Ny batteriarkitektur kan förlänga elbilsbatteriers livslängd och sänka kostnaderna

Ett batteripaket i ett elfordon består av ett stort antal sammankopplade battericeller. Men cellerna är inte identiska. Skillnader uppstår redan vid tillverkningen och kan bli större när batteriet används och åldras. Vissa celler tappar därför kapacitet snabbare än andra.

I konventionella batteripaket är cellerna sammankopplade i en fast struktur. Det innebär att den svagaste cellen kan sätta gränsen för hela batteripaketet.

Forskarna jämför det med en grupp vandrare som är sammanbundna med ett rep.

– Alla måste hålla samma takt som den långsammaste personen och stanna när den personen stannar, oavsett hur mycket energi de andra har kvar. Med den arkitektur vi har modellerat kan batteriet i stället koppla förbi den cell som orsakar problem och fortsätta använda de övriga cellerna, säger Albert Škegro, doktorand vid institutionen för elektroteknik, Chalmers.

Vilken betydelse skillnader mellan celler har i praktiken har nyligen kvantifierats i en separat studie, publicerad i Nature Energy. I studien analyserade Changfu Zou, professor vid institutionen för elektroteknik på Chalmers, tillsammans med forskare vid Zeekr Technology Europe och universitet i Kina, data från elbilar och elbussar. Resultaten visar hur variationer mellan enskilda celler påverkar batteripaketets prestanda och livslängd.

Ett batteri som kan anpassa sig när cellerna åldras

I den nya studien, publicerad i Nature Communications, undersöker Škegro, Zou och deras medförfattare en möjlig lösning på systemnivå: så kallade omkonfigurerbara batteripaket.

Till skillnad från i ett konventionellt batteripaket kan kopplingarna mellan cellerna förändras. Med hjälp av switchar och styrsystem kan batteriet isolera en cell som börjar begränsa paketet.

På så sätt går det att utnyttja mer av den kapacitet som fortfarande finns kvar i batteriet.

I forskarnas modeller ger den mest finfördelade och idealiserade formen av tekniken en potentiell förlängning av batteriets livslängd med mer än 20 procent för vissa högspänningsfordon.

Forskarna betonar dock att siffran representerar en teoretisk övre gräns och inte nödvändigtvis vad dagens kommersiella system kan förväntas uppnå. Modellen förutsätter att varje enskild cell kan styras separat och att systemet utnyttjar denna möjlighet optimalt.

I praktiska konstruktioner är det mer sannolikt att grupper av celler styrs tillsammans. Det kräver mindre elektronik och är enklare att implementera, men innebär också att en mindre del av den teoretiska vinsten kan utnyttjas.

– Omkonfigurering är inte en fråga om antingen eller, utan ett spektrum. Var en tillverkare väljer att lägga sig på det spektrumet avgör hur stor del av den potentiella vinsten som kan realiseras, säger Changfu Zou, professor vid institutionen för elektroteknik, Chalmers.

Forskarna anger därför ingen generell siffra för hur mycket längre ett kommersiellt batteri skulle hålla. Det saknas fortfarande långtidsstudier där batteripaket med den här arkitekturen har följts under ett fordons hela livslängd.

Batteribytet kan skjutas upp med mer än ett år

För att göra resultaten mer konkreta analyserade forskarna också ett representativt användningsfall: ett elfordon med ett batteri på 80 kilowattimmar som körs 12 000 kilometer per år och har en förväntad livslängd på 18,8 år.

Under dessa förutsättningar skjuter den nya batteriarkitekturen upp batteribytet med omkring 14 månader. Batteripaketet har dessutom ett högre värde när det tas ur fordonet eftersom det har degraderats mindre.

– För en privat elbilsägare kan det innebära att ett batteribyte skjuts upp. För en fordonsflotta med hundratals batteripaket kan en senareläggning av den kostnaden med ett år innebära betydande besparingar, säger Albert Škegro.

Utfallet varierar dock beroende på bland annat batteristorlek, årlig körsträcka och användningsmönster.

