Temperaturhantering för elbilsbatterier

Batteritemperaturen påverkar laddning, uteffekt, regenerativ bromsning, effektivitet och hållbarhet eftersom cellerna inte kan ta emot eller avge energi lika väl vid alla temperaturer.

Ett temperaturhanteringssystem för batteriet (BTMS) värmer, kyler och jämnar därför ut pakettemperaturen utifrån kemi, laddningsnivå, effektbehov och tillverkarens styrstrategi.

Varför batteritemperaturen är viktig

Battericeller är elektrokemiska enheter. Deras resistans, reaktionshastighet, tillgängliga energi och åldringsbeteende förändras med temperaturen.

Temperaturhanteringssystemet måste balansera flera prioriteringar:

Göra tillräcklig effekt tillgänglig för körning
Tillåta hög laddnings- och regenerativ bromseffekt
Begränsa elektriska förluster
Hålla cellerna inom säkra gränser
Minska långsiktig degradering
Bibehålla liknande temperaturer i hela paketet
Använda så lite energi som praktiskt möjligt för uppvärmning och kylning

Ett batteri kan ligga inom sitt säkra temperaturintervall utan att ha den bästa temperaturen för varje uppgift.

Det finns ingen enda idealisk batteritemperatur. En temperatur som passar effektiv landsvägskörning kan fortfarande vara för låg för maximal snabbladdning, medan ett batteri som förberetts för laddning med hög effekt kan vara varmare än vad som behövs vid parkering eller långtidsförvaring. Audi beskriver exempelvis 30–35°C som ett föredraget intervall för batteriet i e-tron GT under krävande kör- och laddningsförhållanden, men det är inget universellt mål för alla elbilar. (Audi)

Vad som händer när batteriet är kallt

Låg temperatur bromsar jonernas rörelse genom elektrolyten och elektrodmaterialen. Den interna resistansen ökar, vilket ger större spänningsfall och mer värmeutveckling för en given ström.

Föraren kan märka:

Minskad acceleration
Lägre topp- och kontinuerlig effekt
Begränsad regenerativ bromsning
Långsammare DC-laddning
Mindre omedelbart tillgänglig energi
Högre förbrukning under korta vinterresor

Låg temperatur skadar i sig normalt inte ett batteri. Den större risken uppstår när en kall cell laddas med hög ström.

I konventionella litiumjonceller med grafitbaserade negativa elektroder kan litiumjoner nå elektrodytan snabbare än de kan föras in i grafiten. Metalliskt litium kan då bildas på ytan genom en process som kallas litiumutfällning.

Litiumutfällning kan:

Förbruka litium som annars hade förblivit tillgängligt för cykling
Öka kapacitetsförlusten
Höja den interna resistansen
Bilda ojämna avlagringar
Öka säkerhetsriskerna i allvarliga fall

BMS begränsar därför laddning och regenerativ bromsning tills cellerna är tillräckligt varma för att ta emot mer ström. Snabbladdning utan litiumutfällning är fortfarande en av de viktigaste tekniska utmaningarna vid kall laddning eller laddning med hög ström. (US Department of Energy)

Vad som händer när batteriet är varmt

Ett varmare batteri har inledningsvis lägre resistans och kan ofta avge eller ta emot mer effekt. Det betyder inte att varmare alltid är bättre.

Hög temperatur påskyndar oönskade reaktioner mellan elektroderna och elektrolyten. Långvarig exponering kan bidra till:

Snabbare kalenderåldrande
Förlust av aktivt litium
Tillväxt av ytskikt som SEI
Elektrolytnedbrytning
Gasbildning
Ökad intern resistans
Kortare cykellivslängd

Temperatur och laddningsnivå samverkar. Att parkera ett batteri under lång tid vid både hög temperatur och hög SOC är i allmänhet mer påfrestande än att kortvarigt värma det före en laddning.

Höga temperaturer under extrem snabbladdning är också svåra att hantera. Forskning från USA:s energidepartement identifierar batteriets värmeutveckling och temperaturer över cirka 45°C som viktiga hinder för bibehållen extrem snabbladdningsprestanda och batterilivslängd. Den exakta gränsen beror på kemi och konstruktion. (US Department of Energy)

Varifrån batterivärmen kommer

Ett batteri utvecklar värme när ström flyter.

