Batteri för elfordon

Interna komponenterRedigera

Batteripaketens utformning för elfordon är komplex och varierar kraftigt beroende på tillverkare och specifik tillämpning. De innehåller dock alla en kombination av flera enkla mekaniska och elektriska komponentsystem som utför paketets grundläggande funktioner.

De egentliga battericellerna kan ha olika kemi, fysiska former och storlekar, vilket föredras av olika tillverkare av paketen. Batteripaket innehåller alltid många diskreta celler som är kopplade i serie och parallellt för att uppnå de totala spännings- och strömkraven för paketet. Batteripaket för alla elfordon med elektrisk drivning kan innehålla flera hundra enskilda celler. Varje cell har en nominell spänning på 3-4 volt, beroende på dess kemiska sammansättning.

För att underlätta tillverkning och montering grupperas den stora stapeln av celler vanligtvis i mindre staplar som kallas moduler. Flera av dessa moduler placeras i en enda förpackning. Inom varje modul svetsas cellerna samman för att slutföra den elektriska vägen för strömflödet. Moduler kan också innehålla kylmekanismer, temperaturövervakare och andra anordningar. I de flesta fall gör modulerna det också möjligt att övervaka den spänning som produceras av varje battericell i stapeln med hjälp av ett batterihanteringssystem (BMS).

Battericellstapeln har en huvudsäkring som begränsar packets ström vid kortslutning. En ”serviceplugg” eller ”servicekoppling” kan tas bort för att dela upp batteristacken i två elektriskt isolerade halvor. När servicepluggen är borttagen utgör batteriets exponerade huvudpoler ingen hög potentiell elektrisk fara för servicetekniker.

Batteripaketet innehåller också reläer eller kontaktorer som styr fördelningen av batteripaketets elektriska ström till utgångsterminalerna. I de flesta fall finns det minst två huvudreläer som ansluter battericellstapeln till batteripaketets huvudsakliga positiva och negativa utgångsterminaler, som sedan levererar hög ström till den elektriska drivmotorn. Vissa paketkonstruktioner innehåller alternativa strömvägar för förladdning av drivsystemet genom ett förladdningsmotstånd eller för att driva en extra buss som också har sina egna tillhörande styrreläer. Av säkerhetsskäl är alla dessa reläer normalt öppna.

Batteripaketet innehåller också en rad olika temperatur-, spännings- och strömsensorer. Insamling av data från batterisensorerna och aktivering av batterireläsen utförs av batteriövervakningsenheten (BMU) eller batterihanteringssystemet (BMS). BMS ansvarar också för kommunikationen med fordonet utanför batteripaketet.

UppladdningRedigera

Batterier i BEV:er måste regelbundet laddas upp. BEV:er laddas oftast från elnätet (hemma eller med hjälp av en laddningsstation på gatan eller i en affär), som i sin tur genereras från en mängd olika inhemska resurser, t.ex. kol, vattenkraft, kärnkraft, naturgas och andra. Kraft från hemmet eller elnätet, t.ex. solcellspaneler, vindkraft eller mikrokraftverk, kan också användas och främjas på grund av oron för den globala uppvärmningen.

Med lämplig strömförsörjning uppnås vanligtvis en god batterilivslängd vid en laddningshastighet som inte överstiger halva batterikapaciteten per timme (”0.5C”), vilket innebär att det tar två eller fler timmar för en full laddning, men det finns snabbare laddning även för batterier med stor kapacitet.

Laddningstiden i hemmet begränsas av kapaciteten hos hushållets eluttag, såvida inte specialiserade elektriska ledningsarbeten utförs. I USA, Kanada, Japan och andra länder med 110 volts elektricitet levererar ett normalt hushållsuttag 1,5 kilowatt. I europeiska länder med 230 volts elektricitet kan mellan 7 och 14 kilowatt levereras (enfas och trefas 230 V/400 V (400 V mellan faserna), respektive). I Europa blir en nätanslutning på 400 V (trefas 230 V) alltmer populär eftersom nyare hus inte har naturgasanslutning på grund av EU:s säkerhetsföreskrifter.

