Termisk styring af batteriet

Batteritemperaturen påvirker opladning, effektydelse, regenerativ bremsning, effektivitet og holdbarhed, fordi cellerne ikke kan modtage eller levere energi lige godt ved alle temperaturer.

Et termisk batteristyringssystem (BTMS) opvarmer, køler og udligner derfor pakkens temperatur efter kemi, ladetilstand, nødvendig effekt og producentens styringsstrategi.

Hvorfor batteritemperaturen er vigtig

Battericeller er elektrokemiske enheder. Deres modstand, reaktionshastighed, tilgængelige energi og ældningsadfærd ændrer sig alle med temperaturen.

Det termiske styringssystem skal afveje flere prioriteter:

At stille tilstrækkelig effekt til rådighed for kørsel
At tillade høj lade- og regenerativ bremseeffekt
At begrænse elektriske tab
At holde cellerne inden for sikre grænser
At reducere langsigtet degradering
At opretholde ensartede temperaturer i pakken
At bruge så lidt energi som praktisk muligt på opvarmning og køling

Et batteri kan være inden for sit sikre temperaturområde uden at have den bedste temperatur til alle opgaver.

Der findes ikke én ideel batteritemperatur. En temperatur, der passer til effektiv jævn kørsel, kan stadig være for lav til maksimal lynladeeffekt, mens et batteri, der er forberedt til opladning med høj effekt, kan være varmere end nødvendigt til parkering eller langtidsopbevaring. Audi beskriver eksempelvis et foretrukket område på 30–35°C for e-tron GT-batteriet under krævende drifts- og ladeforhold, men det er ikke et universelt mål for alle elbiler. (Audi)

Hvad sker der, når batteriet er koldt?

Lav temperatur bremser ionbevægelsen gennem elektrolytten og elektrodematerialerne. Den interne modstand stiger, hvilket giver et større spændingsfald og mere varmeudvikling ved en given strøm.

Føreren kan bemærke:

Reduceret acceleration
Lavere maksimal og vedvarende effekt
Begrænset regenerativ bremsning
Langsommere DC-opladning
Mindre umiddelbart tilgængelig energi
Højere forbrug på korte vinterture

Lav temperatur skader normalt ikke i sig selv et batteri. Den større risiko opstår, når en kold celle oplades med høj strøm.

I traditionelle lithium-ion-celler med grafitbaserede negative elektroder kan lithiumioner nå elektrodeoverfladen hurtigere, end de kan indsættes i grafitten. Metallisk lithium kan derefter dannes på overfladen ved en proces, der kaldes lithiumudfældning.

Lithiumudfældning kan:

Forbruge lithium, der ellers ville være tilgængeligt til cykling
Øge kapacitetstabet
Øge den interne modstand
Danne ujævne aflejringer
Øge sikkerhedsrisikoen i alvorlige tilfælde

BMS'et begrænser derfor opladning og regenerativ bremsning, indtil cellerne er varme nok til at modtage mere strøm. Lynladning uden lithiumudfældning er fortsat en af de vigtigste tekniske udfordringer ved opladning i kulde eller med høj hastighed. (US Department of Energy)

Hvad sker der, når batteriet er varmt?

Et varmere batteri har først lavere modstand og kan ofte levere eller modtage mere effekt. Det betyder ikke, at varmere altid er bedre.

Høj temperatur fremskynder uønskede reaktioner mellem elektroderne og elektrolytten. Langvarig påvirkning kan bidrage til:

Hurtigere kalenderældning
Tab af aktivt lithium
Vækst af overfladelag som SEI
Nedbrydning af elektrolytten
Gasdannelse
Øget intern modstand
Reduceret cykluslevetid

Temperatur og ladetilstand påvirker hinanden. Langvarig parkering af et batteri ved både høj temperatur og høj SOC er generelt mere belastende end kortvarig opvarmning før en opladning.

Høje temperaturer under ekstrem lynladning er også vanskelige at håndtere. Forskning fra det amerikanske energiministerium identificerer batteriets varmeudvikling og temperaturer over cirka 45°C som vigtige hindringer for vedvarende ekstrem lynladeevne og batterilevetid. Den præcise grænse afhænger fortsat af kemi og konstruktion. (US Department of Energy)

Hvor kommer batterivarmen fra?

