Under lång tid har urvalet av celler för batteribackup varit ganska begränsat. Eftersom nya cellkemier och format har ökat snabbt de senaste åren har tyska Ansmann AG – en av Europas marknadsledare inom kundanpassade batterilösningar – startat ett omfattande projekt för att kartlägga celldata. Ett expertteam på tre personer hos Ansmann har hittills samlat in data om mer än 430 olika celler som finns kommersiellt tillgängliga på marknaden. Detta omfattar över 360 cylindriska celler, 60 prismatiska och 40 av andra typer.

Kunder i Skandinavien som vill använda dessa tjänster kan kontakta Ansmanns försäljningskontor i Bromma och Oslo.

ANSMANN INDUSTRIAL SOLUTIONS är en leverantör av mobila energisystem och erbjuder batteripack (primära och sekundära), laddare, nätaggregat och relaterade tjänster. Expertteamet verifierar om informationen i cellernas datablad är korrekt. Detta är viktigt eftersom faktorer som åldrande och temperaturpåverkan normalt inte finns med i specifikationerna. Dessutom genomförs kompletterande jämförelsetester, exempelvis för hållbarhet, värmetålighet och köldtålighet över tid, livscykler och den verkliga prestandaprofilen. För de mest lovande celltyperna fortsätter testcyklerna i flera år för att övervaka deras hälsotillstånd (State of Health, SOH) och åldringsprocesser. Och något mycket ovanligt: av säkerhetsskäl testas även cellernas beteende efter livsslutet.  

 

Skärmdump: Webbgränssnittet för ANSMANNs celldatabas med över 430 celltyper.

 

I princip kan runda celler i de vanliga storlekarna – från 18650, 21700, 26650 och 32140 till de minsta 10280-cellerna men också upp till de största 60144-cellerna – mätas. Detta inkluderar även alla vanliga konsumentstorlekar som AAA, AA, C, D, 9 V-block, knappceller och andra. Även påsceller (pouch) och prismatiska celler ingår. Det finns knappt några begränsningar vad gäller cellkemi – från Li-Ion, Li-Po, Li-Fe, NiMH, alkaliska och zinkceller till nya kandidater som natriumbaserade celler. Med tillverkare som Murata, Eve, BAK, Great Power, Samsung, LG, Haidi och flera andra har ANSMANN:s cellexpertteam medvetet inkluderat globala varumärken som annars sällan ingår i urvalsprocessen för batteripack.

AI som ett andra hjälpmedel för att hitta den optimala formen

Det som också måste beaktas är att ett perfekt batteripack inte enbart handlar om teknisk prestanda, utan även måste uppfylla specifika formkrav för den aktuella lösningen. Det andra innovationsprojektet från ANSMANN, som används inom företagets process för optimering av batteripack, är därför ett AI-baserat simuleringsprogram. AI-lösningen har introducerats för att påskynda besluten kring optimal cellstorlek och konstruktionsform för varje specifik applikation. Den har redan visat sitt värde i flera designprocesser för batteripack inom medicintekniska produkter, små elfordon, cyklar och elverktyg – för att nämna några exempel.

Första hjälpen för problematiska batteripaket – Exakta förebyggande riktvärden tydliggör styrkor och svagheter hos olika celltyper.

Batterilaboratoriet används inte bara för förebyggande tester och i designprocessen av batteripack. Det kommer också allt fler kundförfrågningar om analyser av celler i aktiva, pågående applikationer – särskilt när det uppstår problem. Ett exempel är när batteripack havererar i förtid, vilket nyligen inträffade i en tandläkarutrustning. Därför används laboratoriet ofta för felsökning av problematiska pack samt för optimering av befintliga lösningar.

Exceptionellt brett parameteromfång

Prestandaområdet för de celler eller batteripack som kan testas sträcker sig från 1 mWh till 10 kWh. Genom investeringar i en modern anläggning med mät- och simuleringsutrustning från ledande tillverkare, samt flera temperaturkammare, kan alla viktiga parametrar mätas över ett mycket brett spektrum. Den mätbara spänningen sträcker sig för närvarande från 0 V till 5 V för enskilda celler och från 5 V till 80 V för batteripack. När det gäller strömstyrka går det upp till 400 A och en toppeffekt på 2 kW för celler, respektive upp till 280 A med en toppeffekt på 6 kW för batteripack. Allt detta i ett temperaturområde för celler och pack från –40 °C till +100 °C och en omgivningstemperatur på –40 °C till +100 °C.

 

Uppnådda cykeltal vid olika belastningar: skillnaderna är ibland extrema, vilket denna graf visar.

 

Ett brett spektrum av parametrar kan loggas under testerna. Dessa inkluderar den relativa och absoluta kapaciteten, det interna motståndet över livscykeln, temperaturen hos testobjektet samt omgivningstemperaturen. Även cellernas livslängd och cyklingsstabilitet, lastprofiler och dynamiska lastförändringar kan simuleras enligt exakt definierade krav och tillämpas i praktiken. Som exempel: i graf 3 replikeras precisa lastprofiler från applikationen under olika förhållanden och appliceras i verkligheten på cellen.

