200 deltagare i en fullsatt aula hos konsultföretaget ÅF visade hur stort intresset är för litium-jonbatterier! Idag finns lösningar för laddning och batterihantering men konferensen visade att det krävs mer forskning och utveckling för att hantera otäcka brandegenskaper och problem kring återvinning.

Vidar Wernöe, Elektronikkonsult AB tog initiativ till det seminariet som anordnades tillsammans med ÅF, organisationen Kraftforum och Ericsson. Härovan ses han tillsammans med Tor Ericson (ÅF), Lars Humla (Ericsson AB) och Åke Ericson (Ericsson AB).
Först ut bland talarna var Pontus Svens, sedan nio år forskare inom elektrokemi vid KTH och tillika anställd vid Saab Scanias utvecklingsavdelning.

Pontus Svens
Han inledde med att berätta om olika typer av lösningar för att åstadkomma miljövänliga drivsystem för lastbilar: Efter idéer om svänghjul har fordonsindustrin tittat på elektriska lösningar drivna av NiMH-batterier, superkondensatorer (EDLC, electrical double layer capacitor), LiC (litium-jonkondensator), litium-jonbatterier och framtida litium-jonbatterier.
Det första steget mot litium-jonceller togs 1976. Men det skulle dröja ända till 1991 innan Sony kom ut med marknadens första kommersiella litium-jonbatterier .
Sedan dess har forskare och utvecklare arbetat med att kunna öka antalet laddnings/urladdningscykler och högre potentialspänning i cellerna.

Två huvudtyper
Dagens tillverkare av el- eller hybridbilar använder batterier av två slag: cylindriska eller rektangulära moduler.
Cylindriska batterier är billigare att tillverka. Sådana används exempelvis i Tesla. De är både seriekopplade, för att få tillräckligt hög spänning, och parallellkopplade, för att medge tillräckligt effektuttag.
I BMW 3i har man i stället använt (dyrare) rektangulära batteriemoduler med hög effekt. I det fallet är det tillräckligt med seriekopplade moduler (som innehåller parallellkopplade celler).  Därför blir batteripaketet mindre komplext.
Kraven på batterier varierar stort mellan olika fordonstyper. Bussar är i drift mer än 5000 timmar per år. Men medan en el-buss kan klara sig med 4000 laddcykler per 10 år, med 4 – 8 timmars laddningstid , kommer en laddhybridbuss att kräva mer än 70 000 laddcykler per 10 år, med 10 minuters laddningstid.

Nödvändig temperaturanpassning
Batterierna kräver kylning med luft eller vätska vid höga effektuttag eller snabbladdning.
En luftkyld lösning är naturligtvis enklare, väger mindre, kostar mindre och är tillförlitligare.
Vätskekylning är effektivare och kylningen kan styras till separata celler, om så krävs. Kyleffekten kan utnyttjas för uppvärmning av fordonskupén och kylvätskan kan eventuellt även användas för att kyla elektronik.

Vid överhettning finns en risk för termisk rusning.  Det otäcka är att vid antändning är förbränningsprocessen självgenererande eftersom koboltoxid avger syre om temperaturen överstiger 200 °C. Det är alltså inte tillräckligt att kväva elden, exempelvis med pulversläckare. Eldhärden måste kylas! Dessutom är den elektrokemiska energin tre gånger så hög som den elektriska vilket förvärrar problemet. Självantändning inträder vid 500 °C.

Hur länge håller batteriet?
Batteriets hållbarhet påverkas i hög grad av hur mycket dess kapacitet utnyttjas. Det gäller att begränsa det maximala uttaget, likaväl som att se till att battericellerna inte urladdas till mindre än ca 20 procent. Pontus Svens visade att om en battericell, typ NCR18650GA från Panasonic, utsattes för 300 cykler (2 timmars laddning, 40 minuters urladdning) minskade batterikapaciteten från 3400 till 2400 mAh.
Sådana celler används i Tesla modell S. Men Tesla har begränsat uttaget till maximalt 80 procent och får därmed bara 10 procents nedsättning av kapaciteten efter 160 000 km användning.

