Bak teknologien: Batteri og lading

Vi ser nærmere på hvordan batteriene og ladingen fungerer..

Isin virkemåte er elbiler egentlig ganske enkle innretninger, selv om de støtter seg til stadig mer avansert teknologi. I hjertet av den virkemåten finner vi tre hovedkomponenter – et batteri, en eller flere elmotorer som driver hjulene via en forholdsvis enkel kraftoverføring, og et elektronisk system som regulerer strømforsyningen til motoren(e), optimerer energiforbruket og styrer ladingen av batteriet. Dette siste aspektet er på mange måter nøkkelen til elbilenes appell, for når batteriet er tomt, spiller enkle og raske lademuligheter stor rolle for elbilens anvendelighet i forhold til en bil med forbrenningsmotor.

Ladingen skal vi komme tilbake til, først ser vi nærmere på teknologien i selve kjørebatteriet.

KJØREBATTERIET

De første elbilene var gjerne basert på konvensjonelle blybatterier, slike som forsyner det elektriske anlegget i så å si alle bensin- og dieselbiler, selv om denne batterikjemien har sine ulemper. Blant annet gir de forholdsvis lite energi i forhold til vekten (lav energitetthet), og spenningen faller drastisk under høy belastning. Et senere alternativ var nikkel-metallhydridbatterier, men i dag bruker så å si alle elbiler litium-ion-batterier – den typen som finnes i all mulig forbrukerelektronikk fra mobiltelefoner til bærbare datamaskiner – og det er dem vi fokuserer på her. Et kjørebatteri består av individuelle celler, hver med en positiv og en negativ elektrode som kalles henoldsvis anode og katode, foruten elektrolytt og en separator. Det finnes forskjellige typer litium-ion-batterier, men en av de mest populære for elbiler er Nmc-varianten, der katoden er av litium-nikkel-mangan-kobolt-oksid. Anoden er gjerne av grafitt. Når bilen kjøres og trenger strøm, går litiumionene i cellen gjennom elektrolytten fra anoden til katoden og skaper den nødvendige energien. Det omvendte skjer når bilen lades.

Her er det verd å nevne de to viktige aspektene ved et kjørebatteri, som begge har betydning for batteriets effektivitet og er fokus for framtidig utvikling. Det er energitetthet og krafttetthet. Det første bestemmer rekkevidden og er simpelthen hvor mye energi batteriet kan lagre i forhold til vekten, mens krafttetthet handler om hvor mye strøm det kan ta imot fra laderen eller levere til motoren, stadig i forhold til vekten. Energitetthet måles i wattimer per kilo, mens et kjørebatteris kapasitet gjerne angis i kilowattimer (kwh). Jo høyere tall, desto større rekkevidde. Av og til uttrykkes det også i amperetimer (Ah). Den enheten sier ingenting om kapasiteten før vi ganger den med spenningen, men den har sin verdi ved sammenlikning av batterier med lik spenning, som for eksempel startbatterier.

For å gå tilbake til selve kjørebatteriet, er det satt sammen av enkeltceller som er parallell- og seriekoblet i moduler, og modulene er i sin tur satt sammen til et batteri. For eksempel består batteriet i en BMW i3 av 96 celler fordelt på åtte tolvcellers moduler. Litium-ion-batterier har store fordeler å by på. De har god holdbarhet, cellene kan ligge tett samlet, og de er relativt enkle å produsere. Dessuten har de høy energitetthet, de kan lades relativt raskt, og spenningen synker ikke så mye under belastning. Redusert kapasitet i kulde er riktignok en faktor, men de påvirkes ikke så mye som andre batterikjemier.

