Termisk styring av batterier

Batteritemperaturen påvirker lading, effekt, regenerativ bremsing, effektivitet og holdbarhet fordi celler ikke kan ta imot eller levere energi like godt ved alle temperaturer.

Et system for termisk styring av batteriet (BTMS) varmer, kjøler og jevner derfor ut temperaturen i batteripakken ut fra kjemi, ladetilstand, nødvendig effekt og produsentens styringsstrategi.

Hvorfor batteritemperaturen er viktig

Battericeller er elektrokjemiske enheter. Motstand, reaksjonshastighet, tilgjengelig energi og aldring endres med temperaturen.

Systemet for termisk styring må balansere flere mål:

• Gjøre tilstrekkelig effekt tilgjengelig for kjøring
• Tillate høy effekt ved lading og regenerativ bremsing
• Begrense elektriske tap
• Holde cellene innenfor sikre grenser
• Redusere langsiktig degradering
• Opprettholde lignende temperaturer i hele batteripakken
• Bruke minst mulig energi til oppvarming og kjøling

Et batteri kan være innenfor det sikre temperaturområdet uten å ha den beste temperaturen for enhver oppgave.

Det finnes ingen ideell universell batteritemperatur. En temperatur som passer effektiv kjøring, kan være for lav for maksimal hurtigladeeffekt, mens et batteri forberedt på høyeffektlading kan være varmere enn nødvendig for parkering eller langtidslagring. Audi beskriver for eksempel 30–35°C som foretrukket område for e-tron GT-batteriet under krevende drift og lading, men dette er ikke et universelt mål for alle elbiler. (Audi)

Hva skjer når batteriet er kaldt?

Lav temperatur bremser ionebevegelsen gjennom elektrolytten og elektrodematerialene. Den interne motstanden øker og gir større spenningsfall og mer varme ved en gitt strøm.

Føreren kan merke:

• Redusert akselerasjon
• Lavere maksimal og kontinuerlig effekt
• Begrenset regenerativ bremsing
• Langsommere DC-lading
• Mindre umiddelbart tilgjengelig energi
• Høyere forbruk på korte vinterturer

Kulde alene skader normalt ikke batteriet. Den større risikoen oppstår når en kald celle lades med høy strøm.

I vanlige litiumionceller med grafittbaserte negative elektroder kan litiumionene nå elektrodeoverflaten raskere enn de kan settes inn i grafitten. Metallisk litium kan da dannes på overflaten gjennom litiumutfelling.

Litiumutfelling kan:

• Forbruke litium som ellers ville vært tilgjengelig for sykling
• Øke kapasitetstapet
• Øke den interne motstanden
• Danne ujevne avleiringer
• Øke sikkerhetsrisikoen i alvorlige tilfeller

BMS-et begrenser derfor lading og regenerativ bremsing til cellene er varme nok til å ta imot mer strøm. Hurtiglading uten litiumutfelling er fortsatt en sentral teknisk utfordring ved kulde eller høy laderate. (US Department of Energy)

Hva skjer når batteriet er varmt?

Et varmere batteri har først lavere motstand og kan ofte levere eller ta imot mer effekt. Det betyr ikke at varmere alltid er bedre.

Høy temperatur fremskynder uønskede reaksjoner mellom elektrodene og elektrolytten. Langvarig eksponering kan bidra til:

• Raskere kalenderaldring
• Tap av aktivt litium
• Vekst av overflatelag som SEI
• Nedbrytning av elektrolytten
• Gassdannelse
• Økt intern motstand
• Redusert sykluslevetid

Temperatur og ladetilstand samvirker. Langvarig parkering med både høy temperatur og høy SOC er vanligvis mer belastende enn kort oppvarming før en ladeøkt.

Høye temperaturer under ekstrem hurtiglading er også krevende. Forskning fra det amerikanske energidepartementet peker på batterivarme og temperaturer over omtrent 45°C som viktige hindringer for vedvarende ekstrem hurtiglading og batterilevetid. Den nøyaktige grensen avhenger av kjemi og konstruksjon. (US Department of Energy)

Hvor kommer batterivarmen fra?

Et batteri utvikler varme når strøm flyter.