Källorna är:

Elektrisk resistans inne i cellerna
Jontransport genom elektrolyt och elektroder
Elektrokemiska reaktioner
Cellflikar och strömkollektorer
Samlingsskenor och elektriska anslutningar
Kontaktorer och kopplingspunkter i paketet
Ineffektivitet vid laddning och urladdning
Värme som överförs från närliggande kraftelektronik

Den resistiva värmen ökar ungefär med strömmen i kvadrat:

Resistiv värme ∝ Ström² × Resistans

En fördubbling av strömmen kan därför skapa ungefär fyra gånger så mycket resistiv värme om resistansen är oförändrad.

Det hjälper till att förklara varför krävande förhållanden ger hög termisk belastning:

DC-laddning med hög effekt
Upprepad kraftig acceleration
Långvarig körning i hög hastighet
Långa stigningar
Bogsering
Bankörning
Kraftig regenerativ bromsning

Värmen utvecklas inte alltid jämnt. Mitten av en stor cell kan vara varmare än den yttre ytan, medan celler nära kylvätskeutlopp eller paketkanter kan arbeta vid andra temperaturer än celler på andra platser. NREL-forskning har kopplat ojämn temperatur till lokala skillnader i laddningsnivå, litiumutfällning, SEI-tillväxt och degradering. (US Department of Energy)

Det finns ingen enda idealisk temperatur

Den föredragna batteritemperaturen beror på vad fordonet förbereder sig för att göra.

Normal körning

Vid måttlig körning kan systemet prioritera låg hjälpförbrukning i stället för att värma eller kyla batteriet till målet för snabbladdning.

Körning med hög effekt

Upprepad acceleration, bogsering, klättring eller körning i hög hastighet kan kräva extra kylning för att bibehålla den tillgängliga effekten.

DC-snabbladdning

Batteriet behöver ofta vara varmare än under vanlig vinterkörning. Cellresistansen måste vara tillräckligt låg för att ta emot hög ström utan för stor spänningsökning eller litiumutfällning.

Parkering

Bilen håller i allmänhet inte batteriet vid snabbladdningstemperatur när den står parkerad. Det skulle slösa energi. Paketet tillåts normalt röra sig inom ett bredare skyddande temperaturintervall.

Långtidsförvaring

Hög temperatur och hög SOC är olämpliga vid långtidsförvaring, även om ett tillfälligt varmt batteri kan ladda eller leverera effekt mer effektivt.

Temperaturhantering är därför en kontinuerlig kompromiss mellan omedelbar prestanda, energianvändning och åldrande.

Arkitekturer för temperaturhanteringssystem

Elbilstillverkare använder flera metoder för att flytta värme till och från batteriet.

De viktigaste metoderna är:

Passiv temperaturhantering
Luftkylning
Indirekt vätskekylning
Direkt köldmediekylning
Integrerade kylvätske- och värmepumpsystem

De flesta moderna elbilar som konstruerats för hög laddeffekt använder aktiv vätskekylning, ofta ansluten till fordonets köldmediekrets genom en värmeväxlare eller kylare.

Passiv temperaturhantering

Ett passivt hanterat batteri förlitar sig främst på värmeöverföring genom:

Cellhöljen
Modulstrukturer
Batterihöljet
Fordonets underrede
Omgivande luft

Metoden har få komponenter och förbrukar lite energi.

Fördelar

Låg kostnad
Låg vikt
Inga pumpar eller kylvätska
Få servicepunkter
Låg standbyförbrukning

Begränsningar

Begränsad förmåga att leda bort värme
Starkt beroende av omgivningstemperaturen
Långsam uppvärmning och kylning
Svårt att hålla enhetliga celltemperaturer
Dåligt lämpad för upprepad laddning med hög effekt

Passiv temperaturhantering kan räcka för en stadsbil med låg effekt men blir allt mer begränsande när laddningshastighet, batteristorlek och kontinuerlig effekt ökar.

Luftkylning

Luftkylda system för omgivnings- eller kupéluft genom eller runt batteriet.

