Att vinna räckvidd med innovativ batteridesign

I mitten av 90-talet var det ’heta’ kring batterier för fordon att hela karossen skulle vara ett batteri. Inte en lätt uppgift: specialdesign av celler per modell, produktion, säkerhet, kablage, spänning (serie- och/eller parallellkoppling), energi- och effektprestanda, etc. Det har under en längre tid varit vanligt att man bygger elbilar på en befintlig plattform. Istället för en ’batterikaross’ bygger man en ’batterilåda’ och placerar den på ett ställe i bilen där den fick plats. Resultatet blir ofta en kompromiss – integrationen blir inte optimal och batteriet får man ’knô in’ för att inte tulla allt för mycket på till exempel bagageutrymmet. Service, reparationer och i slutändan demontering är inte optimal. Och körsträckan är en direkt konsekvens av tillgängligt utrymme för batteriet. Tesla var kanske första lyckade exemplet på en plattform designad för en elbil. Och det dyker upp fler och fler elbilsmodeller som är designade som just elbilar, dock utan ’batterikaross’.

Lever tanken på en ’batterikaross’ och vad krävs i så fall? Lamborghini verkar dock ha gjort ett försök…

Futuristisk super-sportbil är ett batteri

Lamborghini har tillsammans med MIT i USA designat ett helelektriskt framtidskoncept –Terzo Millennio [1]. Syftet var att visa hur en framtida miljövänlig super-sportbil kan se ut. Att designa en helelektrisk sportbil á la Lamborghini är inte som att designa en ’normal’ elbil á la Tesla Model S eller BMW i3. I alla fall om man tror Lamborghinis R&D-chef Maurizio Reggiani. Största problemet, med att använda liknande design som Tesla och andra gör, är att sportbilen blir för tung och det går inte att packa in batteriet.

Nu pratar vi inte om en bil för Autobahn, utan en bil som ska ha en toppfart på 300 km/h och klara tre varv på Nordschleife-banan i Nürburg (=68,4 km) i den farten. Detta klarar inte dagens batteriteknologi, enligt Reggiani. Och lösningen på problemet är karossen – en ’batterikaross’ – hela bilen blir ett batteri.

Konceptbilen Terzo Millennio är ett exempel på hur man kan använda konstruktionsdelar av kolfiber, i vilka man även kan lagra energi, men även i chassidelar och sätenas konstruktion. Förutom energilagring i kolfiber är bilen konstruerad av så mycket lättviktsmaterial det bara går. Enligt Reggiani är detta enda vägen framåt för att konstruera en helelektrisk super-sportbil. Vad krävs då för att detta ska bli verklighet? Än får vi vänta på att se Lamborghinis super-sportbil då projektet förväntas avslutas under 2021/2022. Om man väljer att gå vidare så blir det inte före 2030 som bilen tävlar i Nürnburg…

Lamborghini har jobbat med elbilar tidigare och är ofta synliga på olika vetenskapliga konferenser. Det har länge pratats om en helelektrisk Aventador – Lamborghinis senaste flaggskepp. Företaget har bekräftat att de kommer lansera en plug-inbil i år; vilken modell återstår att se [2]. Lamborghini började jobba med kolfibrer redan 1982 [4]. Sedan dess har det blivit den del kolfiber i bilarna och när Aventador lanserades 2011 var det med en ultralätt kaross i kolfiber.

Airbus, Chalmers, RISE och KTH – strukturella batterier på agendan

Strukturella batterier kombinerar den mekaniska styrkan hos kolfibrer med att lagra energi. Konceptet är inget nytt och forskare på KTH och Chalmers har, bland annat tillsammans med RISE och Volvo Cars, länge studerat detta koncept och kan nog ses som världsledande inom fältet. Om du vill läsa mer finns en färsk doktorsavhandling av Johanna Xu från LTU [3].

Det är inte svårt att dra paralleller mellan en super-sportbil och ett flygplan: aerodynamik, lättviktsmaterial, etc. Och visst är Airbus intresserade av kolfiber och batterier… I höstas offentliggjordes ett samarbete mellan Airbus, KTH och Chalmers [5].

