Artikkelen ble første gang publisert i 2017. Prinsippene er fortsatt de samme.
Mange elbilister opplever at rekkevidden blir redusert i takt med at temperaturen synker. Det er det mange grunner til.
For eksempel har et vinterdekk som regel høyere rullemotstand enn et sommerdekk, særlig sammenlignet med et elbilsommerdekk.
En annen åpenbar synder er at mer energi går med til oppvarming av kupeen. Det koster tross alt en del energi å holde temperaturen på et behagelig nivå når det er kuldegrader ute.
Men i hovedsak er det selve batteriet som er den viktigste grunnen til at rekkevidden blir kortere.
For når temperaturen i batteriets celler faller med temperaturen i omgivelsene, reduseres også ytelsen. Praktisk talt alle batterier påvirkes av dette.
Det er ikke uten grunn at mange opplever flatt blybatteri på vanlige biler om vinteren. Og det er ikke tilfeldig at mobiltelefonen din kan ha betydelig kortere levetid når den er ute i kulda.
Selv primærbatterier, som vanlige alkaliske engangsbatterier, får svakere ytelse i kulda.
Batterier flest yter best i romtemperatur
Årsaken er at et batteri er en elektrokjemisk enhet. Ganske enkelt går de elektrokjemiske reaksjonene tregere når temperaturen er lav.
Det er forskjell på batterikjemier, men for enkelhets skyld kan vi si at batterier flest yter best i romtemperatur.
Så om elbilen har stått ute over natta og det er tilstrekkelig kaldt, vil temperaturen i batteriets celler etter hvert falle. Står det lenge nok vil celletemperaturen nå samme temperatur som omgivelsene.
Jo kaldere cellene blir, jo tregere går reaksjonene i dem. Det gjør kort sagt at ionene som beveger seg mellom cellenes elektroder beveger seg saktere. Dette øker samtidig motstanden i cellen, slik at virkningsgraden går ned.
Da får du lavere tilgjengelig batterikapasitet.
Kald elektrolytt
En celle i et batteri består veldig forenklet sagt av en anode, elektrolytt og en katode.
Når et en litiumioncelle er fulladet, lagres litiumatomer i anoden. Når det settes en last på cellen vandrer elektroner fra anoden til katoden gjennom en ytre krets.
Samtidig vandrer et litiumion, altså et litiumatom som har mistet et elektron, til katoden via elektrolytten.
Problemet er egentlig komplekst, men enkelt sagt kan man si at egenskapene til elektrolytten endrer seg når den blir kaldere. Den blir mer viskøs, og får dårligere ionisk ledeevne. Da ledes litiumioner dårligere i elektrolytten.
Det gir høyere indre motstand i cellene, som reduserer spenningen og effekten som kan tas ut.
Men også faktorer spiller inn, som hva slags elektrolytt som brukes, og hvordan de ulike komponentene i cellen, som anode og katode, er konstruert.
Enkelte studier antyder at disse faktorene har vel så stor påvirkning på hvordan litiumionbatterier yter når de er kalde.
Klar sammenheng mellom temperatur og ytelse
Det er tross alt forskjell på litiumionceller. Helt generelt kan man imidlertid si at det er en klar sammenheng mellom cellens ytelse og temperatur.
Ulike forskningsartikler angir ulike reduksjoner i forskjellige temperaturer avhengig av hvilke typer celler som er testet, men det finnes eksempler på at bare halvparten av energien som er tilgjengelig ved romtemperatur er tilgjengelig når cellens temperatur faller til 20 kuldegrader.
En studie (PDF) av litiumionceller gjennomført ved RMIT-universitetet i Australia viser at jo lavere temperaturen er, jo større er reduksjonen i tilgjengelig kapasitet.
Sammenlignet med romtemperatur falt kapasiteten (state of charge) til 93, 88 og 77 prosent ved en celletemperatur på henholdsvis 5, 10 og 15 kuldegrader.
Eldre studier har vist at ved samme strømstyrke, reduseres den relative kapasiteten til 60 prosent av kapasitet ved romtemperaturen når temperaturen i cellen er 20 kuldegrader.
Kort sagt blir problemet verre jo kaldere batteriet er.
Temperaturen øker under bruk
Men dette er ikke statisk. Når cellene holder lav temperatur øker motstanden. Det fører til større varmeutvikling. Da returnerer cellene etterhvert til mer ideelle temperaturer, og ytelsen blir følgelig bedre.
Det betyr at en elbil gjerne vil ha lavere praktisk rekkevidde når den brukes til småkjøring i kalde perioder. Samtidig kan den ha omtrent samme rekkevidde som i varmere perioder om batteriet får anledning til å varme seg opp.
Så om man skal kjøre så langt at man må hurtiglade bilen underveis, er det gjerne bare rekkevidden frem til den første hurtigladeren som vil ha kortere rekkevidde i praksis.
