Batteripaket och konfiguration

Ett batteripaket för elbilar kombinerar celler med elektriska anslutningar, kylutrustning, styrelektronik och skyddande strukturer till ett högspänningssystem för energi.

Den elektriska konfigurationen bestämmer spänning, kapacitet och strömförmåga, medan den fysiska integreringen påverkar vikt, kylning, krockskydd, förpackning, servicevänlighet och energitäthet på paketnivå.

Vad finns i ett batteripaket?

Cellerna lagrar energin, men de är bara en del av det kompletta batteripaketet.

Ett typiskt batteripaket för elbilar innehåller:

• Battericeller
• Moduler eller andra strukturer som grupperar cellerna
• Samlingsskenor och högspänningsledare
• Elektronik för cellövervakning
• Positiva och negativa huvudkontaktorer
• Säkringar och pyrotekniska frånkopplare
• Ström-, spännings- och isolationssensorer
• En servicefrånskiljare
• Kylplattor och kylvätskekanaler
• Termiska gränssnittsmaterial
• Ett förseglat pakethölje
• Skydd mot krock och inträngning
• Vägar för tryckavlastning och gashantering
• Högspänningskontakter och kopplingspunkter

Huvudkontaktorerna kopplar bort cellerna från resten av fordonet när högspänningssystemet stängs av. Cellerna förblir sammankopplade och elektriskt spänningssatta inuti paketet.

En konventionell säkring skyddar mot för hög ström, medan en pyroteknisk frånkopplare snabbt kan bryta en högspänningsanslutning vid en allvarlig kollision eller ett elektriskt fel.

Batterihanteringssystemet övervakar och styr paketet, medan Temperaturhantering för elbilsbatterier förklarar kyl- och värmesystemen mer ingående.

Batterikonfiguration

Batterikonfiguration beskriver hur cellerna är elektriskt sammankopplade.

De två grundläggande kopplingsmetoderna är:

• Seriekoppling, som ökar spänningen
• Parallellkoppling, som ökar kapaciteten i amperetimmar och strömförmågan

De flesta elbilspaket använder en kombination av båda.

Seriekopplingar

När identiska celler eller cellgrupper seriekopplas adderas deras spänningar.

Samma ström passerar genom varje cell eller parallellgrupp i seriekedjan.

Paketspänning = Antal seriegrupper × Cellspänning

Om 100 celler med en nominell spänning på 3.7 volt seriekopplas blir paketets nominella spänning cirka 370 volt.

Kapaciteten mätt i amperetimmar ökar inte när identiska celler endast seriekopplas.

Parallellkopplingar

När identiska celler parallellkopplas förblir spänningen densamma medan deras kapacitet i amperetimmar adderas.

Parallellgruppens kapacitet =
Antal parallella celler × Cellkapacitet

Fyra 72 Ah-celler som parallellkopplas bildar en grupp på 288 Ah.

Parallella celler delar också strömmen. Under balanserade förhållanden leder fyra identiska parallellkopplade celler vardera ungefär en fjärdedel av gruppströmmen.

Den faktiska strömfördelningen kan variera något på grund av skillnader i:

• Intern resistans
• Temperatur
• Cellålder
• Elektriska anslutningar
• Tillverkningstoleranser

BMS övervakar normalt parallellkopplade celler som en spänningsgrupp eftersom de delar samma polspänning.

Så tolkas s- och p-beteckningar

Batterikonfigurationer skrivs ofta med:

• s för serie
• p för parallell

En 3s4p-konfiguration innehåller:

• Tre seriekopplade grupper
• Fyra parallellkopplade celler i varje grupp
• Totalt tolv fysiska celler

Det totala antalet celler är:

Totalt antal celler = Antal i serie × Antal parallellt

För ett paket med identiska celler:

Nominell paketspänning =
Antal i serie × Nominell cellspänning

Paketkapacitet i Ah =
Antal parallellt × Cellkapacitet

Nominell paketenergi i Wh =
Nominell paketspänning × Paketkapacitet

Spänning multiplicerad med amperetimmar ger ett ungefärligt nominellt energivärde.

Cellspänningen förändras kontinuerligt med laddningsnivån, så beräkningen är inte ett exakt mått på den energi paketet kan avge under en fullständig urladdning. Tillverkare kan också definiera nominell kapacitet eller bruttokapacitet med metoder för cellkarakterisering som skiljer sig något från denna enkla beräkning.