Det finns andra batterier där designen är flexibel. Samsung lanserade redan 2014 flexibla och böjbara batterier [6]. Och det finns andra tillverkare som jobbar med samma tankar [t.ex. 7]. Än är dessa batterier främst för konsumentelektronik, men kan i framtiden vara intressanta i fordon.

Unik plattform för elbilar

Men man behöver inte gå till en extrem ytterlighet, som med Lamborghinis konceptbil. Helt nya plattformar för elfordon är en viktig del i att optimera t.ex. räckvidd, totalvikt, kostnad och installation. Det fanns nog en del som skrattade åt Teslas plattform med batteriet som bottenplatta – så kan man inte bygga en bil. Fler och fler OEM:er tar nu fram helt nya plattformar för helelektriska bilar och med batteriet i bottenplattan… Ett exempel är VWs ny plattform MEB (MEB är tyska och står för Modularer E-Antriebs-Baukasten) [8]. Chassit är modulärt och består av en aluminium-stål-struktur. Strukturen kan enkelt delas upp för att passa olika applikationer och bilvarianter. Skalbarhet för att hålla nere kostnaderna, men även för att kunna använda samma batterier eller batterimoduler i fler modeller och varumärken. MEB-plattformen ska, förutom VW, användas av Audi, Skoda och Seat.

Dock har Audi och Porsche tagit fram en premium-plattform för elbilar: PPE (Premium Platform Electric) för större modeller. [9] Dock verkar det finnas en liten oro hos Audi och Porsche då de insett att Tesla Model 3 är bättre gjord än de först trott. [10]

VW hoppas dock att MEB kan bli en bas för att flera biltillverkare kan komma ut på marknaden genom att öppna upp för samarbeten. [11] Ett exempel är samarbetet med tyska e.Go Mobile. Och samarbeten kring att ta fram dedikerade plattformar för elbilar pågår. Ett exempel är samarbetet mellan BMW och Daimler. [12]

Unik batteridesign av Polestar

Polestar har även de en intressant plattform, eller rättare sagt en intressant batteridesign. Det är ett mellanting mellan två traditionella designer: T-format pack i ’tunneln’ eller en låda under baksätet. Polestar har även placerat batterimoduler under fötterna på passagerarna i baksätet, men även under framsätena och i ’tunneln’. Porsche Taycan har en liknande approach [t.ex. 13].

Polestars batteri har även en högre spänning än många andra. Många tillverkare jobbar med 96 seriekopplade celler. Polestar har 108 celler (som även Audi har i e-tron) och den nominella spänningen ökar från ca. 350 V till ca. 400 V. Packet består av 27 moduler med 12 celler i varje modul (108S3P-konfiguration). [14]

Egna kommentarer

Det är en flerdimensionell matris att designa en elbil med lång räckvidd till en låg kostnad. Att använda varje ledigt utrymme i en bil kan vara lockande, men ger ibland en dyr batterilösning. Men med fallande cellpriser och att OEM:erna gör sin egen packdesign/-konstruktion kommer vi nog se många olika lösningar som inte är en ’låda’ längre. Hur man kopplar celler ger inte bara en flexibilitet när det kommer till räckvidd, utan även laddning.

[1] Lamborghini’s electric supercar won’t contain batteries; it will be one. länk

[2] Lamborghini presents Urus – PHEV to follow in 2019
länk

[3] Structural Composite Lithium-ion Battery Effect of intercalation induced volumetric changes on micro-damage. Johanna Xu. Avhandling.2019. Luleå University of Technology. länk (pdf)

[4] Inside the Lamborghini lab that’s reinventing carbon fiber. länk

[5] Airbus collaboration on multifunctional materials. länk

[6] Samsung has made a battery so bendy, it’ll wrap around your wrist länk

[7] JENAX. länk

[8] Uncompromising e-mobility: World premiere of the modular electric drive matrix – Volkswagen launches ELECTRIC FOR ALL campaign. länk

[9] Audi / Porsche PPE-platform lags behind schedule. länk

[10] Audi and Porsche worried for PPE platform after tear-down of Tesla Model 3 länk

[11] Volkswagen opens electric platform to third-parties länk

[12]  BMW, Daimler Discuss Electric Car Platform Sharing: Compete With Tesla länk

[13] Porsche reveals and explains the Taycan all-electric powertrain in detail länk

[14] Let’s Take A Closer Look At Polestar 2 Battery Details länk