Fart og spenning – om batterier

Batteriene er mysteriet i elbilen selv om oppgaven deres ikke er så mystisk. Det er å være et lager for energien som trengs til framdrift av kjøretøyet.

Men batteriteknologien er elbilens akilleshæl. Sammenlignet med bensin er de lite energitette og veier mye mer og krever langt større plass enn en bensintank. Dessuten er det bekymringer rundt levetid, kostnader og forventninger til hvor langt du kan kjøre. Men allerede nå kan du være en lykkelig elbilist, det hjelper dessuten litt hvis du skjønner hva batterier er.

Batterier

Et batteri omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. Oppladbare batterier kan reverseres, og omdanne elektrisk energi til kjemisk energi og fungere som et strømlager.

Lading og utlading av strøm i battericeller foregår ved at elektroner beveger seg mellom negativ og positiv pol i batteriet. Anode og katode heter polene. Området hvor elektronene beveger seg kalles en elektrolytt, det kan være en væske eller et fast stoff. Gjennom å flytte seg fra negativ til positiv pol eller vice-verca, lagres eller frigjøre elektrisk strøm fra cellene.

Batterier er seriekoblede celler (kalles også galvaniske elementer) som lagrer strøm. Strømmengden måles i antall amperetimer (Ah). Cellespenningen måles i volt (V) og ved seriekobling summeres den for å gi batteriets totale spenning. Energimengden som lagres måles i kilowattimer (kWh), vi får denne ved å multiplisere batteriets spenning med antall Ah i hver celle.

Batteripakker

Det er sjeldent et enkelt batteri i en elbil. Batteripakkene består av batterier som igjen er seriekoblede som cellene og spenningen summeres, eller parallellkoblede hvor det er strømmengden som summeres.

Lagringsevne

Denne bestemmes av elektrokjemien i hver enkelt batteritype. Det vil si egenskapene til stoffene som er på polene anode og katode, hvor store flatene er på disse polene og elektrolytten. Selvfølgelig bestreber industrien seg på å finne de grunnstoffene som har best egenskaper for formålet. Dette er avgjørende for energitettheten og hvor volumiøse eller tunge batteriene må være. Energitetthet angis i antall wattimer (Wh) pr kilo eller for volum.

Ennå har vi ikke oppfunnet energitette batterier hvis vi sammenligner med energibærerne bensin, diesel og gass. For å lagre like mye energi som det er i en stor brusflaske med 1,5 liter diesel, vil du trenge over 500 kg blybatterier – eller «kun» rundt 100-150 kg av de langt mer energitette litiumbatteriene. En trøst er at elektromotoren er så effektiv at du kan kjøre 10-12 mil på denne energimengden, det klarer du ikke med en brusflaske i dieselbilen.

Leveringsevne

Stort sett går det fint å få tilført batteriene strøm gjennom å lade dem. Deretter skal strømmen tappes kontrollert fra batteriene og overføres til elektromotoren for å gi framdrift av elbilen. Batterienes leveringsevne vurderes utifra effekt (styrke) målt i watt (W) og mengde målt i kilowattimer (kWh). Begge deler er interessant for elbilisten, både om du vil ha skikkelig fart i bilen (effekten) eller vil kjøre langt (strømmengden). Stort sett er effekten god på dagens batterier, det er mengde energi vi bekymrer oss mest for. Hvor mye vi får ut varierer med batteriteknologien og blir påvirket av mange forhold:

• Når du tapper batteriene for strøm, kan du velge om du vil gjøre det raskt eller langsomt. Kjappere du tapper batteriene, jo mindre strømmengde målt i amperetimer (Ah) får du ut, men hu-hei for en effekt – du sender mye strøm til motoren og kjører fort. Dette reagerer batteriene litt ulikt på, avhengig av den såkalte indre motstanden som utvikler varme (= energitap) istedenfor strøm. Egenskapene kan leses ut av såkalte C-verdier eller Peukert-faktoren som oppgis. Det er særlig når spenningen faller (lite kapasitet igjen) at varme utvikles mer og mer ved hard tapping. Noe som bør unngås.

• Temperaturen har stor påvirkning. De fleste batterier har en trivselstemperatur på 25 grader (bortsett fra Thinks Zebra som ligger konstant oppvarmet til nær 300 grader) hvor de kjemiske prosessene har ideelle forhold og leverer best. Disse batteriene kan nær få halvert levert energimengde hvis temperaturen faller til 10-15 minus. Men problemet kan kompenseres med oppvarmingssystem for batteriene.

• Hvor langt du kan tappe ned et batteri, er en begrensende faktor for hvor stor strømmengde du faktisk kan ta ut. Restkapasitet ønskes for å sikre levetid på batteriene. De slites mer når cellespenningen blir lav. Restkapasitet varierer typisk mellom 5-20% for ulike batterikjemier. Dette skal elbilens kapasitetsmåler håndtere for deg.

• Leveringsevnen varierer litt med den generelle effektiviteten i systemet rundt batteriene og batterienes selvutlading, men normalt er dette et mindre problem.