Batterikapacitansen sjunker med tiden
Batterilivslängden påverkas även av hur många cykler batteriet utsätts för. Pontus Svens gav några räkneexempel hämtade från en undersökning, utförd av Anders Grauers, Chalmers.
I exemplet jämfördes en renodlat batteridriven bil (BEV, t ex en Tesla) med en hybridbil där en förbränningsmotor används som räckviddsförlängare (ICE REX Internal Combustion Engine Range Extender).  I båda fallen körs de 15 000 km per år och batteriet utnyttjas maximalt 70 procent. Batterikapaciteten var i fallet BEV 50 kWh medan ICE REX bara hade ett 10 kWh stort batteri.
I fallet BEV laddades batteriet i genomsnitt efter 175 km och batteriet i ICE REX laddades efter 35 km. Medan batteriet i BEV förväntas ha en livslängd på 5 år (för en given nedsättning av batterikapaciteten) kom ICE REX att bara uppvisa bara 1,5 år.

Batteridrivna elbussar
Batteridrivna bussar är ett intressant alternativ för tätorter. Här finns tre alternativ till laddning enligt ett exempel från Anders Grauers forskning: Laddning under natten, laddning vid ändhållplatserna och laddning vid 44 ställen.
Systemkostnaden är lägst för laddning vid ändstationerna. Mer än dubbelt så mycket kostar de övriga alternativen på grund av att det (i första fallet) krävs ett stort batteri för att ha kapacitet för en hel dags drift respektive (tredje fallet) hög kostnad för de 44 laddstationerna.
Scania arbetar parallellt med olika inriktningar för framtidens bussar och lastbilar. I deras Vision 2030 finns inte bara elfordon, laddade induktivt, kapacitivt eller strömförsörjda via elledningar, utan även drivna av el från bränsleceller.

Li-jon-batterier går om bly
År 2022 tror Lars Humla, Ericsson AB, att litium-jonbatterierna kan bli så billiga att de kan börja konkurrera ut blybatterier.

Lars Humla, Ericsson AB
I reservkraft för telekomsystem är fortfarande blybatteriet dominerande. De är fortfarande billiga. Men om de skulle kunna ersättas av litium-jonbatterier kommer de att skapa användbar volym för annat eftersom de har större energiinnehåll för en given volym.
Det finns en rad olika typer av litium-jonbatterier. Lars Humla gav följande uppställning:
Icke laddningsbara konsumentbatterier:
* Litium-järnsulfatbatterier
* Litium-mangandioxidbatterier
Icke laddningsbara militära batterier:
* Litium-thinylkloridbatterier
* Litium-svavelbatterier
Laddningsbara batterier:
* Li-Po (litium-fosfat)
* Li-Mo (mangandioxid)
* Li-NMC (nickel-mangan-kobolt)
* Li-NCA (nickel/kobolt/aluminium)
* Li-Co (koboltoxid)
* Li-To (titanoxid)

Snävt fönster
Tyvärr är ramarna för säker användning av litium-jonbatterier snäva. Cellspänningen måste ligga inom ca 2 till 4 V och temperaturen mellan ungefär 0 °C och 80 °C. Utanför detta område väntar en rad destruktiva mekanismer: Vid lägre temperaturer förekommer litiumplätering under laddning, lägre spänningar eller kortslutning kan förstöra katoden, högre spänningar kan ge litiumplätering under laddning och kapacitetsförluster.
Högre temperaturer kan bli direkt farliga. Vid ca 200 °C avger cellerna brännbara gaser och vid 300 °C självantänder batteriet och avger sitt eget syre.  Termisk rusning inträder. Därför kan man inte släcka en brand genom att kväva den (t ex med pulver). Enda sättet att kväva branden är att kyla ned den. Men det är inte säkert att det räcker att kyla med vatten: Brandförloppet kan fortsätta under vattennivån!
Ju varmare batteriet är och ju högre laddspänningen är desto fler parasitreaktioner. Andra åldringsfaktorer är metallplätering av litium vid kyla, vilket kan resultera i kortslutning. Utfällning av koppar från katoden vid överladdning kan också ge kortslutning.
Laddning måste avbrytas senast vid 100 procent för att undvika fara. Men full laddning stressar batteriet och minskar antalet möjliga urladdningar. Djupa urladdningar ökar risken för överurladdning.