Et batteri udvikler varme, hver gang der løber strøm.

Kilderne omfatter:

Elektrisk modstand inde i cellerne
Iontransport gennem elektrolytten og elektroderne
Elektrokemiske reaktioner
Cellefaner og strømkollektorer
Samleskinner og elektriske forbindelser
Kontaktorer og pakkesamlinger
Ineffektivitet ved opladning og afladning
Varme overført fra nærliggende effektelektronik

Modstandsvarmen stiger omtrent med strømmen i anden:

Modstandsvarme ∝ Strøm² × Modstand

En fordobling af strømmen kan derfor udvikle cirka fire gange så meget modstandsvarme, hvis modstanden er uændret.

Det er med til at forklare, hvorfor krævende forhold skaber store termiske belastninger:

DC-opladning med høj effekt
Gentagen kraftig acceleration
Vedvarende kørsel med høj hastighed
Lange stigninger
Kørsel med anhænger
Banekørsel
Kraftig regenerativ bremsning

Varmen udvikles ikke altid ensartet. Midten af en stor celle kan være varmere end den udvendige overflade, mens celler nær kølemiddeludløb eller pakkekanter kan arbejde ved andre temperaturer end celler andre steder i pakken. NREL-forskning har forbundet uens temperatur med lokale forskelle i ladetilstand, lithiumudfældning, SEI-vækst og degradering. (US Department of Energy)

Der findes ikke én ideel temperatur

Den foretrukne batteritemperatur afhænger af, hvad bilen forbereder sig på at gøre.

Normal kørsel

Ved moderat kørsel kan systemet prioritere lavt hjælpeforbrug frem for at opvarme eller køle batteriet til dets lynladningsmål.

Kørsel med høj effekt

Gentagen acceleration, kørsel med anhænger, stigninger eller høj hastighed kan kræve ekstra køling for at bevare den tilgængelige effekt.

DC-lynladning

Batteriet skal ofte være varmere end ved almindelig vinterkørsel. Cellemodstanden skal være lav nok til at modtage høj strøm uden for stor spændingsstigning eller lithiumudfældning.

Parkering

Bilen holder normalt ikke batteriet ved dets lynladningstemperatur under parkering. Det ville spilde energi. Pakken får normalt lov til at bevæge sig inden for et bredere beskyttende temperaturområde.

Langtidsopbevaring

Høj temperatur og høj SOC er uønsket ved langtidsopbevaring, selv om et midlertidigt varmt batteri kan oplades eller levere effekt mere effektivt.

Termisk styring er derfor et løbende kompromis mellem umiddelbar ydeevne, energiforbrug og ældning.

Arkitekturer til termisk styring

Elbilproducenter bruger flere metoder til at flytte varme ind i og ud af batteriet.

De vigtigste metoder er:

Passiv termisk styring
Luftkøling
Indirekte væskekøling
Direkte kølemiddelkøling
Integrerede kølemiddel- og varmepumpesystemer

De fleste moderne elbiler, der er udviklet til høj ladeeffekt, bruger aktiv væskekøling, ofte forbundet med bilens kølemiddelkredsløb gennem en varmeveksler eller chiller.

Passiv termisk styring

Et passivt styret batteri er primært afhængigt af varmebevægelse gennem:

Cellehuse
Modulstrukturer
Batterikapslingen
Bilens undervogn
Den omgivende luft

Metoden har få komponenter og bruger lidt energi.

Fordele

Lav pris
Lav vægt
Ingen pumper eller kølemiddel
Få servicepunkter
Lavt standbyforbrug

Begrænsninger

Begrænset evne til at fjerne varme
Stor afhængighed af omgivelsestemperaturen
Langsom opvarmning og køling
Vanskeligt at holde ensartede celletemperaturer
Dårligt egnet til gentagen opladning med høj effekt

Passiv termisk styring kan være tilstrækkelig til en bybil med lav effekt, men bliver stadig mere begrænsende, efterhånden som ladehastighed, batteristørrelse og vedvarende effekt stiger.

Luftkøling

Luftkølede systemer flytter omgivelses- eller kabineluft gennem eller omkring batteriet.

Luftstrømmen kan drives af blæsere eller bilens bevægelse.