Celltyperna blir mer specifika och nya tillverkare tillkommer

För bara några år sedan dominerades marknaden av Na-jon, Li-jon eller LiFePO, 18050 eller 21700, LG, Panasonic, Samsung samt ett fåtal andra kinesiska och koreanska leverantörer – och i viss mån gör de det fortfarande. Men: under tiden har antalet cellstorlekar vuxit till dussintals – trenden mot större celler fortsätter; antalet kommersiellt mogna cellkemier ökar och antalet tillförlitliga celltillverkare växer dramatiskt. Vissa leverantörer erbjuder till och med bara en eller två mycket specialiserade celltyper med verkligt enastående prestanda inom sitt område. Alla celler har sina specifika fördelar och nackdelar samt sina mycket tydliga tekniska prestandaprofiler.

ANSMANN levererar till en rad olika slutmarknader, bland annat den medicintekniska sektorn.
Företaget utvecklar batterilösningar för rullstolar liksom för ventilatorer, hjärtkompressionsutrustning och mycket mer. Det finns certifieringar enligt alla relevanta normer och standarder, såsom EN 60601 och ISO 13485, samt UN 38.3 och IEC 62133-2-test i sitt batterilabb.

Allt fler av dessa enheter blir mobila – även inom högteknologiska segment som medicinteknik eller inom mycket krävande områden som elverktyg. Oavsett om det gäller ventilatorer, EKG-övervakning, infusionspumpar eller motorsågar – när de blir alltmer mobila krävs skräddarsydda batterilösningar istället för kabelbundna strömförsörjningar. Även i till synes mindre krävande men starkt konkurrensutsatta marknader som elcyklar har batteripackens kvalitet blivit en alltmer avgörande faktor för slutkundens köpbeslut – samtidigt som priset är en avgörande parameter på den andra sidan.

Fortsatta investeringar i optimering av batteripack inkluderar AI-verktyg

Baserat på dessa två faktorer – databasen och AI-lösningen – kan projektingenjörerna betydligt snabbare och med bredare beslutsunderlag identifiera de mest optimala och kostnadseffektivaste runda eller polymer-cellerna för varje specifik kundlösning.

Figur 3: Exakta belastningsprofiler från applikationen testas under olika förhållanden och tillämpas i praktiken på jämförelsecellerna.

 

För att förstå varför kan vi ta de tidigare nämnda kirurgiska instrumenten eller andningsapparaterna som exempel. ANSMANN erhöll sitt ISO13485-certifikat för flera år sedan och har redan utvecklat mobila strömförsörjningslösningar för flera medicintekniska enheter inom kirurgi och tandvård. Det som de flesta medicintekniska lösningar har gemensamt är förhandsvalet av litiumjonteknik, eftersom dessa celler har den högsta volymetriska och viktbaserade energitätheten. Kort sagt: de är relativt små och lätta med hög energitillgänglighet.

Normalt får dessa batterier liten uppmärksamhet från användaren – så länge de är diskreta och fungerar som de ska. Men om de är svåra att använda, begränsar komforten eller orsakar problem får det omedelbart en negativ effekt på varumärkesupplevelsen, eller till och med leder till säkerhetsrisker. Rätt batterilösning kan däremot ge utvecklingsteamet möjlighet att tillföra ytterligare nyttiga funktioner för batteriintelligens i enheten.

Dessutom sparar noggrann och omsorgsfull design pengar eftersom den förhindrar att batteripack byts ut ”senast datum XY” med stora säkerhetsmarginaler inom prediktivt underhåll. Genom att noggrant optimera cellvalet kan man säkerställa en ideal matchning – utan att batterierna degraderas, drabbas av minneseffekter eller uppvisar försämring efter lagringstider.

Sist men inte minst har laddningen naturligtvis en stark inverkan på cellernas hälsa: ANSMANN-teamet har många års utvecklingserfarenhet av högspecialiserad batteri- och laddteknik för kundspecifika enheter. Genom intelligent laddningsteknik med kommunikation mot batterisystemet och parning via kryptering kan man säkerställa att inga externa laddare eller andra batterier kan anslutas till kontakterna. Detta minskar risken för skador på batteriet.

FÖRFATTARE  Stefan Ehrler, Bachelor of Engineering, ANSMANN AG.  För Stefan Ehrler är det den höga precisionen och de realistiska scenarierna, i vilka dessa tester har genomförts på ANSMANN under de senaste två åren, som gör den verkliga skillnaden. Nytt är dessutom den förebyggande insamlingen av data om cellernas exakta beteende i olika användningsstadier, medan det traditionellt har varit vanligt att testa celler tills de går sönder. Ehrler har arbetat på ANSMANN AG sedan 2010. Han har över 13 års erfarenhet inom kvalitetskontroll och service relaterat till batteripaket och individuella celler, samt de utmaningar detta medför i praktisk användning. För Ehrler och hans kollegor är det viktigt att detta nya, konsekventa steg mot utökade test- och mätningsmöjligheter för celler nu möjliggör ett mycket mer målinriktat urval av celler. Optimeringen av livscykeln för celler och batteripaket i produkten kan nu utföras mycket mer noggrant, vilket på medellång sikt sparar kunden både tid och kostnader. • Miriam Leunissen – Teknikjournalist Comm:Motions – Text & PR.  Miriam Leunissen arbetar som frilansande teknologijournalist under etiketten Comm:Motions – Text & PR sedan mer än 20 år.