Kildene omfatter:

• Elektrisk motstand inne i cellene
• Ionetransport gjennom elektrolytt og elektroder
• Elektrokjemiske reaksjoner
• Cellefaner og strømkollektorer
• Samleskinner og elektriske forbindelser
• Kontaktorer og pakkeforbindelser
• Tap under lading og utlading
• Varme fra nærliggende kraftelektronikk

Resistiv varme øker omtrent med kvadratet av strømmen:

Resistiv varme ∝ strøm² × motstand

Dobling av strømmen kan derfor utvikle omtrent fire ganger så mye resistiv varme dersom motstanden er uendret.

Dette forklarer hvorfor krevende forhold gir høy termisk belastning:

• DC-lading med høy effekt
• Gjentatt hard akselerasjon
• Vedvarende høy hastighet
• Lange stigninger
• Tilhengerkjøring
• Banekjøring
• Kraftig regenerativ bremsing

Varmen fordeles ikke alltid jevnt. Midten av en stor celle kan være varmere enn overflaten, mens celler nær kjølevæskeutløp eller pakkekanter kan ha andre temperaturer enn resten. NREL-forskning har knyttet ujevn temperatur til lokale forskjeller i SOC, litiumutfelling, SEI-vekst og degradering. (US Department of Energy)

Det finnes ingen ideell enkelttemperatur

Foretrukket batteritemperatur avhenger av oppgaven.

Normal kjøring

Ved moderat kjøring kan systemet prioritere lavt hjelpeforbruk fremfor å varme eller kjøle batteriet til hurtiglademålet.

Kjøring med høy effekt

Gjentatt akselerasjon, tilhengerkjøring, klatring eller høy hastighet kan kreve ekstra kjøling for å opprettholde effekten.

DC-hurtiglading

Batteriet må ofte være varmere enn ved vanlig vinterkjøring. Cellemotstanden må være lav nok til å ta imot høy strøm uten overdreven spenningsøkning eller litiumutfelling.

Parkering

Bilen holder vanligvis ikke batteriet ved hurtigladetemperatur mens den står. Det ville sløse energi. Batteriet får normalt bevege seg innenfor et bredere beskyttende temperaturområde.

Langtidslagring

Høy temperatur og høy SOC er uheldig ved langtidslagring, selv om et midlertidig varmt batteri kan lade eller levere effekt bedre.

Termisk styring er derfor et kontinuerlig kompromiss mellom umiddelbar ytelse, energibruk og aldring.

Arkitekturer for termisk styring

Elbilprodusentene bruker flere metoder for å flytte varme inn i og ut av batteriet.

Hovedmetodene er:

• Passiv termisk styring
• Luftkjøling
• Indirekte væskekjøling
• Direkte kjølemiddelkjøling
• Integrerte kjølevæske- og varmepumpesystemer

De fleste moderne elbiler for høy ladeeffekt bruker aktiv væskekjøling, ofte koblet til kjølemiddelkretsen gjennom en varmeveksler eller chiller.

Passiv termisk styring

Et passivt styrt batteri avhenger hovedsakelig av varmeoverføring gjennom:

• Cellehus
• Modulstrukturer
• Batterihuset
• Understellet
• Luften rundt

Metoden har få komponenter og bruker lite energi.

Fordeler

• Lav kostnad
• Lav vekt
• Ingen pumper eller kjølevæske
• Få servicepunkter
• Lavt forbruk i hvile

Begrensninger

• Begrenset varmefjerning
• Sterk avhengighet av omgivelsestemperatur
• Langsom oppvarming og kjøling
• Vanskelig å holde jevn celletemperatur
• Dårlig egnet til gjentatt høyeffektlading

Passiv styring kan være tilstrekkelig i en bybil med lav effekt, men blir mer begrensende når ladehastighet, batteristørrelse og vedvarende effekt øker.

Luftkjøling

Luftkjølte systemer fører omgivelses- eller kupéluft gjennom eller rundt batteriet.

Luftstrømmen kan drives av vifter eller kjøretøyets bevegelse.