Når batteriet har blitt ladet ut en stund, og det tilføres strøm med ny effekt, vil cellene oppnå driftstemperatur. Så lenge denne syklingen av batteriet fortsetter under turen, vil også celletemperaturen holde seg høy.
Du får da samme relative batterikapasitet som om sommeren.
Da må vi selvsagt også nevne at det ikke bare er batteriets temperatur som påvirker rekkevidde. Dekk, veiforhold, værforhold og oppvarming av kupé vil selvsagt også spille inn.
En undersøkelse gjennomført av Fleetkarma i 2013 så på den faktiske rekkevidden til Nissan Leaf basert på reell kjøring under ulike utetemperaturer i Canada.
Resultatene viser at rekkevidden i snitt falt fra omtrent 110 kilometer i 25 varmemgrader til under 60 kilometer i 25 kuldegrader.
Temperatur påvirker også lading
Lave temperaturer har ikke bare en påvirkning på hvor mye kapasitet du har tilgjengelig.
Litiumionbatterier skal ikke lades når de er kalde, og i alle fall ikke med høy effekt.
Derfor kan bilen i verste fall nekte å lade om batteriet er for kaldt, men da skal det også trolig holde godt under 20 kuldegrader.
Men det er ekstreme tilfeller. Et eksempel flere elbileiere nok heller har opplevd er å få svært treg lading fra hurtigladere om vinteren.
Dette skjer fordi batteriet er kald, og bilens batteriovervåkingsprogramvare reduserer ladeeffekten til et trygt nivå. Så skal du hurtiglade en elbil i kulden, er det lurt å gjøre dette når batteriet har litt lunk. Altså er det bedre å gjøre dette mot slutten av en kjøretur enn før.
Ladeeffekten reduseres for å beskytte cellene i batteriet.
Kan skade batteriet
Det kan oppstå litiumplettering på anoden når batteriet er kaldt. Det vil si at litiumet ikke klarer å trenge inn i den molekylære gitterstrukturen i anoden når batteriet lades opp, og heller ender på overflaten.
Det skjer særlig om effekten det lades med er høy relativ til temperaturen. Dette gir en permanent skade på cellen, ved at litium gjøres utilgjengelig til senere bruk.
I verste fall kan det oppstå dendritter på anoden. Altså at det vokser ut «fingre» med litium, som ikke bare reduserer mengden litium tilgjengelig i cellen, men også i verste fall kan trenge gjennom cellen og kortslutte den.
Dessuten blir materialene mer porøse når de er kalde, slik at de kan sprekke opp og i praksis gi redusert kapasitet. Det fordi det såkalte SEI-laget på anoden dannes når en «naken» anode kommer i kontakt med elektrolytt. I dannelsen forbrukes noe litium, som da ikke er tilgjengelig når cellen sykler.
Store skader på batteriet på grunn av lading i kulden er imidlertid mest en teoretisk mulighet, ettersom programvaren i bilen vil holde kontroll på at ladeeffekten ikke blir for høy.
Den samme effekten kan man for øvrig se ved at elbiler kan få redusert regenerativ bremsing når batteriet er kaldt.
Slik bremsing lader batteriet, og kan potensielt levere høye effekter. Er batteriet kaldt vil bilen regenerere mindre ved oppbremsing.
Mange løsninger
Det finnes imidlertid løsninger på temperaturutfordringer.
Den mest åpenbare er å utstyre bilen med en batterivarmer som varmer batteriet så snart celletemperaturen faller under et gitt nivå.
Tesla er blant bilprodusentene har et slikt system, som ved veldig lave temperaturer aktivt vil holde batteripakken over en viss temperatur.
I prinsippet kunne alle elbiler hatt slik funksjonalitet, for eksempel ved å ta i bruk noe tilsvarende en motorvarmer, som varmet opp kjølevæske i batteriet og sirkulerte den så lenge den sto koblet til strøm.
En kanskje enklere løsning er å parkere bilen i en oppvarmet garasje. Men det er antakeligvis en løsning som mange i praksis ikke har.
Batterier for lave temperaturer
Det er også utviklet batterier som har integrert oppvarming. Forskere ved Penn State-universitetet i USA har utviklet et batteri som skal fungere i alle klima.
Kort sagt har de en nikkelfolie rundt cellene, som kombinert med en temperatursensor aktivt varmer dem opp når temperaturen faller under null grader. Denne oppvarmingen skjer på sekunder.
Ulempen er åpenbart at dette koster energi, og så lenge bilen ikke står koblet til lader vil batteriet sakte men sikkert tappes for strøm.
En annen løsning er å ta i bruk en elektrolytt som ikke får dårligere egenskaper når den blir kaldere.
Norske Graphene Batteries jobber med slik teknologi, som kan gi batterier som fungerer ned til 50 kuldegrader uten at ytelsen til batteriet generelt blir redusert i forhold til vanlige litiumionbatterier.
- Les flere artikler om elbil.
