Beschikbare capaciteit in een 90 kWh batterij van Tesla

[JC]

Vandaag heb ik een test uitgevoerd om de bruikbare energie in een 90 kWh pack van Tesla te bepalen bij een Model X. Bij alle elektrische auto's is de beschikbare energie lager dan de energie die in het pack kan gestopt worden. Hiervoor zijn een aantal redenen. Zowel aan de bovenkant als aan de onderkant zal de fabrikant wat reservecapaciteit overhouden. Zowel volledig opladen als volledig ontladen is niet aangewezen bij een Lithium-ion batterij dus worden er buffers voorzien. Zeker bij nieuwe packs van Tesla is er aan de onderkant nog een stukje dat je kan gebruiken. De wagen geeft dan wel 0% aan maar blijft wel rijden. Ik zou er alvast niet op rekenen, maar het kan meestal wel.

Enkele getallen:

- 81 kWh bruikbare energie in het 90 kWh pack
- 83 kWh wordt in het pack geladen
- 0,5% degradatie na 17500 km

Om de batterij volledig op te laden heb ik 83 kWh gebruikt. Er zal wellicht meer energie in het pack aanwezig zijn, nl. de onderste buffer. Tijdens het rijden is er door de wagen effectief 81 kWh verbruikt. Het verschil, nl. 2 kWh, is verloren gegaan in de batterij door o.a. warmte. Het laden/ontladen is nl. niet 100% efficiënt. In deze test komt de efficiëntie uit op 97,5%. Bij hoge snelheden zal deze efficiëntie afnemen, hoe groter de stroom is die je uit de batterij trekt hoe lager de efficiëntie. Voor deze test werd veel op de autosnelweg gereden, maar gezien de zeer hoge efficiëntie die bereikt werd heeft het weinig zin om hier in België rekening mee te houden. In Duitsland bij zeer hoge snelheden zal deze factor belangrijker worden of ook bij het rijden in de bergen met veel lading en/of aanhangwagen.
Voor deze test heb ik een rustige rijstijl aangenomen, gemiddeld 100 km/u op de snelweg en 70 km/u op de secundaire wegen. Onder deze omstandigheden haalde ik ongeveer het 'rated' verbruik (206 Wh/km) waardoor het bereik net geen 400 km zal zijn. Bij 120 km/u op de snelweg en een sportievere rijstijl weet ik dat het verbruik onder dezelfde weersomstandigheden ongeveer 230 Wh/km zal bedragen, wat dan weer resulteert in een bereik van 350 km.

[Michel]

Naargelang rijstijl en omstandigheden komt daar onderweg tussendoor ook nog wat recuperatieve kWh bij, die natuurlijk ook weer verbruikt worden.

De site Electrek had van de bruikbare kWh ongeveer hetzelfde cijfer, via het softwaremanagement:

https://electrek.co/2016/12/14/tesla-battery-capacity/

Now the data is directly from Tesla’s software and not a calculation based on the capacity of cells from a tear down of a pack. He gathered similar data from other Tesla models. Here’s a list he sent to Electrek:

Original 60 – ~61 kWh total capacity, ~58.5 kWh usable.
85/P85/85D/P85D – ~81.5 kWh total capacity, ~77.5 kWh usable
90D/P90D – ~85.8 kWh total capacity, 81.8 kWh usable
Original 70 – ~71.2 kWh total capacity, 68.8 kWh usable
75/75D – 75 kWh total capacity, 72.6 kWh usable
Software limited 60/60D – 62.4 kWh usable
Software limited 70/70D – 65.9 kWh usable

Though the most interesting fact to come out of the teardown is undoubtedly that even though Tesla usually rounds up the capacity of its packs, the “100 kWh” is the exception. Hughes says that the BMS indicates 98.4 kWh of usable capacity plus a 4 kWh buffer for a total of 102.4 kWh.
https://electrek.co/2017/01/24/tesla-teardown-100-kwh-battery-pack/

As you can see, sometimes the rounding is actually in Tesla’s disadvantage on total capacity, but it’s never the case for usable capacity.

The buffers are there to optimize the range calculations and again, this ’rounding’ doesn’t affect the advertised range, which most car buyers prefer to work with when taking a decision anyway, but for those who like to know the battery capacity of a vehicle, it can be considered misleading.

Het verschil tussen total capacity en usable kan enkel maar de bricking protection zijn die ca. 4 - 4,5% bedraagt, bij de "85" was dat 3,9 kWh.

De accupacks die het kortste bij hun modelcijfer liggen zijn in volgorde:
1. S en X (P)100D  met 98.4 kWh usable, slechts 1,6 % minder, dit pack heeft een ander design en koelmanagement als de overige. Dit pack heeft zelfs bruto 102,4 kWh.
2. original S 70 met 68.8 kWh usable, 1,71 % minder, vandaag niet meer gemaakt.
3. original S 60 met 58,5 kWh usable, 2,5 % minder, vandaag niet meer gemaakt.