Litiumbatteriene har imidlertid sine ulemper. De er fortsatt relativt dyre og representerer en stor andel av en elbils totalpris, og de må monteres slik at de vernes mot vibrasjon og eventuelle kollisjonsskader. Dessuten krever kjørebatterier et innviklet kontrollsystem, ikke bare til å styre lading og strømuttak, men også til å passe temperaturen. Ikke nok med at temperaturen har stor innvirkning på batteriets kapasitet og effektivitet, det kommer også sikkerhetshensyn inn i bildet hvis batteriet overopphetes, derfor må elbiler ha egne batterikjøleanlegg. I tillegg hefter det miljømessige betenkeligheter ved batteriproduksjonens energikrevende prosesser, utvinningen av litiumet og kobolten de inneholder, og mulighetene for gjenvinning. Det siste punktet avhjelpes gjennom ulike ordninger hvor uttjente kjørebatterier brukes til energilagring i andre sammenhenger hvor de kan fortsette å gjøre nytte i mange år, men alt dette må vi gjøre noe med etter hvert som elbilsalget øker.

FRAMTIDIGE ENDRINGER

I mellomtiden kan det være interessant å se nærmere på utviklingen som pågår i batteriteknologien. Det er ikke tvil om at vi har sett

Siden kjørebatteriet og lademetodene er en så sentral faktor for eiere og brukere av elbiler, ser vi nærmere på hvordan dette fungerer.

store framskritt i både kapasitet og rekkevidde de siste årene – over 50 prosent bedre kapasitet i enkelte tilfeller, mens den pålitelige rekkevidden har vokst fra femten mil til over det dobbelte. Men hovedmålene for forbedringer sett ut fra bilistenes synspunkt er å øke energi- og krafttetthet, områder hvor firmaer nedlegger store summer og enormt arbeid i å utforske alternative materialer og produksjonsmetoder. En av de kommende nyvinningene er faststoffbatterier uten elektrolytt i væskeform. Disse kan bedre sikkerheten og gi vesentlig høyere energitetthet. Det er nylig blitt klart at flere store bilprodusenter arbeider med denne teknologien, men vi kan ikke regne med å se faststoffbatterier i elbiler før tidligst i 2020.

Og på bilutstillingen i Detroit tidligere i 2018 viste Samsung SDI (som leverer batterier til BMW og andre) en rekke nyvinninger, deriblant bruk av grafen i battericellene, noe de hevdet kunne øke kapasiteten med 45 prosent og muliggjøre fem ganger raskere lading. Likevel tror mange bransjeobservatører at litium-ion kommer til å være den vanligste batterikjemien for elbiler en god stund ennå, siden de andre alternativene byr på utfordringer når det gjelder kostnader og produksjonshastighet. Samtidig er det behov for å gjøre den nåværende batteriproduksjonen både raskere og billigere. Her viser Tesla veien ved å bygge «gigafabrikken» i Nevada. I 2014 kunngjorde selskapet at den fabrikken alene ville produsere flere litium-ion-batterier årlig i 2020 enn det som hadde vært verdensproduksjonen i 2013, og redusere kostnaden per kilowattime med 30 prosent. Og til slutt har vi sammensetningen av kjørebatteriene; de må gjøres mindre og lettere, og de må enklere kunne tilpasses elbilprodusentenes behov. På den samme Detroit-utstillingen viste

VI HAR SETT STORE FRAMSKRITT I BÅDE KAPASITET OG REKKEVIDDE DE SISTE ÅRENE – OVER 50 PROSENT BEDRE KAPASITET I ENKELTE TILFELLER.

Samsung SDI både sine «multifunksjonelle modulbatterier», der et kjørebatteri lett kunne bygges opp av flere eller færre moduler for å tilpasses større eller mindre elbiler, og såkalte «lavprofilceller» som reduserte kjørebatteriets høyde med 20 prosent. Når bildesignerne slipper å avsette plass til digre batterier, får de mye større fleksibilitet med hensyn til størrelsen og formen på framtidige elbiler.

