Batteripakke og konfigurasjon

En elbilbatteripakke kombinerer celler med elektriske forbindelser, kjøleutstyr, styreelektronikk og beskyttende strukturer til et høyspenningssystem for energilagring.

Den elektriske konfigurasjonen bestemmer spenning, kapasitet og strømkapasitet, mens den fysiske integrasjonen påvirker vekt, kjøling, kollisjonsbeskyttelse, plassutnyttelse, reparerbarhet og energitetthet på pakkenivå.

Hva finnes i en batteripakke?

Cellene lagrer energien, men de er bare én del av den komplette batteripakken.

En typisk elbilbatteripakke inneholder:

• Battericeller
• Moduler eller andre strukturer som grupperer cellene
• Samleskinner og høyspenningsledere
• Elektronikk for celleovervåking
• Hovedkontaktorer for positiv og negativ pol
• Sikringer og pyrotekniske frakoblingsenheter
• Strøm-, spennings- og isolasjonssensorer
• En servicefrakobling
• Kjøleplater og kjølemiddelkanaler
• Termiske grensesnittmaterialer
• Et forseglet batterikabinett
• Beskyttelse mot kollisjon og inntrenging
• Trykkavlastning og kanaler for gasshåndtering
• Høyspenningskontakter og koblingspunkter

Hovedkontaktorene kobler cellene fra resten av bilen når høyspenningssystemet slås av. Cellene forblir sammenkoblet og elektrisk spenningssatt inne i batteripakken.

En konvensjonell sikring beskytter mot for høy strøm, mens en pyroteknisk frakoblingsenhet raskt kan bryte en høyspenningsforbindelse ved en alvorlig kollisjon eller elektrisk feil.

Batteristyringssystemet overvåker og styrer batteripakken, mens termisk styring av batterier forklarer kjøle- og varmesystemene mer detaljert.

Batterikonfigurasjon

Batterikonfigurasjonen beskriver hvordan cellene er koblet elektrisk.

De to grunnleggende koblingsmåtene er:

• Seriekobling, som øker spenningen
• Parallellkobling, som øker kapasiteten i amperetimer og strømkapasiteten

De fleste elbilbatterier bruker en kombinasjon av begge.

Seriekoblinger

Når identiske celler eller cellegrupper seriekobles, summeres spenningene deres.

Den samme strømmen går gjennom hver celle eller parallellgruppe i seriekjeden.

Batteripakkens spenning = Antall seriegrupper × Cellespenning

Hvis 100 celler med en nominell spenning på 3,7 volt seriekobles, blir batteripakkens nominelle spenning omtrent 370 volt.

Kapasiteten målt i amperetimer øker ikke når identiske celler bare seriekobles.

Parallellkoblinger

Når identiske celler parallellkobles, forblir spenningen den samme, mens kapasiteten deres i amperetimer summeres.

Parallellgruppens kapasitet =
Antall parallellkoblede celler × Cellekapasitet

Fire celler på 72 Ah som parallellkobles, danner en gruppe på 288 Ah.

Parallellkoblede celler deler også strømmen. Under balanserte forhold fører hver av fire identiske parallellkoblede celler omtrent en firedel av gruppestrømmen.

Den faktiske strømfordelingen kan variere noe på grunn av forskjeller i:

• Indre motstand
• Temperatur
• Cellenes alder
• Elektriske forbindelser
• Produksjonstoleranser

BMS-et overvåker vanligvis parallellkoblede celler som én spenningsgruppe fordi de har samme terminalspenning.

Slik forstås s- og p-notasjon

Batterikonfigurasjoner skrives vanligvis med:

• s for serie
• p for parallell

En 3s4p-konfigurasjon inneholder:

• Tre grupper som er seriekoblet
• Fire celler som er parallellkoblet i hver gruppe
• Til sammen tolv fysiske celler

Det totale antallet celler er:

Totalt antall celler = Antall i serie × Antall i parallell

For en batteripakke med identiske celler:

Batteripakkens nominelle spenning =
Antall i serie × Nominell cellespenning

Batteripakkens kapasitet i Ah =
Antall i parallell × Cellekapasitet

Batteripakkens nominelle energi i Wh =
Nominell batterispenning × Batterikapasitet

Spenning multiplisert med amperetimer gir en omtrentlig nominell energiverdi.

Cellespenningen endres kontinuerlig med ladenivået, så denne beregningen er ikke et eksakt mål på energien batteriet kan levere gjennom en full utlading. Produsentene kan også definere oppgitt kapasitet eller bruttokapasitet ved hjelp av metoder for cellekarakterisering som avviker noe fra denne enkle beregningen.

Eksempel: Audi Q8 55 e-tron

Batteriet i Audi Q8 55 e-tron inneholder 432 prismatiske celler fordelt på 36 moduler. Hver modul inneholder 12 celler.

