoe een Tesla-cel (of misschien een algemene 18650 li-ion-cel) reageert op de waterloze koelvloeistof van Evans.

Op basis van alle informatie die ik heb verzameld en gedeeld in deze blogpost, ben ik geneigd te concluderen dat een externe kortsluiting niet de hoofdoorzaak is geweest van de brand in mijn elektrische auto en dat het dus hoogstwaarschijnlijk één zwakke cel is geweest die een thermal runaway heeft veroorzaakt.

Iets meer over waarom ik die conclusie trek.

De verbrande voorste accubak legen

12. Conclusie

Door alle veiligheidsmaatregelen die zijn genomen, zoals afschakeling in rust, op druk getest koelsysteem, niet-geleidende koelvloeistof, zekeringen, isolatiebewaking en een fatsoenlijk BMS waarin geen relevante fouten aanwezig waren, denk ik niet dat er een externe kortsluiting is opgetreden.

Dan blijft een interne celkortsluiting over als de meest waarschijnlijke oorzaak van de brand in mijn elektrische auto. Natuurlijk is dat het ‘makkelijke antwoord’, maar hier is waarom ik denk dat dit aannemelijk is.

  • De bruikbare capaciteit was veel lager dan verwacht door gezien de onderspanningswaarschuwingen, dus er was een degradatie
  • Cellen zijn lang opgeslagen geweest voordat ik ze weer ging gebruiken en uit de literatuur blijkt dat cellen sneller degraderen als ze worden opgeslagen.
  • De inwendige weerstand van ten minste één cel(groep) was twee keer zo hoog vergeleken met de gezondste cel(groep)
  • De hogere interne weerstand van die cel(groep) maakt het nog erger omdat het extra lokale warmte veroorzaakt waardoor die groep nog sneller/verder degradeert.
  • Een hogere interne weerstand kan een indicator zijn voor de groei van de vaste elektrolyt interfase (SEI) en de vorming van dendrieten.
  • Dendrieten kunnen interne cel kortsluitingen veroorzaken
  • Een interne celkortsluiting kan zeer plotseling en zonder voorafgaande waarschuwing optreden

Als er iets is dat je wilt opmerken, toevoegen of anders ziet, laat het me dan weten en neem contact met me op of plaats een reactie hieronder.

13. Epiloog: Geleerde lessen en preventie

De laatste vraag is misschien: zou het met de kennis en informatie die ik nu heb mogelijk zijn geweest om de brand te voorkomen? Heb ik dingen gemist? En ook interessant om te delen waar ik tevreden op terugkijk.

Preventie?

Alles bij elkaar opgeteld lijkt het erop dat hitte en een hogere SOC (kunnen) leiden tot meer stress in een cel. Dus als er sprake is van inwendige schade, verslechtering of de genoemde dendrieten is de kans groter dat dit kan leiden tot problemen bij een hogere laadtoestand en/of temperatuur. In mijn geval was 100% SOC nog steeds maar op 4,05V, maar zelfs dit had stressvol kunnen zijn gezien de toestand van de zwakste cel(len).

Test vóór inbedrijfstelling

Dat gezegd hebbende, was het misschien een goed idee geweest om een vóór inbedrijfstelling test te doen. Dit had bijvoorbeeld kunnen zijn:

  • Breng de module naar een veilige omgeving
  • Opladen tot 4,15 of zelfs 4,17V
  • Houd de module in de loop van de tijd in de gaten
  • Wees voorbereid om actie te ondernemen als een cel opwarmt.
  • Als er de eerste paar uur niets gebeurt, laat het dan nog een tijdje in de veilige omgeving
  • Breng wat warmte in de module, bijvoorbeeld door deze met een belasting af te ontladen
  • Monitor in de loop van de tijd
  • Als alles goed is, ontladen tot ongeveer 60%
  • Herhaal dit voor alle modules

Als de theorie van “stress bij hogere SOC” correct is, is het waarschijnlijk dat eventuele interne defecten al aan het licht zijn gekomen. Het gaat er echter om de kans te vergroten om problemen in een vroeg stadium te ontdekken. Maar is het ook mogelijk om (potentiële) problemen tijdens het gebruik te signaleren?

