JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 ETN.fi  Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
onsdag 23 september 2020 VECKA 39

laddaFörst rejäla batterier
och laddarstolpe

Biltillverkare världen över står i startgropen för att lansera bilar med eldrift på bred front. Men utmaningarna är fortfarande många. Speciellt batterierna och laddningen av dem är förknippade med frågetecken.
Volvo, BMW, Audi, Mitsu-bishi, Toyota, Opel, Saab, i princip alla biltillverkare jobbar numera på ett eller annat sätt med att se till att den egna framtidsflottan kan anpassas till eldrift. Och inom bara något år kommer många att lansera laddhybrider och elbilar på bred front.

För svensk del är samarbetet mellan statliga Vattenfall och Volvo Personvagnar extra intressant. De två har samarbetat kring laddhybridteknik i snart tre år, något som bland annat utmynnat i tre laddhybridbilar av modell Volvo V70. Och i somras blev ett fördjupat kommersiellt samarbete officiellt.

– Vi har tagit beslut om produktionsstart av en laddhybridbil som kan köra uppåt fem mil på eldrift, säger Paul Gustavsson, ansvarig för elektrifieringsstrategin på Volvo Personvagnar.

Som komplement till elmotorn finns en dieselmotor. Bilarna ska tillverkas i Sverige och börja säljas år 2012.

Både Vattenfall och Volvo är överens om att nyckeln till det färska beslutet är batteriutvecklingen.

– De första fullstora battericellerna som är lämpliga för en laddhybrid kom för tre år sedan. Det var startskottet, säger Johan Tollin på Vattenfalls utvecklingsavdelning för elfordon.

Det är litiumjontekniken som är den stora möjliggöraren för fordonsindustrin. Men det är först under de tre senaste åren som bilindustrin tagit över för att driva utvecklingen av litium-jonbatterier, tidigare var tekniken anpassad för konsumentelektronik.

Först enfas, sen trefas

Olika nivåer av eldrift

• Elhybridbilar drivs av en kombination mellan en traditionell förbrännings-motor, ett batteripack och en elektrisk motor. Elmotorn används främst vid låga hastigheter och -batteriet laddas under drift vid inbromsning. En hybridbil kan halvera bränsleförbrukningen i stadstrafik jämfört med en traditionell bil.

• Laddhybridbilar har också förbränningsmotor och elmotor men batteriet laddas både under drift och direkt från elnätet. Laddhybriden har ett större batteri än hybridbilen och den genomsnittliga bränsle-förbrukningen är en fjärdedel jämfört med en bil med enbart förbränningsmotor. En ladd-hybrid kan köras ett flertal mil i lägre hastighet på enbart el och kan fungera som en ren elbil i stadstrafik.

• Elbilar har bara en elmotor och matas enbart med el.
Laddhybriden som Volvo och Vattenfall planerar att lansera ska enbart laddas med vanlig hushållsel, alltså 10 A och 230 V. Batteriet ska rymma 11,5 kWh och en tumregel är att en mil kan laddas på en timme.

Snabbladdning i olika former är något som Volvo tittar på, men inget som tar plats i den första generationen laddhybrider. En stor vits med laddhybrider är just att de inte behöver snabbladdning, eftersom förbränningsmotorn finns då el-energin tryter.

Så gott som alla kommande laddhybrider får en enfasladdare. I nuläget anser många biltillverkare att trefasladdare är för dyra, tunga och skrymmande. Men det finns ett stort antal företag med idéer kring hur detta ska lösas, så framöver kommer även trefasladdare till laddhybrider.

– För rena elbilar är det där-emot nödvändigt med kontakter som klarar trefasanslutning och högre strömstyrkor. Prototyper finns framme idag. Kommersiellt tillängliga blir de kanske om några år. Storleken på dem är dock ett packningsmässigt problem, säger Paul Gustavsson.

I somras invigde McDonald’s en första laddstation i södra Stockholm. Men snabbladdning i form av ett fullt batteri samtidigt som en Big Mac slinker ner är fortfarande en utopi. Eller rättare, har man ett trefasuttag i sin bil och en timme att spendera på restaurangen, så kan besöket ge nästan fem mils extra körsträcka.

Standarder måste till

Faktum är att varken batterier eller laddningstekniker är mogna för verklig snabbladdning. Ett problem är bristen på standarder för infrastrukturen som ska användas för att ladda elbilar.

Senast för någon vecka sedan uppvaktade ett 50-tal representanter från europeiska el- och energiföretag, däribland Vattenfall och Fortum, samt branschorganisationen Eurelectric EU:s transportkommissionär med en avsiktsförklaring som syftar till att driva på gemensamma standarder. Utan standarder går det inte att bygga upp en hållbar infrastruktur som levererar olika laddningsalternativ

– Idag är inte snabbladdning ett primärt alternativ. Istället tror vi att det är intressant att ladda bilen när den står parkerad i två timmar eller mer. De dominerande platserna för laddning är i hemmet och på arbetsplatsen, men också i shoppingcentrum, säger Johan Tollin.

Batteriet klarar kanske fem år
Även Annika Ahlberg-Tidblad, som har doktorerat i tillämpad elektrokemi och korrosionslära och är anställd på testspecialisten Intertek, tycker att visionen om snabbladdning i form av fulla batterier på några minuter bör tonas ner.