Luftflödet kan drivas av fläktar eller fordonets rörelse.

Fördelar

Enklare än vätskekylning
Lägre massa
Ingen kylvätskekrets för batteriet
Minskad risk för kylvätskeläckage

Begränsningar

Luft transporterar betydligt mindre värme än flytande kylvätska
Kylningen är starkt beroende av lufttemperaturen
Luftkanaler tar plats
Det kan vara svårt att bibehålla jämn temperatur
Fläktljud och effektförbrukning ökar under hög belastning

Ett luftkylt batteri kan genomföra en snabbladdning framgångsrikt men ha svårt att leda bort tillräckligt med värme för upprepad laddning. Nissan dokumenterade sjunkande laddeffekt från och med den andra snabbladdningen i provning av det lufthanterade LEAF e+-batteriet. (Nissan)

Indirekt vätskekylning

Indirekt vätskekylning är den vanligaste arkitekturen i dagens högeffektelbilar.

En kylvätska av vatten och glykol flyter genom:

Kylplattor under cellerna
Kanaler bredvid cellraderna
Strängpressade sektioner i paketgolvet
Plattor som ligger mot cellernas breda ytor
Kylstrukturer integrerade i modulerna

Kylvätskan flyter normalt inte inne i cellerna. Värmen måste passera flera lager:

Cellens inre
Cellhöljet
Termiskt gränssnittsmaterial
Kylplattan
Kylvätskan

Det termiska gränssnittsmaterialet kan vara ett mellanlägg, pasta, lim, gel eller annat ledande skikt som fyller små mellanrum mellan cellen eller modulen och kylplattan.

Audi Q4 e-tron använder en separat lågtemperaturkrets för batteriet med en vatten-glykolblandning som flyter genom plana kanaler under cellfacken. Värmepasta förbinder cellerna med kylstrukturen, medan en högspänningsvärmare värmer kylvätskan under kalla förhållanden. (Audi)

Fördelar

Hög värmeöverföringsförmåga
Jämnare temperatur än med passiv hantering eller luftkylning
Effektiv uppvärmning och kylning genom samma plattor
Lämplig för körning och laddning med hög effekt
Kan anslutas till radiator, kylare eller värmepump

Avvägningar

Tillför kylvätska, pumpar, ventiler, slangar och värmeväxlare
Ökar vikt och kostnad
Skapar möjliga läckage- och servicepunkter
Kräver noggrann tätning och korrosionskontroll
Kylprestandan beror på kontakten mellan celler och plattor

Radiatorkylning

När omgivningsluften är tillräckligt sval kan batteriets kylvätska avge värme genom en radiator.

Det är ofta det mest energieffektiva kylningsläget eftersom systemet kanske bara behöver:

En kylvätskepump
Luftflöde genom radiatorn
En kylfläkt när fordonshastigheten inte räcker

Radiatorkylning kan inte sänka batteritemperaturen under omgivningsluftens temperatur. Den kan också bli otillräcklig i varmt väder eller vid laddning med hög effekt.

Kylning med köldmediekylare

När radiatorn inte kan leda bort tillräckligt med värme kan kylvätskan passera en kylare som är ansluten till luftkonditioneringens köldmediekrets.

Kylaren överför värme från batteriets kylvätska till köldmediet. Den elektriska kompressorn flyttar sedan värmen genom luftkonditioneringssystemet och avger den utanför fordonet.

En förenklad värmeväg är:

Battericeller
    ↓
Kylplatta
    ↓
Kylvätska av vatten och glykol
    ↓
Köldmediekylare
    ↓
Luftkonditioneringens köldmedium
    ↓
Kondensor och utomhusluft

Det låter fordonet kyla batteriet under omgivningstemperaturen eller hålla temperaturen nere under långvarig termisk belastning.

Audi e-tron GT använder fyra sammankopplade kylvätskekretsar. Vid hög kör- eller laddningsbelastning ansluter ventiler batterikretsen till luftkonditioneringens köldmediekrets för intensivare kylning. (Audi)

Direkt köldmediekylning

Vissa konstruktioner placerar köldmediekanaler eller förångarytor direkt mot batteriets kylstruktur i stället för att först använda en separat vatten-glykolkrets.

