Därför får elbilsbatteriet sämre räckvidd i kyla

2019-02-18 06:00  

Men det är först vid extrema temperaturer som det kan bli problematiskt. ”Vid normalt mellansvenskt väder tror jag inte att det kommer att vara något problem”, säger professor Daniel Brandell.

Den amerikanska bilägarorganisationen AAA konstaterade nyligen det som många redan visste: Elbilar får sämre räckvidd i kallt klimat. I snitt föll räckvidden hos de fem testade elbilarna med 41 procent vid –6,6 grader Celsius jämfört med vid 23 grader, vilket Ny Teknik nyligen rapporterade.

Att batterier påverkas negativt av kyla är välkänt. Av AAA:s rapport framgår att merparten av den förlorade räckvidden beror på HVAC, det vill säga värme, ventilation och luftkonditionering. Utan HVAC minskade räckvidden bara med i snitt 12 procent.

Trots att de största förlusterna i testet alltså beror på klimatanläggningen ska vi här fokusera på de 12 procent som uppstod utan HVAC, för att bättre förstå vad som sker specifikt i batteriet. Till vår hjälp har vi tagit Daniel Brandell, professor i materialkemi och forskare vid Ångström Advanced Battery Centre vid Uppsala universitet.

Han konstaterar att orsaken till att batterier försämras vid kyla är att ledningsförmågan i den flytande elektrolyten sjunker.

– De elektrokemiska processerna går långsammare. Batteriet är anpassat för att operera kring 25 grader, säger han.

Ökade förluster i batteriet sänker räckvidden

Den flytande elektrolyten fungerar precis som vatten som blir mer trögflytande vid lägre temperaturer. I ett litiumjonbatteri alstras energin när litiumjonerna flyter genom elektrolyten. Med ökad trögrörlighet, det vill säga viskositet, drabbas jontransporten av en slags friktionsförluster. Den kemiskt lagrade energin förloras helt enkelt som värme.

Med sänkt ledningsförmåga sjunker även spänningen. Batterihanteringssystemet stänger av batteriet när ett förutbestämt volttal nås. Vid kyla går det snabbare att nå detta så kallade cut off-värde, vilket många mobiltelefonägare säkert upplevt någon gång i kallt klimat.

– Och man ska inte gå under cut off-värdet, då åldras batteriet snabbt, säger Daniel Brandell.

Kylan försämrar alltså inte batteriets energilagringskapacitet. Att räckvidden sjunker beror i stället på ökade förluster inne i batteriet, främst vid kallstart innan det har uppnått rätt drifttemperatur. Man kan snarare säga att batteriets verkningsgrad sjunker, det vill säga måttet på hur effektivt den omvandlar kemisk energi till elektrisk. Vid normala 20 grader är verkningsgraden omkring 90 procent, enligt Anders Brandell.

Trivs i svalt klimat

Om man skulle lägga in ett fulladdat batteri i en frys i ett dygn för att sedan ta ut det och låta det värmas till rumstemperatur skulle energiinnehållet inte minska nämnvärt jämfört med om det legat i rumstemperatur.

– Tvärtom. Batterier mår generellt sett bättre av att lagras mörkt och svalt, om än kanske inte i en frys, säger Daniel Brandell.

Det går förstås att anpassa elektrolyten för att fungera bättre vid extrema temperaturer. Samma sak gäller för batterihanteringssystemet. Men givetvis riskerar man då att gå miste om egenskaper som är eftersträvansvärda vid normala temperaturer.

– Man kan använda sig av mer flyktiga lösningsmedel med större operativt temperaturintervall. Och tar man som exempel litium-svavelkemin har den bättre prestanda vid låga temperaturer än vid höga. Man använder en eterbaserad elektrolyt i stället för karbonater som annars är det vanligaste, säger han.

Först vid extrema temperaturer

Men för tillämpningen som energibärare i fordon tycker han inte att den försämrade verkningsgraden har någon större påverkan. Det är först vid extrema temperaturer som de Chicago nyligen upplevt, nedåt minus 40 grader, som det kan bli problematiskt.

– Vid normalt mellansvenskt väder tror jag inte att det kommer att vara något problem. Vid minus 10–15 grader kan man behöva värmeelement inne i batteriet för att snabbare komma upp i arbetstemperatur, säger han.

Läs mer: ”Tankbara” elbilar ska lösa räckviddsproblem 

Elbilstillverkare har också försökt att lösa energiförlusterna som uppstår vid kallstart genom att hålla batteriet uppvärmt vid laddning och förvärmning av kupén. Bilarna i testet från AAA laddades under tiden de acklimatiserades till rätt temperatur i dynamometercellen. Testet inleddes sedan inom en timme efter att laddkabeln pluggats ur, enligt rapporten.

Skulle ett fastfasbatteri vara en lösning?

Skulle ett batteri med fast elektrolyt (även kallat fastfasbatteri eller engelskans solid state) vara ett alternativ för bättre köldegenskaper? Intensiv forskning bedrivs just nu på fastfasbatterier som ska bli säkrare och ha något högre energidensitet än litiumjonbatterier med flytande elektrolyt.

Daniel Brandell, vars specialområde är just fastfasbatterier, är tydlig på den punkten:

– Det tror jag absolut inte. Fastfasbatterier har sämre ledningsförmåga. Jontransporten går långsammare. I så fall måste man hitta ett sätt att hålla uppe temperaturen kring själva batteripacket, säger han.

”Kommer vara möjligt att lösa problemet för batterier”

Den första serietillverkade bilen med fastfasbatteri, Bolloré Bluecar, höll exempelvis batteriet kring 70 grader. Men det hade gett stora förluster vid uppstart i kallt klimat. Bluecar har ett litium-metall-polymerbatteri (LMP).

– Bränslecellsbilar lider egentligen av samma problem. Men vi kan ju bo och verka i Sverige trots att här stundtals är väldigt kallt. Det kommer att vara möjligt att lösa även för batterier, säger Daniel Brandell.

Han ser stora framsteg framför sig inom fastfasbatterier inom de närmsta fem åren, framför allt vad gäller implementering. Men det kommer förmodligen krävas både värmeelement och isolering för att uppnå optimal temperatur.

Läs mer: Volvo: ”2025 ska hälften av bilarna vara helt elektriska”

Nästa steg tror han handlar om att börja använda keramer i stället för polymerer som material i elektrolyten. Keramer har bättre jonledningsförmåga och några 70 grader kommer inte att behövas. Men materialgruppen har också sina utmaningar.

– Så en kombination, det vill säga en komposit, mellan de båda hade varit en framkomlig väg, säger Daniel Brandell.

 

Fotnot: Det kan i sammanhanget vara värt att påpeka att verkningsgraden vid omvandling av bensin till rörelse i en bensinmotor är jämförelsevis mycket ineffektivt: Bara omkring 30 procent av bensinens energiinnehåll blir nyttigt arbete. Resten avgår huvudsakligen som värme. För en mer rättvis jämförelse ska egentligen elmotorns verkningsgrad också räknas in, typiskt kring 90-95 procent)

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Aktuellt inom

Debatt