Blinde vlekken tijdens het gebruik?

Er zijn twee gebeurtenissen die me zijn opgevallen, maar die niet de alarmbellen hebben doen rinkelen om verder onderzoek te doen en actie te ondernemen:

  1. Veel lagere bruikbare capaciteit als indicator dat er slechte cellen in het pakket zaten
  2. Plotselinge toename in celspanning delta de avond voor de brand

Maar het blijft moeilijk te zeggen of dit de brand had kunnen voorkomen. Misschien als ik had gevonden welke cel(groep) slecht was en ik deze had vervangen? Dit is in de veronderstelling dat de slechte groep inderdaad in de voorste accubak zat en de brand veroorzaakte.

En misschien als ik de auto de avond voor de brand weer had aangezet en de koelpomp had laten draaien, had de hitte van de interne kortsluiting die misschien aan het ontstaan was, kunnen worden afgevoerd om de thermal runaway te voorkomen (hoewel dat niet waarschijnlijk is gezien de aard van NCA).

Succesfactoren

Vanaf het begin wist ik dat Tesla batterij modules relatief gevaarlijk zijn en ik heb ze altijd met respect en voorzichtigheid behandeld. Omdat ik zoveel mogelijk tijd wilde hebben voor het geval er een accubrand zou ontstaan na een auto-ongeluk, wilde ik zwaar uitgevoerde batterijen bakken bouwen.

Zowel de voorste als de achterste accubak zijn gemaakt van 2 mm RVS. Hoewel het moeilijker te bewerken en te lassen is in vergelijking met aluminium of staal, is het qua smelttemperatuur superieur.

Ik heb plastic ontluchtingsventielen uit een Tesla model S accupakket toegevoegd, evenals een drukventiel. Je kunt de ontluchtingskleppen op de foto rechts helemaal aan voorkant van de bak aan de rechter- en linkerkant zien.

Daar konden de vlammen en hitte weg. Misschien was naar de grond gericht nog beter geweest.

Maar het feit dat de batterijenbak erg stevig was, volledig was afgesloten en aan de voorkant kon ventileren, is waarschijnlijk de reden dat er nu een auto is om te herbouwen.

Zware RVS batterijenbakken
Voorste accubak gesloopt

De voorste accubak hield het vuur goed binnen. Alle drie de Tesla batterij modules brandden op tot er binnenin niets meer te verbranden viel. Hulde aan de brandweermannen die de buitenkant van de batterijenbak hebben gekoeld, anders was de impact waarschijnlijk groter geweest. Hoewel ik voorbereid was dat de auto tot de grond toe afbrandde toen de brand begon, ben ik blij dat dat niet het geval was. Zelfs de voorbanden hadden (en hebben) nog lucht.

Voor mijn herbouw zal ik zeker geen Tesla batterij modules gebruiken. Tegenwoordig zijn er genoeg andere opties die me een hoogspanning opstelling van 96s geven tegen een zeer redelijk volume, gewicht, energiedichtheid, kwaliteit en beschikbaarheid. De grootste uitdaging is om tijd en middelen te vinden. De auto is gestraald met droogijs en staat weer binnen te wachten.


Doneer en steun mijn wederopbouw

Het bleek dat het Whydonate platform dat ik gebruik (tijdelijk?) geen (internationale) Paypal betalingen faciliteert.
Dus als je niet kunt doneren via het formulier in de zijbalk en me wilt steunen, gebruik dan mijn persoonlijke Paypal.me pagina of mijn Paypal account lars@rengersen.nl.


14. Dankwoord

Er zijn veel mensen met wie ik de afgelopen twee jaar heb gepraat en van gedachten heb gewisseld die hebben bijgedragen aan de inzichten die ik nu heb en waardoor ik dit verhaal heb kunnen samenstellen. Als je naam niet op de onderstaande lijst staat en we elkaar wel hebben gesproken, sorry daarvoor en bedankt!