LaddningstidRedigera

Elektrobilar som Tesla Model S, Renault Zoe, BMW i3 etc. kan ladda sina batterier till 80 procent vid snabbladdningsstationer inom 30 minuter. Till exempel gick en Tesla Model 3 Long Range som laddas på en 250 kW Tesla Version 3 Supercharger från 2 % laddningstillstånd med 9,7 km räckvidd till 80 % laddningstillstånd med 390 km räckvidd på 27 minuter, vilket motsvarar 840 km i timmen.

AnslutningarRedigera

Laddströmmen kan anslutas till bilen på två sätt. Det första är en direkt elektrisk anslutning som kallas konduktiv koppling. Detta kan vara så enkelt som en nätanslutning till ett väderbeständigt uttag genom särskilda kablar med hög kapacitet och kontakter som skyddar användaren mot högspänning. Den moderna standarden för laddning av plug-in-fordon är den konduktiva kopplingen SAE 1772 (IEC 62196 typ 1) i USA. ACEA har valt VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 typ 2) för användning i Europa, som utan lås innebär onödiga extra strömkrav för låsmekanismen.

Det andra tillvägagångssättet kallas induktiv laddning. En särskild ”paddel” sätts in i ett spår på bilen. Paddeln är den ena lindningen i en transformator, medan den andra är inbyggd i bilen. När paddeln sätts in slutar den en magnetkrets som ger ström till batteripaketet. I ett induktivt laddningssystem är den ena lindningen fäst på bilens undersida och den andra ligger på golvet i garaget. Fördelen med det induktiva tillvägagångssättet är att det inte finns någon risk för elstötar eftersom det inte finns några exponerade ledare, även om interlock, speciella kontakter och jordfelsdetektorer kan göra konduktiv koppling nästan lika säker. Induktiv laddning kan också minska fordonets vikt genom att mer laddningskomponenter flyttas utanför fordonet. En förespråkare för induktiv laddning från Toyota hävdade 1998 att de totala kostnadsskillnaderna var minimala, medan en förespråkare för konduktiv laddning från Ford hävdade att konduktiv laddning var mer kostnadseffektiv.

LaddningsplatserEdit

I april 2020 fanns det 93 439 platser och 178 381 laddningsstationer för elfordon i världen.

Räckvidd före laddningEdit

Räckvidden för en BEV beror på antalet och typen av batterier som används. Vikt och typ av fordon samt terräng, väder och förarens prestationer har också en inverkan, precis som de har på körsträckan för traditionella fordon. Elektriska fordons konverteringsprestanda beror på ett antal faktorer, bland annat batterikemin:

• Bledsyrabatterier är de mest tillgängliga och billiga. Sådana konverteringar har i allmänhet en räckvidd på 30 till 80 km (20 till 50 mi). Produktionsfordon med bly-syrabatterier har en räckvidd på upp till 130 km per laddning.
• NiMH-batterier har högre specifik energi än bly-syrabatterier. Prototyper av elektroniska fordon har en räckvidd på upp till 200 km.
• Nya elektroniska fordon utrustade med litiumjonbatterier har en räckvidd på 320-480 km per laddning. Litium är också billigare än nickel.
• Nickel-zink-batterier är billigare och lättare än nickel-kadmiumbatterier. De är också billigare än (men inte lika lätta som) litiumjonbatterier.

Det inre motståndet i vissa batterier kan öka avsevärt vid låg temperatur, vilket kan leda till en märkbar minskning av fordonets räckvidd och batteriets livslängd.

Att hitta den ekonomiska balansen mellan räckvidd kontra prestanda, batterikapacitet kontra vikt och batterityp kontra kostnad är en utmaning för varje tillverkare av elfordon.

Med ett växelströmsystem eller ett avancerat likströmsystem kan regenerativ bromsning förlänga räckvidden med upp till 50 % under extrema trafikförhållanden utan att man stannar helt. Annars förlängs räckvidden med 10-15 % vid stadskörning och endast obetydligt vid landsvägskörning, beroende på terräng.

