Teslas batteri – prestanda och pris
Helena Berg
2015-02-05
Idag får ni sista delen av Helena Bergs bevakning av batterikonferensen AABC.
Teslas batteri – prestanda och pris
skrivet av Helena Berg
Det är nog många som skulle vilja veta hur Tesla bär sig åt för att få till ett batteri med lång räckvidd till en låg prislapp. Tidigare i höstas rapporterade vi om en analys av Teslas batteripack som Anderman gjorde (länk). Delar av Andermans rapport finns att hämta hem [1].
Men varför inte göra som AVL – de köpte en Tesla Model S och analyserade. Det fick vänta fyra till fem månader och betala nästan 75 k€ innan de kunde börja testa, analysera och plock isär batteriet. En gedigen benchmarking minst sagt!
Här kommer nu en sammanställning av vad AVL kommit fram till. På slutet även kostnadsanalyser som AVL och Anderman gjort var för sig. Sammanställningarna nedan bygger på presentationer som gjordes på AABC i Mainz i slutet av januari, även om många detaljer inte kommer presenteras i denna sammanställning. Vill man veta detaljerna så är nog AVL intresserade av en diskussion.
Givetvis började AVL med att analysera hela fordonet och vi misstänker att de provkörde en hel del både på väg och i lab. Tesla säger en toppfart på 201 km/h, AVL lyckades köra liiite fortare 203 km/h. Mätnoggrannheten skiljer kanske? Körbarheten var övervägande bara positiv. Accelerationsförmågan var till belåtenhet, men de var inte nöjda med den långa bromssträckan. En nackdel var att effektuttaget drogs ner lite väl tidigt, allt enligt AVLs mätningar och bedömningar.
Integration och säkerhet
Batteriet består av 7104 celler (96s74p) fördelade på 16 moduler, där varje modul är en komplex sammansättning av 444 celler och 5,4 m kylkanal! Moduldesignen är robust med många parallella celler, vilket gör det möjligt att köra vidare ifall en cell fallerar. Hela batteriet är inkapslat i en aluminiumlåda där svetsfogarna tyvärr inte uppfyller AVLs krav när det gäller fordonskvalitet. Likaså anser AVL att tätningarna inte heller är av fordonsstandard och det kan finnas risk med läckage in i batteriet.
Låg cell-till-cell-resistans uppmättes i AVLs mätningar. Dock finns det fyra svetspunkter per cell, vilket kan påverka tillförlitligheten. BMS var den enda elkomponent som fick godkänt av AVL vad det gäller fordonskvalitet. Cellbalansering är passiv och det verkar fungera tillfredsställande.
AVL utförde givetvis säkerhetstester på både moduler och celler, med resultat överensstämmande med EUCAR level 3 (dvs cellerna öppnades och läckte något). AVL var mycket positiva till resultaten. Vid överladdningstesterna utlöste cellernas CID, som sig bör. Endast ett test fallerade och resulterade i EUCAR level 5 (dvs brand eller flammor uppstod): det var nail pentration-test på cellnivå. I slutet av detta nyhetsbrev finns en lista över alla EUCAR Hazard levels. Acceptabla EMC-nivåer uppmättes på packnivå, dock presenterade inte AVL några faktiska nivåer. Ingen frånkopplare för service fanns installerad, något som ifrågasätts starkt av AVL.
Batteriprestanda
Teslas batteripack är på 85 kWh – AVL mäter upp lite drygt 73. Detta beror främst på hur mycket kapacitet man tar ut från cellerna och vilka spänningsgränser man använder. Tesla har töjt på gränserna och laddar till högre spänning än AVL (4,35 V jämfört med 4,2 V). Varje cell har 3,2 Ah enligt Tesla och 3,0 Ah enligt AVLs tester. Vidare skiljer sig vikten på packet åt, där Tesla säger att batteriet är 35 kg tyngre än vad AVL mäter (i båda fallen ingår inte kylmedium). Trots detta skiljer det drygt 10 kWh/kg till fördel för Teslas mätningar.
