Hemligheterna bakom snabbladdningen

– Därför går det olika fort i olika bilar

Varför kan vissa bilmodeller snabbladdas med en hög, jämn effekt och bli klara på ett kick, medan andra masar sig fram vid stolpen? Vi har tagit batteriexperterna till hjälp för att reda ut vilka faktorer som styr snabbladdningen.

Text: Lotta Hedin | Foto: Peter Gunnars mfl.

Att kunna snabbladda sin bil smidigt är lika viktigt som hur lång räckvidd den har – i alla fall när man ska ut och köra långt. I förra numret av tidningen berättade vi till exempel att en sträcka på dryg femtio mil gick fortare att köra med en gammal Hyundai Ioniq än med en ny, trots att den nya har längre räckvidd. Den gamla fick stanna oftare och ladda, men kom ändå fram först eftersom den kunde ta emot en högre effekt, och med det fylla på batteriet snabbare. 

Det här skillnaderna gäller förstås inte bara Hyundai Ioniq – när vi jämför laddningsförloppen hos olika bilar som vi testat ser vi att det kan se extremt olika ut. 

Men varför? 

Vi frågade Evelina Wikner som är batteriforskare på Chalmers.

– Det är många olika faktorer som påverkar: kemin i battericellerna, cellernas design, hur väl värmning och kylning av cellerna fungerar. Samtidigt handlar det inte bara om batteriet, även andra kraftkomponenter i bilen spelar roll, till exempel vilken ström kablarna är dimensionerade för att hantera, säger hon. 

Evelina Wikner har i sin doktorsavhandling undersökt hur laddning med höga effekter påverkar litiumjonbatteriers åldrande.

– Det finns flera skäl till att tillverkarna vill hålla nere laddningseffekterna, säger hon.

En av de saker hon tittat på är så kallad litiumplätering. Det innebär att litiumjonerna som rör sig mellan elektroderna i batteriet när det laddas och laddas ur ”fastnar” på den ena elektroden (anoden) där de ansamlas som metall. Det förkortar batteriernas livslängd och leder i värsta fall till kortslutning och brand.

– Risken för litiumplätering är störst vid hög laddningseffekt och hög spänning. Därför dras effekten ner när spänningen i cellerna börjar bli hög, vilket sker när batteriet håller på att bli fulladdat. Exakt när det sker varierar beroende på hur cellen är designad och vilken kemi den innehåller, säger Evelina Wikner.

Bilens batteristyrningssystem och mjukvara i bilen talar om vid vilken spänning eller vid vilka temperaturer som det är dags att höja eller sänka den tillåtna effekten.

För skonsam laddning måste batterierna komma upp i en viss temperatur, men som de flesta känner till får de heller inte bli för varma. För höga temperaturer kan skada batteriet och i värsta fall leda till så kallad termisk rusning och brand. För att förhindra det har bilarna någon form av batterikylning, oftast i form av vätska som leder bort värmen från cellerna. Förenklat kan man säga att en bra batterikylning kan tillåta högre laddningseffekt.

Om batteriernas kylsystem inte är dimensionerat efter bilens batteri kan det gå som när Nissan Leaf fick sitt 40 kWh stora batteri 2018, även känt som #Rapidgate. 40 kWh-versionen visade sig klara snabbladdning dåligt, till och med sämre än den tidigare Leafen med 30 kwh batteri.

En förklaring var den nya batterikemin. Helena Berg, batterikonsult som forskat om litiumjonbatterier förklarar:

– För att få mer batterikapacitet på samma yta hade Nissan bytt batterikemi till en nickelrikare NMC-variant, så ka­llad NMC622 med 60 procent nickel, 20 procent mangan och 20 procent kobolt. Men nickelrika NMC-varianter är mindre termiskt stabila. En eventuell termisk rusning sker vid lägre temperatur, och det blir viktigare att ha ett kylsystem med bra styrning, säger hon.

Nissan hade dock inte satsat på något förbättrat kylsystem, som de med den nya kemin behövde i ännu högre grad än tidigare. Följden blev att snabbladdningen begränsades ännu mer.

– Vid höga effekter riskerar de nickelrika positiva elek-trodmaterialen att spricka.

Att gå mot mer energitäta battericeller är nu en trend i hela fordonsbranschen, menar både Helena Berg och Evelina Wikner. På så sätt kan tillverkarna öka batterikapaciteten och räckvidden, utan att batteripaketen tar större plats. Energidensiteten kan ökas på flera sätt. Antingen genom att ändra kemin i cellerna och göra dem mer nickelrika som i Nissans fall, eller genom att designa cellerna annorlunda och göra elektroderna tjockare. Nackdelen är att hög energitäthet generellt sett inte är kompatibelt med snabb laddning. Och problemen gäller inte bara termisk instabilitet.

– Vid höga effekter riskerar de nickelrika positiva elektrodmaterialen att spricka, vilket gör att batteriernas livslängd förkortas, säger Evelina Wikner.

Även i de fall tillverkarna väljer en design med tjockare elektroder fungerar det dåligt med höga laddningseffekter, och snabbladdningen tvingas gå långsammare. 

Med den kunskapen är det inte längre så underligt att den nya Hyundai Ioniqen, med större batterikapacitet, snabbladdar sämre än den gamla. Och i ett mejl från Hyundai bekräftas det vi redan förstått:

”Vi har ökat batterikapaciteten hos nya Ioniq Electric med 10,3 kWh utan att nämnvärt öka storleken på batteripaketet. Att göra det var endast möjligt genom att öka batteriets densitet. Genom att energi­densiteten ökats måste värmeutvecklingen från batteriet kontrolleras ännu mer exakt. På grund av det så har laddningslogiken justerats med konsekvensen att maximal laddeffekt har reducerats”, skriver Hyundais representant.

Men hallå, påpekar kanske någon. Tesla har ju både nickelrika battericeller med hög energidensitet, och kan samtidigt snabbladdas med hög effekt. Hur går det ihop?

– De har så många celler att det inte blir något problem. Med många celler och hur de är kopplade blir strömmen per cell mycket låg och då kan de använda celler med hög energitäthet. Tesla är nog det enda fordonsföretag som använder celler som är så små i format. Alla andra jobbar med celler med hög kapacitet och hög energitäthet. Men om strömmen per cell ska vara så låg som för Tesla skulle batteriet bli enormt. Många skrattade åt Tesla i början men nu är det en del som börjat säga att Tesla varit smarta, säger Helena Berg.

Batteriet på 100 kWh i en Tesla Model X 100 kWh består av upp emot 8 000 celler. I en Model 3 Long Range finns 4 416 celler. Det kan jämföras med Audi e-Tron, vars batteri på 95 kWh består av 432 celler.

Ytterligare ett sätt att öka snabbladdningskapaciteten är att göra som Porsche Taycan och öka spänningen. Taycans batterisystem har en spänning på 800 volt, istället för 400 volt som är det normala för elbilar i dag. Laddas Taycan vid en snabbladdare med 800 volt kan bilen ta emot en laddningseffekt på 350 kW. 

Med allt detta sagt måste man som användare också komma ihåg att det inte bara är laddningseffekten och hur fort batteriet fylls som är intressant. Det är kombinationen av snabbladdningskapaciteten och hur mycket energi bilen förbrukar när jag kör som till syvende og sist avgör hur lång tid jag behöver spendera vid laddstolpen. 

”Om strömmen per cell ska vara så låg som för Tesla skulle batteriet bli enormt.”