Det kan minska antalet steg i värmeöverföringen och ge hög kylprestanda.

Avvägningarna är:

Svårare fördelning av köldmediet
Större känslighet för tryck och tätning
Mer komplicerade servicerutiner
Risk för ojämn kylning om köldmedieflödet inte styrs väl
Tätare integrering mellan batteriet och klimatsystemet

Indirekt vätskekylning är fortfarande vanlig eftersom den skiljer batteriets kylvätskekrets från högtryckskretsen för köldmedium.

Integrerad temperaturhantering

Moderna temperatursystem i elbilar kopplar i allt högre grad samman batteri, motorer, kraftelektronik, laddningsutrustning och kupé.

Beroende på aktuella förhållanden kan värme:

Avlägsnas från batteriet
Återanvändas för att värma kupén
Flyttas från drivlinan till batteriet
Avges genom en radiator
Flyttas genom köldmediekretsen
Hämtas från utomhusluften med en värmepump

Audi Q6 e-tron använder värmeväxlare för kylvätska och köldmedium, medan det förutseende styrsystemet samordnar uppvärmning och kylning av batteriet. Nissan beskriver på liknande sätt ett integrerat system som återanvänder värme från körning och laddning för batteriet och kupén. (Audi)

Metoder för batteriuppvärmning

Att värma ett kallt batteri kräver energi. Tillverkarna använder olika energikällor.

Högspänningsdriven kylvätskevärmare

En separat elektrisk värmare kan värma kylvätskan som flyter genom batteriets kylplattor.

Värmare med positiv temperaturkoefficient, eller PTC, används ofta eftersom deras elektriska resistans ökar när de blir varmare, vilket hjälper till att begränsa överdriven uppvärmning.

Fördelar

Fungerar i nästan alla omgivningsförhållanden
Ger förutsägbar värmeeffekt
Kan värma batteriet utan körning
Relativt enkel att styra

Avvägningar

Elektrisk energi omvandlas direkt till värme
Hög värmeeffekt kan minska den tillgängliga räckvidden
Tillför utrustning, vikt och kostnad

Audi använder högspänningsvärmare i flera av sina temperatursystem för elbilar, däribland kylvätskekretsen i Q4 e-tron. (Audi)

Uppvärmning med värmepump

En värmepump flyttar värme i stället för att producera all värme genom elektriskt motstånd.

Möjliga värmekällor är:

Utomhusluft
Kylvätska från motor och växelriktare
Laddningsutrustning
Frånluft från kupén
Köldmediekretsen

Under lämpliga förhållanden kan en värmepump flytta mer värmeenergi än den elektriska energi som kompressorn förbrukar.

Prestandan minskar när temperaturskillnaden ökar. Många fordon kombinerar därför en värmepump med motståndsvärmare för snabb uppvärmning eller mycket kalla förhållanden.

Återvinning av spillvärme

Motorer, växelriktare, inbyggda laddare och DC-DC-omvandlare utvecklar värme under drift.

Ett integrerat temperatursystem kan leda en del av värmen till:

Batteriet
Kupén
En annan kylvätskekrets

Återvinning av spillvärme är användbar under körning och laddning men kan inte alltid ge tillräckligt med värme efter kallstart. Nissan beskriver återanvändning av värme från drivlina och laddning som en del av sin integrerade strategi för temperaturkonditionering. (Nissan)

Värme som bildas under körning

Körningen i sig värmer batteriet eftersom strömflödet utvecklar värme.

Ett kallt paket kan gradvis återfå laddeffekt och regenerativ bromsning efter:

Motorvägskörning
Klättring
Kraftig acceleration
Långvarig effektanvändning

Uppvärmningen är inte gratis. Värmen kommer från energi som går förlorad genom resistans och annan ineffektivitet.

Vissa fordon kan avsiktligt skapa ytterligare elektrisk belastning eller ändra drivlinans funktion före laddning. Om detta används och hur kraftigt det sker beror på fordonets temperaturarkitektur.

Kylplattans placering

Kylytans placering påverkar hur effektivt värmen kan förflyttas genom cellen.