Urladdningsströmmar högre än C/3 reducerar kapaciteten och därmed körsträckan, enligt AVLs prestandamätningar. Cellresistansen var högre än förväntat.
Temperaturegenskaperna är viktiga för både livslängd och prestanda (och säkerhet). AVL mätte temperaturen under alla försöken, dock framgår det inte helt tydligt om det var kylmediets temperatur eller om de adderade extra sensorer. Under drift skiljer sig den uppmätta temperaturen inom en modul ca 8 grader, och inom hela packet ca 10 grader. Dock klarar det aktiva kylsystemet endast av att kyla bort ca 1/3 av all värme som produceras, detta vid så låga omgivningstemperaturer som 20 °C. Frågan är hur livslängden och körsträckan påverkas vid högre temperaturer i t.ex. Nevadas öken… (egen kommentar) Dock framgick det inte av AVLs presentationen hur snabbt det går att värma batteriet vid låga omgivningstemperaturer.
Livslängd
AVL planerade att göra livslängstest enligt skolboken – 1C/1C-cykler vid 25 °C – dvs. cykling med 3 A under 1 timme (vilket motsvarar en omsättning av den nominella kapaciteten under en timme). Man tänkte sig 1000 cykler eller tills 80% av initiala kapaciteten var kvar, beroende på vilket som inträffade först. Även att lagra celler vid 60 °C testades. Ett fåtal celler plockades på måfå i packet och prestandan mättes vid givna mellanrum under livslängdstesterna.
Redan efter 100 1C/1C-cykler hade alla testade celler tappat mer än 50% av den initiala kapaciteten – något som var mycket överraskande för både AVL och för oss som lyssnade på presentationen. Och när AVL försökte göra pulstester med 2C (dvs. laddning med 6A) fungerade det inte alls. Slutsatsen AVL drar är att snabbladdning inte är att rekommendera om man köper en Tesla.
Lagringsproverna som AVL genomförde visade dock tillfredsställande resultat där kapaciteten hos en av tre celler var under 80% efter tre månader. Dock gick det inte att få tillbaka den nominella kapaciteten ens med långa laddhastigheter (C/5, dvs stömmar på 0,4 A för en givna cellen).
Kostnad
Anderman hävdar att Tesla har gjort tvärt emot vad många OEM:er sagt varit möjligt – BEV är bara till för små bilar med kort körsträcka. Tesla gör tvärt om – stor bil med lång körsträcka. Och det med celler som andra ratat – 18650-celler.
18650-cellerna har idag högre energitäthet än större celler, och gapet tror Anderman kommer minska med 20-25% inom de närmsta åren. Anderman använder 42 Ah pouch-cell för jämförelserna. Som en jämförelse är energitätheten 60% högre i Teslas/Panasonics 18650-celler än i de 33Ah-celler som sitter i en Nissan Leaf.
Vill man bara se till potentialen för en snabb kostnadssänkning ska man, enligt Anderman, använda större celler då 18650-celler är snart så kostnadseffektiva de kan bli. Frågan, som han och många andra ställer, är om större celler kan bli billigare än 18650-cellerna?
Idag produceras Teslas 18650-celler av Panasonic i Japan, i en fabrik med en kapacitet på 2 GWh. Cellerna kostar ca 200 €/kWh, enligt Andermans beräkningar. Om Panasonic bygger ut befintlig fabrik till en kapacitet på 7 GWh skulle cellkostnaderna sjunka med ca 25% till ca 150 €/kWh. Jämförelsevis tror Anderman att stora celler på 42 Ah kommer kosta ca 185 €/kWh. När Gigafactory är fullt utbyggd 2025 och med full produktionskapacitet förutspår Anderman att cellerna kostar ca 105 €/kWh och ett pack 180-230 €/kWh, cirka 15-70 €/kWh lägre än ett motsvarande pack baserat på 42Ah-celler.