Audi oppgir:

• 114 kWh bruttokapasitet
• 106 kWh brukbar kapasitet
• 396 V nominell spenning
• 36 moduler
• 432 celler

Hver modul har en 3s4p-konfigurasjon. Hele batteripakken er derfor 108s4p. (Audi)

Med de nominelle celleverdiene:

• Cellespenning: Omtrent 3,6667 V
• Cellekapasitet: 72 Ah
• Parallellgruppens kapasitet: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Modulspenning: 3 × 3,6667 V = omtrent 11 V
• Modulkapasitet: 288 Ah

De 36 modulene er seriekoblet:

• Full konfigurasjon: 108s4p
• Batteripakkens spenning: 36 × 11 V = 396 V
• Batteripakkens kapasitet: 288 Ah
• Nominell energi: 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh

Resultatet er omtrent 114 kWh, i samsvar med bruttokapasiteten Audi har publisert.

Dette eksemplet viser to viktige prinsipper:

• Seriekobling av celler eller moduler øker spenningen
• Seriekobling av moduler øker ikke kapasiteten i amperetimer

Eksempel: Porsche Macan Electric

Porsche Macan Electric har:

• 100 kWh bruttokapasitet
• Omtrent 95 kWh brukbar kapasitet
• 12 moduler
• 15 prismatiske celler seriekoblet i hver modul
• Til sammen 180 celler
• En arkitektur i 800-voltsklassen

Hele batteripakken kan derfor beskrives som 180s1p. Hver store prismatiske celle gir allerede den nødvendige kapasiteten i amperetimer, så det er ikke behov for parallellkoblede fysiske celler i hver serieposisjon.

Porsche opplyser også at de 12 modulene og flere andre viktige komponenter i batteripakken kan skiftes enkeltvis. (Porsche Newsroom)

Dette skiller seg vesentlig fra en batteripakke med tusenvis av små sylindriske celler, selv om begge konstruksjonene utfører de samme grunnleggende funksjonene.

Illustrativ batteripakke med små sylindriske celler

Tenk deg en batteripakke med 4,416 sylindriske celler konfigurert som 96s46p.

Anta at hver celle har:

• Nominell spenning: 3,7 V
• Kapasitet: 4,8 Ah

Da får batteripakken:

Batteripakkens spenning = 96 × 3,7 V
                         = 355,2 V

Batteripakkens kapasitet = 46 × 4,8 Ah
                          = 220,8 Ah

Nominell energi = 355,2 V × 220,8 Ah
                = omtrent 78,4 kWh

Dette er en illustrativ konfigurasjon, ikke en spesifikasjon for alle biler med et lignende antall celler.

Faktiske batteripakker med sylindriske celler varierer med:

• Cellekapasitet
• Cellekjemi
• Leverandør
• Fabrikk
• Modellår
• Batteriversjon
• Brukbart spenningsvindu

Eksempler på batterikonfigurasjoner

Produsentene publiserer ikke alltid fullstendig sXp-notasjon. Konfigurasjoner merket med stjerne er utledet fra publiserte celle- og moduloppsett.

Batteri	År	Brutto- eller oppgitt kapasitet	Celler/moduler	Konfigurasjon	Nominell spenning eller arkitekturspenning
Mitsubishi i-MiEV, amerikansk spesifikasjon	2012	16,3 kWh	88 celler	88s1p*	325,6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	264 celler / 27 moduler	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, 35,8 kWh-generasjonen	2017	35,8 kWh	264 celler / 27 moduler	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 celler / 36 moduler	108s4p	396 V
Audi Q6 e-tron / A6 e-tron PPE-batteri	2024	100 kWh	180 celler / 12 moduler	180s1p*	800-voltsklassen
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 celler / 12 moduler	180s1p*	800-voltsklassen
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh oppgitt	384 celler	Ikke offisielt publisert	337 V oppgitt
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 poseceller / 6 moduler	Ikke offisielt publisert	800-voltsklassen

Testbatteriet fra Mitsubishi i-MiEV hadde 88 celler, en oppgitt kapasitet på 50 Ah, en oppgitt energi på 16,3 kWh og en nominell spenning på 325,6 V. (US Department of Energy)

Den opprinnelige e-Golf hadde 264 celler, 27 moduler, 323 V og 24,2 kWh. Den senere 35,8 kWh-versjonen beholdt det samme antallet celler og moduler, den samme nominelle spenningen og den samme publiserte batterimassen. (VW Press)

Audi PPE-batteriet bruker 12 moduler og 180 store prismatiske celler i stedet for de 36 modulene og 432 cellene i Q8 e-tron. (Audi)

NIO oppgir 384 celler, 337 V oppgitt spenning, 446 Ah og 575 kg for sitt 150 kWh-batteri, men gir ikke nok offentlig informasjon til at en pålitelig fullstendig sXp-konfigurasjon kan angis. (NIO)

Porsche Cayenne Electric bruker seks moduler og 192 store poseceller i et funksjonsintegrert batteri. (Porsche Newsroom)

Spenning, strøm og effekt

Elektrisk effekt avhenger av spenning og strøm:

Effekt = Spenning × Strøm

Den samme effekten kan overføres med:

• Høyere spenning og lavere strøm
• Lavere spenning og høyere strøm

En idealisert overføring på 300 kW krever:

Ved 400 V:

Strøm = 300,000 W ÷ 400 V
      = 750 A

Ved 800 V:

Strøm = 300,000 W ÷ 800 V
      = 375 A

800-voltssystemet overfører den samme effekten med halvparten så høy strøm.