Fordele

Enklere end væskekøling
Lavere vægt
Intet batterikølemiddelkredsløb
Reduceret risiko for kølemiddellækage

Begrænsninger

Luft kan transportere langt mindre varme end flydende kølemiddel
Kølingen afhænger i høj grad af lufttemperaturen
Luftkanaler optager plads
Det kan være vanskeligt at opretholde ensartet temperatur
Blæserstøj og strømforbrug stiger ved høj belastning

Et luftkølet batteri kan gennemføre én lynladning godt, men få svært ved at fjerne tilstrækkelig varme til gentagen opladning. Nissan dokumenterede faldende ladeeffekt fra den anden lynladning og frem i test af det luftstyrede LEAF e+-batteri. (Nissan)

Indirekte væskekøling

Indirekte væskekøling er den mest udbredte arkitektur i aktuelle elbiler med høj effekt.

Et kølemiddel af vand og glykol løber gennem:

Køleplader under cellerne
Kanaler ved siden af cellerækker
Ekstruderede sektioner i pakkegulvet
Plader i kontakt med cellernes brede flader
Kølestrukturer integreret i modulerne

Kølemidlet løber normalt ikke inde i cellerne. Varmen skal passere flere lag:

Cellens indre
Cellekapsling
Termisk grænseflademateriale
Køleplade
Kølemiddel

Det termiske grænseflademateriale kan være en pude, pasta, lim, gel eller et andet varmeledende lag, der udfylder små mellemrum mellem cellen eller modulet og kølepladen.

Audi Q4 e-tron bruger et særskilt lavtemperaturkredsløb til batteriet med en blanding af vand og glykol, der strømmer gennem flade kanaler under cellerummene. Termisk pasta forbinder cellerne med kølestrukturen, mens en højspændingsvarmer opvarmer kølemidlet i kulde. (Audi)

Fordele

Stor varmeoverføringsevne
Mere ensartet temperatur end med passiv styring eller luftkøling
Effektiv opvarmning og køling gennem de samme plader
Egnet til kørsel og opladning med høj effekt
Kan forbindes med radiator, chiller eller varmepumpe

Afvejninger

Tilføjer kølemiddel, pumper, ventiler, slanger og varmevekslere
Øger vægt og pris
Skaber mulige lækage- og servicepunkter
Kræver omhyggelig forsegling og korrosionsbeskyttelse
Køleydelsen afhænger af kontakten mellem celler og plader

Radiatorkøling

Når den omgivende luft er kold nok, kan batterikølemidlet afgive varme gennem en radiator.

Det er ofte den mest energieffektive køletilstand, fordi systemet måske kun kræver:

En kølemiddelpumpe
Luftstrøm gennem radiatoren
En køleblæser, når bilens hastighed ikke er tilstrækkelig

Radiatorkøling kan ikke sænke batteritemperaturen under den omgivende lufttemperatur. Den kan også blive utilstrækkelig i varmt vejr eller under opladning med høj effekt.

Køling med kølemiddelchiller

Når radiatoren ikke kan fjerne tilstrækkelig varme, kan kølemidlet passere gennem en chiller, der er forbundet med airconditionanlæggets kølemiddelkredsløb.

Chilleren overfører varme fra batterikølemidlet til kølemidlet i airconditionanlægget. Den elektriske kompressor flytter derefter varmen gennem airconditionsystemet og afgiver den uden for bilen.

En forenklet varmevej er:

Battericeller
    ↓
Køleplade
    ↓
Vand-glykol-kølemiddel
    ↓
Kølemiddelchiller
    ↓
Airconditionanlæggets kølemiddel
    ↓
Kondensator og udeluft

Det gør bilen i stand til at køle batteriet under omgivelsestemperaturen eller holde temperaturen under vedvarende termisk belastning.

Audi e-tron GT bruger fire indbyrdes forbundne kølemiddelkredsløb. Under høj køre- eller ladebelastning forbinder ventiler batterikredsløbet med airconditionanlæggets kølemiddelkredsløb for mere intensiv køling. (Audi)

Direkte kølemiddelkøling

Nogle konstruktioner placerer kølemiddelkanaler eller fordamperflader direkte mod batteriets kølestruktur i stedet for først at bruge et separat vand-glykol-kredsløb.

Det kan reducere antallet af varmeoverførselstrin og give stor køleydelse.