Maar ik wil Joost, Steven, Martijn, Perttu, Roeland, Ruben, Mischa, Minos, Daniel, Jurry en de auteurs van de blogposts, rapporten en papers die ik heb gebruikt expliciet noemen en bedanken. Dank aan mijn familie, Saskia, Sven en Jiri voor hun steun en tijd voor mij om dit te doen. En dank aan iedereen die me in 2021 steunde toen het net was gebeurd!

Als er nieuws is over de tests die ik nog wil doen, zal ik deze blogpost bijwerken. Maar vanaf nu zal ik me richten op de herbouw, stay tuned!

15. Aanvulling: belangrijke nieuwe inzichten op basis van feedback

Allereerst hartelijk dank voor alle reacties en feedback op dit bericht. Er is één reactie die bijzonder waardevol was. Ik kon een gebeurtenis koppelen die ik nog niet eerder had gekoppeld.

Iemand deelde zijn verhaal waarin hij per ongeluk kortsluiting veroorzaakte met twee LiFePO4 cellen bij het samenstellen van zijn pack. Hij kon de kortsluiting verhelpen voordat het uit de hand liep. Hij vermeldde dat hij later wel hogere interne weerstanden en meer warmteontwikkeling zag voor die cellen en dat dit de ‘zwakkere cellen’ bleven.

Het is te lang geleden dat de modificatie op mijn Tesla modules is uitgevoerd en er is niets meer over om te bestuderen en te onderzoeken, maar ik ben geneigd te geloven dat er misschien een vergelijkbare situatie is opgetreden toen de cel tap bouten werden toegevoegd. Er werd een verkeerde verbinding gemaakt en het tapeind lasapparaat raakte beschadigd. Dit kan een soortgelijke kortsluiting zijn geweest die interne schade aan cellen heeft veroorzaakt. Het is een beetje vergezocht, omdat ik er niet bij was en niet genoeg details heb om verder te gaan dan gefundeerd gissen. Maar het kan een verklaring zijn voor de verschillen in interne weerstand in mijn geval.

Een ander verhaal dat me bereikte was ook interessant. Eén EIG-cel in een op maat gebouwd pakket was ontladen tot 2V (dus onder het minimum van 2,5V). Hij werd hersteld door die cel langzaam op te laden. Alles leek goed te werken. Twee jaar later vloog die cel echter in brand. In dat geval gelukkig geïsoleerd en ingeperkt, zodat de auto zelfs nog kon rijden.

De twee bovenstaande verhalen geven aan dat gebeurtenissen die onschuldig lijken of ogenschijnlijk goed te zijn afgelopen, een impact kunnen hebben op langere termijn.

De belangrijkste inzicht voor mij is dat het waarschijnlijk is dat de oorzaak van de brand in mijn elektrische auto minder ‘willekeurig’ was dan ik tot nu toe aannam.

2 gedachten over “Wat veroorzaakte de brand in onze elektrische auto?”

  1. wanneer er een kortsluiting ontstaat in tesla accu cel, zou deze gezekerd moeten zijn toch ? met die draadjes die boven op de batterijen zitten ?

    Beantwoorden
    • Deze is gezekerd ten opzichte van de andere (parallelle) cellen in de module.
      Als er binnenin een enkele cel sluiting ontstaat, dan heeft dat draadje daar geen invloed op.

      Beantwoorden

Plaats een reactie

OudeVolvo

OudeVolvo is een klassieke Volvo hobby blog van Lars Rengersen.

Ook elektrisch?

Wil je jouw auto (Volvo of een ander merk) ook ombouwen naar volledig elektrische aandrijving? Als spin-off van mijn eigen EV conversie project ben ik EVcreate begonnen voor 'Hulp bij ombouw naar elektrisch'

Zie www.evcreate.nl

EVcreate