Elektriske tap i ledere kan tilnærmes slik:

Resistivt tap = Strøm² × Motstand

Hvis motstanden forblir uendret, reduseres det resistive tapet til en firedel når strømmen halveres.

Virkelige biler er mer kompliserte fordi dimensjonene på lederne, kontaktmotstand, halvledere, kjøling og faktisk batterispenning også endres. Beregningen forklarer likevel hvorfor høyere spenning blir attraktivt når ladeeffekten og drivlinjeeffekten øker.

Systemer i 400- og 800-voltsklassen

Betegnelsene 400 volt og 800 volt beskriver brede systemklasser, ikke faste batterispenninger.

Batterispenningen endres med:

• Ladenivå
• Cellekjemi
• Temperatur
• Strøm
• Antall seriekoblede celler
• Produsentens spenningsgrenser

Et batteri som markedsføres som 400 volt, kan fungere fra det lave 300-voltsområdet til over 400 V.

En batteripakke i 800-voltsklassen kan ha en nominell spenning nærmere 650–750 V og samtidig nærme seg eller overstige 800 V ved et høyt ladenivå.

Systemer i 400-voltsklassen

En arkitektur i 400-voltsklassen er fortsatt tilstrekkelig for mange vanlige elbiler.

Fordeler

• Modne og lett tilgjengelige komponenter
• Lavere komponentkostnader
• Enkel kompatibilitet med eksisterende ladere
• Mindre krevende isolasjonskrav
• Tilstrekkelig effekt for mange personbiler
• Etablerte reparasjons- og produksjonsprosesser

Kompromisser

• Høyere strøm ved samme effekt
• Større strømførende ledere ved svært høy effekt
• Mer varme i kontakter og kabler
• Større utfordringer med å oppnå ekstrem ladeeffekt
• Høyere strømkrav for drivlinjer med høy ytelse

Et godt batteri i 400-voltsklassen kan fortsatt lade svært raskt når det kombinerer celler med høy strømkapasitet, effektiv kjøling og en bred ladekurve.

Systemer i 800-voltsklassen

En arkitektur i 800-voltsklassen reduserer strømmen som kreves for en gitt effekt.

Fordeler

• Lavere strøm ved høy ladeeffekt
• Reduserte tap i lederne
• Mulighet for mindre eller lettere høyspenningskabler
• Høyere effekt innenfor kontaktenes strømgrenser
• Effektiv overføring av høy drivlinjeeffekt
• Godt egnet for lading med høy effekt

Kompromisser

• Dyrere høyspenningskomponenter
• Mer krevende isolasjon og krypavstander
• Større krav til kontaktorer og sensorer
• Mer kompleks kraftelektronikk
• Kompatibilitetsutfordringer med ladere med lavere spenning
• Høyere utviklings- og valideringskostnader

Høyere spenning garanterer ikke raskere lading.

Ladeytelsen avhenger også av:

• Cellekjemi
• C-rate for cellene
• Batteritemperatur
• Ladekurve
• Strømgrenser
• Kjølekapasitet
• Ladenivå
• Laderens kapasitet

Lading av et 800-voltsbatteri med en lader med lavere spenning

En lader må levere tilstrekkelig spenning til å drive strøm inn i batteriet.

Et batteri i 800-voltsklassen kan vanligvis ikke lades direkte fra en lader med maksimal utgangsspenning langt under batteripakkens spenning.

Produsentene løser dette på flere måter:

• En egen DC-spenningsomformer
• Bruk av motoren og vekselretteren som del av en spenningsøkningskrets
• Omkonfigurering av batteriet til banker med lavere spenning
• Begrenset ladekapasitet med inkompatible ladere

Banklading

Banklading endrer batteriets elektriske konfigurasjon under lading.

Porsche Macan kan dele 800-voltsbatteriet sitt i to separate 400-voltskretser. De to batterihalvdelene lades deretter samtidig med opptil 135 kW uten en separat høyspenningsomformer. (Porsche Newsroom)

Cellene flyttes ikke, og batteripakken deles ikke fysisk. Høyspenningsbrytere endrer hvordan delene er koblet elektrisk.

Dette viser at batterikonfigurasjonen ikke nødvendigvis er fast i alle driftsmoduser.