Anderman tror även att Panasonic måste producera celler i Japan åtminstone fram till 2021 för att matcha Teslas försäljningsplaner, och att det är tidigast 2018 som priset på Teslas batteripack sjunker, och då måste beläggningsgraden i Gigafactory vara minst 70%.
AVL har gjort en gedigen kostnadsuppskattning och får en packkostnad på strax under 13 k€. 90% av kostnaderna är modulkostnader. De 7104 cellerna utgör ca 75% av totalkostnaden. Till detta pris ska man lägga engångskostnader för verktyg och andra inventarier.
Egna kommentarer
Tankeväckande studie. AVL har gjort test på några fåtal celler från ett pack. Hur representativt är detta för Teslas batteri? Fler tester borde göras för att dra några större slutsatser framför allt när det gäller livslängden. AVLs mätningar visar på mycket dålig livslängd vid 1C och de konstaterar att snabbladdning bör undvikas. Hur representativ är 1C/1C-cyling för det verkliga körmönstret för en Tesla? Kan det vara så att det är OK med högre laddström så länge urladdningsströmmarna är låga? Det vill säga att snabbladdning är OK så länge man inte kör i 201 km/h hela tiden? Vad betyder viloperioder för testresultaten? Dvs. när bilen står parkerad. De flesta personbilar körs inte konstant.
Man kan tycka att kunderna borde klaga om det är så illa med prestandan. Kunderna är dock nöjda om vi ser till andra uppmätta data och vad kunderna själva skriver [2]. Misstänker att vi kommer få ser fler studier och data vad det gäller både prestanda och pris.
EUCAR Hazard Levels
Level Maximum Possible Hazard
Level 0 No effects
Level 1 Passive safety equipment triggers
Level 2 Defect, damage
Level 3 Leak, loss of mass < 50%
Level 4 Blowout, loss of mass > 50%
Level 5 Fire or flames
Level 6 Burst
Level 7 Explosion
[1] The Tesla Battery Report. länk
[2] Tesla Model S battery degradation data. Steinbuch Blog. länk
Det är nog många som skulle vilja veta hur Tesla bär sig åt för att få till ett batteri med lång räckvidd till en låg prislapp. Tidigare i höstas rapporterade vi om en analys av Teslas batteripack som Anderman gjorde (länk). Delar av Andermans rapport finns att hämta hem [1].
Men varför inte göra som AVL – de köpte en Tesla Model S och analyserade. Det fick vänta fyra till fem månader och betala nästan 75 k€ innan de kunde börja testa, analysera och plock isär batteriet. En gedigen benchmarking minst sagt!
Här kommer nu en sammanställning av vad AVL kommit fram till. På slutet även kostnadsanalyser som AVL och Anderman gjort var för sig. Sammanställningarna nedan bygger på presentationer som gjordes på AABC i Mainz i slutet av januari, även om många detaljer inte kommer presenteras i denna sammanställning. Vill man veta detaljerna så är nog AVL intresserade av en diskussion.
Givetvis började AVL med att analysera hela fordonet och vi misstänker att de provkörde en hel del både på väg och i lab. Tesla säger en toppfart på 201 km/h, AVL lyckades köra liiite fortare 203 km/h. Mätnoggrannheten skiljer kanske? Körbarheten var övervägande bara positiv. Accelerationsförmågan var till belåtenhet, men de var inte nöjda med den långa bromssträckan. En nackdel var att effektuttaget drogs ner lite väl tidigt, allt enligt AVLs mätningar och bedömningar.
Integration och säkerhet
Batteriet består av 7104 celler (96s74p) fördelade på 16 moduler, där varje modul är en komplex sammansättning av 444 celler och 5,4 m kylkanal! Moduldesignen är robust med många parallella celler, vilket gör det möjligt att köra vidare ifall en cell fallerar. Hela batteriet är inkapslat i en aluminiumlåda där svetsfogarna tyvärr inte uppfyller AVLs krav när det gäller fordonskvalitet. Likaså anser AVL att tätningarna inte heller är av fordonsstandard och det kan finnas risk med läckage in i batteriet.