Exempel: Audi Q8 55 e-tron

Batteriet i Audi Q8 55 e-tron innehåller 432 prismatiska celler fördelade på 36 moduler. Varje modul innehåller 12 celler.

Audi anger:

• 114 kWh bruttokapacitet
• 106 kWh användbar kapacitet
• 396 V nominell spänning
• 36 moduler
• 432 celler

Varje modul använder en 3s4p-koppling. Hela paketet är därför 108s4p. (Audi)

Med de nominella cellvärdena:

• Cellspänning: Cirka 3.6667 V
• Cellkapacitet: 72 Ah
• Parallellgruppens kapacitet: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Modulspänning: 3 × 3.6667 V = cirka 11 V
• Modulkapacitet: 288 Ah

De 36 modulerna är seriekopplade:

• Fullständig konfiguration: 108s4p
• Paketspänning: 36 × 11 V = 396 V
• Paketkapacitet: 288 Ah
• Nominell energi: 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh

Resultatet är cirka 114 kWh, vilket stämmer med Audis publicerade bruttokapacitet.

Exemplet visar två viktiga principer:

• Serieanslutning av celler eller moduler ökar spänningen
• Serieanslutning av moduler ökar inte kapaciteten i amperetimmar

Exempel: Porsche Macan Electric

Porsche Macan Electric använder:

• 100 kWh bruttokapacitet
• Cirka 95 kWh användbar kapacitet
• 12 moduler
• 15 prismatiska celler seriekopplade i varje modul
• Totalt 180 celler
• En arkitektur i 800-voltsklassen

Hela paketet kan därför beskrivas som 180s1p. Varje stor prismatisk cell ger redan den kapacitet i amperetimmar som krävs, så inga parallella fysiska celler behövs i varje serieposition.

Porsche uppger också att de 12 modulerna och flera andra viktiga paketkomponenter kan bytas individuellt. (Porsche Newsroom)

Det skiljer sig avsevärt från ett paket med tusentals små cylindriska celler, även om båda konstruktionerna utför samma grundläggande funktioner.

Illustrativt paket med små cylindriska celler

Tänk dig ett paket med 4,416 cylindriska celler ordnade som 96s46p.

Anta att varje cell har:

• Nominell spänning: 3.7 V
• Kapacitet: 4.8 Ah

Det resulterande paketet har:

Paketspänning = 96 × 3.7 V
              = 355.2 V

Paketkapacitet = 46 × 4.8 Ah
               = 220.8 Ah

Nominell energi = 355.2 V × 220.8 Ah
                = cirka 78.4 kWh

Detta är en illustrativ konfiguration, inte en specifikation för alla fordon med ett liknande cellantal.

Verkliga cylindriska paket varierar med:

• Cellkapacitet
• Cellkemi
• Leverantör
• Fabrik
• Modellår
• Batteriversion
• Användbart spänningsfönster

Exempel på batterikonfigurationer

Tillverkare publicerar inte alltid en fullständig sXp-beteckning. Konfigurationer markerade med en asterisk är härledda från publicerade cell- och modulupplägg.

Batteri	År	Brutto- eller nominell kapacitet	Celler/moduler	Konfiguration	Nominell spänning eller arkitekturspänning
Mitsubishi i-MiEV, USA-specifikation	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-generationen	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-voltsklass
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 celler/12 moduler	180s1p*	800-voltsklass
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh nominellt	384 celler	Inte officiellt publicerad	337 V nominellt
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 påsceller/6 moduler	Inte officiellt publicerad	800-voltsklass

Det provade Mitsubishi i-MiEV-paketet använde 88 celler, hade en nominell kapacitet på 50 Ah, en nominell energi på 16.3 kWh och en nominell spänning på 325.6 V. (US Department of Energy)

Den ursprungliga e-Golf använde 264 celler, 27 moduler, 323 V och 24.2 kWh. Den senare 35.8 kWh-versionen behöll samma cellantal, modulantal, nominella spänning och publicerade batterimassa. (VW Press)

Audi PPE-batteriet använder 12 moduler och 180 stora prismatiska celler i stället för de 36 moduler och 432 celler som Q8 e-tron använder. (Audi)

NIO publicerar 384 celler, 337 V nominell spänning, 446 Ah och 575 kg för sitt 150 kWh-batteri, men ger inte tillräckligt med offentlig information för att en tillförlitlig fullständig sXp-konfiguration ska kunna anges. (NIO)

Porsche Cayenne Electric använder sex moduler och 192 stora påsceller i ett funktionsintegrerat batteri. (Porsche Newsroom)

Spänning, ström och effekt

Elektrisk effekt beror på spänning och ström:

Effekt = Spänning × Ström

Samma effekt kan överföras med:

• Högre spänning och lägre ström
• Lägre spänning och högre ström

En idealiserad överföring på 300 kW kräver:

Vid 400 V:

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

Vid 800 V:

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

800-voltssystemet levererar samma effekt med halva strömmen.