Batteripakkearkitekturer

Den elektriske konfigurasjonen beskriver hvordan cellene er koblet.

Batteripakkearkitekturen beskriver hvordan cellene, kjølesystemet, kabinettet, modulene og bilstrukturen er fysisk integrert.

De viktigste løsningene omfatter:

• Modulbaserte batteripakker
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body eller Cell-to-Chassis
• Strukturelle eller funksjonsintegrerte batteripakker

Disse kategoriene overlapper.

Et strukturelt batteri kan fortsatt inneholde moduler. En Cell-to-Pack-konstruksjon kan fortsatt bruke interne rammer, komprimerte rekker, banker eller andre strukturer som grupperer cellene.

Modulbaserte batteripakker

I en tradisjonell modulbasert batteripakke monteres cellene i moduler før modulene installeres i batterikabinettet.

Celle → Modul → Batteripakke → Bil

Moduler kan inneholde:

• Cellerammer
• Kompresjonsstrukturer
• Samleskinner
• Elektronikk for celleovervåking
• Kjølegrensesnitt
• Elektrisk isolasjon
• Mekanisk beskyttelse
• Kontakter på modulnivå

Fordeler med modulbaserte batteripakker

• Skalerbarhet: Ulike kapasiteter kan oppnås med et ulikt antall moduler.
• Adskilt produksjon: Modulmonteringen og den endelige batteripakkemonteringen kan testes separat.
• Kontrollerte cellegrupper: Kompresjon, elektriske forbindelser og kjøling kan styres innenfor definerte enheter.
• Mulig reparerbarhet: En defekt modul kan kanskje skiftes uten å skifte hele batteripakken.
• Leverandørfleksibilitet: Moduler kan danne et grensesnitt mellom celleproduksjon og bilmontering.
• Gjenbruk av plattform: Én modulutforming kan noen ganger brukes i flere biler.

Kompromisser med modulbaserte batteripakker

• Mer inaktivt materiale: Rammer, deksler, festemidler og kontakter øker massen.
• Flere deler: Det kreves flere hus, tetninger, samleskinner og grensesnitt.
• Lavere pakkeeffektivitet: Det kreves plass rundt både celler og moduler.
• Flere monteringstrinn: Moduler krever separat produksjon, testing, transport og installasjon.

Tilstedeværelsen av moduler gjør ikke automatisk en batteripakke reparerbar.

Reparerbarheten avhenger også av:

• Tilgang til batteripakken
• Lim og tetningsmidler
• Utformingen av kjølekretsen
• Tilgang på reservedeler
• Diagnosestøtte
• Programmering av BMS
• Produsentens reparasjonsprosedyrer

Porsche Macan Electric er et moderne eksempel på en reparasjonsvennlig, modulbasert batteripakke. Porsche opplyser at de 12 modulene og andre hovedkomponenter kan skiftes enkeltvis. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, ofte forkortet CTP, fjerner eller reduserer det konvensjonelle mellomliggende modulkabinettet.

Celle → Batteripakke → Bil

Cellene kan fortsatt plasseres i:

• Rekker
• Komprimerte grupper
• Interne rammer
• Banker
• Strukturelle matriser

CTP betyr ikke nødvendigvis at hver celle ligger løst i ett udelt kabinett.

Fordeler med Cell-to-Pack

• Bedre utnyttelse av batteripakkens volum: Mindre volum opptas av modulvegger og -deksler.
• Lavere inaktiv masse: Det kreves færre mellomliggende hus og festemidler.
• Færre deler: Elektriske og strukturelle grensesnitt kan slås sammen.
• Mulig kostnadsreduksjon: Når gjentatte komponenter fjernes, kan monteringen forenkles.
• Tettere kjøleintegrasjon: Cellene kan kobles direkte til kjølestrukturer på pakkenivå.
• Færre forbindelser: Store celler og direkte integrasjon kan redusere antallet samleskinner og kontakter.

Kompromisser med Cell-to-Pack

• Større ansvar på pakkenivå: Kjøling, kompresjon, isolasjon og beskyttelse mot varmeutbredelse må løses for større seksjoner.
• Mer integrert produksjon: En produksjonsfeil kan påvirke en større enhet.
• Mindre modulær utskifting: Cellegrupper kan være vanskelige å fjerne uavhengig av hverandre.
• Plattformavhengighet: Celledimensjoner, kjøling, batterikabinett og bilgulv er tett sammenkoblet.
• Mulig reparasjonskostnad: Skade på én seksjon kan gjøre det nødvendig å skifte en større del av batteripakken.

CATL Qilin

CATL beskriver Qilin som en tredjegenerasjons CTP-arkitektur.

CATL oppgir en utnyttelse av batteripakkens volum på 72 % for konstruksjonen. Dette er en spesifikasjon for Qilin, ikke et resultat som gjelder alle CTP-batterier.