Störst potential i högspänningsfordon

Fördelarna ökar när fler battericeller är seriekopplade. Det gör arkitekturen särskilt intressant för högspänningsfordon, som elbilar med lång räckvidd och elektriska lastbilar.

Ju fler celler som är seriekopplade, desto större är sannolikheten att någon av dem åldras snabbare eller får problem. I ett konventionellt batteripaket kan en sådan cell begränsa hela systemet. Med den nya arkitekturen kan den i stället kopplas förbi.

Resultaten visar dock att nyttan inte fortsätter att öka obegränsat när spänningen stiger. Vinsten ökar kraftigt när man går från lågspänningssystem till en 400-voltsarkitektur, och fortsätter därefter att öka vid högre spänningar, men långsammare.

Prototyper finns redan, men inga serietillverkade fordon

Omkonfigurerbar batteriteknik är inget nytt forskningsområde. Flera fordons- och batteriföretag har under det senaste decenniet arbetat med olika varianter av tekniken.

Tekniken har också använts inom stationär energilagring. Inom fordonsindustrin finns redan experimentella system och demonstratorer. Volvo Cars har exempelvis arbetat med sitt SmartCell-koncept, och en större fordonstillverkare har inlett provkörning på väg under verkliga förhållanden av en personbilsprototyp med ett batterisystem enligt denna princip. Däremot finns ännu ingen serietillverkad personbil eller lastbil på marknaden som använder den typ av batteriarkitektur som undersöks i studien.

Den nya arkitekturen kan redan vara kostnadseffektiv

Den nya arkitekturen kräver fler switchar, anslutningar och avancerade styrsystem, vilket ökar batteripaketets initiala kostnad. Forskarna genomförde därför en omfattande teknoekonomisk analys för att undersöka om den extra investeringen kan vägas upp av längre batterilivslängd och ett högre restvärde.

– Resultaten visar att arkitekturen redan kan vara kostnadseffektiv under många realistiska användningsförhållanden. Baserat på en komponentanalys med fordonsanpassad hårdvara skulle den extra hårdvaran öka batteripaketets totala kostnad med omkring 9 procent. Analysen visar en brytpunkt på omkring 12 procent. Över den nivån minskar sannolikheten för att arkitekturen ger en ekonomisk fördel under fordonets livslängd, säger Changfu Zou.

Forskarna identifierade också en kombination av förutsättningar där den ekonomiska nyttan är särskilt robust: en merkostnad under cirka 7 procent och en årlig körsträcka under 12 150 kilometer. Som jämförelse körs en privatägd personbil i Sverige i genomsnitt omkring 11 400 kilometer per år. Inom dessa gränser är arkitekturen kostnadseffektiv i minst 99,7 procent av de undersökta scenarierna, trots variationer i övriga parametrar.

Den nuvarande kostnadsuppskattningen bygger på komponentpriser vid en produktion på 1 000 enheter, vilket fortfarande motsvarar prototypskala. Vid fordonsindustrins betydligt större produktionsvolymer väntas komponentkostnaderna sjunka. Det skulle föra tekniken närmare den nivå där studien visar att den ekonomiska nyttan är särskilt robust.

Hållbarhetsvinster utöver fordonet

Forskarna ser även potentiella hållbarhetsvinster utöver att batteriet kan användas längre i fordonet.

Vid tillverkningen läggs betydande resurser på att testa och matcha celler med liknande egenskaper. Ett batteri som kan hantera större variationer mellan sina celler skulle kunna minska behovet av en så exakt matchning.

När batteriet inte längre används i fordonet skulle samma egenskap också kunna göra det enklare att ge batteriet ett andra liv, exempelvis som stationärt energilager. Eftersom systemet redan kan identifiera och koppla förbi svaga celler skulle en större del av batteripaketet kunna återanvändas som en komplett enhet.

– 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.

Läs den vetenskapliga artikeln:

System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs | Nature Communications

Mer läsning:

Quantifying the impact of cell-to-cell inconsistency on electric vehicle battery degradation and utilization

Fakta:

Artikeln har också valts ut till Nature Communications redaktörsurval inom området Engineering and Infrastructure, där tidskriftens redaktörer lyfter fram ett urval av särskilt framstående nyligen publicerad forskning.