Elektriska förluster i ledare kan approximeras som:

Resistiv förlust = Ström² × Resistans

Om resistansen förblir oförändrad minskar en halvering av strömmen den resistiva förlusten till en fjärdedel.

Verkliga fordon är mer komplicerade eftersom även ledardimensioner, kontaktresistans, halvledare, kylning och faktisk batterispänning förändras. Beräkningen förklarar ändå varför högre spänning blir attraktiv när laddnings- och drivlineeffekten ökar.

System i 400-volts- och 800-voltsklassen

Begreppen 400 volt och 800 volt beskriver breda systemklasser, inte fasta batterispänningar.

Paketspänningen förändras med:

• Laddningsnivå
• Cellkemi
• Temperatur
• Ström
• Antal seriekopplade celler
• Tillverkarens spänningsgränser

Ett batteri som marknadsförs som 400 volt kan arbeta från det lägre 300-voltsområdet till över 400 V.

Ett paket i 800-voltsklassen kan ha en nominell spänning närmare 650–750 V och närma sig eller överstiga 800 V vid hög laddningsnivå.

System i 400-voltsklassen

En arkitektur i 400-voltsklassen är fortfarande tillräcklig för många vanliga elbilar.

Fördelar

• Mogna och allmänt tillgängliga komponenter
• Lägre komponentkostnad
• Enkel kompatibilitet med befintliga laddare
• Mindre krävande isolationskrav
• Tillräcklig effekt för många personbilar
• Etablerade reparations- och tillverkningsprocesser

Avvägningar

• Högre ström för samma effekt
• Större strömledande ledare vid mycket hög effekt
• Mer uppvärmning i kontakter och kablar
• Svårare att uppnå extrem laddeffekt
• Högre strömkrav för drivlinor med hög uteffekt

Ett välkonstruerat 400-voltsbatteri kan ändå ladda mycket snabbt om det kombinerar celler som tål hög ström, effektiv kylning och en bred laddningskurva.

System i 800-voltsklassen

En arkitektur i 800-voltsklassen minskar den ström som krävs för en given effekt.

Fördelar

• Lägre ström vid hög laddeffekt
• Minskade ledarförluster
• Potentiellt mindre eller lättare högspänningskablar
• Högre effekt inom kontaktens strömgränser
• Effektiv leverans av hög drivlineeffekt
• Väl lämpad för laddning med hög effekt

Avvägningar

• Dyrare högspänningskomponenter
• Högre krav på isolering och krypavstånd
• Högre krav på kontaktorer och sensorer
• Mer komplicerad kraftelektronik
• Kompatibilitetsproblem med laddare för lägre spänning
• Högre utvecklings- och valideringskostnad

Högre spänning garanterar inte snabbare laddning.

Laddningsprestandan beror också på:

• Cellkemi
• Cellens C-tal
• Batteritemperatur
• Laddningskurva
• Strömgränser
• Kylförmåga
• Laddningsnivå
• Laddarens kapacitet

Laddning av ett 800-voltsbatteri vid en laddare med lägre spänning

En laddare måste ge tillräcklig spänning för att driva ström in i batteriet.

Ett batteri i 800-voltsklassen kan normalt inte laddas direkt från en laddare vars maximala utspänning ligger långt under paketspänningen.

Tillverkarna löser detta på flera sätt:

• En separat DC-boostomvandlare
• Motorn och växelriktaren används som en del av en boostkrets
• Batteriet konfigureras om till banker med lägre spänning
• Begränsad laddningsförmåga på inkompatibla laddare

Bankladdning

Bankladdning ändrar batteriets elektriska konfiguration under laddning.

Porsche Macan kan dela upp sitt 800-voltsbatteri i två separata 400-voltskretsar. De två batterihalvorna laddas då samtidigt med upp till 135 kW utan en separat högspänningsbooster. (Porsche Newsroom)

Cellerna flyttas inte och paketet delas inte fysiskt. Högspänningsbrytare ändrar hur sektionerna är elektriskt sammankopplade.

Det visar att batterikonfigurationen inte alltid förblir fast i alla driftlägen.