Fordeler

• Enklere enn væskekjøling
• Lavere masse
• Ingen kjølevæskekrets for batteriet
• Mindre risiko for kjølevæskelekkasje

Begrensninger

• Luft transporterer langt mindre varme enn væske
• Kjølingen avhenger sterkt av lufttemperaturen
• Luftkanaler tar plass
• Det kan være vanskelig å holde jevn temperatur
• Viftestøy og energibruk øker ved høy belastning

Et luftkjølt batteri kan klare én hurtiglading, men slite med å fjerne nok varme ved gjentatt lading. Nissan dokumenterte fallende ladeeffekt fra og med den andre hurtigladingen i tester av det luftstyrte LEAF e+-batteriet. (Nissan)

Indirekte væskekjøling

Indirekte væskekjøling er den vanligste arkitekturen i dagens elbiler med høy effekt.

En vann-glykol-blanding går gjennom:

• Kjøleplater under cellene
• Kanaler langs cellerekker
• Ekstruderte profiler i pakkegulvet
• Plater mot cellenes brede flater
• Kjølestrukturer integrert i moduler

Kjølevæsken går normalt ikke inne i cellene. Varmen må passere flere lag:

1. Cellens indre
2. Cellehuset
3. Termisk kontaktmateriale
4. Kjøleplaten
5. Kjølevæsken

Termisk kontaktmateriale kan være en pute, pasta, lim, gel eller et annet ledende lag som fyller små mellomrom mellom cellen eller modulen og kjøleplaten.

Audi Q4 e-tron bruker en egen lavtemperaturkrets med vann-glykol gjennom flate kanaler under cellerommene. Termisk pasta forbinder cellene med kjølestrukturen, mens en høyspenningsvarmer varmer kjølevæsken i kulde. (Audi)

Fordeler

• Høy varmeoverføringskapasitet
• Jevnere temperatur enn passiv styring eller luftkjøling
• Effektiv oppvarming og kjøling gjennom de samme platene
• Egnet til kjøring og lading med høy effekt
• Kan kobles til radiator, chiller eller varmepumpe

Avveininger

• Tilfører kjølevæske, pumper, ventiler, slanger og varmevekslere
• Øker vekt og kostnad
• Skaper mulige lekkasje- og servicepunkter
• Krever god tetning og korrosjonskontroll
• Kjøleytelsen avhenger av kontakten mellom celler og plater

Radiatorkjøling

Når uteluften er kald nok, kan kjølevæsken avgi varme gjennom en radiator.

Dette er ofte den mest energieffektive kjølemodusen fordi systemet kanskje bare trenger:

• En kjølevæskepumpe
• Luftstrøm gjennom radiatoren
• En kjølevifte når kjørehastigheten ikke er tilstrekkelig

Radiatorkjøling kan ikke senke batteritemperaturen under utetemperaturen. Den kan også bli utilstrekkelig i varmt vær eller ved høyeffektlading.

Kjøling med kjølemiddelchiller

Når radiatoren ikke kan fjerne nok varme, kan kjølevæsken gå gjennom en chiller koblet til klimaanleggets kjølemiddelkrets.

Chilleren overfører varme fra batterikjølevæsken til kjølemiddelet. Den elektriske kompressoren fører varmen gjennom klimaanlegget og avgir den utenfor kjøretøyet.

En forenklet varmevei er:

Battericeller
    ↓
Kjøleplate
    ↓
Vann-glykol-kjølevæske
    ↓
Kjølemiddelchiller
    ↓
Kjølemiddel i klimaanlegget
    ↓
Kondensator og uteluft

Dette lar kjøretøyet kjøle batteriet under utetemperaturen eller holde det stabilt under vedvarende termisk belastning.

Audi e-tron GT bruker fire sammenkoblede kjølevæskekretser. Ved høy belastning under kjøring eller lading kobler ventiler batterikretsen til klimaanleggets kjølemiddelkrets for kraftigere kjøling. (Audi)

Direkte kjølemiddelkjøling

Noen konstruksjoner plasserer kjølemiddelkanaler eller fordamperflater direkte mot batteriets kjølestruktur i stedet for først å bruke en separat vann-glykol-krets.

Det kan redusere antallet varmeoverføringstrinn og gi kraftig kjøling.

Avveiningene omfatter:

• Vanskeligere fordeling av kjølemiddel
• Større følsomhet for trykk og tetning
• Mer komplekse serviceprosedyrer
• Risiko for ujevn kjøling hvis strømmen ikke styres godt
• Tettere integrering mellom batteri og HVAC-system

Indirekte væskekjøling er fortsatt vanlig fordi den skiller batteriets kjølevæskekrets fra høytrykkskretsen for kjølemiddel.