– Man skapar förväntningar som industrin kommer att ha svårt att leva upp till. Det är en bra bit kvar till att man kan ladda ett batteri lika snabbt som man tankar en bil, säger hon.

– Snabbladdning handlar också om säkerhet. Vill man att alla människor ska hantera starkström?

Samtidigt konstaterat Annika Ahlberg-Tidblad att batteriet i sig inte behöver vara begränsande på sikt utan att vissa batterikemier kan klara snabbladdning utan att fara illa.

– Idag behandlar man litium-jonbatterier som om det vore en enda teknik, men det är väldigt många olika system med olika anod- och katodmaterial. Alla har sina olika egenskaper, förklarar hon.

De batterier som används i laddhybrider och rena elbilar har ganska lika krav på sig, medan batterier i hybridbilar har lita andra krav.

I hybridbilar gäller det att snabbt få in effekt i batteriet när bilen bromsar. För laddhybrider och elbilar är det viktigt med ett högt energiinnehåll, men batterier får bättre energi-innehåll om de har elektroner som transporteras långsamt. Idag finns det alltså ett motsatsförhållande mellan högt energiinnehåll och snabb laddning.

En annan utmaning för batteriutvecklarna är att skapa batterier som håller tillräckligt länge. Ingen vill köpa en ny bil, bara för att tvingas köpa nya batterier något år senare. Det har lett till att både fordonsindustrin och myndigheter satt upp som mål att framtida batterier ska hålla minst tio år.

– Fast jag har hittills inte stött på någon celltillverkare som säger sig kunna klara det. Jag tror att batterier som fungerar fem år kan vara rimligt. Även det är mycket bra eftersom det är en väldigt tuff miljö i bilen med temperaturvariationer och vibrationer, säger Annika Ahlberg-Tidblad.

Kyla och värme utmanar
Varierande temperatur är nog en av de verkligt tuffa nötterna att knäcka i framtida elbilar. Blir batterierna för varma försämras deras förmåga att hålla laddning, blir de för kalla går det inte att få effekt ur dem.

– Batterier som finns idag är inte anpassade för kyla, de kan inte laddas om det är minusgrader. Batteriet gillar inte heller att vara fullt laddat under lång tid. Det påverkar livslängden och är speciellt olämpligt om det är varmt, säger Annika Ahlberg-Tidblad.

Dagens bilar är konstruerade för att värmas upp direkt man sätter igång dem. Hur det går för en nerkyld elbil som stått ute en riktigt kall vinternatt utan tillgång till ett eluttag är det ingen som svarar på just nu.

Förpackningen av batteriet är en annan stor fråga, liksom batteriets form. Den kända elbilen Tesla har exempelvis haft stora problem med sina cylinder-batterier med tusentals celler. Cylindriska batterier har en tendens att bli varma i kärnan samtidigt som deras yta är liten i förhållande till volymen, vilket gör dem svåra att kyla.

– Trenden är att fordonstillverkarna går samman men underleverantörer och celltill-verkare för att ta fram egna alternativ. Man kan se att det kommer fler batterier i form av tunna, mjuka och billiga pounchceller.

Pounchceller ser lite ut som portionspåsar med kaffe. De är tillverkade i mjuk plastfolie, kan göras breda och har en fyrkantig form som fördelar värme bra. Det utvecklas både luft- och vätskekylda system för att hantera värmen kring batterierna.

Stora celler är också attraktivt, men svårt att tillverka. Stora celler har fördelen att de inte behöver parallellkopplas i samma höga grad som mindre celler. Vid parallellkoppling förlorar man energitäthet, eftersom kopplingen adderar volym och vikt och alstrar förluster.

– Vid parallellkoppling ska strömmen fördelas mellan battericellerna. Det finns alltid risk för att strömmen fördelar sig ojämnt om cellerna har lite olika egenskaper, vilket ytterst skapar obalans. Det påverkar både livslängd och säkerheten. Om obalansen blir för stor finns det dessutom risk för att en cell polvänder eller att det sker andra oönskade effekter, säger Annika Ahlberg-Tidblad.

Dyr i inköp, billig i drift

Mot bakgrund av detta kan man förstå att det krävs en stor mängd kontrollogik och sensorer för att övervaka batterierna i framtida bilar. Hur stor den kostnaden är i Volvos kommande laddhybrid kan Paul Gustavsson inte svara på eftersom utvecklingsarbetet pågår, liksom förhandlingar med leverantörer.

– Men produktionskostnaden är mycket hög. Delkomponenter som specialtransformatorer, batterier och elmotor kommer att stå för runt halva bilens kostnad. Det är utmanande för fordonsindustrin, säger han.

Samtidigt går teknikutvecklingen inom detta segment i ett rasande tempo, vilket bland annat påverkar batteripriserna i positiv riktning.

– Vi ser att priserna på batterier räknat i kilowattimmar kommer att vara nära 30 procent lägre nästa år än vad vi trodde när vi startade förra året, säger Paul Gustavsson.

– Bilarna är dyra att köpa, men billiga i drift. Vårt mål är att den totala kostnaden, inklusive ägande och körning, inte skall bli högre än för en jämförbar bil utan eldrift, tillägger han.


Läs även: Fortum tror på ultrasnabb laddning
MER LÄSNING:
 
Pappersmagasinet Nyhetsbrev
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)