Batteripaketsarkitekturer

Den elektriska konfigurationen beskriver hur cellerna är sammankopplade.

Paketarkitekturen beskriver hur cellerna, kylsystemet, höljet, modulerna och fordonsstrukturen är fysiskt integrerade.

De huvudsakliga metoderna är:

• Modulbaserade paket
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body eller Cell-to-Chassis
• Strukturella eller funktionsintegrerade paket

Kategorierna överlappar varandra.

Ett strukturellt batteri kan fortfarande innehålla moduler. En Cell-to-Pack-konstruktion kan fortfarande använda interna ramar, komprimerade rader, banker eller andra strukturer som grupperar cellerna.

Modulbaserade paket

I ett traditionellt modulbaserat paket monteras cellerna i moduler innan modulerna installeras i batterihöljet.

Cell → Modul → Paket → Fordon

Moduler kan innehålla:

• Cellramar
• Kompressionsstrukturer
• Samlingsskenor
• Elektronik för cellövervakning
• Kylgränssnitt
• Elektrisk isolering
• Mekaniskt skydd
• Kontakter på modulnivå

Fördelar med modulbaserade paket

• Skalbarhet: Olika kapaciteter kan skapas med olika antal moduler.
• Uppdelad tillverkning: Modulmontering och slutlig paketmontering kan provas separat.
• Kontrollerade cellgrupper: Kompression, elektriska anslutningar och kylning kan hanteras inom definierade enheter.
• Möjlig reparerbarhet: En defekt modul kan eventuellt bytas utan att hela paketet byts.
• Leverantörsflexibilitet: Moduler kan utgöra ett gränssnitt mellan cellproduktion och fordonsmontering.
• Återanvändning av plattformar: En moduldesign kan ibland användas i flera fordon.

Avvägningar med modulbaserade paket

• Ytterligare inaktivt material: Ramar, lock, fästelement och kontakter tillför massa.
• Fler delar: Fler höljen, tätningar, samlingsskenor och gränssnitt behövs.
• Minskad paketeffektivitet: Utrymme krävs runt både celler och moduler.
• Fler monteringssteg: Moduler kräver separat produktion, provning, transport och installation.

Moduler gör inte automatiskt paketet reparerbart.

Reparerbarheten beror också på:

• Åtkomst till paketet
• Lim och tätningsmedel
• Kylvätskekonstruktion
• Tillgång till reservdelar
• Diagnostikstöd
• BMS-programmering
• Tillverkarens reparationsrutiner

Porsche Macan Electric är ett modernt exempel på ett reparationsinriktat modulbaserat paket. Porsche uppger att de 12 modulerna och andra huvudkomponenter kan bytas separat. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, vanligen förkortat CTP, tar bort eller minskar det traditionella mellanliggande modulhöljet.

Cell → Paket → Fordon

Cellerna kan fortfarande placeras i:

• Rader
• Komprimerade grupper
• Interna ramar
• Banker
• Strukturella matriser

CTP betyder inte nödvändigtvis att varje cell ligger löst i ett enda odelat hölje.

Fördelar med Cell-to-Pack

• Högre utnyttjande av paketvolymen: Mindre volym upptas av modulväggar och lock.
• Lägre inaktiv massa: Färre mellanliggande höljen och fästelement behövs.
• Färre delar: Elektriska och strukturella gränssnitt kan slås samman.
• Möjlig kostnadsminskning: Färre upprepade komponenter kan förenkla monteringen.
• Närmare kylintegrering: Cellerna kan anslutas direkt till kylstrukturer på paketnivå.
• Färre anslutningar: Stora celler och direkt integrering kan minska antalet samlingsskenor och kontakter.

Avvägningar med Cell-to-Pack

• Större ansvar på paketnivå: Kylning, kompression, isolering och skydd mot spridning måste lösas över större sektioner.
• Mer integrerad tillverkning: Ett produktionsfel kan påverka en större enhet.
• Mindre modulärt utbyte: Cellgrupper kan vara svåra att ta bort separat.
• Plattformsberoende: Cellmått, kylning, pakethölje och fordonsgolv är nära sammankopplade.
• Möjlig reparationskostnad: Skador på en sektion kan kräva att en större paketenhet byts.

CATL Qilin

CATL beskriver Qilin som en CTP-arkitektur av tredje generationen.

CATL uppger ett utnyttjande av paketvolymen på 72% för konstruktionen. Det är en specifikation för Qilin, inte ett resultat som gäller alla CTP-batterier.