Afvejningerne omfatter:

Vanskeligere fordeling af kølemiddel
Større følsomhed over for tryk og forsegling
Mere komplekse serviceprocedurer
Risiko for ujævn køling, hvis kølemiddelstrømmen ikke styres godt
Tættere integration mellem batteri og HVAC-system

Indirekte væskekøling er fortsat udbredt, fordi den adskiller batterikølemiddelkredsløbet fra højtrykskølemiddelkredsløbet.

Integreret termisk styring

Moderne termiske elbilsystemer forbinder i stigende grad batteri, motorer, effektelektronik, ladeudstyr og kabine.

Afhængigt af de aktuelle forhold kan varme:

Fjernes fra batteriet
Genbruges til at opvarme kabinen
Flyttes fra drivlinjen til batteriet
Afgives gennem en radiator
Flyttes gennem kølemiddelkredsløbet
Trækkes fra udeluften med en varmepumpe

Audi Q6 e-tron bruger varmevekslere til kølemiddel og airconditionkølemiddel, mens det forudseende styresystem koordinerer opvarmning og køling af batteriet. Nissan beskriver tilsvarende et integreret system, der genbruger varme fra kørsel og opladning til batteriet og kabinen. (Audi)

Metoder til batteriopvarmning

Opvarmning af et koldt batteri kræver energi. Producenterne bruger forskellige energikilder.

Højspændingsvarmer til kølemiddel

En dedikeret elektrisk varmer kan opvarme kølemidlet, der løber gennem batteriets køleplader.

Varmelegemer med positiv temperaturkoefficient, eller PTC, bruges ofte, fordi deres elektriske modstand stiger, når de bliver varmere, og dermed hjælper med at begrænse for stor opvarmning.

Fordele

Fungerer ved næsten alle omgivelsesforhold
Leverer forudsigelig varmeeffekt
Kan opvarme batteriet uden kørsel
Forholdsvis enkel styring

Afvejninger

Elektrisk energi omdannes direkte til varme
Høj varmeeffekt kan reducere den tilgængelige rækkevidde
Tilføjer udstyr, vægt og pris

Audi bruger højspændingsvarmere i flere termiske elbilsystemer, herunder Q4 e-trons kølemiddelkredsløb. (Audi)

Opvarmning med varmepumpe

En varmepumpe flytter varme frem for at producere det hele med elektrisk modstand.

Mulige varmekilder omfatter:

Udeluft
Kølemiddel fra motor og inverter
Ladeudstyr
Afgangsluft fra kabinen
Kølemiddelkredsløbet

Under egnede forhold kan en varmepumpe flytte mere termisk energi end den elektriske energi, kompressoren bruger.

Ydeevnen falder, når temperaturforskellen stiger. Mange biler kombinerer derfor en varmepumpe med modstandsvarmere til hurtig opvarmning eller meget kolde forhold.

Genvinding af overskudsvarme

Motorer, invertere, indbyggede ladere og DC-DC-omformere udvikler varme under drift.

Et integreret termisk system kan omdirigere noget af varmen til:

Batteriet
Kabinen
Et andet kølemiddelkredsløb

Genvinding af overskudsvarme er nyttig under kørsel og opladning, men kan ikke altid levere tilstrækkelig varme efter en kold start. Nissan beskriver genbrug af varme fra drivlinje og opladning som en del af sin integrerede strategi for temperaturforberedelse. (Nissan)

Varme udviklet under kørsel

Selve kørslen opvarmer batteriet, fordi strømgennemgang udvikler varme.

En kold pakke kan gradvist genvinde ladeeffekt og regenerativ bremsning efter:

Motorvejskørsel
Stigninger
Kraftig acceleration
Vedvarende effektforbrug

Opvarmningen er ikke gratis. Varmen kommer fra energi, der går tabt gennem modstand og anden ineffektivitet.

Nogle biler kan bevidst skabe ekstra elektrisk belastning eller ændre drivlinjens drift før opladning. Om det bruges, og hvor kraftigt, afhænger af bilens termiske arkitektur.

Placering af køleplader

Kølefladens placering påvirker, hvor effektivt varmen kan bevæge sig gennem cellen.