Betydningen går lenger enn å fjerne konvensjonelle modulhus. Qilin integrerer kjøling, struktur, termisk beskyttelse og celler på pakkenivå.

Volkswagen Unified Cell og Cell-to-Pack

Volkswagen-konsernets Unified Cell er en standardisert plattform for prismatiske celler, utviklet for bruk med et nytt Cell-to-Pack-batterisystem.

Den brede celleplattformen er ment å støtte:

• NMC
• LFP
• Natriumion
• Mulig fremtidig faststoffteknologi

Den første PowerCo Unified Cell produsert i Salzgitter bruker NMC-kjemi. LFP-varianter er planlagt. (Volkswagen Group)

Unified Cell viser hvorfor celleformat og grensesnitt mot batteripakken kan standardiseres uten at alle biler må bruke samme kjemi.

BYD Blade Battery

BYDs Blade Battery bruker lange prismatiske LFP-celler som plasseres direkte i batteripakken uten konvensjonelle mellomliggende moduler.

De lange cellene bidrar også til den interne mekaniske strukturen i batteripakken.

Mye av plasseffektiviteten kommer fra samspillet mellom:

• Celledimensjoner
• Batteripakkens bredde
• Kjøling
• Strukturell støtte
• Modulfri montering

Resultatet bør ikke tilskrives LFP-kjemien eller den lange celleformen alene.

Cell-to-Body og Cell-to-Chassis

Cell-to-Body, eller CTB, integrerer batteriet tettere med karosseriet.

Cell-to-Chassis, eller CTC, brukes om lignende konsepter, selv om produsentene ikke bruker begrepene konsekvent.

Batteriet kan dele funksjoner med:

• Gulvet i kupeen
• Tverrbjelker
• Understell
• Sidestrukturer
• Strukturer for setefester
• Baner for kollisjonskrefter

Skillet mellom avansert CTP og CTB er ikke alltid tydelig. Det avhenger av hvilke deler og funksjoner batteripakken og karosseriet deler.

BYD Seal Cell-to-Body

BYD Seal bruker et Cell-to-Body-system der batteriet og gulvet i karosseriet danner en tett integrert, sandwichlignende struktur.

Batteriet fungerer både som:

• Et energilagringssystem
• Et strukturelt element i bilen

Fordeler med CTB og CTC

• Færre dupliserte strukturlag
• Mer innvendig plass ved en gitt kjøretøyhøyde
• Mulig reduksjon av systemmassen
• Økt karosseristivhet
• Lavere tyngdepunkt
• Bedre plassutnyttelse

Kompromisser med CTB og CTC

• Utviklingen av batteriet og karosseriet blir tett sammenkoblet
• Kollisjonsreparasjoner kan omfatte både batteri- og karosseristrukturer
• Fjerning av batteripakken kan kreve mer omfattende demontering
• Plattformendringer kan kreve et nyutviklet batteri
• Tetning og korrosjonsbeskyttelse blir mer kritisk
• Dimensjonstoleransene blir mer krevende

Strukturelle og funksjonsintegrerte batteripakker

Et strukturelt batteri bærer betydelige laster i bilen i stedet for bare å fungere som en energilagringsenhet montert under karosseriet.

En strukturell batteripakke kan bruke:

• Celler som er limt direkte inn i et strukturelt kabinett
• Store strukturelle cellematriser
• Moduler montert i et karosseriintegrert batteri
• Et batterideksel som også utgjør en del av kupegulvet

Strukturell integrasjon og bruk av moduler er separate konstruksjonsvalg.

Teslas strukturelle batteripakke

Tesla begynte i 2022 å produsere utvalgte Model Y-biler med egenproduserte 4680-celler, store støpte karosserideler og en strukturell batteripakke.

Tesla har også produsert Model Y-varianter med konvensjonelle, ikke-strukturelle batteripakker med 2170-celler. Batteriarkitekturen avhenger derfor av bilversjon og fabrikk.

Porsche Cayenne Electric

Porsche Cayenne Electric bruker det Porsche kaller et funksjonsintegrert høyspenningsbatteri.

Batteriet:

• Er direkte integrert i bilstrukturen
• Bidrar til karosseriets stivhet
• Inneholder seks moduler
• Inneholder 192 store poseceller
• Har 113 kWh bruttokapasitet
• Bruker tosidig modulkjøling

Det er et nyttig eksempel på et strukturelt integrert batteri som fortsatt er modulært, fremfor å bruke en modulbasert CTP-arkitektur. (Porsche Newsroom)

Fordeler med strukturelle batteripakker

• Mindre duplisering mellom strukturene i batteripakken og karosseriet
• Mulig lavere samlet systemmasse
• Bedre utnyttelse av høyden
• Økt karosseristivhet
• Lavere tyngdepunkt
• Færre store kjøretøykomponenter

Kompromisser med strukturelle batteripakker

• Utviklingen av batteriet og bilen kan ikke skilles
• Strukturelle skader kan påvirke batterikabinettet
• Fjerning av batteripakken og karosserireparasjoner kan bli mer komplisert
• Produksjonstoleransene blir mer krevende
• Batteriet kan være vanskelig å gjenbruke på en annen plattform
• Reparasjoner krever detaljerte prosedyrer fra produsenten

Videoen nedenfor gir en detaljert analyse av Teslas strukturelle batteripakke fra Munro & Associates.