Betydelsen sträcker sig längre än att traditionella modulhöljen tas bort. Qilin integrerar kylning, struktur, termiskt skydd och celler på paketnivå.

Volkswagen Unified Cell och Cell-to-Pack

Volkswagen-koncernens Unified Cell är en standardiserad prismatisk cellplattform avsedd att fungera med ett nytt Cell-to-Pack-batterisystem.

Den breda cellplattformen är avsedd att stödja:

• NMC
• LFP
• Natriumjon
• Möjlig framtida fastfasteknik

Den första PowerCo Unified Cell som produceras i Salzgitter använder NMC-kemi. LFP-varianter är planerade. (Volkswagen Group)

Unified Cell visar varför cellformat och paketgränssnitt kan standardiseras utan att alla fordon måste använda samma kemi.

BYD Blade Battery

BYD:s Blade Battery använder långa prismatiska LFP-celler som placeras direkt i paketet utan traditionella mellanliggande moduler.

De långa cellerna bidrar också till paketets interna mekaniska struktur.

En stor del av förpackningsfördelen kommer från samspelet mellan:

• Cellmått
• Paketbredd
• Kylning
• Strukturellt stöd
• Montering utan moduler

Resultatet ska inte tillskrivas enbart LFP-kemin eller den långa cellformen.

Cell-to-Body och Cell-to-Chassis

Cell-to-Body, eller CTB, integrerar batteriet närmare med fordonskarossen.

Cell-to-Chassis, eller CTC, används för liknande koncept, även om tillverkarna inte använder begreppen enhetligt.

Batteriet kan dela funktioner med:

• Kupégolvet
• Tvärbalkar
• Underredet
• Sidostrukturer
• Strukturer för sätesinfästning
• Krocklastvägar

Gränsen mellan avancerad CTP och CTB är inte alltid tydlig. Den beror på vilka delar och funktioner som delas mellan paketet och karossen.

BYD Seal Cell-to-Body

BYD Seal använder ett Cell-to-Body-system där batteriet och karossgolvet bildar en nära integrerad sandwichliknande struktur.

Batteriet fungerar både som:

• Ett energilagringssystem
• Ett strukturellt element i fordonet

Fördelar med CTB och CTC

• Färre dubblerade strukturlager
• Mer invändigt utrymme för en given fordonshöjd
• Möjlig minskning av systemmassan
• Ökad karossstyvhet
• Lägre tyngdpunkt
• Förbättrad förpackningseffektivitet

Avvägningar med CTB och CTC

• Batteri- och karossteknik blir tätt sammankopplade
• Kollisionsreparation kan omfatta batteri- och karossstrukturer
• Paketborttagning kan kräva mer omfattande demontering
• Plattformsändringar kan kräva ett omkonstruerat batteri
• Tätning och korrosionsskydd blir viktigare
• Kraven på måttoleranser ökar

Strukturella och funktionsintegrerade paket

Ett strukturellt batteri bär betydande fordonslaster i stället för att bara fungera som en energilagringsenhet monterad under karossen.

Ett strukturellt paket kan använda:

• Celler som limmas direkt i ett strukturellt hölje
• Stora strukturella cellmatriser
• Moduler installerade i ett karossintegrerat batteri
• Ett batterilock som samtidigt utgör en del av kupégolvet

Strukturell integrering och användning av moduler är separata konstruktionsval.

Tesla Structural Battery Pack

Tesla började 2022 tillverka utvalda Model Y med egenproducerade 4680-celler, stora gjutna karossdelar och ett strukturellt batteripaket.

Tesla har också tillverkat Model Y-varianter med konventionella icke-strukturella paket med 2170-celler. Batteriarkitekturen beror därför på fordonsversion och fabrik.

Porsche Cayenne Electric

Porsche Cayenne Electric använder vad Porsche kallar ett funktionsintegrerat högspänningsbatteri.

Batteriet:

• Är direkt integrerat i fordonsstrukturen
• Bidrar till karossens styvhet
• Innehåller sex moduler
• Innehåller 192 stora påsceller
• Har 113 kWh bruttokapacitet
• Använder dubbelsidig modulkylning

Det är ett användbart exempel på ett strukturellt integrerat batteri som förblir modulärt i stället för att använda en modullös CTP-arkitektur. (Porsche Newsroom)

Fördelar med strukturella paket

• Mindre dubblering mellan paket- och karossstrukturer
• Potentiellt lägre total systemmassa
• Bättre utnyttjande av utrymmet i höjdled
• Ökad karossstyvhet
• Lägre tyngdpunkt
• Färre stora fordonskomponenter

Avvägningar med strukturella paket

• Batteri- och fordonsutveckling blir oskiljaktiga
• Strukturella skador kan påverka batterihöljet
• Paketborttagning och karossreparation kan bli mer komplicerade
• Kraven på tillverkningstoleranser ökar
• Batteriet kan vara svårt att återanvända på en annan plattform
• Reparation kräver detaljerade tillverkaranvisningar

Videon nedan ger en detaljerad analys av Teslas strukturella paket från Munro & Associates.