Almindelige opbygninger omfatter:

Bundkøling
Sidekøling
Køling mellem cellerækker
Køling af brede flader
Køling af faner eller terminaler
Dobbeltsidet køling

Bundkøling

En plade under modulerne eller cellerne er forholdsvis let at integrere i en flad pakke. Varmen skal bevæge sig fra de øvre dele af en høj celle ned til kølepladen.

Side- eller bredfladekøling

Køling af de store flader på prismatiske celler eller pouch-celler kan forkorte varmevejen, men kræver ensartet mekanisk kontakt og kompression.

Køling mellem cellerækker

Kanaler mellem cylindriske celler giver et stort kontaktareal, men optager plads i pakken og skaber mange gentagne kølemiddelveje.

Dobbeltsidet køling

Køling af en stor celle fra begge sider reducerer den afstand, varmen skal bevæge sig, og kan forbedre temperaturens ensartethed.

Porsche Cayenne Electric bruger køleplader over og under hvert af sine seks moduler. Porsche oplyser, at pladerne både kan opvarme og køle batteriet og dermed hjælpe de store pouch-celler med at nå måltemperaturen mere effektivt. (Porsche Newsroom)

Ensartet temperatur

Det er ikke nok at reducere pakkens gennemsnitstemperatur. Det termiske system skal også minimere forskellene mellem cellerne og inde i hver celle.

Ujævn temperatur kan forårsage:

Forskellig cellemodstand
Ujævn strømfordeling
Forskellige ladetilstande
Lokal ældning
Lokal lithiumudfældning
At én cellegruppe når en spændingsgrænse tidligt
Reduceret brugbar kapacitet

Mulige problemområder omfatter:

Midten af store celler
Moduler langt fra kølemiddelindløbet
Celler tæt på kontaktorer og samleskinner
Tæt pakkede centrale moduler
Celler med dårlig kontakt til kølepladen
Områder, der udsættes for varme fra vej eller udstødning

Det termiske styringssystem, BMS'et, kølepladens konstruktion, celleformatet og pakkekompressionen bidrager alle til en ensartet temperatur. DOE-forskning i celler til ekstrem lynladning identificerer interne temperaturgradienter som årsag til ujævn degradering og en begrænsning for store celler, der kun køles fra én side. (US Department of Energy)

Temperaturforberedelse af batteriet

Temperaturforberedelse bringer pakken nærmere den temperatur, en planlagt opgave kræver.

Begrebet henviser oftest til forberedelse til DC-lynladning, men kan også omfatte:

Opvarmning før afgang
Køling før opladning
Forberedelse til høj motoreffekt
Opretholdelse af en egnet temperatur under AC-opladning

Temperaturforberedelse er ikke altid opvarmning. Et varmt batteri kan have brug for aktiv køling før ankomsten til en lynlader.

Temperaturforberedelse til lynladning

Når en DC-lynlader vælges i bilens navigationssystem, kan bilen beregne, hvor meget opvarmning eller køling der kræves før ankomst.

Input kan omfatte:

Aktuel batteritemperatur
Omgivelsestemperatur
Distance og køretid
Forventet SOC ved ankomst
Nylig kørselsbelastning
Forventet laderkapacitet
Rutens højdeforskelle og hastighed

Systemet tilpasser derefter opvarmning eller køling under rejsen.

Audi e-tron GT's termiske styring kan intensivere batterikølingen cirka en halv time før ankomsten til en planlagt lader med høj effekt eller opvarme pakken i kulde.

Temperaturforberedelse garanterer ikke maksimal ladeeffekt. Opladningen afhænger stadig af:

SOC ved ankomst
Laderens spænding og strøm
Cellespænding
Celleubalance
Pakketemperatur
Batteritilstand
Bilens ladekurve
Effektdeling på ladestedet

Manuel temperaturforberedelse

Nogle elbiler lader føreren starte batteriforberedelsen manuelt.

Det er nyttigt, når:

En telefon eller tredjepartsruteplanlægger bruges
Laderen mangler i bilens database
Det planlagte ladestop er ændret
Føreren ikke bruger rutevejledning
Bilen har valgt den forkerte ladertype
Opladning forventes tidligere, end navigationssystemet forudsiger

Manuel temperaturforberedelse kan stadig have begrænsninger:

En mindste SOC
Temperaturafhængig tilgængelighed
En fast maksimal driftstid
Automatisk nedlukning
Reduceret varmeeffekt ved lav SOC
Afbrydelse, hvis føreren skifter driftstilstand

Start af temperaturforberedelsen beviser heller ikke, at batteriet har nået måltemperaturen. Den tilgængelige forberedelsestid og varmekapacitet har fortsat betydning.