Vanliga upplägg är:

Bottenkylning
Sidokylning
Kylning mellan cellrader
Kylning av breda ytor
Kylning av flikar eller poler
Dubbelsidig kylning

Bottenkylning

En platta under modulerna eller cellerna är relativt lätt att integrera i ett plant paket. Värmen måste färdas från de övre delarna av en hög cell ned till kylplattan.

Kylning från sidan eller den breda ytan

Kylning av de stora ytorna på prismatiska celler eller påsceller kan förkorta värmevägen men kräver enhetlig mekanisk kontakt och kompression.

Kylning mellan cellrader

Kanaler mellan cylindriska celler ger stor kontaktyta men tar plats i paketet och skapar många upprepade kylvätskevägar.

Dubbelsidig kylning

Kylning av en stor cell från båda sidor minskar den sträcka värmen måste färdas och kan förbättra temperaturjämnheten.

Porsche Cayenne Electric använder kylplattor över och under var och en av de sex modulerna. Porsche uppger att plattorna både kan värma och kyla batteriet, vilket hjälper de stora påscellerna att nå sin måltemperatur effektivare. (Porsche Newsroom)

Temperaturjämnhet

Det räcker inte att sänka paketets medeltemperatur. Temperatursystemet måste också minimera skillnaderna mellan cellerna och inom varje cell.

Ojämn temperatur kan orsaka:

Olika cellresistans
Ojämn strömfördelning
Olika laddningsnivåer
Lokalt åldrande
Lokal litiumutfällning
Att en cellgrupp når en spänningsgräns tidigt
Minskad användbar kapacitet

Möjliga problemområden är:

Mitten av stora celler
Moduler långt från kylvätskeinloppet
Celler nära kontaktorer och samlingsskenor
Tätt packade centrala moduler
Celler med dålig kontakt mot kylplattan
Områden som utsätts för värme från väg eller avgassystem

Temperaturhanteringssystemet, BMS, kylplattans konstruktion, cellformat och paketkompression bidrar alla till temperaturjämnheten. DOE-forskning om celler för extrem snabbladdning identifierar interna temperaturskillnader som en orsak till ojämn degradering och en begränsning för stora celler som kyls från bara en sida. (US Department of Energy)

Batteriförkonditionering

Batteriförkonditionering för paketet närmare den temperatur som behövs för en planerad uppgift.

Begreppet avser oftast förberedelse för DC-snabbladdning men kan också omfatta:

Uppvärmning före avresa
Kylning före laddning
Förberedelse för hög drivkraft
Bibehållen lämplig temperatur vid anslutning till AC-laddning

Förkonditionering är inte alltid uppvärmning. Ett varmt batteri kan behöva aktiv kylning före ankomst till en snabbladdare.

Förkonditionering för snabbladdning

När en DC-snabbladdare väljs i det inbyggda navigationssystemet kan fordonet beräkna hur mycket uppvärmning eller kylning som behövs före ankomst.

Indata kan vara:

Aktuell batteritemperatur
Omgivningstemperatur
Avstånd och körtid
Förväntad SOC vid ankomst
Nylig körbelastning
Laddarens förväntade kapacitet
Ruttens höjdprofil och hastighet

Systemet justerar sedan uppvärmning eller kylning under resan.

Temperaturhanteringen i Audi e-tron GT kan intensifiera batterikylningen ungefär en halvtimme före ankomst till en planerad högeffektladdare eller värma paketet under kalla förhållanden.

Förkonditionering garanterar inte högsta laddeffekt. Laddningen beror fortfarande på:

SOC vid ankomst
Laddarens spänning och ström
Cellspänning
Cellobalans
Pakettemperatur
Batteriskick
Fordonets laddningskurva
Effektdelning på laddplatsen

Manuell förkonditionering

Vissa elbilar låter föraren starta batteriförberedelsen manuellt.