4. 75/75D met 72,6 kWh usable, 3,2 % minder.

5. 85/P85/85D/P85D met 77,5 kWh usable zelfs 8,2 % minder, vandaag niet meer gemaakt.
6. 90D/P90D met 81,8 kWh usable zelfs 9,1 % minder, vandaag niet meer gemaakt.

Bij de Tesla S "model 85" kwam dit prentje waar de bricking protection 3,9 kWh bedroeg:

Iemand een idee waar men dat prentje origineel vandaan haalde?
Ik neem aan dat de zero mile protection het bereik is waar de software de batterijstroom gaat beperken, 5,1 kWh is dus quasi de reserve (+red warning) waarmee men nog ~25-30 km zou kunnen halen.

 - - - - - - - -

De grote Tesla S en X worden vandaag enkel nog Dual drive gemaakt dus 75D en 100D en P100D.
Data van productietijd vind men ook hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Model_S#Specifications

Ondertussen is het model 3 long range ook op de markt en men plakt er dus geen modelcijfer meer op. Musk tweette
 zoiets van " about of ongeveer 75 kWh bruikbaar? ".
De long range verbruikte 16,78 kWh/100 km in de EPA-normtesten mixed (27 kwh/100 miles), en 499 km(310 mi) EPA-rijbereik. Uit die cijfers laat zich al het totale kWh onderweg -incl recuperatief- eruit berekenen:
16,78 * 4,99 = 83,73 kWh totaal actief beschikbaar, daar zit dus een % recuperatief kWh bij.
Trekt men daar bvb 8% gerecupereerde kWh vanaf zit men nog altijd aan 77 kWh.
Al deze cijfers varieren ook nog eens met de buitentemperatuur of de temperatuur van het pack.
(er is al een beeld opgedoken waar de display van een model 3 volgeladen 314 mi= 505 km weergaf: https://twitter.com/Jason/status/906543130698059776/photo/1 )

Het basismodel komt later dit jaar, als de normale leveringen komen, batterijpack? (wslk 56-58 kWh bruto)
Maar men heeft daar wel EPA-documenten van mogen inkijken,
bron: https://insideevs.com/tesla-model-3-gets-80-5-kwh-battery-258-hp/
pdf: https://www3.epa.gov/otaq/datafiles/CSI-HTSLV00.0L13.PDF :
- Batterijpack long range zou passief 80,5 kWh brutto hebben (230 Ah*350V = 80,5 kWh)
Onder EV Test info:
- Recharge Event Energy zou 89,404 kWh bedragen, staat wel niet bij waarmee opgeladen.
- Charge Depleting Range of Equivalent Electric Range staat 454,64 miles, geen idee wat dat inhoudt... afgelegde testkms neem ik aan.

[JC]

Misschien toch even wat meer details over bruikbare energie en hoe dit te meten!

Bij een wagen op fossiele brandstof werk je met een brandstofmeter waardoor je de resterende hoeveelheid brandstof kan inschatten. Meestal is het een analoge meter die aangeeft welke fractie nog resteerd in de tank. Met wat interpolatie kan je zo het percentage afleiden van de brandstof die in je tank zit. Bij een aantal wagens is er geen analoge meter maar een aantal blokjes waardoor je bv. bij 10 blokjes, de resterende hoeveelheid brandstof kan schatten met een fout van 10%.
Ook ICE-wagens hebben meestal de mogekijkheid om het resterende bereik weer te geven. Dit bereik wordt dan meestal bepaalt aan de hand van het gemiddelde verbruik over de laatste kilometers (bij BMW is dit bijvoorbeeld het gemiddelde over de laatste 50 km). Het spreekt voor zich dat dit soms tot gekke resultaten kan leiden.

Bij een elektrische wagen is het inschatten van de resterende hoeveelheid energie een pak lastiger. De eenvoudigste methode is de spanning over de batterij te meten (of over een module) en hieruit de laadtoestand te berekenen. Elke batterij heeft een laadcurve die de spanning weergeeft in functie van de laadtoestand. Een volle batterij zal hierbij een hogere spanning leveren dan een lege. Deze curve is echter niet lineair. Bij de Lion batterijen in een GSM wordt deze methode gebruikt. Na een snelle spanningsval bij het ontladen zal de batterij vrijwel lineair spanning verliezen als deze ontlaad. De laatste procenten geven dan weer een sterkere spanningsval. Bij de LiFePO4 batterijen die in de meeste auto's worden gebruikt ligt het moeilijker. Hier ook is er aan beide uiteinden van de grafiek een felle daling van de spanning. In het midden van de ontlaadgrafiek is de curve echter bijna vlak. Het inschatten van de laadtoestand van de batterij op basis van spanning wordt dan ook problematisch.

