Gaimersheim, Tyskland: Det holder ikke bare å finne et stort batteri som gir lang rekkevidde i en elbil. Flere egenskaper er viktige, og særlig hurtiglading. Da gjelder det å finne de cellene som egner seg best.
Audi jobber med utvikling av celleteknologi selv. Teknologien testes ved deres testsenter i Gaimersheim, sju kilometer fra Ingolstadt. Bilprodusenten hevder det må til dersom de skal lokke kundene sine over fra forbrenningsmotor til elmotor.
Audi hevder at det først og fremst er rekkevidde folk er opptatt av, og deretter ladeytelse. Dermed er det først og fremst dette de fokuserer på.
Det er riktig nok ikke Audi som utvikler cellene på egen hånd. Dette er et samarbeid med underleverandører, som foregår gjennom hele utviklingsprosessen. Men testingen og deler av utviklingen foregår hos Audis batteritestsenter i Gaimersheim.
Her simulerer de hvordan batteriene i bilene deres vil fungere over flere år med bruk. Dette foregår i et testlaboratorium, hvor batterier testes i temperaturer fra 30 kuldegrader til 60 varmegrader. En test tar vanligvis et års tid, og simulerer forventet bruk over 15 år eller 300.000 kilometer.
Det er disse testene som danner grunnlaget for hvordan programvaren som styrer batteriet i bilen utformes. Resultatene tas også med i utviklingen av nye batterier ved senteret.
Norske forhold er ingen problem for batteriene
Dr.ing. Bernhard Rieger, som jobber med hurtiglading og simulering av elbilbatterier i Audi AG, forklarer at de ser på hvordan de kan utvikle best mulige celler til batteriene, for å få de egenskapene de ser etter.
Vi spør Rieger om de har sett på hvordan batterilevetiden påvirkes når de stadig veksler mellom å være kalde og varme, som i Norge vinterstid.
– Vi tester spesifikt dette. Vi har en test hvor temperaturen konstant fluktuerer mellom minus 30 og pluss 60 grader. Temperaturen i seg selv påvirker ikke levetiden. Cellen bryr seg ikke dersom temperaturen nettopp var veldig lav. Så i slike tester er det mer batteriets konstruksjon og cellenes forsegling som er interessant, og ikke cellekapasiteten, sier han.
Det som er mest avgjørende for batterienes egenskaper er hvordan battericellene er utformet på mikroskopisk nivå. Om man ønsker et batteri som skal lades raskt, må man ha kontroll på anodematerialet i cellene.
Ser på anodens farger
Hvordan materialet håndterer lading kan sees på fargen på anoden. Anoden består for det meste av grafitt, og vil endre farge ut fra hvor mye den er ladet opp. En utladet anode er sort, halvveis oppladet er rød, og en helt oppladet anode blir rød.
Det skyldes interkaleringsprosessen, hvor litium flyttes over i grafitten, som på mikroskopisk nivå er en gitterstruktur. Det er mer enn bare et interessant biprodukt av opplading – fenomenet gir ingeniørene et bilde av hvordan anodematerialet håndterer opplading.
Rieger sier at man på mikroskopisk nivå kan observere fargene i lag. Dersom disse fargelagene er tydelige betyr det at det er regioner i anoden med ulik opplading. Det indikerer at strømstyrken må reduseres under opplading for å oppnå jevn distribusjon av litium i grafitten.
Fenomenet er særlig fremtredende når anodematerialet er kaldt. Det betyr at bilprodusenten må være særlig forsiktig med å lade cellene med høy effekt i slike situasjoner. I praksis gir det et fenomen de fleste elbilister har opplevd om vinteren: Bilen lader sent.
.png){kind=logo}
Hadde man ikke gjort dette ville man risikert at anodematerialet begynte å svelle opp og sprekke, eller at litiumet ikke interkalerer i anoden men heller legger seg som et lag utenpå. Det gjør enkelt sagt at litium gjøres permanent utilgjengelig i cellen, og kapasiteten reduseres.
Litiumplettering gir en brå reduksjon av kapasitet. Audis resultater viser at kapasiteten faller til 60 prosent etter bare 150 ladesykluser. Rask reduksjon av kapasitet blir fort en kostbar affære for bilprodusenten dersom det betyr at de må bytte batterier.
Høy energi gir sakte lading
Anodetykkelsen legger også føringer for hvilke egenskaper cellen har. Jo mer aktivt materiale anoden består av, jo mer energi holder den. Samtidig reduseres evnen til å lade raskt.
Rieger viser til at en anode med høy energikapasitet kan være 76 mikrometer tykk, mens en anode som kan lades med høy effekt kan være i området 48 mikrometer tykk. Målet er å finne en anode som i størst mulig grad balanserer disse behovene.
Her mener Audi selvsagt at de er best i klassen, men det kommer åpenbart om hvilken bil det er snakk om. For eksempel lader ikke deres E-Tron 55 særlig raskt sammenlignet med deres E-Tron GT.
Sistnevnte bruker litt over 22 minutter på å lade batteriet til 80 prosent, sammenlignet med en halvtime for E-Tron 55. Det er der de ønsker å ligge i fremtiden. Det vil avhenge av bil, ettersom det er ulik celledesign fra bil til bil.
Rieger tror at konkurrentene også beveger seg i denne retningen, og viser til Hyundai Ioniq 5, som tross alt lader enda raskere enn E-Tron GT. Begge disse bilene har 800 volts batteriarkitektur. Det har ulemper og fordeler, men den største fordelen er at batteriene kan lades med høyere effekt.
– 800 volt gir mening når batteriet har kapasitet på over 80 kilowattimer, sier Rieger.
Tror det er mer å hente ut av 400 volt
Det betyr ikke at 400-voltarkitektur er utdatert. Rieger viser til Tesla, som kan ta ladeeffekt på inntil 250 kilowatt. Det er mer enn godt nok, mener han. Han tror biler som BMW iX og Mercedes EQS egentlig kan lade raskere, også disse på 400-voltarkitektur.
Selv om noen bilprodusenter har tatt steget over til 800 volt, er det fremdeles mange på 400 volt. Mange nye og kommende biler er basert på slik arkitektur. CCS-standarden støtter strømstyrker på inntil 500 ampere, som gir effekter på rundt 200 kilowatt ved rundt 400 volt. Rieger tror derfor at konkurrenter som Mercedes og BMW har særlig ønske om at CCS-standarden skal utvides til å støtte høyere strømstyrke.
– Standarden kan kanskje gå til 600 ampere, og vi tror at Mercedes EQS og BMW iX kan lade raskere om de får mer strøm, sier han.