Det är användbart när:

En telefon eller ruttplanerare från tredje part används
Laddaren saknas i den inbyggda databasen
Det planerade laddstoppet har ändrats
Föraren inte använder ruttvägledning
Fordonet har valt fel laddartyp
Laddning förväntas tidigare än navigationssystemet beräknar

Manuell förkonditionering kan fortfarande ha begränsningar:

En lägsta SOC
Temperaturberoende tillgänglighet
En fast maximal drifttid
Automatisk avstängning
Minskad värmeeffekt vid låg SOC
Avbrott om föraren byter driftläge

Att starta förkonditioneringen bevisar inte heller att batteriet har nått måltemperaturen. Den tillgängliga förberedelsetiden och värmekapaciteten spelar fortfarande roll.

Förkonditionering före avresa

När elbilen är ansluten till hemmaladdning kan schemalagd förkonditionering använda nätenergi för att värma kupén och, i vissa fordon, batteriet.

Det kan minska mängden lagrad batterienergi som används omedelbart efter avresan.

Tre funktioner ska inte förväxlas:

Förkonditionering av kupén
Förkonditionering av batteriet
Laddning som schemalagts att avslutas nära avresan

Vissa elbilar utför alla tre. Andra värmer bara kupén.

Att avsluta laddningen strax före avresa kan ändå hjälpa eftersom laddningen utvecklar värme i cellerna. Ett batteri som nyligen har laddat färdigt kan börja resan varmare än ett som blev färdigladdat många timmar tidigare.

USA:s energidepartements analys konstaterar att förkonditionering medan fordonet är anslutet låter energin komma direkt från elnätet och kan minska energiförlusterna vid kallstart under korta vinterresor. (US Department of Energy)

Kylning före snabbladdning

I varmt väder eller efter krävande användning kan batteriet vara för varmt i stället för för kallt.

Det kan inträffa efter:

Långvarig körning i hög hastighet
Bogsering
Bergskörning
Bankörning
En tidigare snabbladdning
Parkering i starkt solljus
Upprepad acceleration

Fordonet kan börja aktiv kylning långt före laddstoppet. Ett stort paket har betydande termisk massa och kan inte ändra temperatur omedelbart.

Förkonditioneringen behöver därför tillräckligt med körtid för att leda bort värme från cellernas inre och inte bara kyla de uppmätta ytorna.

Varför förkonditionering kan stoppas vid låg SOC

Uppvärmning och kylning av batteriet förbrukar energi.

Vid låg SOC måste tillverkaren balansera:

Att nå laddaren
Att förbereda batteriet
Att bevara en reserv
Att undvika alltför djup cellurladdning
Att bibehålla kupévärmen

Systemet kan minska eller stoppa batteriförkonditioneringen när SOC faller under en definierad tröskel.

Tröskeln skiljer sig mellan fordon och kan förändras med programvaran. Exemplet från Kia EV9 ovan visar en implementation och ska inte tolkas som en generell 12%-regel.

Energianvändning och räckvidd

Batteriförkonditionering använder energi. När fordonet inte är inkopplat kommer energin från drivbatteriet och minskar mängden som är tillgänglig för framdrivning.

De främsta fördelarna är:

Kortare laddstopp
Mer tillgänglig drivkraft
Mer regenerativ bromsning
Minskad risk för skador vid kall laddning
Mer förutsägbar prestanda

Ett varmare batteri kan ha lägre resistans, men det betyder inte att förkonditionering alltid ökar den totala räckvidden. Den energi som sparas genom minskade förluster kan vara mindre än energin som används till uppvärmning.

För en långresa med ett snabbladdningsstopp kan det ändå minska den totala restiden avsevärt att använda batterienergi till förkonditionering.

När fordonet är inkopplat ger nätmatad förkonditionering normalt den tydligaste räckviddsvinsten eftersom mindre lagrad energi förbrukas före avresa.

Upprepad snabbladdning och värmemättnad

Högsta laddeffekt beskriver bara en del av prestandan på långresa.

Efter en laddning finns värme kvar i:

Cellernas inre
Modulstrukturer
Kylplattor
Kylvätska
Samlingsskenor och poler
Batterihöljet

Den samlade värmen kallas ofta värmemättnad.

Nästa laddstopp kan börja med ett varmare batteri även om instrumentpanelen inte visar någon varning. Temperatursystemet måste leda bort värme under resan och bibehålla en tillräckligt jämn temperatur före nästa laddning.