Låg cell-till-cell-resistans uppmättes i AVLs mätningar. Dock finns det fyra svetspunkter per cell, vilket kan påverka tillförlitligheten. BMS var den enda elkomponent som fick godkänt av AVL vad det gäller fordonskvalitet. Cellbalansering är passiv och det verkar fungera tillfredsställande.
AVL utförde givetvis säkerhetstester på både moduler och celler, med resultat överensstämmande med EUCAR level 3 (dvs cellerna öppnades och läckte något). AVL var mycket positiva till resultaten. Vid överladdningstesterna utlöste cellernas CID, som sig bör. Endast ett test fallerade och resulterade i EUCAR level 5 (dvs brand eller flammor uppstod): det var nail pentration-test på cellnivå. I slutet av detta nyhetsbrev finns en lista över alla EUCAR Hazard levels. Acceptabla EMC-nivåer uppmättes på packnivå, dock presenterade inte AVL några faktiska nivåer. Ingen frånkopplare för service fanns installerad, något som ifrågasätts starkt av AVL.
Batteriprestanda
Teslas batteripack är på 85 kWh – AVL mäter upp lite drygt 73. Detta beror främst på hur mycket kapacitet man tar ut från cellerna och vilka spänningsgränser man använder. Tesla har töjt på gränserna och laddar till högre spänning än AVL (4,35 V jämfört med 4,2 V). Varje cell har 3,2 Ah enligt Tesla och 3,0 Ah enligt AVLs tester. Vidare skiljer sig vikten på packet åt, där Tesla säger att batteriet är 35 kg tyngre än vad AVL mäter (i båda fallen ingår inte kylmedium). Trots detta skiljer det drygt 10 kWh/kg till fördel för Teslas mätningar.
Urladdningsströmmar högre än C/3 reducerar kapaciteten och därmed körsträckan, enligt AVLs prestandamätningar. Cellresistansen var högre än förväntat.
Temperaturegenskaperna är viktiga för både livslängd och prestanda (och säkerhet). AVL mätte temperaturen under alla försöken, dock framgår det inte helt tydligt om det var kylmediets temperatur eller om de adderade extra sensorer. Under drift skiljer sig den uppmätta temperaturen inom en modul ca 8 grader, och inom hela packet ca 10 grader. Dock klarar det aktiva kylsystemet endast av att kyla bort ca 1/3 av all värme som produceras, detta vid så låga omgivningstemperaturer som 20 °C. Frågan är hur livslängden och körsträckan påverkas vid högre temperaturer i t.ex. Nevadas öken… (egen kommentar) Dock framgick det inte av AVLs presentationen hur snabbt det går att värma batteriet vid låga omgivningstemperaturer.
Livslängd
AVL planerade att göra livslängstest enligt skolboken – 1C/1C-cykler vid 25 °C – dvs. cykling med 3 A under 1 timme (vilket motsvarar en omsättning av den nominella kapaciteten under en timme). Man tänkte sig 1000 cykler eller tills 80% av initiala kapaciteten var kvar, beroende på vilket som inträffade först. Även att lagra celler vid 60 °C testades. Ett fåtal celler plockades på måfå i packet och prestandan mättes vid givna mellanrum under livslängdstesterna.
Redan efter 100 1C/1C-cykler hade alla testade celler tappat mer än 50% av den initiala kapaciteten – något som var mycket överraskande för både AVL och för oss som lyssnade på presentationen. Och när AVL försökte göra pulstester med 2C (dvs. laddning med 6A) fungerade det inte alls. Slutsatsen AVL drar är att snabbladdning inte är att rekommendera om man köper en Tesla.