Batteripakkearkitektur og reparerbarhet

Det er fristende å rangere batteriarkitekturene slik:

Moduler = reparerbart

Cell-to-Pack = vanskelig å reparere

Strukturell batteripakke = ikke reparerbar

Virkeligheten er mer komplisert.

Reparerbarheten avhenger av:

• Om dekselet kan åpnes uten å ødelegges
• Om moduler eller cellegrupper kan fjernes
• Strukturlim, skum og innstøpingsmaterialer
• Tilgang til kjøleplater
• Kjølemiddelforbindelser
• Tilgang på moduler og elektronikk
• Diagnoseverktøy
• Programmering av BMS og sammenkobling av komponenter
• Godkjente reparasjonsprosedyrer
• Skade på batterikabinettet eller bilstrukturen

Et konvensjonelt modulbasert batteri kan likevel bli skiftet som én komplett enhet hvis produsenten ikke leverer moduler eller reparasjonsinstruksjoner.

Et strukturelt integrert batteri kan fortsatt inneholde utskiftbare:

• Moduler
• Kontaktorer
• Sikringer
• Sensorer
• Styreenheter
• Kjølemiddelkomponenter

Porsche Cayenne Electric viser at strukturell integrasjon og modulær konstruksjon kan kombineres.

Batteripakkearkitekturen påvirker reparasjonsmulighetene, men avgjør dem ikke alene.

Energitetthet på pakkenivå

Energitetthet på cellenivå beskriver energien som lagres i cellene i forhold til masse eller volum.

Energitetthet på pakkenivå omfatter alt som kreves for å drive, koble sammen, kjøle og beskytte cellene:

• Cellehus
• Modulstrukturer
• Batterikabinett
• Kjølesystem
• Samleskinner og ledninger
• Kontaktorer og sikringer
• Styreelektronikk
• Kollisjonsbeskyttelse
• Tetninger og festemidler
• Termiske grensesnittmaterialer

Gravimetrisk energitetthet på pakkenivå er:

Gravimetrisk energitetthet på pakkenivå =
Batteripakkens energi i Wh ÷ Komplett batteripakkemasse i kg

Volumetrisk energitetthet på pakkenivå er:

Volumetrisk energitetthet på pakkenivå =
Batteripakkens energi i Wh ÷ Batteripakkens ytre volum i liter

En celle med høy energitetthet kan likevel gi en forholdsvis tung batteripakke hvis den krever omfattende kjøling, innkapsling eller strukturelt utstyr.

En kjemi med lavere energitetthet, som LFP, kan oppnå et respektabelt resultat på pakkenivå gjennom effektiv integrasjon, men den lavere energitettheten på cellenivå forsvinner ikke helt.

Utviklingen i energitetthet på pakkenivå

Tabellen bruker bruttoenergi eller produsentens oppgitte energi fremfor brukbar energi.

Verdiene bør betraktes som representative eksempler, ikke som en laboratoriesammenligning. Produsentene definerer ikke alltid batteripakkens masse eller oppgitte energi på nøyaktig samme måte.

Batteripakke	År eller generasjon	Brutto- eller oppgitt kapasitet	Batteripakkens masse	Beregnet energitetthet
Mitsubishi i-MiEV, amerikansk spesifikasjon	2012	16,3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Omtrent 540 kg	Omtrent 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Omtrent 699 kg	Omtrent 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, 35,8 kWh-generasjonen	2017	35,8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, stort batteri	2021	82 kWh	Omtrent 500 kg	Omtrent 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82,56 kWh	Omtrent 558 kg	Omtrent 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron / Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Omtrent 570 kg	Omtrent 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, 52 kWh-versjonen	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, oppdatert batteri	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
NIO 100 kWh utskiftbart batteri	Gjeldende publiserte spesifikasjon	100 kWh oppgitt	555 kg	180 Wh/kg
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh oppgitt	575 kg	261 Wh/kg

Tallene for Mitsubishi i-MiEV er hentet fra en testrapport fra US Department of Energy, som angir 16,3 kWh oppgitt energi og en batteripakkemasse på 363 lb, tilsvarende omtrent 165 kg. (US Department of Energy)

Tesla oppga offisielt at den opprinnelige Model S hadde et batteri på 85 kWh. Batteripakkemassen på omtrent 540 kg er et vanlig rapportert teknisk anslag, ikke et tall fra Teslas opprinnelige kjøretøyspesifikasjon, så den beregnede energitettheten bør betraktes som omtrentlig. (Tesla)

Volkswagen oppgir offisielt 318 kg for begge generasjonene av e-Golf-batteriet. (VW Press)

I 2018 anvendte Audi e-tron et batteri på 95 kWh som veide omtrent 699 kg. Verdien er et nyttig eksempel på en batteripakke utviklet for effektiv kjøling, strukturell beskyttelse, repeterbar lading og modulær konstruksjon fremfor lavest mulig masse alene.