BEV:er (inklusive bussar och lastbilar) kan också använda släpvagnar med generatoraggregat och skjutvagnar för att förlänga räckvidden när så önskas, utan att det innebär en extra vikt vid normal användning med kort räckvidd. Uttömda korgvagnar kan bytas ut mot laddade under resan. Om de hyrs kan underhållskostnaderna skjutas upp på byrån.

En del BEV:er kan bli hybridfordon beroende på släpvagnens och bilens energi- och drivlinjetyp.

TrailersEdit

Hjälpbatterikapacitet som transporteras i släpvagnar kan öka fordonets totala räckvidd, men ökar också effektförlusten som uppstår på grund av luftmotstånd, ökar viktförflyttningseffekterna och minskar dragförmågan.

Byte och borttagningEdit

Ett alternativ till uppladdning är att byta ut tömda eller nästan tömda batterier (eller batteriutvidgningsmoduler) mot fulladdade batterier. Detta kallas batteribyte och sker i bytesstationer.

Det som kännetecknar bytesstationer är bland annat:

1. Konsumenten behöver inte längre bekymra sig om batteriernas kapitalkostnad, livscykel, teknik, underhåll eller garantifrågor;
2. Byte är mycket snabbare än laddning: batteribyteutrustningen som byggts av företaget Better Place har visat att det går att göra automatiska byten på mindre än 60 sekunder;
3. Bytesstationer ökar möjligheten till distribuerad energilagring via elnätet;

Oroblematiska frågor om bytesstationer är bland annat följande:

1. Potential för bedrägeri (batterikvaliteten kan endast mätas under en fullständig urladdningscykel; batteriets livslängd kan endast mätas under upprepade urladdningscykler; de som deltar i bytesaffären kan inte veta om de får ett slitet eller mindre effektivt batteri; Batterikvaliteten försämras långsamt med tiden, så slitna batterier kommer gradvis att tvingas in i systemet)
2. Företagens ovilja att standardisera batteritillgång/genomförandedetaljer
4. Säkerhetsaspekter

NypåfyllningRedigera

Zink-bromine flow-batterier kan fyllas på med hjälp av vätska, i stället för att laddas upp med kontakter, vilket sparar tid.

Livscykel för elbilsbatterierEdit

Nedbrytning av uttjänta elbilsbatterierEdit

Elektrobilsbatterier som är uttjänta (med minskad effektkapacitet och som inte längre lämpar sig för att driva elbilar) kan återanvändas för andra livscykeltillämpningar, t.ex. för att användas i elbilsaggregat för elbussar, reservkraft för stora byggnader, energilagring i hemmet, stabilisering av försörjningen för sol- och vindkraftsgeneratorer, reservkraft för telekommunikationsbasstationer och datacenter, drivning av gaffeltruckar, elektriska skotrar och cyklar osv. Återanvändning av bilbatterier i andra livstillämpningar kräver särskild expertis inom omvänd logistik. Alexander Kupfer, ansvarig för hållbar produktutveckling/cirkulär ekonomi på Audi, säger att ”ett gemensamt anslutningsgränssnitt genom vilket dessa bilbatterier kan styras av ett stationärt lagringshanteringssystem” skulle behöva utvecklas. Ett sådant gränssnitt skulle tillhandahålla en mekanism för kommunikation med lagringssystemet oberoende av batteritillverkaren. Gränssnittet skulle behöva utvecklas tillsammans med lagringsleverantörer.

Pacific Gas and Electric Company (PG&E) har föreslagit att allmännyttiga företag skulle kunna köpa begagnade batterier som reservbatterier och för att jämna ut belastningen. De uppger att även om dessa begagnade batterier kanske inte längre kan användas i fordon har deras restkapacitet fortfarande ett betydande värde.

LivslängdEdit

Enskilda batterier ordnas vanligen till stora batteripacks med olika spänningar och produkter med olika kapacitet i amperetimmar för att ge den nödvändiga energikapaciteten. Batteriets livslängd bör beaktas när man beräknar den förlängda ägandekostnaden, eftersom alla batterier så småningom slits ut och måste bytas ut. Hur snabbt de förfaller beror på ett antal faktorer.

