Så fungerar ett elbilsbatteri – skillnader i prestanda mellan olika batterityper
Författaren: Andreas Ellhar
Idag utrustas nya elbilar med olika typer av litiumbatterier beroende på ändamål. Pris, kvalitet och räckvidd är tre viktiga faktorer för valet av batteriteknologi. Vi förklarar hur LFP-batterier påverkas av långvarig användning, laddning och lagring samt skillnaderna mot NMC-, och NCA-batterier.
LFP, eller ”litiumjärnfosfat-batterier”, är idag en allt vanligare lösning i biltillverkarnas så kallade ”standard range-modeller”. En av anledningarna till det är att batteritypen har en kostnadseffektiv tillverkningsteknik, dock med baksidan av en lägre energitäthet och högre känslighet mot kyla än motsvarade litiumjonbatterier som NMC. Joakim Hansson är kvalitets och HSE-chef på DEKRA Automotive AB;
– ”Standard range” har ofta ett mindre batteri än ”long range”, vilket gör att man behöver köra större cykler på batteriet för att komma längre sträckor. Där passar LFP bra då de är relativt okänsliga mot stora cykler och bokstavligen klarar flera tusen upp- och urladdningar. En annan fördel med LFP jämfört med andra litiumbaserade batterier är att risken för brand är betydligt lägre vid skador på batteriet.
LFP-batterier och BMS
Huvuduppgiften för ett BMS, ”Battery Management System”, är att kontrollera laddningsnivån hos batteriet genom att mäta vilospänningen. BMS:et har en inbyggd tabell över spänningsnivån som systemet anpassar sig efter och när BMS uppmätt vilospänningen vet det också laddningsnivån, även kallad SOC.
– Vid körning är det inte möjligt att mäta vilospänningen, därför utgår bilen ifrån den senast kända laddningsnivån och sedan räknas förbrukad energi bort samtidigt som ett ”preliminärt” SOC visas på skärmen i bilen. Efter parkering när vilospänningen åter kan mätas så uppdateras SOC.
– LFP-batterier håller lägre spänning än NCA och NMC men de har också en väldigt flack spänningskurva i spannet mellan 25 och 85 procent SOC. Det gör att BMS har svårt att beräkna exakt SOC även när batteriet är i vila. BMS kan räkna plus och minus på energin, men i praktiken fungerar det enbart en kort stund, sedan riskerar beräkningen att glida ifrån verkligheten.
Joakim Hansson förklarar att det exempelvis försvinner energi genom värmeförluster i batteriet, något som varierar med batteriets temperatur, effektuttag och slitage. Denna energi kan inte bilen mäta i sitt BMS, även om många tillverkare sannolikt har uppskattningar om värmeförlusterna.
– Följden blir att om BMS har exakt koll dag ett, kommer systemet troligen börja ha lite fel dag två och ännu mera fel dag tre, och så vidare. En dag kanske man inte kommer dit man vill med sin bil då strömmen plötsligt tar slut i batteriet. För att undvika det rekommenderar biltillverkarna att LFP-bilar ska laddas fullt minst en gång per vecka.
När man laddar fullt, håller laddaren en fast spänning tills det att batteriet slutar ta emot ström, i samband med det vet också BMS:et att batteriet är fullt. Från den punkten har systemet en fix punkt som det kan räkna plus och minus ifrån i nästkommande battericykel.
Dynamisk batteribuffert
Då BMS beräkning efterhand kommer att avvika från verkligheten har exempelvis Tesla, för sina LFP-modeller, gjort bufferten dynamisk – det vill säga den delen av batteriets kapacitet som är under noll procent.
– Efterhand som BMS upplever osäkerhet kan bufferten utökas för att det ska finnas en extra marginal så att man inte ska bli stående utmed vägen med tomt batteri. När bufferten utökas blir det mindre energi att ”köra på” från 100–0 procent. Använder man ”km-visningen” istället för procent får varje kilometer ett mindre energiinnehåll, vilket innebär kortare räckvidd även om bilen kanske visar 100 procent.
– Om man laddar fullt ofta kommer det bli kortare tid mellan de fixpunkter där BMS vet exakt SOC. Det är också rimligt att bufferten kommer att minska, vilket gör att det finns mer energi att köra på mellan 100–0 procent.
Joakim Hansson berättar att det här är anledningen till att ett LFP-batteri bör laddas fullt minst en gång i veckan, och att många biltillverkare rekommenderar att man bibehåller inställningen på 100 procent. Följer man riktlinjerna för sin bilmodell maximeras räckvidden och bilens förmåga att avgöra SOC förbättras.
Degradering hos LFP-batterier
LFP-batterier fungerar i princip som övriga litiumbaserade batterier, det vill säga de mår bäst vid låg SOC. Forskningsresultaten för batterislitage utifrån ålder ligger alltid ett par år efter helt nya batterier eftersom de måste testas ett till två år innan det finns tillförlitliga data att ta del av.
– Man skulle kunna tänka sig att de senaste LFP-batterierna har åldrats mindre men det är inte troligt att man lyckats trolla bort de kemiska grunderna för hur de fungerar, vilket gör att vi sannolikt har ungefär samma principer som för andra typer av batterier.
Enligt batteritillverkaren CATL klarar deras LFP-batterier, lite beroende på omgivande faktorer, 4000–8000 fulla FCE-cykler innan de tappat 20 procent av ursprunglig kapacitet.
– Om batterierna skulle klara 5000 FCE innebär det cirka 5000 gånger 30 mil, det vill säga 150 000 mil innan de degraderats 20 procent. Det betyder att batterierna skulle förlora cirka 0,13 procent per tusen mil, om man körde fulla cykler.
När en elbil utrustad med LFP-batteri har rullat drygt 5000 mil är det rimligt att batteriet maximalt har tappat 0,67 procent. Men i själva verket har det degraderats 6,6 procent. Vad är anledningen till det? Joakim Hansson förklarar;
– Resterande del utöver de 0,67 procenten är slitage genom föråldring. För att minimera degraderingen hos LFP-batteriet vore det optimala att hålla en låg SOC, men i praktiken blir det lite knepigt då man bör ladda batteriet fullt relativt ofta för att bilens BMS ska kunna behålla sin träffsäkerhet.
– Batteriets degradering minskar med tiden, hur man än vrider och vänder på det. Har man tappat sex procent efter tre år, kommer det ta ungefär sex år till innan man har dubblerat det. Kör man mycket kan det vara möjligt att optimera batteriet genom att ladda fullt för en längre resa varje vecka och sedan hålla lägre SOC, men i praktiken är det sannolikt enklast att istället acceptera att en viss degradering hos batteriet kommer att ske.
Batteriterminologi
- BMS=Battery Management System
- NMC=Nickel Mangan Kobolt
- NCA=Nickel Kobolt Aluminium
- LFP=Lithiumjärnfosfat
- SOC=State of Charge