Integrert termisk styring

Moderne termosystemer kobler i økende grad sammen batteriet, motorene, kraftelektronikken, lademaskinvaren og kupeen.

Avhengig av forholdene kan varme:

• Fjernes fra batteriet
• Gjenbrukes til å varme kupeen
• Flyttes fra drivlinjen til batteriet
• Avgis gjennom en radiator
• Flyttes gjennom kjølemiddelkretsen
• Hentes fra uteluften av en varmepumpe

Audi Q6 e-tron bruker varmevekslere for kjølevæske og kjølemiddel, mens den prediktive styringen samordner oppvarming og kjøling av batteriet. Nissan beskriver tilsvarende et integrert system som gjenbruker varme fra kjøring og lading til batteriet og kupeen. (Audi)

Metoder for batterioppvarming

Oppvarming av et kaldt batteri krever energi. Produsentene bruker forskjellige energikilder.

Høyspenningsvarmer for kjølevæske

En egen elektrisk varmer kan varme kjølevæsken som går gjennom kjøleplatene.

Varmeelementer med positiv temperaturkoeffisient, eller PTC, brukes ofte fordi motstanden øker når de blir varmere og bidrar til å begrense overoppheting.

Fordeler

• Virker ved nesten alle utetemperaturer
• Gir forutsigbar varmeeffekt
• Kan varme batteriet uten kjøring
• Forholdsvis enkel styring

Avveininger

• Elektrisk energi omdannes direkte til varme
• Høy varmeeffekt kan redusere tilgjengelig rekkevidde
• Tilfører maskinvare, vekt og kostnad

Audi bruker høyspenningsvarmere i flere termosystemer, blant annet kjølevæskekretsen i Q4 e-tron. (Audi)

Oppvarming med varmepumpe

En varmepumpe flytter varme i stedet for å produsere alt med elektrisk motstand.

Mulige varmekilder er:

• Uteluft
• Kjølevæske fra motor og vekselretter
• Lademaskinvare
• Avtrekksluft fra kupeen
• Kjølemiddelkretsen

Under egnede forhold kan varmepumpen flytte mer varmeenergi enn kompressoren bruker elektrisk energi.

Ytelsen faller når temperaturforskjellen øker. Mange kjøretøy kombinerer derfor varmepumpe med motstandsvarmere for rask oppvarming eller sterk kulde.

Gjenvinning av spillvarme

Motorer, vekselrettere, ombordladere og DC-DC-omformere utvikler varme i drift.

Et integrert termosystem kan lede noe av varmen til:

• Batteriet
• Kupeen
• En annen kjølevæskekrets

Spillvarme er nyttig under kjøring og lading, men gir ikke alltid nok varme etter kaldstart. Nissan beskriver gjenbruk av varme fra drivlinje og lading som del av sin integrerte termiske strategi. (Nissan)

Varme utviklet under kjøring

Kjøring varmer batteriet fordi strømflyt utvikler varme.

En kald batteripakke kan gradvis få tilbake ladeeffekt og regenerering etter:

• Motorveikjøring
• Klatring
• Kraftig akselerasjon
• Vedvarende effektbruk

Oppvarmingen er ikke gratis. Varmen kommer fra energi tapt i motstand og andre ineffektiviteter.

Noen kjøretøy kan bevisst skape ekstra elektrisk belastning eller endre drivlinjedriften før lading. Om og hvor kraftig dette brukes, avhenger av kjøretøyets termiske arkitektur.

Plassering av kjøleplater

Kjøleflatens plassering påvirker hvor effektivt varme kan bevege seg gjennom cellen.

Vanlige løsninger omfatter:

• Bunnkjøling
• Sidekjøling
• Kjøling mellom cellerekker
• Kjøling av bred flate
• Kjøling av fane eller terminal
• Tosidig kjøling

Bunnkjøling

En plate under moduler eller celler er forholdsvis enkel å integrere i en flat batteripakke. Varmen må gå fra øvre deler av en høy celle ned til platen.

Side- eller bredflatekjøling

Kjøling av de store flatene på prismatiske celler eller poseceller kan forkorte varmeveien, men krever jevn mekanisk kontakt og kompresjon.

Kjøling mellom cellerekker

Kanaler mellom sylindriske celler gir stor kontaktflate, men tar pakkeplass og skaper mange gjentatte kjølevæskeveier.

