Batterier till Elhybrider

Sedan Toyota Prius kom ut på marknaden 1997 har ett antal elhybridmodeller lanserats. I början hade alla modellerna NiMH-batterier, men sedan 2012 har de allra flesta modellerna ett Li-jonbatteri. Idag tittar vi närmare på batterierna till HEV. De skiljer sig en del mot ett batteri för en BEV i termer av effekt och energi, men även i användning.

Energiinnehållet varierar stort

Försäljningen av elhybrider (HEV) har ökat med ca. 20 % per år [1]. Toyota och Lexus dominerar där ca. två tredjedelar av alla personbilar som såldes under 2017 var just från dem. Total Battery Consulting har länge följt utvecklingen av elhybrider och dess batterier. Nyligen släppte de en rapport där de har analyserat 86 olika HEV-modeller [2], där vissa endast har varit för den japanska marknaden. Energiinnehållet på packnivå varierar mellan ca. 0,4 och 2,5  kWh, med ett medelvärde kring 1,3 kWh. De största batteripacken i kWh har Mercedes och BMW: 2,53 respektive 2,40 kWh. De mindre batteripacken är för 48V-system.

Om vi bara tittar på fullhybrider är energitätheten för batteripacket i medel 30 Wh/kg (varierar mellan 17 och 42 Wh/kg). Hyundai Ioniq är ’bäst i klassen’ med 42 Wh/kg för ett Li-jonbatteripack på 1,6 kWh. Toyota Prius, med ett NiMH-batteri, har ca. 34 Wh/kg.

En BEV har mycket högre energitäthet på packnivå (60-170 Wh/kg). Helt i sin ordning då det inte är samma celler som används. Celler till en HEV är effektoptimerade med allt vad det innebär: mindre partikelstorlek för de aktiva materialen, tunnare elektroder, tjocklek och porositet hos separatorer och strömuppsamlarens tjocklek, etc. vilket gör att högre strömmar kan användas för acceleration och återvinning av bromenergi. En parameter som indikerar vilken typ av elfordon en battericell lämpar sig för är förhållandet effekt/energi (P/E) – högre förhållande desto mer lämpad för en HEV. Ofta är P/E-förhållandet över 20 för en HEV, men uppåt 50-60 är heller inte ovanligt. För en BEV är förhållandet vanligtvis kring 2-5 och för en PHEV kring 6-7.

Spänningen gått både upp och ner

Tre år efter att Toyota lanserade Prius kom Honda Insight. Båda hade NiMH-batterier och en systemspänning på 144 V. Sedan dess har systemspänningen för dessa fordonsmodeller varierat. Idag har Toyota Prius en spänning på 288 V och andra HEV-modeller från Toyota har uppåt 310 V. Honda lade ner produktionen av Insight 2014, men har tagit upp den igen. Från 2019 finns Honda Insight med ett Li-jonbatteri på 216 V [2]. Alla nya HEV-modeller från Honda har från 2014 och framåt Li-jonbatterier. Medan Toyota och Honda har ökat systemspänningen har t.ex. Ford sänkt den – från 350 V och NiMH-batterier till 275 V och Li-jonbatterier.

SOC-styrningen och energigenomströmningen viktiga för livslängd

En annan aspekt som skiljer ett HEV-batteri mot ett BEV-batteri är att laddningsgraden (SOC) är en mer kritisk parameter för en HEV. I en BEV vill man utnyttja batteriets energiinnehåll till max – ett stort SOC-fönster vill man använda. I en HEV däremot använder man ett mindre SOC-fönster – mellan 5-30 % är vanligt. Syftet är att alltid ha möjlighet att ladda ur (accelerera) och ladda upp (ta emot bromsenergi), samt att spara på livslängden. Om man känner till körprofilen framåt i tid kan batteriet laddas ur något om en längre nerförsbacke närmar sig eller tvärt om ifall en acceleration är trolig kan batteriet laddas upp med förbränningsmotorn – allt efter hur man designat sitt system och energistyrningen i stort på fordonet [t.ex. 3]. Grovt sett är det mer komplext och utmanande att göra ett styrsystem för en HEV än för en BEV…

Labtester har gjorts på härsan och tvärsan med mer eller mindre realistiska körcykler, olika batterikemier, olika celldesign, labceller eller massproducerade. Ofta går det inte att dra några generella slutsatser. Vidare bör SOC-fönstret kalibreras/förskjutas när ett batteri åldras och det gör styrsystemet mer komplext.

För en BEV är det oftast körsträcka eller antalet laddningar som livslängden anges i. För en HEV är det energigenomströmningen som är avgörande [t.ex. 4]. Det går inte att lätt definiera ’antalet cykler’ för en HEV då batteriet laddas upp och ur mycket stokastiskt.

NiMH-utvecklingen

Toyota har sålt mer än 15 miljoner HEV och de flesta med NiMH-batterier [5]. De har några varianter av Prius och Camry, samt Lexus 500h som har Li-jonbatterier.

Bland de HEV-modeller som sålts med Li-jonbatterier är det inte en och samma variant som använts, utan i stort sett har alla varianter av Li-jonbatterier använts.

Till skillnad från Li-jonbatterier innehåller NiMH-batterier sällsynta jordartsmetaller. Sedan ett antal år har Honda ett återvinningsprogram för att återanvända dessa metaller i nya batterier [6]. Och nu i vår startade de ett nytt program för att återanvända hela batteripacken i stationära tillämpningar [7]. Ett alternativ till de energikrävande återvinningsprocesser som idag används för NiMH-batterier är att försöka återanvända elektrodmaterialen från uttjänta NiMH-batterier. Genom att mekaniskt rekonditionera elektrodmaterialet har effektprestandan förbättrats [8].

Egna kommentarer

Utvecklingen av batterier till elhybrider sker lite i det fördolda. Det säljs årligen drygt två miljoner HEV. Att designa dessa batterier för en effektiv energistyrning på fordonet är inte helt trivialt och cellerna är inte de samma som för en BEV. Alla celltillverkare kan inte ha alla varianter av celler i sitt sortiment. Att återanvända elektrodmaterialen är något som är mycket attraktivt ur ett kostnadsperspektiv då förädlingsvärdet går förlorat i återvinningsprocesserna. Att man nu lyckats för NiMH bådar gott. Kanske det skulle öppna för liknande studier även på Li-jonbatterier?

[1] C. Pillot (Avicenne), presentation vid AABC Europe, Strasbourg, januari 2019.

[2] Battery Pack Report, Total Battery Consultant (https://totalbatteryconsulting.com)

[3] L. Tang, G. Rizzoni & S. Onori, Energy Management Strategy for HEVs Including Battery Life Optimization, IEEE Transactions on transportation electrification, Vol. 1, No. 3, October 2015.

[4] B. de Beer & A.J. Rix, Influences of Energy Throughput on the Life of Various Battery Technologies, Conference SASEC 2016.

[5] Toyota passes 15 million hybrid electric vehicles global sales (länk)

[6] Honda reuses rare earth metals from NiMH batteries for hybrid vehicles (länk)

[7] Honda Hybrid & EV batteries get ‘second life’ in new recycling initiative (länk)

[8] Y. Shen, E. Svensson Grape, D. Noréus, E. Widenkvist & S. Starborg, Upcycling of Spent NiMH Battery Material—Reconditioned Battery Alloys Show Faster Activation and Reaction Kinetics than Pristine Alloys, Molecules (25) 2020, 2338