Paketarkitektur och servicevänlighet

Det är frestande att rangordna batteriarkitekturer så här:

Moduler = reparerbart

Cell-to-Pack = svårt att reparera

Strukturellt paket = inte reparerbart

Verkligheten är mer komplicerad.

Servicevänligheten beror på:

• Om locket kan öppnas utan att förstöras
• Om moduler eller cellgrupper kan tas bort
• Strukturlim, skum och ingjutningsmassor
• Åtkomst till kylplattor
• Kylvätskeanslutningar
• Tillgång till moduler och elektronik
• Diagnosverktyg
• BMS-programmering och komponentparning
• Godkända reparationsrutiner
• Skador på pakethöljet eller fordonsstrukturen

Ett konventionellt modulbaserat batteri kan ändå endast bytas som en komplett enhet om tillverkaren inte tillhandahåller moduler eller reparationsanvisningar.

Ett strukturellt integrerat batteri kan fortfarande innehålla utbytbara:

• Moduler
• Kontaktorer
• Säkringar
• Sensorer
• Styrenheter
• Kylvätskekomponenter

Porsche Cayenne Electric visar att strukturell integrering och modulär konstruktion kan samexistera.

Paketarkitekturen påverkar reparationsmöjligheterna men avgör dem inte på egen hand.

Energitäthet på paketnivå

Energitäthet på cellnivå beskriver den energi cellerna lagrar i förhållande till sin massa eller volym.

Energitäthet på paketnivå omfattar allt som behövs för att driva, ansluta, kyla och skydda cellerna:

• Cellhöljen
• Modulstrukturer
• Pakethölje
• Kylsystem
• Samlingsskenor och kablage
• Kontaktorer och säkringar
• Styrelektronik
• Krockskydd
• Tätningar och fästelement
• Termiska gränssnittsmaterial

Gravimetrisk energitäthet för paketet är:

Gravimetrisk energitäthet för paketet =
Paketenergi i Wh ÷ Komplett paketmassa i kg

Volymetrisk energitäthet för paketet är:

Volymetrisk energitäthet för paketet =
Paketenergi i Wh ÷ Paketets yttre volym i liter

En cell med hög energitäthet kan ändå ge ett relativt tungt paket om den kräver omfattande kylning, inneslutning eller strukturutrustning.

En kemi med lägre densitet, som LFP, kan uppnå ett respektabelt resultat på paketnivå genom effektiv integrering, men skillnaden i densitet på cellnivå försvinner inte helt.

Energitäthet på paketnivå över tid

Tabellen använder bruttoenergi eller tillverkarens nominella energi i stället för användbar energi.

Värdena ska betraktas som representativa exempel och inte som en laboratoriejämförelse. Tillverkarna definierar inte alltid paketmassa eller nominell energi på exakt samma sätt.

Batteripaket	År eller generation	Brutto- eller nominell kapacitet	Paketmassa	Beräknad densitet
Mitsubishi i-MiEV, USA-specifikation	2012	16.3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Cirka 540 kg	Cirka 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24.2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Cirka 699 kg	Cirka 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, 35.8 kWh-generationen	2017	35.8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, stort batteri	2021	82 kWh	Cirka 500 kg	Cirka 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82.56 kWh	Cirka 558 kg	Cirka 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron/Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Cirka 570 kg	Cirka 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, 52 kWh-version	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, uppdaterat batteri	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
NIO 100 kWh bytesbatteri	Nuvarande publicerade specifikation	100 kWh nominellt	555 kg	180 Wh/kg
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh nominellt	575 kg	261 Wh/kg

Uppgifterna för Mitsubishi i-MiEV kommer från en provrapport från USA:s energidepartement, som anger 16.3 kWh nominell energi och en paketmassa på 363 lb, motsvarande cirka 165 kg. (US Department of Energy)

Tesla angav officiellt den ursprungliga Model S med ett batteri på 85 kWh. Paketmassan på cirka 540 kg är en ofta rapporterad teknisk uppskattning och inte ett värde i Teslas ursprungliga fordonsspecifikation, så den beräknade densiteten ska betraktas som ungefärlig. (Tesla)

Volkswagen anger officiellt 318 kg för båda e-Golf-generationernas batterier. (VW Press)

Audi e-tron från 2018 använde ett batteri på 95 kWh som vägde cirka 699 kg. Värdet är ett användbart exempel på ett paket som konstruerats för effektiv kylning, strukturellt skydd, reproducerbar laddning och modulär uppbyggnad snarare än enbart lägsta möjliga massa.

