Räckvidd, energi och fordonsvikt

Vi i redaktionen följer ett antal parametrar för att få olika bilder av hur utvecklingen av elfordon går. En av dessa parametrar är elbilars energibehov som studeras för att försöka förstå om och hur batterierna blir bättre.
Att jämföra energiåtgången per körd kilometer för olika fordon är ett vanligt mått. Men säger detta verkligen att batterierna har blivit bättre? Eller har fordonstillverkarna lärt sig att utnyttja batteriet mer optimalt? Eller har fordonet bara blivit lättare?
Vi har därför valt att snarare följa energiåtgången per körd km relaterat till fordonsvikten – dvs. Wh/(km och kg bil). Men det finns andra snarlika mått och här presenterar vi en relevant studie.
Drivlinans vikt bör beaktas
Att jämföra energitätheten mellan ett batteri och bensin/diesel är totalt ointressant. Argonne National Lab i USA har gjort en jämförelse mellan en batterielbil (BEV) och en konventionell bensinbil [1]. Det som spelar roll är hela drivlinans energitäthet. Forskarna vid Argonne har räknat på ett antal drivlinor där olika komponenters vikt och verkningsgrad har tagits i beaktande – dvs. bränsle och tank, samt de komponenter som behövs för energiomvandlingen (förbränningsmotor, elmaskin, kraftelektronik, växellåda, axlar, avgasrening, etc.).
Bensinbilar och elbilar har jämförts, där båda fordonstyperna ska uträtta samma jobb – 300 miles (480 km) . Vikten är givetvis inte densamma för dessa fordon, då de behöver olika komponenter för att omvandla den lagrade kemiska energin till mekanisk energi.
Argonnestudien inkluderar dagens fordon och framtida fordon fram till 2045. I beräkningarna har de inkluderat förväntade förbättringar av alla komponenter. Om man vill grotta ner sig i data kan man läsa mer i [2]. De har enbart studerat den gravimetriska energitätheten och tre fordonstyper:
1) förbränningsfordon med räckvidd på 300 miles på en tank;
2) BEV med 100 miles (160 km) räckvidd på en laddning; samt
3) BEV med 300 miles (480 km) räckvidd på en laddning.
För BEV-alternativen tas bromsenergin tillvara och från 2030 antar de att start-stopp-funktionalitet är standard för alla förbränningsfordon. Blandad körning (city och motorväg) har antagits vid simuleringarna.
Studien bygger på att de delat upp energibehovet i två steg: ”energy in” och ”energy out”. Grovt översatt avser den första ”tank to converter” och den andra ”converter to wheel” eller ”the useful work from the vehicle”.
Dagens bensinbil kräver ungefär tio gånger mer ”energy in” per kilogram drivlina jämfört med en BEV. Inräknat de framtida förbättringar som förutspås ske av framförallt förbränningsmotorer och transmissioner kommer en bensinbil år 2045 ändå kräva dubbelt så mycket ”energy in” per kilogram drivlina jämfört med en BEV med samma räckvidd per tank/laddning.
Viktreduktion och användande av lättviktsmaterial har inkluderats i beräkningarna. Lättviktsmaterial för chassi och kaross kommer vara mer avgörande för en BEV då totalvikten reduceras och ett mindre batteri kan användas, som gör fordonet ännu lättare… För en BEV räknar de med att batteriet i dagsläget utgör ca. 60 % av drivlinans vikt. År 2045 beräknas viktskillnaden mellan de olika studerade drivlinorna vara marginell. Förbättringar av batteripacket beräknas till en dubblering av energitätheten; 250 Wh/kg år 2020 och 500 Wh/kg år 2045. Trots alla förbättringar, kommer en BEV, både fall 2 och 3 ovan, ha något mindre energitäthet än motsvarande förbränningsbil år 2045.