Det urladdningsdjup (DOD) är den rekommenderade andelen av den totala tillgängliga energilagringen för vilken det batteriet kommer att uppnå sina nominella cykler. Djupcykliska bly-syrabatterier bör i allmänhet inte laddas ur till under 20 % av den totala kapaciteten. Modernare formuleringar kan klara djupare cykler.

I verklig användning har vissa Toyota RAV4 EV:s med nickelmetallhydridbatterier i flottan passerat 160 000 km med liten försämring av den dagliga räckvidden. Från en bedömning av Southern California Edison (SCE):

”Testet med fem fordon visar den långsiktiga hållbarheten hos Nickel Metal Hydride-batterier och elektriska drivlinor. Endast en liten försämring av prestandan har hittills observerats på fyra av fem fordon…. EVTC-testdata ger starka bevis för att alla fem fordon kommer att överskrida gränsen på 160 000 km (100 000 miles). SCE:s positiva erfarenheter tyder på att det är mycket troligt att nickelmetallhydridbatterier och drivlinor kommer att ha en livslängd på 240 000 km (130 000-150 000 miles). Elbilar kan därför matcha eller överträffa de livscykelkilometer som jämförbara fordon med förbränningsmotor har. ”I juni 2003 användes de 320 RAV4 EV-bilarna i SCE:s fordonsflotta främst av mätaravläsare, servicechefer, representanter på fältet, serviceplanerare och posthanterare samt för säkerhetspatruller och bilpooler. Under fem års drift hade RAV4 EV-flottan kört mer än 6,9 miljoner mil, eliminerat cirka 830 ton luftföroreningar och förhindrat mer än 3 700 ton koldioxidutsläpp från avgasröret. Med tanke på den framgångsrika driften av sina EV-fordon hittills planerar SCE att fortsätta att använda dem långt efter att de alla har kört 100 000 mil.”

Litiumjonbatterier är i viss mån förgängliga; de förlorar en del av sin maximala lagringskapacitet per år även om de inte används. Nickelmetallhydridbatterier förlorar mycket mindre kapacitet och är billigare för den lagringskapacitet de ger, men har en lägre total kapacitet initialt för samma vikt.

Jay Lenos Baker Electric från 1909 drivs fortfarande av sina ursprungliga Edison-celler. Batteribytekostnaderna för BEV:s kan helt eller delvis kompenseras av bristen på regelbundet underhåll, t.ex. olje- och filterbyten som krävs för fordon med förbränningsmotor, och av BEV:s högre tillförlitlighet på grund av färre rörliga delar. De slipper också många andra delar som normalt kräver service och underhåll i en vanlig bil, t.ex. växellåda, kylsystem och motortuning. Och när batterierna till slut behöver bytas ut kan de ersättas med batterier av senare generation som kan ha bättre prestanda.

Lithiumjärnfosfatbatterier uppnår, enligt tillverkaren, mer än 5000 cykler vid ett urladdningsdjup på 70 %. BYD, världens största tillverkare av litiumjärnfosfatbatterier, har utvecklat ett brett utbud av celler för djupcykeltillämpningar. Sådana batterier används i stationära lagringssystem. Efter 7500 cykler, med en urladdning på 85 %, har de fortfarande en reservkapacitet på minst 80 % vid en hastighet på 1 C, vilket motsvarar en hel cykel per dag till en livslängd på minst 20,5 år. Det litiumjärnfosfatbatteri som utvecklats av Sony Fortelion har en reservkapacitet på 71 % efter 10 000 cykler vid 100 % urladdning. Detta batteri har funnits på marknaden sedan 2009.

Om de används tillsammans med solpaneler har litiumjonbatterier delvis en mycket hög cykeltålighet på mer än 10 000 laddnings- och urladdningscykler och en lång livslängd på upp till 20 år.

Plug-in America har genomfört en undersökning bland förare av Tesla Roadster (2008) om batteriernas livslängd. Det visade sig att efter 160 km hade batteriet fortfarande en återstående kapacitet på 80-85 procent, oavsett i vilken klimatzon bilen kördes. Tesla garanterar Model S med ett 85-kWh-batteri för obegränsad körsträcka inom en period av 8 år.

