Installerad och användbar energi i fordonsbatterier

Nyligen skrev vi om Toyotas problem med oväntat kort räckvidd för modellen bZ4X [1]. En viktig orsak tros vara att den användbara energi i batteriet var lägre än när bilen testades för WLTP. Toyotas problem har varit exceptionella men det väcker intressanta frågor kring hur resten av fordonsindustrin agerar när det kommer till installerad och användbar energimängd i batterielektriska bilar.

Att mäta batterienergi är komplicerat

Installerad (ibland benämnt nominell) batterienergi mäts i kWh och syftar till batteriets totala teoretiska energi vid 100 procent State-of-Charge (SoC). Användbar energi är den faktiska energin i batteriet som kan användas av fordonets användare [2].

Installerad energi kan antingen skattas av batteriets nominella specifikation från leverantören [3] eller genom labbtester. Ett vanligt sätt att mäta är att i labbmiljö ladda upp en battericell till sin maximalt tillåtna spänning (t ex 4,20V) för att sedan ladda ur batteriet med en konstant last (typiskt C/3). När batteriet har nått en nivå, en förutbestämd spänning (t ex 3,0V), avslutas provet och en installerad energi kan fastställas [4]. En problematik är att det inte finns någon branschstandard som definierar dessa nivåer och att det kan skilja sig åt beroende på batterikemi.

När en installerad energimängd är etablerad väljer fordonstillverkaren hur stor andel av batteriet som ska vara användbart [4], vilket kan optimeras baserat på förväntade användningsfall [3]. I regel finns det en begränsning för uppladdning till nära 100 procent SoC och en begränsning för urladdning nära 0 procent SoC [2, 4].

Det kan även noteras att den användbara energimängden kan variera beroende på användning. Ett speciellt fall är att fordon med kombinationen av större batterier och låg förbrukning kan under låglastförhållande (mindre än testförfarandet för installerad energi) nå nivåer för användbar energi över den uppgivna installerade energi [3, 4].

Svårigheten att mäta ett batteris energimängd gör att en del fordonstillverkare inte redovisar värden till kunder, exempelvis uppger Tesla inga uppgifter om vare sig installerad eller användbar energi [2]. Andra fordonstillverkare uppger endast installerad eller användbar energi [2]. En del biltestare har därför lagt till användbar energi som ett moment i sina tester, eller gör en estimering genom standardiserade antaganden [2].

Skillnader mellan fordonstillverkare och modeller

Det är väl känt att andelen användbar energi i batterielektriska bilar kan skilja mellan olika fordonstillverkarna, vi har dock inte hittat en sammanställning för industrin som helhet. Vi har därför gjort en syntes över andelen användbar energi baserat på totalt 101 batterielektiska bilar med data från EV-database [5]. Urvalet inkluderar endast bilar i produktion och i de fall där flera modeller delar plattform och batteri (vanligt inom VW gruppen och Stellantis) inkluderas endast en modell. Se nedan:

                                           Användbar energi (% av installerad)

Medel                                 93,8 procent

Median                               94,3 procent

Datan från EV-database indikerar att i genomsnitt finns det en skillnad på cirka 6 procent mellan den installerade och användbara energin. Det finns emellertid betydande skillnader mellan tillverkare och modeller. Amerikanska Lucid Motors är den enda tillverkaren som hävdar att hela den installerade energin är användbar, vilket enligt deras egen utsago beror på att de har ”expertis inom hård- och mjukvara som medger full användning av batteriet, lång batterilivslängd och hög snabbladdningsprestanda” [6]. Efter Lucid har Vietnamesiska Vinfast och Kinesiska BYD en hög andel användbar energi (över 97 procent) [5]. De tre bilar med lägst andel användbar energi är Mazda MX30 (84,5 procent), Lexus UX 300e (82,9 procent) och Honda e (80,3 procent). Det kan även noteras att flera modeller från Mercedes-Benz har förhållandevis låg andel användbar energi på cirka 90 procent [5].

Varför en begränsning mellan installerad och användbar energi behövs

Att säkerställa en tillfredställande livslängd är en viktig anledning till att styra den användbara energin lägre än den installerade energin [7]. SoC nivåer nära 100 procent ökar batterislitaget och ger färre antal möjliga cykler [7]. För batterier nämns ofta ”Depth of Discharge” (DoD), andel av batteriet som i procent används, som en viktig parameter för batterilivslängd [7]. I ett förenklat exempel från Battery University klarar ett NMC batteri 30 procent fler cykler vid 80 procent DoD jämfört med 100 procent DoD, innan batteriet har degraderat ner till 70 procent [7]. I praktiken urladdas och laddas troligen ett batteri sällan från 100 – 0 – 100 procent, men bufferten mellan installerad och användbar energi eliminerar denna användarrisk. Det finns också anledning ur ett livslängdsperspektiv att reglera möjligheten att urladda ett batteri ner mot 0 procent, främst då batteriet riskerar att skadas om det blir stående med nära 0 procent SoC för länge [4].

En annan avvägning för storleken på begränsningen är påverkan på bilens köregenskaper. Låga SoC nivåer kan minska tillgänglig effekten och därmed påverka fordonets köregenskaper [4]. Att tillåta höga SoC nivåer kan i stället påverka möjligheten till regenerativ bromsning vilket påverkar fordonets köregenskaper och minskar energieffektivitet [4]. Generellt önskar fordonstillverkare att deras produkter ska ha ett konsekvent beteende oberoende av SoC [4].

Stora begränsningar i användbar energi kan dock få ett antal negativa konsekvenser genom ökad fordonsvikt, ökad energiförbrukning och högre kostnader [8].

Användbar energi kan justeras under fordonets/batteriets livslängd

I och med andelen användbar energi styrs via mjukvara är det möjligt att justera under ett fordons brukarfas. Exempelvis har Toyota lovat att öka den användbara energin i modellen bZ4X genom en OTA uppdatering [1]. Det är även teoretiskt möjligt att använda en större andel av batteriet i takt med att batteriet degraderas [3, 9]. Den faktiska batteridegraderingen kan på så sätt helt eller delvis kamoufleras för användaren, men minskade begränsningar kan öka batterislitaget [3, 9]. Även om detta är teoretiskt möjligt har vi inte hittat några exempel på att detta har skett i praktiken.

Egen kommentar

Installerad och användbar batterienergi har blivit allt viktigare begrepp för batterielektriska bilar. Hur stor andel av den installerade energin som ska göras användbar till brukaren bygger på ett antal avvägningar för fordonstillverkaren. Förenklat sätts batteriets livslängd och konsekventa köregenskaper mot kostnad och räckvidd. Vår sammanställning tyder på att det finns olika strategier hos fordonstillverkarna.

En aspekt som förtjänar mer uppmärksamhet är hur andelen användbar energi kan styras över tid och om det skiljer sig mellan fordonstillverkarna, och hur det kopplar till framtida regelverk rörande batterigaranti. Vi återkommer kanske till ämnet.

Referenser

[1] OmEV. 2023. länk

[2] Car and Driver. 2021. länk

[3] Blogginlägg skrivet av Jaywant Mahajan, teknisk rådgivare på GMS Tech Labs. 2020. länk

[4] Intervju med Patrik Larsson, Teknisk specialist inom batterier på Volvo Cars

[5] EV-Database. 2023. länk

[6] Charged. 2022. länk

[7] Battery University. 2023. länk

[8] OICA via UNECE. 2021. länk

[9] Battery University. 2023. länk