Tosidig kjøling

Kjøling av en stor celle fra begge sider reduserer avstanden varmen må gå og kan gi jevnere temperatur.

Porsche Cayenne Electric bruker kjøleplater over og under hver av de seks modulene. Porsche oppgir at platene både kan varme og kjøle batteriet, slik at de store posecellene når måltemperaturen mer effektivt. (Porsche Newsroom)

Jevn temperatur

Det er ikke nok å redusere gjennomsnittstemperaturen. Systemet må også begrense forskjeller mellom og inne i cellene.

Ujevn temperatur kan gi:

• Ulik cellemotstand
• Ujevn strømfordeling
• Ulike ladetilstander
• Lokal aldring
• Lokal litiumutfelling
• Én cellegruppe som når spenningsgrensen tidlig
• Redusert brukbar kapasitet

Mulige problemområder er:

• Midten av store celler
• Moduler langt fra kjølevæskeinntaket
• Celler nær kontaktorer og samleskinner
• Tettpakkede sentrale moduler
• Celler med dårlig kontakt mot kjøleplaten
• Områder utsatt for varme fra vei eller eksos

Termosystemet, BMS-et, kjøleplatekonstruksjonen, celleformatet og pakkekompresjonen bidrar alle til jevn temperatur. DOE-forskning på celler for ekstrem hurtiglading identifiserer interne temperaturgradienter som en årsak til ujevn degradering og en begrensning for store celler som bare kjøles fra én side. (US Department of Energy)

Forkondisjonering av batteriet

Forkondisjonering bringer batteripakken nærmere temperaturen som trengs for en planlagt oppgave.

Begrepet viser oftest til forberedelse for DC-hurtiglading, men kan også omfatte:

• Oppvarming før avreise
• Kjøling før lading
• Forberedelse til høy fremdriftseffekt
• Opprettholdelse av egnet temperatur under AC-lading

Forkondisjonering er ikke alltid oppvarming. Et varmt batteri kan trenge aktiv kjøling før en hurtiglader.

Forkondisjonering for hurtiglading

Når en DC-hurtiglader velges i navigasjonen, kan kjøretøyet beregne nødvendig oppvarming eller kjøling før ankomst.

Inndata kan omfatte:

• Gjeldende batteritemperatur
• Utetemperatur
• Avstand og kjøretid
• Forventet SOC ved ankomst
• Nylig kjørelast
• Forventet laderkapasitet
• Høydeprofil og hastighet

Systemet justerer deretter oppvarming eller kjøling under reisen.

Den termiske styringen i Audi e-tron GT kan øke batterikjølingen omtrent en halv time før ankomst til en planlagt høyeffektlader eller varme batteripakken i kulde.

Forkondisjonering garanterer ikke maksimal ladeeffekt. Ladingen avhenger fortsatt av:

• SOC ved ankomst
• Laderens spenning og strøm
• Cellespenning
• Celleubalanse
• Pakketemperatur
• Batteritilstand
• Kjøretøyets ladekurve
• Effektdeling på ladestedet

Manuell forkondisjonering

Noen elbiler lar føreren starte batteriforberedelsen manuelt.

Det er nyttig når:

• En telefon eller tredjeparts ruteplanlegger brukes
• Laderen mangler i den innebygde databasen
• Det planlagte ladestoppet er endret
• Føreren ikke bruker ruteveiledning
• Kjøretøyet har valgt feil ladertype
• Ladingen forventes tidligere enn navigasjonen beregner

Manuell forkondisjonering kan fortsatt begrenses av:

• En minste SOC
• Temperaturavhengig tilgjengelighet
• En fast maksimal driftstid
• Automatisk avslutning
• Redusert varmeeffekt ved lav SOC
• Avbrudd dersom føreren endrer driftsmodus

Start av forkondisjonering beviser heller ikke at batteriet har nådd måltemperaturen. Tilgjengelig tid og varmekapasitet betyr fortsatt noe.

Forkondisjonering før avreise

Når elbilen er koblet til hjemmelading, kan planlagt forkondisjonering bruke nettenergi til å varme kupeen og, i noen kjøretøy, batteriet.

Det kan redusere mengden lagret batterienergi som brukes rett etter avreise.