Lagringsproverna som AVL genomförde visade dock tillfredsställande resultat där kapaciteten hos en av tre celler var under 80% efter tre månader. Dock gick det inte att få tillbaka den nominella kapaciteten ens med långa laddhastigheter (C/5, dvs stömmar på 0,4 A för en givna cellen).
Kostnad
Anderman hävdar att Tesla har gjort tvärt emot vad många OEM:er sagt varit möjligt – BEV är bara till för små bilar med kort körsträcka. Tesla gör tvärt om – stor bil med lång körsträcka. Och det med celler som andra ratat – 18650-celler.
18650-cellerna har idag högre energitäthet än större celler, och gapet tror Anderman kommer minska med 20-25% inom de närmsta åren. Anderman använder 42 Ah pouch-cell för jämförelserna. Som en jämförelse är energitätheten 60% högre i Teslas/Panasonics 18650-celler än i de 33Ah-celler som sitter i en Nissan Leaf.
Vill man bara se till potentialen för en snabb kostnadssänkning ska man, enligt Anderman, använda större celler då 18650-celler är snart så kostnadseffektiva de kan bli. Frågan, som han och många andra ställer, är om större celler kan bli billigare än 18650-cellerna?
Idag produceras Teslas 18650-celler av Panasonic i Japan, i en fabrik med en kapacitet på 2 GWh. Cellerna kostar ca 200 €/kWh, enligt Andermans beräkningar. Om Panasonic bygger ut befintlig fabrik till en kapacitet på 7 GWh skulle cellkostnaderna sjunka med ca 25% till ca 150 €/kWh. Jämförelsevis tror Anderman att stora celler på 42 Ah kommer kosta ca 185 €/kWh. När Gigafactory är fullt utbyggd 2025 och med full produktionskapacitet förutspår Anderman att cellerna kostar ca 105 €/kWh och ett pack 180-230 €/kWh, cirka 15-70 €/kWh lägre än ett motsvarande pack baserat på 42Ah-celler.
Anderman tror även att Panasonic måste producera celler i Japan åtminstone fram till 2021 för att matcha Teslas försäljningsplaner, och att det är tidigast 2018 som priset på Teslas batteripack sjunker, och då måste beläggningsgraden i Gigafactory vara minst 70%.
AVL har gjort en gedigen kostnadsuppskattning och får en packkostnad på strax under 13 k€. 90% av kostnaderna är modulkostnader. De 7104 cellerna utgör ca 75% av totalkostnaden. Till detta pris ska man lägga engångskostnader för verktyg och andra inventarier.
Egna kommentarer
Tankeväckande studie. AVL har gjort test på några fåtal celler från ett pack. Hur representativt är detta för Teslas batteri? Fler tester borde göras för att dra några större slutsatser framför allt när det gäller livslängden. AVLs mätningar visar på mycket dålig livslängd vid 1C och de konstaterar att snabbladdning bör undvikas. Hur representativ är 1C/1C-cyling för det verkliga körmönstret för en Tesla? Kan det vara så att det är OK med högre laddström så länge urladdningsströmmarna är låga? Det vill säga att snabbladdning är OK så länge man inte kör i 201 km/h hela tiden? Vad betyder viloperioder för testresultaten? Dvs. när bilen står parkerad. De flesta personbilar körs inte konstant.
Man kan tycka att kunderna borde klaga om det är så illa med prestandan. Kunderna är dock nöjda om vi ser till andra uppmätta data och vad kunderna själva skriver [2]. Misstänker att vi kommer få ser fler studier och data vad det gäller både prestanda och pris.
EUCAR Hazard Levels
Level Maximum Possible Hazard
Level 0 No effects
Level 1 Passive safety equipment triggers
Level 2 Defect, damage
Level 3 Leak, loss of mass < 50%
Level 4 Blowout, loss of mass > 50%
Level 5 Fire or flames
Level 6 Burst
Level 7 Explosion
[1] The Tesla Battery Report. länk
[2] Tesla Model S battery degradation data. Steinbuch Blog. länk