Een Tesla gaat daar op de volgende manier mee om. De auto meet hoeveel energie wordt geladen en hoeveel er wordt verbruikt. Door deze twee te vergelijken kan het BMS (batterij management systeem) uitrekenen hoeveel energie er nog over is. Omwille van de levensduur van de batterij gaan de meeste Tesla-rijders de laadtoestand van de wagen houden in dit middengebied (tussen de 20 en de 80%). Het spreekt voor zich dat er op deze manier fouten worden gemaakt en dat deze fouten kunnen opstapelen. Hierdoor is het aangewezen om nu en dan toch tot 100% te laden zodat het BMS een nieuwe referentiewaarde heeft. Het ontladen van de modules in de batterij is bovendien niet exact hetzelfde waardoor de verschillende modules of zelfs de batterijen in de modules na een tijdje een andere laadtoestand krijgen. Het batterijpack is hierdoor niet meer 'gebalanceerd'. Laden tot 100% zal het batterijpack terug balanceren. Blijkbaar leidt veelvuldig superchargen sneller tot een ongebalanceerde batterij. Na een lange rit met veel superchargen kan het nuttig zijn om de batterij (traag) tot 100% te laden.

Een Tesla kan je op drie manieren de resterende energie presenteren: in typische km, in 'rated' km en in percentage. Blijkbaar zijn er twee soorten chauffeurs, er zijn er die op beschikbare km rijden waarbij meestal de typical range wordt gebruikt, een andere groep chauffeurs rijdt op percentage energie beschikbaar. De beschikbare kilometers geven maar een indicatie en zijn uitgerekend op basis van een verbruik (Wh/km). Ervaren chauffeurs weten welke correctie ze moeten uitvoeren op dit bereik in functie van weersomstandigheden, hoogteverschil, gereden snelheid. De andere groep rijdt op percentage en kent een aantal factoren die een inschatting van het bereik mogelijk maken.
Ik behoor tot de laatste categorie. Hierbij de factoren die ik gebruik, dus de factor waarmee ik het percentage vermenigvuldig om het bereik in km te bekomen.

- 4: rustig rijden bij normale temperaturen met meestal 70 km/u wegen (komt overeen met ongeveer 200 Wh/km)
- 3,5: rustig rijden, normale mix, snelweg aan 120 km/u, normale temperaturen (230 Wh/km)
- 3: kouder weer of pittige rijstijl (265 Wh/km)
- 2,5: typisch Deutsche Autobahn overdag (320 Wh/km)
- 2: vlammen met pieken tot (ver) boven 200 km/u

Als ik naar mijn verbruik over het laatste half jaar kijk zou dus factor ongeveer 3,25 moeten zijn. Mijn vrouw rijdt echter regelmatig zeer korte afstanden, zeker in koudere omstandigheden is dit nefast voor het verbruik (opwarmen batterij en interieur).

In principe is er nog een 4e manier om het resterende bereik in te schatten en dat is gebruik makende van het navigatiesysteem. Het Tesla-navigatiesysteem is berucht om zijn eigenaardige manier van routeplannen, er is daar zeker nog ruimte voor verbetering. Er is echter één ding dat het systeem wel goed kan en dat is rekening houden met snelheden, hoogteverschillen en weersomstandigheden. Je kan op de centrale console een grafiek weergeven waar de ontlading van de batterij in functie van de afstand wordt weergegeven. Als in op de route een bergpas gepasseerd moet worden zal dat zichtbaar zijn in een snellere ontlading. Bij het afdalen is het mogelijk dat deze berekende curve ook terug omhoog gaat. Tijdens het rijden zie je de initiëel berekende curve en de werkelijke curve. Zo weet je al vrij snel of je met het gehanteerde rijgedrag er zal geraken of niet . Verbruik je meer energie dan gepland dan zal het navigatiesysteem je hiervan verwittigen. Je zal zien dat je met een negatieve laadtoestand op je bestemming zal aankomen. Hiervoor zal het navigatiesysteem je ook al vragen om te vertragen, er zal een max. snelheid aangegeven worden die je nog kan rijden om tot op je bestemming te geraken. Het navigatiestysteem neemt hier een grote veiligheidsmarge. Mits de nodige ervaring kan je deze veiligheidsmarge een stuk verkleinen.
M.a.w. als je wil rijden zonder je iets van het technische aan te trekken en te zitten rekenen, gebruik dan het navigatiesysteem. De kans dat je zonder energie zal vallen is zeer klein tot onbestaande. Als je toch wat wil rekenen kan je je ritten optimaliseren en een hogere reissnelheid halen.