Tre funksjoner må ikke forveksles:

• Forkondisjonering av kupeen
• Forkondisjonering av batteriet
• Lading planlagt til å avsluttes nær avreise

Noen elbiler utfører alle tre. Andre varmer bare kupeen.

Lading som avsluttes kort før avreise, kan fortsatt hjelpe fordi lading utvikler varme i cellene. Et batteri som nylig ble ferdigladet, kan starte reisen varmere enn ett som ble ferdig mange timer tidligere.

Analyse fra det amerikanske energidepartementet påpeker at forkondisjonering under tilkobling lar energien komme direkte fra nettet og kan redusere kaldstarttap på korte vinterturer. (US Department of Energy)

Kjøling før hurtiglading

I varmt vær eller etter krevende bruk kan batteriet være for varmt i stedet for for kaldt.

Det kan skje etter:

• Vedvarende høy hastighet
• Tilhengerkjøring
• Fjellkjøring
• Banekjøring
• En tidligere hurtiglading
• Parkering i sterk sol
• Gjentatt akselerasjon

Kjøretøyet kan starte aktiv kjøling lenge før ladestoppet. En stor batteripakke har betydelig termisk masse og kan ikke endre temperatur umiddelbart.

Forkondisjoneringen trenger derfor nok kjøretid til å fjerne varme fra celleinnmaten, ikke bare kjøle de målte overflatene.

Hvorfor forkondisjonering kan stanse ved lav SOC

Oppvarming og kjøling av batteriet bruker energi.

Ved lav SOC må produsenten balansere:

• Å nå laderen
• Å forberede batteriet
• Å bevare en reserve
• Å unngå overdreven celleutlading
• Å opprettholde kupévarmen

Systemet kan redusere eller stanse forkondisjoneringen når SOC faller under en definert terskel.

Terskelen varierer mellom kjøretøy og kan endres med programvaren. Kia EV9-eksemplet over viser én utførelse og må ikke tolkes som en generell 12%-regel.

Energibruk og rekkevidde

Forkondisjonering bruker energi. Når kjøretøyet ikke er tilkoblet, kommer energien fra fremdriftsbatteriet og reduserer mengden til fremdrift.

De viktigste fordelene er:

• Kortere ladestopp
• Mer tilgjengelig fremdriftseffekt
• Mer regenerativ bremsing
• Lavere risiko for skade ved kald lading
• Mer forutsigbar ytelse

Et varmere batteri kan ha lavere motstand, men dette betyr ikke at forkondisjonering alltid øker total rekkevidde. Energien spart gjennom lavere tap kan være mindre enn energien brukt til oppvarming.

På en langtur med hurtigladestopp kan bruk av batterienergi til forkondisjonering likevel redusere total reisetid betydelig.

Ved tilkobling gir nettdrevet forkondisjonering vanligvis den tydeligste rekkeviddegevinsten fordi mindre lagret energi brukes før avreise.

Gjentatt hurtiglading og varmeopphopning

Maksimal ladeeffekt beskriver bare én del av langtursytelsen.

Etter én ladeøkt gjenstår varme i:

• Celleinnmat
• Modulstrukturer
• Kjøleplater
• Kjølevæske
• Samleskinner og terminaler
• Batterihuset

Denne oppsamlede varmen kalles ofte thermal soak, eller varmeopphopning.

Neste ladestopp kan begynne med et varmere batteri selv om instrumentpanelet ikke viser noe varsel. Termosystemet må fjerne varme under reisen og holde temperaturen tilstrekkelig jevn før ny lading.

Et godt langtursystem må:

• Forberede batteriet før første stopp
• Fjerne varme under lading
• Fortsette kjølingen etter avreise
• Unngå overdreven temperaturøkning ved neste stopp
• Opprettholde repeterbar ladeeffekt
• Begrense unødvendig kompressor- og vifteforbruk

Audi e-tron GT bruker sammenkoblede kjølevæske- og kjølemiddelkretser for gjentatt høy effekt og hurtiglading. Den rutebaserte termiske strategien kan varme eller kjøle batteriet før ladestoppet. (Audi)

To elbiler med samme oppgitte makseffekt kan derfor yte ulikt over flere ladeøkter.

Vedvarende ytelse

Termisk styring bestemmer også hvor lenge en elbil kan opprettholde høy fremdriftseffekt.