BYD Seal-värdet använder en uppskattad paketmassa på 558 kg för LFP Blade Battery på 82.56 kWh. Det ger ungefär 148 Wh/kg och fungerar som en modern LFP-referens.

Renault publicerar officiellt 52 kWh användbar kapacitet och 297 kg paketmassa för Renault 5. Tabellen använder 55 kWh som EVKX arbetsvärde för bruttokapacitet, vilket ger cirka 185 Wh/kg. (Renault Ireland)

Audi publicerar 105 kWh bruttokapacitet och 625 kg för det uppdaterade e-tron GT-batteriet. (Audi)

NIO publicerar 555 kg för sina 100 kWh-batterier och 575 kg för 150 kWh-versionen. (NIO)

Tidiga elbilspaket var inte likadana

Tabellen visar ingen enkel ökning år för år.

Mitsubishi i-MiEV och ursprungliga e-Golf var konservativa tidiga batterisystem med:

• Måttlig kapacitet
• Låg laddeffekt
• Omfattande stödstruktur
• Förpackning begränsad av små plattformar eller plattformar för flera drivlinor

Den första e-Golf nådde bara 76 Wh/kg på paketnivå.

Den ursprungliga Tesla Model S var ett tydligt undantag. Det stora specialbyggda golvbatteriet nådde cirka 157 Wh/kg 2012 trots att det använde:

• 7,104 små cylindriska celler
• 16 moduler
• Vätskekylning
• Tusentals elektriska anslutningar
• Ett starkt strukturellt hölje

Model S visade hur en högenergicell och ett fordon byggt kring ett stort plant paket kunde överträffa många mindre tidiga elbilsbatterier.

Två generationer e-Golf-batteri

De två e-Golf-paketen ger en ovanligt tydlig jämförelse eftersom den publicerade paketmassan, cellantalet, modulantalet och den nominella spänningen förblev oförändrade.

Specifikation	24.2 kWh e-Golf	35.8 kWh e-Golf
Nominell kapacitet	24.2 kWh	35.8 kWh
Paketmassa	318 kg	318 kg
Antal celler	264	264
Antal moduler	27	27
Nominell spänning	323 V	323 V
Beräknad densitet	76 Wh/kg	113 Wh/kg

Det senare batteriet lagrar cirka 48% mer energi utan att den publicerade paketmassan eller antalet celler ökar.

Förbättringen kom främst från högre cellkapacitet, inte från ett större batterihölje.

Modern LFP: BYD Seal Blade Battery

BYD Seal är ett användbart exempel på ett modernt LFP-paket.

Dess Blade Battery på 82.56 kWh väger cirka 558 kg och ger en beräknad paketdensitet på omkring 148 Wh/kg.

Det är lägre än för flera moderna nickelbaserade paket, trots att Seal använder en effektiv Cell-to-Body-arkitektur.

Resultatet visar två separata effekter:

• LFP-celler lagrar normalt mindre energi per kilogram än ledande nickelrika celler
• Effektiv paketintegrering minskar men tar inte bort nackdelen på cellnivå

Paketet i Seal är inte dåligt konstruerat. Det prioriterar en annan balans mellan:

• Materialkostnad
• Cykellivslängd
• Termisk stabilitet
• Paketintegrering
• Strukturell effektivitet

Paketdensitet ska därför inte betraktas som en fullständig kvalitetsrangordning av batterier.

Renault 5: hög densitet i ett litet modulärt paket

Renault 5 E-Tech utmärker sig genom att det kompakta batteriet når cirka 185 Wh/kg med arbetsvärdet 55 kWh brutto.

Specifikation	Renault 5 E-Tech
Bruttokapacitet som används av EVKX	55 kWh
Officiell användbar kapacitet	52 kWh
Paketmassa	297 kg
Beräknad bruttodensitet	185 Wh/kg
Antal moduler	4

Resultatet är särskilt intressant eftersom Renault 5 inte använder en modullös CTP-konstruktion.