BYD Seal-tallet bruker en batteripakkemasse på omtrent 558 kg for LFP Blade Battery på 82,56 kWh. Det gir rundt 148 Wh/kg og er nyttig som en moderne LFP-referanse.

Renault oppgir offisielt 52 kWh brukbar kapasitet og 297 kg batteripakkemasse for Renault 5. Tabellen bruker 55 kWh som EVKXs arbeidsverdi for bruttokapasitet, noe som gir omtrent 185 Wh/kg. (Renault Ireland)

Audi oppgir 105 kWh bruttokapasitet og 625 kg for det oppdaterte e-tron GT-batteriet. (Audi)

NIO oppgir 555 kg for sine 100 kWh-batterier og 575 kg for 150 kWh-versjonen. (NIO)

Tidlige elbilbatterier var ikke like

Tabellen viser ikke en enkel økning år for år.

Mitsubishi i-MiEV og den opprinnelige e-Golf hadde konservative, tidlige batterisystemer med:

• Moderat kapasitet
• Lav ladeeffekt
• Omfattende støttestruktur
• Plassutnyttelse begrenset av små plattformer eller plattformer for flere drivlinjer

Det første e-Golf-batteriet oppnådde bare 76 Wh/kg på pakkenivå.

Den opprinnelige Tesla Model S var et betydelig unntak. Det store, spesialutviklede gulvbatteriet oppnådde omtrent 157 Wh/kg i 2012 til tross for:

• 7,104 små sylindriske celler
• 16 moduler
• Væskekjøling
• Tusenvis av elektriske forbindelser
• Et kraftig strukturelt kabinett

Model S viste hvordan en celle med høy energi og en bil konstruert rundt en stor, flat batteripakke kunne overgå mange mindre, tidlige elbilbatterier.

To generasjoner e-Golf-batteri

De to e-Golf-batteriene gir en uvanlig tydelig sammenligning fordi den publiserte batteripakkemassen, antallet celler og moduler og den nominelle spenningen forble uendret.

Spesifikasjon	24,2 kWh e-Golf	35,8 kWh e-Golf
Oppgitt kapasitet	24,2 kWh	35,8 kWh
Batteripakkens masse	318 kg	318 kg
Antall celler	264	264
Antall moduler	27	27
Nominell spenning	323 V	323 V
Beregnet energitetthet	76 Wh/kg	113 Wh/kg

Det nyere batteriet lagrer omtrent 48 % mer energi uten at den publiserte batteripakkemassen eller antallet celler øker.

Forbedringen skyldtes først og fremst høyere cellekapasitet, ikke et større batterikabinett.

Moderne LFP: BYD Seal Blade Battery

BYD Seal er et nyttig eksempel på en moderne LFP-batteripakke.

Bilens Blade Battery på 82,56 kWh veier omtrent 558 kg, noe som gir en beregnet energitetthet på pakkenivå på rundt 148 Wh/kg.

Det er lavere enn for flere moderne nikkelbaserte batteripakker, selv om Seal bruker en effektiv Cell-to-Body-arkitektur.

Resultatet illustrerer to separate virkninger:

• LFP-celler lagrer normalt mindre energi per kilogram enn ledende nikkelrike celler
• Effektiv batteriintegrasjon reduserer, men fjerner ikke, ulempen på cellenivå

Batteripakken i Seal er ikke dårlig konstruert. Den prioriterer en annen balanse mellom:

• Materialkostnader
• Sykluslevetid
• Termisk stabilitet
• Batteriintegrasjon
• Strukturell effektivitet

Batteripakkens energitetthet bør derfor ikke betraktes som en fullstendig rangering av batterikvalitet.

Renault 5: Høy energitetthet i en liten modulær batteripakke

Renault 5 E-Tech skiller seg ut fordi det kompakte batteriet oppnår omtrent 185 Wh/kg med arbeidsverdien på 55 kWh brutto.

Spesifikasjon	Renault 5 E-Tech
Bruttokapasitet brukt av EVKX	55 kWh
Offisiell brukbar kapasitet	52 kWh
Batteripakkens masse	297 kg
Beregnet brutto energitetthet	185 Wh/kg
Antall moduler	4

Resultatet er spesielt interessant fordi Renault 5 ikke bruker en modulfri CTP-konstruksjon.