Et batteri kan støtte svært høy effekt i noen sekunder, men måtte redusere den kontinuerlige effekten på grunn av:

• Varmeutvikling i cellene
• Temperatur i vekselretter eller motor
• Kjølevæsketemperatur
• Radiatorkapasitet
• Kapasitet i kjølemiddelsystemet
• Omgivelsesforhold

Dette er viktig ved:

• Autobahn-kjøring
• Tilhengerkjøring
• Lange fjellstigninger
• Banekjøring
• Gjentatt akselerasjon

En kraftig motor garanterer ikke repeterbar ytelse hvis batteriet og termosystemet ikke kan støtte den.

Termisk styring under parkering

Batteriet kan fortsette å varmes eller kjøles etter:

• Hurtiglading
• Krevende kjøring
• Parkering i ekstrem varme
• Tilkobling til AC-lading
• Fullføring av en planlagt tur

Føreren kan høre:

• Kjølevæskepumper
• Vifter
• Ventiler
• Klimakompressoren
• Elektriske varmeelementer

Dette kan være normalt også etter at bilen er låst.

Kjøretøyet holder normalt ikke batteriet på ideell hurtigladetemperatur på ubestemt tid. Det tillater i stedet et bredere temperaturvindu under parkering og griper inn når det kreves for beskyttelse, lading eller planlagt avreise.

Strategiene varierer. Noen biler styrer temperaturen aktivt bare når de er tilkoblet, mens andre kan bruke energi fra fremdriftsbatteriet når temperaturen nærmer seg beskyttelsesgrensene.

Kjemispesifikk termisk oppførsel

Kravet til termisk styring avhenger delvis av cellekjemien, men hele kjøretøykonstruksjonen er avgjørende.

Nikkelrik litiumion

NMC-, NCA- og NCMA-celler kan gi høy energitetthet og effekt.

Ytelsen avhenger av nøye kontroll med:

• Høy temperatur
• Høy cellespenning
• Ladestrøm
• Jevn kjøling
• Tid ved høy SOC

Nikkelrike celler brukes mye i kjøretøy med lang rekkevidde og høy effekt, men stiller store krav til kjøling og styring.

Litiumjernfosfat

LFP gir god termisk stabilitet og lang sykluslevetid.

Den viktigste termiske begrensningen er kulde. Kalde LFP-celler kan gi:

• Større ladebegrensning
• Redusert regenerativ bremsing
• Lavere effekt
• Vanskeligere SOC-beregning
• Større avhengighet av aktiv oppvarming

Et godt oppvarmet LFP-batteri kan fortsatt gi god vinterlading. Kjemien alene bestemmer ikke resultatet.

Natriumion

Noen natriumionkonstruksjoner utvikles spesielt for et bredt temperaturområde.

CATL hevder at Naxtra-natriumioncellen for personbiler beholder 90% brukbar effekt ved −40°C. Dette er produsentens spesifikasjon for dette produktet, ikke en universell egenskap for alle natriumionceller. (CATL)

Natriumionpakker trenger fortsatt termisk styring fordi:

• Lading utvikler varme
• Cellealdring er fortsatt temperaturavhengig
• Jevn temperatur er viktig
• Effekt- og ladegrenser endres fortsatt med temperaturen
• Kupeen og drivlinjen deler termiske ressurser

Termisk styring og batterialdring

Termisk styring påvirker både syklus- og kalenderaldring.

Et godt system begrenser:

• Lange perioder ved for høy temperatur
• Hurtiglading når cellene er for kalde
• Store forskjeller mellom celletemperaturer
• Gjentatt høyeffektbruk uten tilstrekkelig kjøling
• Lokale varmepunkter
• Langvarig eksponering for høy temperatur og høy SOC

Målet er ikke å holde batteriet ved én temperatur hele tiden. Det ville bruke for mye energi.

Systemet bruker i stedet ulike temperaturmål for:

• Kjøring
• Hurtiglading
• Parkering
• AC-lading
• Høy effekt
• Batteribeskyttelse

Et kjøretøy med kraftig kjøling kan bevisst la cellene bli varme under hurtiglading og deretter fjerne varmen. Kortvarig kontrollert oppvarming er forskjellig fra langvarig varmeeksponering.

Normal kjøling er ikke beskyttelse mot termisk runaway

Normal termisk styring fjerner varme som oppstår under vanlig lading og kjøring.