Ett starkt långfärdssystem måste:

Förbereda batteriet före det första stoppet
Leda bort värme under laddning
Fortsätta kyla efter avresa
Undvika överdriven temperaturökning vid nästa stopp
Bibehålla reproducerbar laddeffekt
Begränsa onödig förbrukning från kompressor och fläkt

Audi e-tron GT använder sammankopplade kylvätske- och köldmediekretsar för att stödja upprepad hög uteffekt och snabbladdning. Den ruttbaserade temperaturstrategin kan värma eller kyla batteriet före laddstoppet. (Audi)

Två elbilar med samma angivna toppeffekt kan därför prestera olika under flera laddningar.

Kontinuerlig prestanda

Temperaturhanteringen avgör också hur länge en elbil kan bibehålla hög drivkraft.

Ett batteri kan stödja mycket hög uteffekt i flera sekunder men kräva lägre kontinuerlig effekt på grund av:

Cellernas värmeutveckling
Växelriktarens eller motorns temperatur
Kylvätsketemperatur
Radiatorkapacitet
Köldmediesystemets kapacitet
Omgivningsförhållanden

Detta är viktigt under:

Körning på Autobahn
Bogsering
Långa stigningar i berg
Bankörning
Upprepad acceleration

En kraftfull motor garanterar inte reproducerbar prestanda om batteriet och temperatursystemet inte kan stödja den.

Temperaturhantering under parkering

Batteriet kan fortsätta värmas eller kylas efter:

Snabbladdning
Krävande körning
Parkering i extrem värme
Anslutning till AC-laddning
Slutförd schemalagd resa

Förare kan höra:

Kylvätskepumpar
Fläktar
Ventiler
Luftkonditioneringens kompressor
Elektriska värmare

Det kan vara normalt även efter att bilen har låsts.

Fordonet håller normalt inte batteriet vid den idealiska snabbladdningstemperaturen på obestämd tid. I stället tillåter det ett bredare temperaturfönster under parkering och ingriper när det krävs för skydd, laddning eller en planerad avresa.

Strategierna varierar mellan fordon. Vissa bilar konditionerar bara batteriet aktivt när de är anslutna, medan andra kan använda energi från drivbatteriet när temperaturen närmar sig skyddsgränserna.

Kemispecifikt temperaturbeteende

Behovet av temperaturhantering beror delvis på cellkemin, men hela fordonskonstruktionen är fortfarande avgörande.

Nickelrik litiumjon

NMC-, NCA- och NCMA-celler kan ge hög energitäthet och effekt.

Prestandan beror på noggrann styrning av:

Hög temperatur
Hög cellspänning
Laddningsström
Jämn kylning
Tid vid hög SOC

Nickelrika celler används allmänt i fordon som kräver lång räckvidd och hög effekt, men ställer stora krav på kylning och styrning.

Litiumjärnfosfat

LFP ger god termisk stabilitet och lång cykellivslängd.

Den främsta termiska begränsningen är drift i kyla. Kalla LFP-celler kan visa:

Större laddningsbegränsning
Minskad regenerativ bromsning
Lägre effekt
Svårare SOC-beräkning
Större beroende av aktiv uppvärmning

Ett väl uppvärmt LFP-batteri kan ändå ge stark laddningsprestanda på vintern. Kemin ensam avgör inte resultatet.

Natriumjon

Vissa natriumjonkonstruktioner utvecklas särskilt för drift över ett brett temperaturområde.

CATL uppger att Naxtra-natriumjoncellen för personbilar behåller 90% användbar effekt vid −40°C. Det är en tillverkarspecifikation för just den produkten, inte en universell egenskap hos alla natriumjonceller. (CATL)

Natriumjonpaket behöver fortfarande temperaturhantering eftersom:

Laddning utvecklar värme
Cellåldrandet är fortfarande temperaturberoende
Temperaturjämnhet är viktig
Effekt- och laddningsgränser förändras fortfarande med temperaturen
Kupén och drivlinan delar temperaturresurser

Temperaturhantering och batteriåldrande

Temperaturhantering påverkar både cykel- och kalenderåldrande.