De fyra stora modulerna minskar antalet upprepade höljen, kontakter och stödkomponenter jämfört med paket som använder många mindre moduler.

Renault visar därmed att hög paketdensitet inte kräver att modulnivån tas bort helt.

NIO:s bytesbatterier på 100 alternativt 150 kWh

NIO:s batterier på 100 alternativt 150 kWh ger en annan intressant jämförelse eftersom båda passar företagets gränssnitt för batteribyte.

Specifikation	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Nominell kapacitet	100 kWh	150 kWh
Paketmassa	555 kg	575 kg
Beräknad densitet	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Skillnad i massa	—	20 kg mer
Skillnad i energi	—	50% mer

Batteriet på 150 kWh lagrar 50% mer nominell energi och väger bara 20 kg mer än den publicerade specifikationen för 100 kWh-paketet.

Den beräknade densiteten på cirka 261 Wh/kg ligger långt över de vanliga exemplen i tabellen.

Det ska inte betraktas som representativt för den bredare elbilsmarknaden. Paketet använder en specialiserad högenergicell och har introducerats genom NIO:s uppgraderings- och batteribytessystem.

Varför paketdensitet inte är helt jämförbar

Jämförelser av paketdensitet kräver försiktighet.

Tillverkarna kan definiera följande på olika sätt:

• Bruttokapacitet
• Nominell kapacitet
• Komplett paketmassa
• Kylvätskemassa
• Kopplingsboxens massa
• Underredesskydd
• Delade strukturella komponenter
• Produktionsspecifikation kontra prototyp

Även fordonskraven skiljer sig åt.

En prestandaelbil kan behöva mer:

• Kylning
• Kapacitet i samlingsskenorna
• Högströmsutrustning
• Krockskydd

En SUV eller terrängbil kan behöva ett tyngre hölje än en kompakt halvkombi.

Ett utbytbart batteri behöver strukturella och mekaniska gränssnitt som ett permanent monterat paket inte behöver.

Ett paket med lägre densitet kan ändå ge:

• Snabbare och mer reproducerbar laddning
• Bättre kylning
• Starkare krockskydd
• Enklare modulbyte
• Högre kontinuerlig effekt
• Längre livslängd
• Lägre produktionskostnad

Energitäthet på paketnivå är användbar, men är inte ett fullständigt kvalitetsmått för batterier.

Vad paketarkitekturen betyder för en elbilsköpare

Paketkonfiguration är normalt inget som en köpare behöver jämföra direkt.

Ett 180s1p-batteri är inte automatiskt bättre än ett 96s46p-batteri.

Det som spelar roll i vardagen är resultatet av hela konstruktionen:

• Användbar batterikapacitet
• Fordonets effektivitet
• Laddningskurva
• Laddning i kyla
• Batteriförkonditionering
• Kontinuerlig effekt och toppeffekt
• Degradering
• Temperaturhantering
• Garantiskydd
• Skydd mot termisk spridning
• Reparationsmöjligheter för paket och moduler
• Ersättningskostnad efter skada

Högre spänning kan hjälpa en elbil att nå hög laddnings- och drivlineeffekt, men spänningen ensam avgör inte laddningshastigheten.

Cell-to-Pack och strukturell integrering kan minska vikten och förbättra förpackningen. De kan också förändra reparationsrutinerna och öka konsekvenserna av skador på underrede eller struktur.

Ett modulärt paket kan ge fler reparationsmöjligheter, men bara när reservdelar, diagnostik och godkända rutiner finns tillgängliga.

Den bästa batteripaketsarkitekturen är den som uppfyller fordonets mål för:

• Prestanda
• Räckvidd
• Laddning
• Säkerhet
• Hållbarhet
• Produktionskostnad
• Förpackning
• Servicevänlighet

Den nyaste förkortningen är inte automatiskt det bästa batteriet.

För skyddslagren runt cellerna och hela paketet, se Säkerhet och felhantering för elbilsbatterier.

Källor

• Audi Q8 e-trons batterikapacitet och laddning
• Porsche Macans batteri och laddning
• USA:s energidepartements batteriprovning av Mitsubishi i-MiEV
• Volkswagens pressmaterial om e-Golf
• Audi PPE-högspänningsbatteri
• Användarhandbok för NIO ET7
• Porsche Cayenne Electrics högspänningssystem
• Volkswagen-koncernens batteri- och energitekniker
• Specifikationer för Tesla Model S
• Specifikationer för Renault 5 E-Tech
• Högspänningsbatteriet i Audi e-tron GT