Energieffektivitet – batteristorlek och räckvidd inte alltid en linjär historia

En av de mest debatterade parametrarna kring elbilar är räckvidden. Lång räckvidd går ju att fixa, men på bekostnad av kostnad och storlek av batteriet. Högre energiinnehåll resulterar ofta ett större batteri att installera, men även ett tyngre batteri. Vi mäter ju energiförbrukningen med hur många kWh per km som går åt, men även vikten på fordonet måste beaktas vilket vi skrev om 14/5 2020. Idag tittar vi lite närmare på hur väl olika OEM:er lyckats förvalta batteriets energi på bästa sätt: körsträcka, energiåtgång och fordonsvikt.

Batteripacket är kärnan – ungefär 50 % är ’dövikt’

Förutom battericeller består ett batteripack av ett otal komponenter som inte bidrar till energin, men väl till att energin över huvud taget går att använda: styrenheter, elektronik, strömfördelare, kylsystem. Och givetvis måste det finnas ett antal komponenter ur ett säkerhetsperspektiv: säkringar, frånkopplingsanordningar, mekanisk förstärkning, osv.

Total Battery Consulting, med Anderman i spetsen, har länge följt utvecklingen av batterier till elfordon och har bra koll på läget. De har gått igenom 31 olika BEV-modeller med uppdateringar från 2011 och framåt. Nyligen släppte de den senaste uppdateringen av sin rapport om elbilar (tyvärr endast personbilar). [1]

I medel har elbilarna utrustats med ett batteripack på 48 kWh och med en energitäthet på 113 Wh/kg. Det finns ett antal battericeller som har en energitäthet på 240-270 Wh/kg, och celler uppåt 300 Wh/kg är redan på väg ut på marknaden och energitätheten har ökat med en faktor tre sedan 2010 [2]. Så lite krasst så innehåller ett batteripack viktsmässigt mindre än 50 % celler. Teslas nästa cell kommer vara på 269 Wh/kg och motsvarande pack på 100 kWh har en energitäthet på 149 Wh/kg – ca. 55 % är celler.

Nissan Leaf har genom åren ökar batteripackets storlek från 24 till 62 kWh. Dock har inte energitätheten ökat i samma storleksordning – från 88 till 142 Wh/kg. Det säger en del om att det finns vissa komponenter som måste finnas och som är oberoende av packets storlek i termer av energiinnehåll.

Elförbrukning per km varierar med över 60 %

Precis som för bilar med förbränningsmotorer mäts energianvändning för elbilar i Europa ofta enligt WLTP-cykeln [3]. Elförbrukningen varierar en hel del för olika bilmodeller. Bilar som designats för något kortare räckvidd har ett batteri med ungefär 35-40 kWh användbar energi. Exempel på bilar i detta segment är Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3 och Hyundai Ioniq. Bilar med en betydligt längre räckvidd (>450 km) har ett batteripack på mer än 70 kWh användbar energi. Exempel på bilar i detta segment är Tesla X long-range, Audi e-tron 55 quattro och Jaguar i-Pace.

Enligt WLTP-cykeln har bilarna följande räckvidd och energiförbrukning (batteristorleken är användbar energi) [4]:

• Nissan Leaf: 36 kWh: 270 km och 13,3 kWh/100km
• Renault ZOE: 41 kWh: 300 km och 13,7 kWh/100km
• BMW i3: 38 kWh: 310 km och 12,2 kWh/100km
• Hyundai Ioniq: 38 kWh: 311 km och 12,3 kWh/100km
• Tesla Model X: 95 kWh: 507 km och 18,7 kWh/100km
• Audi e-tron 55: 86,5 kWh: 436 km och 19,8 kWh/100km
• Jaguar i-Pace: 85 kWh: 470 km och 18,0 kWh/100km

I segmentet med kortare räckvidd (mindre batteri) har BMW och Hyundai lägre förbrukning än Nissan och Renault. En trolig orsak är att BMW och Hyundai har lyckats göra lättare bilar. Det skiljer 235 kg mellan en Nissan Leaf och en BMW i3.

I det andra segmentet (med stort batteri) sticker Audi ut i energiförbrukning trots att bilen endast väger 30 kg mer än Tesla Model X. Jämfört med bilarna med mindre batteri drar bilarna med stort batteri betydligt mer per km – över 60 % mer per km för Audi e-tron jämfört med BMW i3. Energitätheten för batteripacken i dessa två bilar skiljer sig dock inte lika mycket åt (ca. 10 %) – 136,3 Wh/kg för BMW och 123,6 Wh/kg för Audi.

Linjärt samband mellan energiinnehållet i batteriet och räckvidd vid stadskörning

Det finns studier som gått igenom ett större antal kommersiellt tillgängliga elbilar, t.ex. [5], för att studera prestanda (körsträcka) och förstå hur man kan balansera batteripackets storlek med fordonsvikten, osv. De kom fram till att det finns ett linjärt samband mellan körsträcka och energiinnehållet i batteriet om man normaliserar batteriets energiinnehåll med fordonsvikten (dvs. kWh per kg bil). En faktor som dock spelar stor roll är vilken typ av körning som avsågs; stads- eller motorvägskörning. I fallet med stadskörning är det ett starkt samband, medan i fallet med motorvägskörning är det inte.

Så om vi jämför fordonen ovan på samma sätt, men att vi tar elförbrukningen per km (WLTP) får vi följande data (enheten [Wh/(100km*kg bil)]) [6]:

• Nissan Leaf (1580 kg): 8,42
• Renault ZOE (1502 kg): 9,12
• BMW i3 (1345 kg): 9,07
• Hyundai Ioniq (1420 kg): 8,66
• Tesla Model X (2459 kg): 7,60
• Audi e-tron 55 (2490 kg): 7,95
• Jaguar i-Pace (2133 kg): 8,44

Gör vi igen jämförelsen BMW och Audi så har BMW i3 14 % högre energiförbrukning än Audi e-tron.

Tester av några olika elfordon har även gjorts (i klimatkammare) för att se hur elförbrukningen påverkas av vinter- och sommarkörning. Resultaten visar att energianvändningen ökande med 47 ± 7% under vintern (vid -7°C) och med en AC påslagen en varm sommar (35 °C) ökade förbrukningen med 19 ± 5% [5].

Egna kommentarer

Ur mitt perspektiv finns två grundläggande mått för att se om en OEM behärskar sitt batteri i en given bilmodell – viktsandelen celler i packet och energianvändning (kWh/100km) – vikten på fordonet spelar givetvis roll här. Tesla, BMW och Renault verkar dominera när det kommer till energitäthet på packnivå av användbar energi. Och BMW och Hyundai har lägst energianvändning.

Av de jämförda bilarna i detta nyhetsbrev var alla lika bra eller avsevärt mycket bättre än medelvärdet från studien som Total Battery Consulting presenterade.

Sedan är det givetvis hur länge batteriet håller – hur elförbrukningen förändras med tiden. Det återstår att se…

Referenser

[1] Battery Packs of Modern xEVs Report (länk)

[2] Lithium-Ion Battery Cell Densities Have Almost Tripled Since 2010 (länk)

[3] WLTP Facts (länk)

[4] Electric vehicle database (länk)

[5] H. Jung, R. Silva & M. Han, Scaling Trends of Electric Vehicle Performance: Driving Range, Fuel Economy, Peak Power Output, and Temperature Effect, World Electric Vehicle Journal 2018, 9, 46.

[6] EV Specifications (länk)