Problem vid återvinning
Som framgår av tabellen ovan förekommer en rad olika typer av litium-jonbatterier.
– Detta innebär ett stort problem för återvinning, säger Lars Humla. De olika varianterna kräver skilda processer för återvinning. Och hur skall man kunna sortera dem? Kanske kan olika märkning införas? Återvinningskostnaderna måste bli jämförbara med dem för blybatterier.
Litium finns det gott om på jorden. Dagens litium kommer från en saltgruva i Bolivia. Men vad händer när den är tömd? Idag finns ännu ingen lönsam process för att exempelvis kunna ta litium ur havsvatten.
Sammantaget finns det en rad faktorer som försvårar för en bred spridning av litiumbatterier – frågor som förhoppningsvis går att lösa.

Trådlös laddning
Halvledarföretaget Linear Technology, som kommer att gå upp i Analog Devices när affärerna är klara, hörde till pionjärerna på marknaden vad gäller kretsar för laddning, övervakning och balansering av litium-jonceller i ett batteri. Den första generationen kretsar nådde marknaden år 2008.
Thomas Ginell, applikationsingenjör på Linear Technology, talade på konferensen om olika tekniker för laddning.

Thomas Ginell
Idag finns standarden Qi för trådlös energiöverföring för laddning av mindre utrustning. Standarden har två effektnivåer: 5 respektive 120 W.
Elektronisk överföring kan ske med ett elektromagnetiskt fjärrfält, alternativt via kapacitivt eller induktivt närfält. Den överförda spänningen minskar med avståndet.
Linear har utvecklat kretsar för trådlös laddning av mindre batterier, t ex för mobiltelefoner. Intentionen är att skapa autonoma lösningar som är toleranta mot avstånd, udda placering och orientering.  Sändardelen är autoresonant och sändarens effekt anpassar sig automatiskt mot mottagaren. Denna klara att bli överstyrd.

Större batteripaket
Batteripaketen för fordon måste kunna ge hundratals volt med tanke på de höga effekter som skall överföras. Eftersom litium-joncellerna har en spänning mellan 2 och 4 Volt handlar det om mycket stora antal celler. Eftersom de är seriekopplade är det livsviktigt att varje cell fungerar.
Om 100 procent av kapaciteten används håller en battericell maximalt 3 år. Om nedre gränsen för laddning är 20 procent, och om den övre är 90 procent, innebär det att 70 procent av kapaciteten används. Då kan samma cell hålla 6-10 år.
Men säg att kretsarna för att mäta och reglera battericellens tillstånd har 5 procents felmarginal. Då kan den användbara energimängden i sämsta fall bli 60 procent (25 – 85 procent) . Med 1 procents noggrannhet stiger den till 68 procent (21 till 89 procent).
Balansering av laddningen i cellerna kan ske på två sätt: Passivt, då man laddar ur över ett motstånd, eller aktivt, då energin kan flyttas från en cell till en annan.
Kretsarna för balansering, i Linears lösning, är galvaniskt skilda från varandra, eftersom potentialen varierar i batteristacken. Fjärde generationens kretsar i sitt koncept isoSPI består av ett antal LTC6811 och en LTC6820.
På Electronica demonstrerade Linear en lösning för trådlös batterihantering (BMS, Battery Management System) som utvecklats av Linears konstruktuionspartner Lion Smart. Informationen från de seriekopplade batterierna överförs via ett trådlöst mesh-nät.
Vi återkommer med ytterligare rapportering från det intressanta seminariet! Där följer mera fakta om bland annat laddning.

Filed under: SvenskTeknik, Teknikartiklar