Power MEET del 2 Batteripack

Här kommer nu andra delen av rapporteringen från konferensen Advanced Battery Power som hölls i Münster förra veckan, och denna gång med fokus på forskningsfrågor kring batteripack.
Första delen finns här.
Vad ingår i ett batteripack?
Härefter kommer ett pack definieras enligt följande: battericeller som är sammankopplade för att ge tillräcklig spänning och prestanda, cellövervakningssystem, termisk styrning, kontaktorer och säkerhetsbrytare, samt övergripande styrenhet (BMS) som kommunicerar med övriga fordonet inklusive styrstrategier (BMU).
Hur dessa ingående delar sammanfogas och kommunicerar med varandra och fordonet är till mångt och mycket det som avgör konkurrenskraften för en fordonstillverkare.
Vissa beräkningar av packkostnaderna är exklusive kyl-/värmemedium. Däremot är det vanligt att själva kyl-/värmemediumet inte är medtaget i vikten på batteripacket.
Grundbegrepp för batteripack
Det finns några grundbegrepp att ha i åtanke vid packdesign. Cellerna bör inte cyklas utanför sitt optimala driftsområde, SOC-fönstret, för att minimera oönskade sidoreaktioner. Detta leder till att det blir effektbegränsningar, som påverkar körprestanda och/eller bränsleförbrukningen. SOC står för State of Charge, dvs. laddningsgraden och där 100 % SOC motsvarar ett fulladdat batteri.
Ett annat begrepp är den totala energigenomströmningen. Lite grovt översatt är det totala energin som passerar kontaktorerna oberoende av riktning. Detta är framför allt viktigt för batterilivslängden på tunga fordon då dessa fordon används så frekvent och med höga strömmar.
State of Health (SOH) är dock ’nöten’ alla vill knäcka; hur mycket kapacitet finns kvar och när tar batteriet slut? SOH beror inte bara på det som händer just nu med batteriet, utan påverkas av vad som hänt tidigare, hur ofta vissa driftsfall skett, vilket SOC-fönster som använts, och vad batteriet varit med om (mekanik, temperatur, laddning, osv.). Listan kan göras lång och det gör det svårt att prediktera SOH.
Säkerhet och livslängd är de två viktiga frågeställningarna
Vid konferensen fanns det hela sessioner som bara handlade om batteripack; närmare 20 presentationer. Även i sessionen som var specifikt fordonsinriktad var det just packfrågor som diskuterades. De frågeställningar som var på tapeten kan sammanfattas: säkerhet och livslängd.
Av de drygt 110 postrar som visades var närmare hälften inom dessa områden. Det alla ville närma sig, från olika utgångspunkter, var att kunna uppskatta State of Health på ett så bra sätt som möjligt. De flesta av presentationerna var givetvis kopplade till materialfrågeställningar.
Att ladda en Li-joncell vid låga temperaturer medför med största sannolikhet att litium pläteras på anodens yta istället för att interkaleras i materialet. Detta utgör en säkerhetsrisk och är ett driftsfall man vill undvika. Daimler har på ett systematiskt sätt försökt att förstå hur stora laddströmmar som är skadliga och försökt att mäta hur tjockt det bildade skiktet av pläterat litium är. Det de även kom fram till är att inte all pläterad litium går att få tillbaka vid urladdning. Dock var de inte helt säkra på hur detta irreversibla litium påverkar livslängden. ZSW i Ulm visade att anoder av amorft kol var bättre ur ett Li-pläteringsperspektiv än grafit, men generellt sett är ju grafit bättre med avseende på både energi- och effektprestanda.
Forskargruppen inom Institute for Electrical Energy Storage Technology vid TU München försöker sätta ’siffror’ på säkerhet. Dock använder de, precis som många andra, den säkerhetsskala som tagits fram inom EUCAR [1, 2]. Det man i München vill ha svar på är hur olika materialkombinationer och materialegenskaper, som t.ex. partikelstorlek, påverkar den termiska stabiliteten. Ju mindre ytarea på katodmaterialet desto säkrare, vilket är tvärt emot vad man vill uppnå om man vill ha hög energi- eller effekttäthet.
Vidare mäter de även den termiska energin vid haveri av en cell. De använder flera orsaker till haveri så som överladdning, termisk uppvärmning och mekanisk åverkan. Personligen tycker jag inte att detta var något nytt. Det jag däremot uppskattade var att de tryckte på att säkerheten alltid startar redan med materialval och celldesign. Under hösten kommer de att anordna en workshop om batterisäkerhet. Jag hoppas att vi får tillfälle att återkomma med mera detaljer.
