Elbilsbatterier får ökad livslängd när svaga celler kopplas förbi
https://mb.cision.com/Public/5569/4405383/a596965875bb8325_800x800ar.png
I dagens elbilsbatterier kan en enda svag cell begränsa hela batteripaketet, även när övriga celler fungerar bra. Framtidens batterier kan i stället koppla förbi svaga celler, och därmed ta bättre vara på den återstående kapaciteten. En Chalmersledd studie visar nu att den smarta batteriarkitekturen, vid optimala förhållanden, kan ge elbilsbatterier över 20 procent längre livslängd i vissa fordon. Samtidigt minskar de totala kostnaderna under hela batteriets livslängd.
Batteripaket i elfordon består av många sammankopplade celler som inte åldras likadant. I dagens batteristruktur kan därför den svagaste cellen sätta gränsen för hela paketet.
Albert Škegro, doktorand vid institutionen för elektroteknik på Chalmers, tecknar en liknelse, och beskriver strukturen som att cellerna är sammanbundna med ett rep samtidigt som de alla försöker röra sig framåt.
– Eftersom de är bundna till varandra måste alla hålla samma takt som den långsammaste cellen, och stanna när den cellen stannar. Med lösningen i vår studie kan batteriet i stället koppla förbi cellen som orsakar problem och fortsätta framåt, säger Albert Škegro, försteförfattare till den nya studien, som har publicerats i Nature Communications och genomförts i samarbete med industrin.
Tidigare forskning har visat hur stor betydelse skillnader mellan celler kan få för elbilsbatteriers prestanda och livslängd. I en nyligen publicerad studie, med Chalmersforskaren Changfu Zou som medförfattare, konstaterade forskarna att de svagaste cellerna tydligt begränsar hela batteripaketet.
Ett batteri som kan anpassa sig när cellerna åldras
I den nya studien kartlägger forskarna fördelarna med så kallade omkonfigurerbara batteripaket, där brytare och styrsystem kan ändra kopplingarna mellan cellerna. Dessa batteripaket kan koppla förbi svagare celler så att mer av den kvarvarande kapaciteten kan utnyttjas.
I forskarnas modeller kan den mest avancerade lösningen – där varje cell kan styras separat – förlänga livslängden med över 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, därför är siffran 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 och medförfattare till studien.
Längre livslängd kan väga upp högre kostnad
För att illustrera vad resultaten kan innebära i praktiken analyserade forskarna ett exempel med ett vanligt förekommande bilbatteri på 80 kilowattimmar, samt 12 000 kilometers årlig körsträcka. Exemplet förutsätter att ett konventionellt batteripaket byts ut efter 10 år, enligt rådande branschpraxis. I modellen nådde det omkonfigurerbara batteripaketet samma punkt efter cirka 11 år, vilket innebär att livslängden ökat med ungefär 14 månader.
– 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 tekniken inledningsvis dyrare, men forskarna visar samtidigt att ökad livslängd och högre restvärde kan väga upp merkostnaden under många realistiska förhållanden. Potentialen är störst i högspänningsfordon med lång räckvidd och många seriekopplade celler.
Utöver den ökade batterilivslängden pekar forskarna också på fler hållbarhetsvinster. Idag läggs stora resurser på att testa och matcha celler med liknande egenskaper vid batteritillverkningen. Den nya tekniken gör det möjligt att ha en större variation mellan cellerna, och skulle därför kunna minska behovet av sådan exakt matchning. En större del av batteripaketen kan också ges 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.
Mer om forskningen:
Studien System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs har publicerats i Nature Communications.
Studiens författare är Albert Škegro, Changfu Zou och Torsten Wik vid Chalmers tekniska högskola, Bo Bijlenga, Phinia Sweden, och Alexander Bessman, Scania CV.
Artikeln har också lyfts fram av redaktionen på Nature Communications, inom området Engineering and Infrastructure.
För mer information, kontakta:
Changfu Zou, professor vid institutionen för elektroteknik, Chalmers tekniska högskola, 031 772 33 92, changfu.zou@chalmers.se
Albert Škegro, doktorand vid institutionen för elektroteknik, Chalmers tekniska högskola, 031 772 13 48, skegro@chalmers.se. Albert Škegro befinner sig i Hamilton, Kanada, till och med den 15 november. På grund av tidsskillnaden nås han bäst av svenska medier från klockan 15 svensk tid.
Changfu Zou talar engelska och kinesiska (mandarin). Albert Škegro talar engelska och kroatiska. På Chalmers har vi poddstudior och filmutrustning på plats och kan bistå vid förfrågningar om tv-, radio- eller poddintervjuer.
Bildtext till bilden i topp:
Smartare batteripaket kan ge elbilsbatterier längre liv. Illustrationen visar ett omkonfigurerbart batteripaket där alla celler har sina egna brytare, som styrs av ett batterihanteringssystem (blå linjer). En svag cell (mörk) kan kopplas förbi medan strömmen (gul) fortsätter genom resten av paketet.
Illustrationen har skapats av Albert Škegro, Chalmers tekniska högskola, med hjälp av AI.