Ett bra system begränsar:

Långa perioder med för hög temperatur
Snabbladdning när cellerna är för kalla
Stora skillnader mellan celltemperaturer
Upprepad högeffektanvändning utan tillräcklig kylning
Lokala värmepunkter
Långvarig exponering för hög temperatur och hög SOC

Målet är inte att alltid hålla batteriet vid en enda temperatur. Det skulle förbruka för mycket energi.

I stället använder systemet olika temperaturmål för:

Körning
Snabbladdning
Parkering
AC-laddning
Hög effekt
Batteriskydd

Ett fordon med kraftfull kylning kan avsiktligt låta cellerna bli varma under snabbladdning och sedan leda bort värmen efteråt. Kortvarig kontrollerad uppvärmning skiljer sig från långvarig värmeexponering.

Normal kylning är inte skydd mot termisk rusning

Normal temperaturhantering leder bort värme som bildas under vanlig laddning och körning.

Termisk rusning är ett annat tillstånd. Det omfattar självaccelererande interna reaktioner som kan avge värme snabbare än standardsystemet för kylning kan leda bort den.

Om termisk rusning börjar i en cell kanske inte öppning av kontaktorerna och drift av kylvätskepumparna stoppar reaktionen. Energin är redan kemiskt lagrad i cellen.

Skyddet beror också på:

Cellkemi
Tillverkningskvalitet
Avstånd mellan celler
Termiska barriärer
Ventilationsriktning
Vägar för gashantering
Tryckavlastning i paketet
Feldetektering
Krockskydd
Förebyggande av spridning till angränsande celler

Temperaturhantering hjälper till att förhindra att cellerna når missbruksförhållanden under normal användning, men ersätter inte särskilt skydd mot termisk spridning. NREL betraktar normal temperaturreglering i paketet och inneslutning vid termisk felpåverkan som besläktade men separata tekniska problem. (NREL)

Temperatursystemets avvägningar

Ett kraftfullare temperatursystem är inte gratis.

Det tillför:

Vikt
Kostnad
Kylvätska
Pumpar
Ventiler
Värmeväxlare
Köldmediekomponenter
Sensorer
Programvarukomplexitet
Elförbrukning
Service- och läckagepunkter

En stor kylare och kompressor kan stödja upprepad laddning med hög effekt men tar mer plats och förbrukar mer energi.

Ett enklare system kan vara helt lämpligt för en billig stadsbil som sällan snabbladdas. Samma system kan vara otillräckligt i ett långräckviddsfordon avsett för upprepad laddning, bogsering eller långvarig körning i hög hastighet.

Tekniker för temperaturhantering innebär därför avvägningar mellan prestanda, kostnad, effektivitet, förpackning och hållbarhet. DOE:s tekniska färdplaner identifierar på samma sätt extra vikt, kostnad och komplexitet som centrala begränsningar för temperaturhanteringen. (US Department of Energy)

Vad elbilsköpare bör jämföra

Tillverkarna publicerar sällan tillräckligt med tekniska detaljer för en direkt jämförelse av kylsystemens hårdvara. Verkligt beteende ger bättre underlag.

Användbara frågor är:

Förkonditionerar bilen automatiskt när den navigerar till en laddare?
Kan förkonditionering också startas manuellt?
Värmer en schemalagd avresa batteriet eller bara kupén?
Hur lång tid behöver batteriet för att förberedas på vintern?
Vid vilken SOC stoppas förkonditioneringen?
Kan bilen bibehålla laddningshastigheten under upprepade stopp?
Hur fungerar laddningen i varmt väder?
Begränsas den regenerativa bromsningen kraftigt när batteriet är kallt eller fullt?
Behåller bilen drivkraften under bogsering eller långvarig hög hastighet?
Kan batteritemperaturen visas för föraren?
Fortsätter fordonet kyla efter laddning?
Är värmepump standard, tillval eller inte tillgänglig?

Den högsta laddeffekten säger lite om temperaturprestandan. Ett mer användbart mått är om elbilen kan anlända till laddaren med ett förberett batteri, bibehålla en stark laddningskurva och upprepa prestandan under hela resan.

För relaterat batteribeteende, se Batteriladdning och laddningsprestanda, Batteridegradering och Säkerhet och felhantering för elbilsbatterier.