AVL presenterade sitt arbetssätt för hur man med bibehållen krocksäkerhet kan konstruera ett så stabilt batteripack som möjligt utan att tillföra onödiga konstruktionsanordningar. De studerade beteendet efter en krock och därefter gjorde de ett antal simuleringar för att komma fram till den bästa konstruktionen. Projektupplägget känns mycket likt det i FFI-projektet ’Räddningskedjan’ [3], även om frågeställningarna är olika då AVL-projektet inte involverar Räddningstjänsten etc.
NextEnergy presenterade en studie ’cycling beyond friendly operation limits’ och får exemplifiera en av de mest besökta sessionerna vid konferensen. Syftet med studien var att undersöka om batteripacket behövdes överdimensioneras för att klara prestanda- och livslängdsmål. De har cyklat stora celler (50 Ah) av NMC-typ, anpassade för stationära anläggningar, med en ström på 50 A (dvs. varje hel cykel tar två timmar). 90 % av alla cykler har varit inom de begränsningar som tillverkaren satt, medans 10 % har varit både över och under begränsningarna. Närmare 20 celler användes för att få lite statistik.
Resultaten visade att verkningsgrad, energiuttag och kapacitet knappt påverkades och att packet inte behövde överdimensioneras. Nu kommer cyklingen fortgå tills cellerna dör eller tills de motsvarar tio års driftstid. Därefter kommer post mortem-analys att utföras för att försöka förstå vad som skett inuti cellen. Ett antal postrar behandlade post mortem-analyser, där både arbetssätt och resultat rimmar bra med de studier och analyser som Volvo, Scania, Uppsala och KTH nyligen publicerat tillsammans [4].
Flera föredrag handlade om kylsystem kopplade till olika pack för olika xEV-koncept. Gemensamt för alla dessa föredrag var att värmebalansen på cellnivå var det som var kärnfrågan. Olika termiska modeller för celler presenterades; både empiriska och elektrokemiska. Magna Steyr menade att temperaturskillnader större än 15 grader går inte att kyla med luft och att ju större förlusterna är desto viktigare är termisk kontroll för att upprätthålla en jämn prestanda. FEV hade modellerat och testat olika celler och olika kylbehov. En tumregel de använde vid packdesign var att en effektoptimerad cell klarade dubbelt så hög laddhastighet jämfört med en energioptimerad cell med samma kylbehov.
Avslutar med lite batterikuriosa. Först ut på marknaden med Li-jonbatterier var Sony runt 1990 och Dr. Kazunori Ozawa berättade vid konferensen om Sonys väg från lab till produktion. De var först med att sätta 18650-celler med Li-jonteknilogi på marknaden.
2004 gjorde Sony ett tappert försök att byta ut startbatteriet. De fick samma funktion som ett 14 kg bly-syrabatteri med ett 600 g Li-jonbatteri. Dock höll inte detta kostnadsmässigt.
Sony har under alla dessa år haft celler av den första batchen liggande på hyllan och så här drygt 20 år senare fungerar cellerna med ungefär 60 % av kapaciteten.
Sammanfattningsvis var det två intressanta konferensdagar med en bra blandning mellan vetenskapliga och industriella frågeställningar, och en konferens jag starkt kan rekommendera. Spännvidden från fordonsfrågeställningar, via pack, till materialen var bra omhändertagen av arrangören och diskussionerna riktigt bubblade under postersessionerna. Personligen ser jag fram emot ytterligare djupdykningar i packproblematiken vid nästa års konferens 27-29 april i Aachen.
Källor
[1] Proceedings of EVS 21, W. Josefowitz et al., “Assessment & Testing of Advanced Energy Storage Systems for propulsion – European Testing Report”, April, 2005.
[2] Abuse Testing of High Power Batteries. E. Peter Roth Sandia National Laboratories.länk
[3] Räddningskedjan: Utformning av räddningstjänststrategi baserad på E-fordons riskfaktorer.
[4] Non-uniform aging of cycled commercial LiFePO4//graphite cylindrical cells revealed by post-mortem analysis. Matilda Klett, Rickard Erikssonb, Jens Groot, Pontus Svens, Katarzyna Ciosek Högström, Rakel Wreland Lindström, Helena Berg, Torbjörn Gustafson, Göran Lindbergh, Kristina Edström.Journal of Power Sources Volume 257, 1 July 2014, Pages 126–137 länk