Temperaturforberedelse før afgang

Når elbilen er tilsluttet hjemmeopladning, kan planlagt temperaturforberedelse bruge netstrøm til at opvarme kabinen og i nogle biler batteriet.

Det kan reducere den mængde lagret batterienergi, der bruges umiddelbart efter afgang.

Tre funktioner bør ikke forveksles:

Temperaturforberedelse af kabinen
Temperaturforberedelse af batteriet
Opladning planlagt til at afslutte nær afgang

Nogle elbiler udfører alle tre. Andre opvarmer kun kabinen.

Det kan stadig hjælpe at afslutte opladningen kort før afgang, fordi opladning udvikler varme inde i cellerne. Et batteri, der netop er færdigopladet, kan begynde rejsen varmere end et batteri, der afsluttede opladningen mange timer tidligere.

En analyse fra det amerikanske energiministerium bemærker, at temperaturforberedelse, mens bilen er tilsluttet, lader energien komme direkte fra elnettet og kan reducere energitab ved koldstart på korte vinterture. (US Department of Energy)

Køling før lynladning

I varmt vejr eller efter krævende brug kan batteriet være for varmt og ikke for koldt.

Det kan ske efter:

Vedvarende kørsel med høj hastighed
Kørsel med anhænger
Bjergkørsel
Banekørsel
En tidligere lynladning
Parkering i stærkt sollys
Gentagen acceleration

Bilen kan begynde aktiv køling længe før ladestoppet. En stor pakke har betydelig termisk masse og kan ikke ændre temperatur øjeblikkeligt.

Temperaturforberedelsen kræver derfor tilstrækkelig køretid til at fjerne varme fra cellernes indre og ikke blot køle de målte overflader.

Hvorfor temperaturforberedelse kan stoppe ved lav SOC

Opvarmning og køling af batteriet bruger energi.

Ved lav SOC skal producenten afveje:

At nå laderen
At forberede batteriet
At bevare en reserve
At undgå for kraftig celleafladning
At opretholde kabinevarmen

Systemet kan reducere eller stoppe temperaturforberedelsen, når SOC falder under en defineret grænse.

Grænsen varierer mellem biler og kan ændres med software. Kia EV9-eksemplet ovenfor viser én udførelse og bør ikke fortolkes som en generel 12%-regel.

Energiforbrug og rækkevidde

Temperaturforberedelse af batteriet bruger energi. Når bilen ikke er tilsluttet, kommer energien fra drivbatteriet og reducerer den mængde, der er tilgængelig til fremdrift.

De vigtigste fordele er:

Kortere ladestop
Mere tilgængelig motoreffekt
Mere regenerativ bremsning
Reduceret risiko for skade ved opladning i kulde
Mere forudsigelig ydeevne

Et varmere batteri kan have lavere modstand, men det betyder ikke, at temperaturforberedelse altid øger den samlede rækkevidde. Den energi, der spares gennem reducerede tab, kan være mindre end den energi, opvarmningen bruger.

På en lang rejse med et lynladestop kan brug af batterienergi til temperaturforberedelse stadig reducere den samlede rejsetid betydeligt.

Når bilen er tilsluttet, giver netdrevet temperaturforberedelse normalt den tydeligste fordel for rækkevidden, fordi mindre lagret energi bruges før afgang.

Gentagen lynladning og termisk gennemvarmning

Maksimal ladeeffekt beskriver kun én del af ydeevnen på langture.

Efter én opladning forbliver der varme i:

Cellernes indre
Modulstrukturer
Køleplader
Kølemiddel
Samleskinner og terminaler
Batterikapslingen

Den ophobede varme kaldes ofte termisk gennemvarmning.

Det næste ladestop kan begynde med et varmere batteri, selv hvis instrumentpanelet ikke viser en advarsel. Det termiske system skal fjerne varme under rejsen og opretholde en tilstrækkelig ensartet temperatur før næste opladning.