De fire store modulene reduserer antallet gjentatte hus, kontakter og støttekomponenter sammenlignet med batteripakker som bruker mange mindre moduler.

Renault viser dermed at høy energitetthet på pakkenivå ikke krever at modulnivået fjernes helt.

NIOs utskiftbare batterier med 100 alternativt 150 kWh

NIOs batterier med 100 alternativt 150 kWh gir en annen interessant sammenligning fordi begge passer i selskapets grensesnitt for batteribytte.

Spesifikasjon	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Oppgitt kapasitet	100 kWh	150 kWh
Batteripakkens masse	555 kg	575 kg
Beregnet energitetthet	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Forskjell i masse	—	20 kg mer
Forskjell i energi	—	50 % mer

Batteriet på 150 kWh lagrer 50 % mer oppgitt energi, men veier bare 20 kg mer enn den publiserte spesifikasjonen for batteripakken på 100 kWh.

Den beregnede energitettheten på omtrent 261 Wh/kg ligger langt over de vanlige eksemplene i tabellen.

Den bør ikke betraktes som representativ for elbilmarkedet generelt. Batteripakken bruker en spesialisert celletype med høy energi og er tatt i bruk gjennom NIOs oppgraderings- og batteribyttesystem.

Hvorfor tall for energitetthet ikke er helt sammenlignbare

Sammenligninger av batteripakkers energitetthet krever varsomhet.

Produsentene kan definere følgende ulikt:

• Bruttokapasitet
• Oppgitt kapasitet
• Komplett batteripakkemasse
• Kjølemiddelmasse
• Koblingsboksenes masse
• Understellbeskyttelse
• Delte strukturelle komponenter
• Spesifikasjon for produksjon kontra prototype

Kravene til bilene varierer også.

En elbil med høy ytelse kan trenge mer:

• Kjøling
• Kapasitet i samleskinnene
• Utstyr for høy strøm
• Kollisjonsbeskyttelse

En SUV eller terrengbil kan kreve et tyngre kabinett enn en kompakt kombi.

Et utskiftbart batteri trenger strukturelle og mekaniske grensesnitt som et permanent montert batteri ikke trenger.

En batteripakke med lavere energitetthet kan likevel gi:

• Raskere og mer repeterbar lading
• Bedre kjøling
• Bedre kollisjonsbeskyttelse
• Enklere utskifting av moduler
• Høyere kontinuerlig effekt
• Lengre levetid
• Lavere produksjonskostnader

Energitetthet på pakkenivå er nyttig, men er ikke et fullstendig mål på batterikvalitet.

Hva batteripakkearkitekturen betyr for en elbilkjøper

Batterikonfigurasjonen er vanligvis ikke noe en kjøper trenger å sammenligne direkte.

Et 180s1p-batteri er ikke i seg selv bedre enn et 96s46p-batteri.

I daglig bruk er det resultatet av hele konstruksjonen som betyr noe:

• Brukbar batterikapasitet
• Bilens effektivitet
• Ladekurve
• Lading i kaldt vær
• Forkondisjonering av batteriet
• Kontinuerlig effekt og toppeffekt
• Degradering
• Termisk styring
• Garantidekning
• Beskyttelse mot termisk utbredelse
• Muligheter for reparasjon av batteripakke og moduler
• Erstatningskostnad etter skade

Høyere spenning kan hjelpe en elbil med å oppnå høy lade- og drivlinjeeffekt, men spenningen alene bestemmer ikke ladehastigheten.

Cell-to-Pack og strukturell integrasjon kan redusere vekt og forbedre plassutnyttelsen. De kan også endre reparasjonsprosedyrene og øke konsekvensene av skader på understellet eller strukturen.

En modulær batteripakke kan gi flere reparasjonsmuligheter, men bare når reservedeler, diagnoseverktøy og godkjente prosedyrer er tilgjengelige.

Den beste batteripakkearkitekturen er den som oppfyller bilens mål for:

• Ytelse
• Rekkevidde
• Lading
• Sikkerhet
• Holdbarhet
• Produksjonskostnader
• Plassutnyttelse
• Reparerbarhet

Det nyeste akronymet er ikke automatisk det beste batteriet.

For beskyttelseslagene rundt cellene og hele batteripakken, se sikkerhet og håndtering av feil i elbilbatterier.

Kilder

• Audi Q8 e-tron: batterikapasitet og lading
• Porsche Macan: batteri og lading
• US Department of Energy: testing av Mitsubishi i-MiEV-batteri
• Volkswagen e-Golf: pressemateriell
• Audi PPE: høyspenningsbatteri
• Brukerhåndbok for NIO ET7
• Porsche Cayenne Electric: høyspenningssystem
• Volkswagen Group: batteri- og energiteknologi
• Spesifikasjoner for Tesla Model S
• Spesifikasjoner for Renault 5 E-Tech
• Audi e-tron GT: høyspenningsbatteri