Elfordons energikonsumtion
Vad vet vi då om utvecklingen av elbilar och förbättringen av dess batteripack? Vi har valt att studera Wh/(km och kg bil) för olika modeller av Nissan Leaf och Tesla. Data är tagna från officiella källor och räckviddsdata enligt EPA-cykeln.
Nissan Leaf har länge haft ett batteripack på 24 kWh, med 192 celler på 32,5 Ah. Förbrukningen var 0,134 Wh/(km och kg bil) för årsmodellerna 2011-2013. Under denna period minskade bilens vikt med 4 % och körsträckan förbättrades med 3,5 %, men med samma energiåtgång.
Nissan bytte sedan celler (40 Ah) och fick ner förbrukningen till 0,120 Wh/(km och kg bil). Fordonsvikten var den samma och räckvidden ökade med 11,5 %. Nissan introducerade i och med 2016 års modell ett alternativ med ett större batteri på 30 kWh. Bilen är 3 % tyngre och räckvidden ökar med hela 27 %. Energiförbrukningen i Wh/(km och kg bil) har nu minskat med ytterligare drygt 4 % till 0,115. Cellernas kapacitet verkar avgörande; det är lättare att nå hög energitäthet på cellnivå för större celler.
Teslas Model S och Model X kommer med olika stora batteripack: 60, 70, 85, och 90 kWh, som gör att det är svårare att göra samma jämförelse som för Nissan Leaf. Model X ska enligt Tesla väga 8 % mer än motsvarande Model S. När vi räknar igenom de olika Tesla-varianterna får vi en energiförbrukning mellan 0,086 och 0,093 Wh/(km och kg bil). Model X finns nu även med ett 100 kWh batteri och en räckvidd på 507 km (enligt EPA) [3] – den bilen torde väga ca. 2500 kg.
Om vi räknar om data från studien som Argonne gjort [1] landar vi på en energiförbrukning ungefär mittemellan Nissans och Teslas värden: 0,109 Wh/(km och kg bil).
Viktsandelen batteri av bilens totalvikt torde vara av intresse för energikonsumtionen. I studien från Argonne utgör batteriet 60 % av drivlinans vikt, vilket motsvarar ca. 24 % av fordonsvikten. Total Battery Consulting har nyligen publicerat en rapport om olika BEVs. Ett utdrag går att läsa på deras hemsida [4]. För en Tesla Model S med ett 85 kWh batteri utgör batteriet ca. 28 % av fordonsvikten. Motsvarande siffra för Nissan Leaf med 30 kWh batteri är 19 % (data från AVL som presenterades vid AABC Europe 2015).
Egna kommentarer
Att både Nissan och Tesla kan visa upp bilar med längre räckvidd är snarare en konsekvens av lättare fordon, ökad totalenergi i batteripacket och/eller att de bytt till celler med högre kapacitet. Nissan har uppenbarligen lärt sig att använda batteriet bättre. Tesla har lyckats göra en energisnålare bil, där batteriet utgör en större del av fordonsvikten. Frågan är hur stor andel batteripacket kan utgöra utan att rucka på säkerhetskraven.
Tyvärr anges inte batteriets energiinnehåll (kWh) i studien från Argonne. Att utgå från 500 Wh/kg på packnivå för 2045 är djärvt räknat. Det förutsätter helt nya tekniker och att cellerna utgör en mycket hög andel av packvikten.
Referenser
[1] Vijayagopal, R., Gallagher, K., Lee, D., and Rousseau, A., ”Comparing the Powertrain Energy Densities of Electric and Gasoline Vehicles),” SAE Technical Paper 2016-01-0903, 2016, doi:10.4271/2016-01-0903. länk
[2] A. Moawad and A. Rousseau, Light-duty vehicle fuel comparison displacement potential up to 2045, Argonne National Laboratory Technical Report, April 2014. länk
[3] New 100 kWh Tesla Model S hits 0-60 in 2.5 seconds; 315-mile range. Green Car Congress. 23 aug 2016.  länk
[4] The xEV Industry Insider report. Total Battery Consulting. länk