Termisk runaway er en annen tilstand. Den innebærer selvforsterkende interne reaksjoner som kan frigjøre varme raskere enn det vanlige kjølesystemet kan fjerne.

Hvis termisk runaway begynner i en celle, vil åpning av kontaktorene og drift av kjølevæskepumpene kanskje ikke stanse reaksjonen. Energien er allerede lagret kjemisk i cellen.

Beskyttelsen avhenger også av:

• Cellekjemi
• Produksjonskvalitet
• Avstand mellom celler
• Termiske barrierer
• Ventileringsretning
• Gasshåndteringsveier
• Trykkavlastning i batteripakken
• Feildeteksjon
• Kollisjonsbeskyttelse
• Hindring av spredning til naboceller

Termisk styring bidrar til å hindre at cellene når misbruksforhold under normal bruk, men erstatter ikke særskilt beskyttelse mot termisk spredning. NREL behandler vanlig termisk pakkestyring og inneslutning ved termisk misbruk som beslektede, men separate tekniske problemer. (NREL)

Avveininger i termosystemet

Et kraftigere termosystem er ikke gratis.

Det tilfører:

• Vekt
• Kostnad
• Kjølevæske
• Pumper
• Ventiler
• Varmevekslere
• Kjølemiddelkomponenter
• Sensorer
• Programvarekompleksitet
• Elektrisk forbruk
• Service- og lekkasjepunkter

En stor chiller og kompressor kan støtte gjentatt høyeffektlading, men tar mer plass og bruker mer energi.

Et enklere system kan være helt passende for en rimelig bybil som sjelden hurtiglades. Det samme systemet kan være utilstrekkelig i en langtrekkende bil beregnet på gjentatt lading, tilhengerkjøring eller vedvarende høy hastighet.

Teknologier for termisk styring innebærer derfor avveininger mellom ytelse, kostnad, effektivitet, pakking og holdbarhet. DOEs teknologiveikart identifiserer tilsvarende ekstra vekt, kostnad og kompleksitet som sentrale begrensninger. (US Department of Energy)

Hva elbilkjøpere bør sammenligne

Produsentene offentliggjør sjelden nok tekniske detaljer til å sammenligne kjølemaskinvaren direkte. Reell oppførsel gir bedre dokumentasjon.

Nyttige spørsmål er:

• Forkondisjonerer bilen automatisk når den navigerer til en lader?
• Kan forkondisjonering også startes manuelt?
• Varmer en planlagt avreise batteriet eller bare kupeen?
• Hvor lang tid trenger batteriet for å forberedes om vinteren?
• Ved hvilken SOC stanser forkondisjoneringen?
• Kan bilen opprettholde ladehastigheten over gjentatte stopp?
• Hvordan yter ladingen i varmt vær?
• Er regenerativ bremsing sterkt begrenset når batteriet er kaldt eller fullt?
• Beholder bilen fremdriftseffekten under tilhengerkjøring eller vedvarende høy hastighet?
• Kan batteritemperaturen vises til føreren?
• Fortsetter kjøretøyet å kjøle etter lading?
• Er varmepumpe standard, ekstrautstyr eller utilgjengelig?

Maksimal ladeeffekt alene sier lite om termisk ytelse. Et mer nyttig mål er om elbilen kan ankomme laderen med et forberedt batteri, opprettholde en god ladekurve og gjenta ytelsen gjennom hele reisen.

Se Batterilading og ladeytelse, Batteridegradering og Batterisikkerhet og håndtering av feil i elbiler om beslektet batterioppførsel.

Kilder

• Batteri og termisk styring i Audi e-tron GT
• Det amerikanske energidepartementets vurdering av ekstrem hurtiglading
• Det amerikanske energidepartementet om varmeutvikling ved ekstrem hurtiglading
• Nissan Technical Review 2022
• Termisk batteristyring i Audi Q4 e-tron
• Batteri og lading i Audi Q6 e-tron
• Nissans termiske styring av elbiler
• Høyspenningssystemet i Porsche Cayenne Electric
• Det amerikanske energidepartementets studie av elbilytelse i kaldt vær
• CATL Naxtra-batteri og arkitektur med to energikilder
• NREL-studie av cell-to-pack-integrering
• Det amerikanske energidepartementets veikart for elektrokjemisk energilagring