• Utlading reduserer batterispenningen og effekten. Derfor kan du for enkelte batterikjemier oppleve å miste effekt og fart mot slutten, mens andre har full fres hele veien.

Levetid

Flere kilometer du kan få ut av batteriene, rimeligere driftskostnad har du. Levetida varierer med batterikjemiene. Faktorer som påvirker dette er verdt å ha i mente hvis du er litt glad i innholdet i lommeboka:

• Erfaringen viser at de fleste batterier slites mer dypere du utlader dem. Du får flere syklinger på 50% nedtapping enn 80% – så mange fler at det gir deg flere kilometer totalt.

• Battericeller kan også være sårbare hvis de konstant lades opp til høyeste spenningsnivå, derfor er det i flere elbiler mulig å velge å bare lade opp til 80-90% av det som produsenten har satt som maksimal spenning.

• Høy tappefart gir deg ikke bare mindre energimengde, men kan også medføre kortere levetid. Men hvor skadelig dette er, varierer med batterikjemiene.

• Varierende med kjemien så er det batterier som tåler dårlig å stå med lav spenning, f.eks. blybatterier.

Ting du har begrenset kontroll på, men som vi håper produsenten har brukt ressurser på:

• Det er svært viktig at ladeprosessen er optimalisert for den enkelte batterikjemi.

• En god balansering mellom alle cellene i en batteripakke er nødvendig for å unngå skeiv belastning fordi ulikheter oppstår og det svakeste leddet (les: celle) knekkes.

• Generelt må alle kontrollsystemene rundt lading og utlading være godt. Elbilprodusentene bruker store ressurser på dette. Dårlige systemer gir også dem høye garantikostnader for bytte av batterier. Men det er ikke alltid like lett, mange parametere skal hensyntas. Og det er en avveining om det skal være idiotsikkert eller gi litt fleksibilitet for brukeren.

Kostnader

Stort sett reflekterer prisene råstoffkostnad og nedskriving av utviklingskostnader. Vi har alt fra «billige» blyakkumulatorer med over 100 års historie til nyutviklede, energitettere litiumbatterier. Prisforskjellen kan være opptil femgangeren. I tillegg er det nødvendig med avanserte overvåking- og styringsenheter som også har investeringer som må nedskrives.

Kostnadsdrivere er høyere energitettheten og lengre levetid. Det er et race for å finne de beste grunnstoffene å bruke, noen av dem er dyrere enn andre, men det er de små volumene og de høye utviklingskostnadene som holder prisen høye for moderne batterikjemi.

Det er ingen naturlov at batterier skal være dyre. Som ellers i den industrielle verden er det spørsmål om hvor billig råstoffet kan utvinnes, hvor effektiv produksjonen kan være, hvor stor konkurransen er – og til slutt at det er volum nok for masseproduksjon. Derfor forventes det f.eks. at prisen for litiumbatterier innen 2020 vil falle til 1/3 av hva den er nå. Tar vi ikke mye feil, så skjer det enda raskere. 

Framtid

I forrige århundre sto batteriutviklinga i det kommersielle markedet nesten helt stille. Men på slutten akselererte utviklingen. Først for celler og småbatterier, deretter for større enheter. Vi fikk nikkel-kadmium batterier til elbiler, men disse forsvant raskt fordi kadmium er for giftig til å brukes. Deretter nikkelmetallhydrid (NiMh) som var mindre farlig. Saltbatterier (Zebra) var lovende og kom i små volum for elbiler. Før ulike typer litiumforbindelser har tatt over det meste av markedet. Kikk i mobiltelefonen, undersøk hva som har kommet i håndverktøy og kjøkkenutstyr, gressklipperen, modellflyet – og nå er det store håpet til bilindustrien. Nettopp litium.

For små litiumbatterier har volumutviklingen vært voldsom. Batteriteknologien er ikke perfekt, men på kort sikt antas den å være det beste alternativet for elektriske kjøretøy. Så nå streber alle på å lage gode styringssystemer som gir akseptabel kjørelengde, pålitelig kapasitetsangivelse og lang levetid. Fram til 2020 er antagelig litium elbilistenes største håp. Selv om vi også ser at Think får relativt mye ut av Zebrabatteriene.

Likevel, litium er mer nåtid enn framtid som energibærer i elbiler. Batterier er bare en av flere typer energibærere som kan brukes. Hydrogen er en annen selv om det foreløpig framstår langt mindre energieffektivt. Ulike kapasitorer er en annen mulighet. Hybridløsninger, dvs kombinasjoner av batteri med f.eks. hydrogen eller kapasitorer er også sannsynlig. De beste egenskapene plukkes, men parallelle teknologier blir oftest for dyrt.

Energibæreren for strøm som vil være energitett og billig nok til å eliminere olja som energiressursen for transport, finner vi i dag i laboratoriene. Dette kan være nye batterikjemier, bruk av nanoteknologi – og det kan være noe helt annet. Vi må nok regne med å vente 6-10 år til ny teknologi blir pålitelig og rimelig nok til å kommersialiseres. Inntil den tid bruker vi det beste vi har tilgjengelig. Fortsatt er det mye å hente gjennom en organisk forbedring av dagens teknologier.