I dagens elbilsbatterier kan en enda svag cell begränsa hela batteripaketet. En studie visar att batterier som kan koppla förbi svaga celler i vissa fordon kan få över 20 procent längre livslängd och samtidigt minska kostnaderna över batteriets livstid.
Batteripaket i elfordon består av många sammankopplade battericeller som åldras i olika takt. I dagens batterier kan därför en enskild, svagare cell begränsa kapaciteten för hela batteripaketet.
Enligt Chalmersforskaren Albert Škegro kan cellerna liknas vid personer som sitter ihop med ett rep och försöker ta sig framåt.
– Eftersom de är bundna till varandra måste alla hålla samma takt som den långsammaste och stanna när den personen stannar. Med lösningen i vår studie kan batteriet i stället koppla förbi cellen som orsakar problem och fortsätta framåt, Albert Škegro, doktorand vid Institutionen för elektroteknik på Chalmers, i ett pressmeddelande.
Tidigare forskning har visat att skillnader mellan enskilda celler har betydelse för elbilsbatteriers prestanda och livslängd. I en ny studie visar forskare vid Chalmers att de svagaste cellerna tydligt begränsar hela batteripaketet.
Batteri kan anpassa sig när cellerna åldras
I studien har forskarna kartlagt fördelarna med så kallade omkonfigurerbara batteripaket. Med hjälp av brytare och styrsystem kan kopplingarna mellan cellerna ändras. På så sätt kan systemet koppla förbi svagare celler och utnyttja batteriets kvarvarande kapacitet.
I forskarnas modeller kan den mest avancerade lösningen, där varje cell kan styras separat, förlänga batteriets livslängd med mer än 20 procent i vissa högspänningsfordon, som elektriska lastbilar och elbilar med lång räckvidd.
I praktiken är det mer sannolikt att grupper av celler styrs tillsammans. De 20 procenten ska därför ses som en teoretisk övre gräns.
– Omkonfigurering är inte en fråga om ”på eller av”. Det är ett spektrum, och var en tillverkare väljer att placera sig på det spektrumet avgör hur mycket av den potentiella vinsten som kan bli verklighet, säger Changfu Zou, professor vid institutionen för elektroteknik på Chalmers.
Längre livslängd kan väga upp högre kostnad
I ett räkneexempel med ett 80 kilowattimmars batteri och en årlig körsträcka på 12 000 kilometer hade det omkonfigurerbara batteripaketet cirka 14 månader längre livslängd än ett konventionellt batteripaket som byts ut efter cirka tio år.
– För en privat elbilsägare är det en stor fördel att bilens batteri håller längre. För en fordonsflotta med hundratals batteripaket kan en ökad batterilivslängd innebära betydande besparingar, säger Albert Škegro.
Tekniken finns ännu inte i serie- eller massproducerade fordon, men har testats i forsknings- och industriprototyper. Eftersom den kräver extra elektronik blir batteripaketen inledningsvis dyrare. Forskarna visar samtidigt att den längre livslängden och ett högre restvärde i många fall kan väga upp merkostnaden. Potentialen är störst i högspänningsfordon med lång räckvidd, där batterierna innehåller många seriekopplade celler.
Tekniken kan ge flera hållbarhetsvinster
Utöver en längre livslängd pekar forskarna på flera hållbarhetsvinster. I dag läggs stora resurser på att testa och matcha celler med liknande egenskaper vid batteritillverkningen. Den nya tekniken gör det möjligt att ha större variation mellan cellerna och kan därför minska behovet av sådan exakt matchning. En större andel av batteripaketen skulle också kunna få ett andra liv, exempelvis som stationära energilager.
– Ett batteripaket som tas ur drift i förtid innebär både bortkastat material och bortkastad energi. Att hålla batteripaket i användning längre är därför ett hållbarhetsargument redan innan man tar hänsyn till ekonomin, säger Albert Škegro.
Vetenskaplig artikel:
System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs, Nature Communications.