Varta Storage erbjuder en garanti på 14 000 fulla cykler och en livslängd på 10 år.

I december 2016 var världens mest sålda elbil genom tiderna Nissan Leaf, med mer än 250 000 sålda enheter sedan starten 2010. Nissan uppgav 2015 att fram till dess hade endast 0,01 procent av batterierna behövt bytas ut på grund av fel eller problem och då endast på grund av externt tillfogade skador. Det finns ett fåtal fordon som redan har kört mer än 200 000 km; ingen av dessa hade några problem med batteriet.

Li-jonbatterier förlorar i allmänhet 2,3 procent av sin kapacitet per år. Vätskekylda Li-ion-batteripaket förlorar mindre kapacitet per år än luftkylda paket.

ÅtervinningEdit

I slutet av sin livslängd kan batterier återanvändas eller återvinnas. Med tanke på den betydande internationella ökningen av försäljningen av elfordon har det amerikanska energidepartementet inrättat ett forskningsprogram för att undersöka metoder för återvinning av begagnade litiumjonbatterier för elfordon. Metoder som för närvarande undersöks är bland annat pyrometallurgiska (reduktion till grundämnen), hydrometallurgiska (reduktion till ingående metaller) och direkt återvinning (återställande av elektrokemiska egenskaper med bibehållande av de ursprungliga materialens struktur).

Bloomberg BNEF har beräknat att batteriindustrin för elbilar kommer att vara värd mer än 500 miljarder dollar år 2050, eftersom användningen av elbilar accelererar under de mellanliggande åren

Vehicle-to-gridEdit

Smart grid gör det möjligt för BEV:s att leverera ström till nätet när som helst, särskilt:

• Under toppbelastningsperioder (När försäljningspriset på el kan vara mycket högt. Fordonen kan sedan laddas under låglasttimmar till billigare priser, vilket bidrar till att absorbera överskottsgenerering nattetid. Fordonen fungerar som ett distribuerat batterilagringssystem för att buffra strömmen.)
• Under strömavbrott, som reservkraftkällor.

SäkerhetRedigera

Säkerhetsfrågorna för batterielektriska fordon behandlas till stor del i den internationella standarden ISO 6469. Denna standard är uppdelad i tre delar:

• Bordlagring av elektrisk energi, dvs. batteriet
• Funktionella säkerhetsmedel och skydd mot fel
• Skydd av personer mot elektriska risker

Brandmän och räddningspersonal får särskild utbildning för att kunna hantera de högre spänningar och kemikalier som förekommer vid olyckor med el- och hybridelfordon. Även om BEV-olyckor kan innebära ovanliga problem, t.ex. bränder och ångor till följd av snabb urladdning av batterier, är många experter överens om att BEV-batterier är säkra i kommersiellt tillgängliga fordon och vid påkörningar bakifrån, och att de är säkrare än bensindrivna bilar med bakre bensintankar.

I regel omfattar testning av batteriers prestanda följande:

• Laddningstillstånd (SOC)
• Hälsotillstånd (SOH)
• Energieeffektivitet

Prestandaprovning simulerar körcyklerna för drivlinorna i batterielektriska fordon (BEV), hybridelektriska fordon (HEV) och plug-in-hybridhybrida elfordon (PHEV) i enlighet med biltillverkarnas (OEM) specifikationer. Under dessa körcykler kan kontrollerad kylning av batteriet utföras, vilket simulerar de termiska förhållandena i bilen.

Det finns dessutom klimatkammare som kontrollerar miljöförhållandena under testningen och som möjliggör simulering av hela bilens temperaturområde och klimatförhållanden.

PatentsEdit

Patent kan användas för att undertrycka utvecklingen eller spridningen av batteriteknik. Exempelvis innehades patent som var relevanta för användningen av nickelmetallhydridceller i bilar av en utlöpare av Chevron Corporation, ett oljebolag, som hade vetorätt över all försäljning eller licensiering av NiMH-teknik.