Et godt langdistancesystem skal:

Forberede batteriet før første stop
Fjerne varme under opladning
Fortsætte kølingen efter afgang
Undgå for stor temperaturstigning ved næste stop
Opretholde gentagelig ladeeffekt
Begrænse unødvendigt forbrug fra kompressor og blæsere

Audi e-tron GT bruger indbyrdes forbundne kølemiddel- og refrigerantkredsløb til at understøtte gentagen høj effekt og lynladning. Den rutebaserede termiske strategi kan opvarme eller køle batteriet før ladestoppet. (Audi)

To elbiler med samme oplyste spidseffekt kan derfor yde forskelligt over flere opladninger.

Vedvarende ydeevne

Termisk styring bestemmer også, hvor længe en elbil kan opretholde høj motoreffekt.

Et batteri kan understøtte meget høj effekt i flere sekunder, men kræve lavere vedvarende effekt på grund af:

Cellernes varmeudvikling
Inverter- eller motortemperatur
Kølemiddeltemperatur
Radiatorkapacitet
Kølemiddelsystemets kapacitet
Omgivelsesforhold

Det har betydning under:

Autobahn-kørsel
Kørsel med anhænger
Lange bjergstigninger
Banekørsel
Gentagen acceleration

En kraftig motor garanterer ikke gentagelig ydeevne, hvis batteriet og det termiske system ikke kan understøtte den.

Termisk styring under parkering

Batteriet kan fortsætte med at varme eller køle efter:

Lynladning
Krævende kørsel
Parkering i ekstrem varme
Tilslutning til AC-opladning
Afslutning af en planlagt tur

Førere kan høre:

Kølemiddelpumper
Blæsere
Ventiler
Airconditionkompressoren
Elektriske varmelegemer

Det kan være normalt, selv efter bilen er låst.

Bilen opretholder normalt ikke batteriets ideelle lynladningstemperatur på ubestemt tid. I stedet tillader den et bredere temperaturvindue under parkering og griber ind, når det er nødvendigt af hensyn til beskyttelse, opladning eller en planlagt afgang.

Strategierne varierer mellem biler. Nogle biler temperaturregulerer kun aktivt batteriet, når de er tilsluttet, mens andre kan bruge energi fra drivbatteriet, når temperaturen nærmer sig beskyttelsesgrænserne.

Kemispecifik termisk adfærd

Kravet til termisk styring afhænger delvist af cellekemien, men hele bilens konstruktion er fortsat afgørende.

Nikkelrig lithium-ion

NMC-, NCA- og NCMA-celler kan levere høj energitæthed og effekt.

Deres ydeevne afhænger af omhyggelig styring af:

Høj temperatur
Høj cellespænding
Ladestrøm
Ensartet køling
Tid ved høj SOC

Nikkelrige celler bruges bredt i biler, der kræver lang rækkevidde og høj effekt, men stiller store krav til køling og styring.

Lithium-jernfosfat

LFP giver stor termisk stabilitet og lang cykluslevetid.

Den vigtigste termiske begrænsning er drift i kulde. Kolde LFP-celler kan vise:

Større ladebegrænsning
Reduceret regenerativ bremsning
Lavere effekt
Vanskeligere SOC-beregning
Større afhængighed af aktiv opvarmning

Et godt opvarmet LFP-batteri kan stadig levere god vinterladeydelse. Kemien alene bestemmer ikke resultatet.

Natrium-ion

Nogle natrium-ion-konstruktioner udvikles specifikt til drift over et bredt temperaturområde.

CATL oplyser, at virksomhedens Naxtra-natrium-ion-celle til personbiler bevarer 90% brugbar effekt ved −40°C. Det er en producentspecifikation for det konkrete produkt og ikke en universel egenskab ved alle natrium-ion-celler. (CATL)

Natrium-ion-pakker kræver stadig termisk styring, fordi:

Opladning udvikler varme
Celleældning fortsat afhænger af temperaturen
Ensartet temperatur har betydning
Effekt- og ladegrænser stadig ændrer sig med temperaturen
Kabine og drivlinje deler termiske ressourcer

Termisk styring og batteriældning

Termisk styring påvirker både cyklus- og kalenderældning.

Et godt system begrænser:

Lange perioder ved for høj temperatur
Lynladning, når cellerne er for kolde
Store forskelle mellem celletemperaturer
Gentagen brug med høj effekt uden tilstrækkelig køling
Lokale varmepunkter
Langvarig eksponering for høj temperatur og høj SOC

Målet er ikke at holde batteriet ved én temperatur hele tiden. Det ville bruge for meget energi.

I stedet bruger systemet forskellige temperaturmål til:

Kørsel
Lynladning
Parkering
AC-opladning
Høj effekt
Batteribeskyttelse

En bil med effektiv køling kan bevidst lade cellerne blive varme under lynladning og fjerne varmen bagefter. Kortvarig, kontrolleret opvarmning er noget andet end langvarig varmepåvirkning.

Normal køling er ikke beskyttelse mod termisk runaway

Normal termisk styring fjerner varme, der udvikles under almindelig opladning og kørsel.

Termisk runaway er en anden tilstand. Den omfatter selvforstærkende interne reaktioner, der kan frigive varme hurtigere, end det normale kølesystem kan fjerne den.

Hvis termisk runaway begynder inde i en celle, kan åbning af kontaktorerne og drift af kølemiddelpumperne muligvis ikke standse reaktionen. Energien er allerede lagret kemisk inde i cellen.

Beskyttelsen afhænger også af:

Cellekemi
Produktionskvalitet
Afstand mellem celler
Termiske barrierer
Udluftningsretning
Veje til gashåndtering
Trykaflastning i pakken
Fejlregistrering
Kollisionsbeskyttelse
Forebyggelse af spredning til naboceller

Termisk styring hjælper med at forhindre, at cellerne når misbrugsforhold under normal brug, men erstatter ikke dedikeret beskyttelse mod termisk spredning. NREL behandler normal temperaturstyring af pakken og indeslutning af termisk misbrug som beslægtede, men separate tekniske problemer. (NREL)

Afvejninger i det termiske system

Et bedre termisk system er ikke gratis.

Det tilføjer:

Vægt
Pris
Kølemiddel
Pumper
Ventiler
Varmevekslere
Kølemiddelkomponenter
Sensorer
Softwarekompleksitet
Elektrisk forbrug
Service- og lækagepunkter

En stor chiller og kompressor kan understøtte gentagen opladning med høj effekt, men optager mere plads og bruger mere energi.

Et enklere system kan være helt passende i en billig bybil, der sjældent lynlader. Det samme system kan være utilstrækkeligt i en langtrækkende bil, der skal klare gentagen opladning, kørsel med anhænger eller vedvarende høj hastighed.

Teknologier til termisk styring indebærer derfor afvejninger mellem ydeevne, pris, effektivitet, indbygning og holdbarhed. DOE's teknologikøreplaner identificerer tilsvarende ekstra vægt, pris og kompleksitet som centrale begrænsninger ved termisk styring. (US Department of Energy)

Hvad bør elbilkøbere sammenligne?

Producenterne offentliggør sjældent tilstrækkelige tekniske detaljer til en direkte sammenligning af kølesystemernes udstyr. Virkelig adfærd giver bedre dokumentation.

Nyttige spørgsmål omfatter:

Temperaturforbereder bilen automatisk, når den navigerer til en lader?
Kan temperaturforberedelsen også startes manuelt?
Opvarmer en planlagt afgang batteriet eller kun kabinen?
Hvor lang tid behøver batteriet til forberedelse om vinteren?
Ved hvilken SOC stopper temperaturforberedelsen?
Kan bilen opretholde ladehastigheden over gentagne stop?
Hvordan er ladeydelsen i varmt vejr?
Er regenerativ bremsning stærkt begrænset, når batteriet er koldt eller fuldt?
Bevarer bilen motoreffekten under kørsel med anhænger eller vedvarende høj hastighed?
Kan batteritemperaturen vises til føreren?
Fortsætter bilen kølingen efter opladning?
Er en varmepumpe standard, ekstraudstyr eller ikke tilgængelig?

Maksimal ladeeffekt siger alene kun lidt om den termiske ydeevne. Det mere nyttige mål er, om elbilen kan ankomme til en lader med et forberedt batteri, opretholde en stærk ladekurve og gentage ydeevnen gennem hele rejsen.

Se Batteriopladning og ladeydelse, Batteridegradering og Sikkerhed og fejlhåndtering for elbilbatterier for beslægtet batteriadfærd.