ENERGIGJENVINNING

Det gjøres altså mye for å bedre batteriteknologien, og vi kan vente en del interessante nyheter i kommende år når bilprodusentene går inn for å øke elbilsalget. Her skal vi imidlertid konsentrere oss om hvordan teknologien ser ut i dag, og før vi går inn på temaet lading, skal vi se litt på teknologien som brukes i dagens elbiler for å gjøre dem mer anvendelige og øke rekkevidden i daglig kjøring. Rekkeviddeangst – reell eller ubegrunnet frykt for å bli stående i veikanten med flatt batteri – nevnes ofte som et argument mot å gå over til elbil. Derfor vil det være en stor fordel å kunne gjenvinne spillenergi under kjøringen og mate den inn i batteriet igjen. «Regenerativ bremsing» er navnet på det prinsippet som brukes i alle elbiler i dag. Det er en av de mest omtalte egenskapene ved hybrider og helelektriske, og går simpelthen ut på at elmotoren skifter rolle fra å drive hjulene til å holde dem igjen. Da bremser den bilen uten å slite et eneste molekyl av bremseklossene, og samtidig fungerer den som generator og omdanner bremseenergien til ladestrøm som går tilbake til kjørebatteriet. Det er ikke lett å beregne hvor mye energi denne prosessen gjenvinner, og det varierer sterkt med typen av kjøring, men det er ikke tvil om at den gir rekkevidden et nyttig tilskudd. I løpet av en tur ned Trollstigen høster vi vanligvis strøm nok til flere kilometers kjøring på flatmark.

Bilprodusentene innfører ytterligere forbedringer med anlegg som gir større bremsekraft og dermed kan gjenvinne mer energi, og en av disse er «E-pedalen» i den nyeste Nissan Leaf. Dette er ikke en fysisk pedal, men en valgbar innstilling av gasspedalens virkemåte som muliggjør énpedalkjøring hvor vi øker farten ved å trå på gassen og bremser ved å lette på foten. Slik får vi en bremsevirkning på inntil 0,2 G mens bevegelsesenergien omdannes til ladestrøm i stedet for bare å varme opp bremsene som på en konvensjonell bil. På Jaguar I-pace kan det samme prinsippets bremsevirkning komme helt opp i 0,4 G. Et par andre prinsipper som sparer batteristrøm kan også være verd å nevne. For eksempel finnes det systemer som varmer eller kjøler kupeen med strøm fra det vanlige nettet før avgang, slik at batteriet får mindre belastning fra klimaanlegget når kjøringen begynner. Det finnes også sparemodi som reduserer energiforbruket til klimaanlegg og andre funksjoner som ikke er strengt nødvendige. I framtiden vil vi nok få langt mer avanserte måter å gjenvinne energi på. Det har allerede vært foreslått prinsipper som foreløpig ikke er utviklet i praksis, som å utvinne energi av den vertikale bevegelsen i støtdemperne. Men energisparing er ikke elbilismens eneste store emne. Det finnes også et annet hovedtema som vi skal se nærmere på nå.

LADING

Som det framgår andre steder i dette bokasinet, er lademulighetene blitt langt bedre enn de var for noen år siden. Dette er imidlertid fortsatt et minefeltet. Å lade en elbil kan deles opp i tre hovedområder. For det første kan vi lade fra en vanlig stikkontakt og ta ut inntil tre kilowatt ved 16 ampere, for det andre kan vi bruke veggladere eller andre ladepunkter som gir mellom 7 og 22 kilowatt, slik at et typisk kjørebatteri fullades på tre–fire timer, og for det tredje kan vi bruke hurtigladere som gir mellom 43 og 120 kilowatt. Den første løsningen er åpenbart den langsomste, en full opplading tar minst åtte timer. I den andre enden av skalaen har vi likestrømslading transformert fra trefaseanlegg. Den typen finner vi i hurtigladere som Teslas superladere, og de kan lade et kjørebatteri opp til 80 prosent kapasitet i løpet av en halvtime. De øverste tjue prosentene regnes som regel ikke inn i slike ladetidsangivelser, siden bilens systemer gjerne demper ladehastigheten på det stadiet for å skåne batteriet.

Det er forskjellige typer ladekontakteri bruk, og typen kan innvirke på hvilken lademetode som brukes. De viktigste er Type 2-kontakten, som regel en sjupinnsplugg som brukes til langsom og middels rask lading; Chademo-kontakten som ofte brukes på japanske biler og er godkjent for hurtiglading; og Ccs-kontakten, en Eu-standard for hurtiglading som er tatt i bruk av en del bilprodusenter, men ikke av alle. Når vi velger en elbil, vil den ha kontaktene og ladeegenskapene som skal til for å bruke enkelte av disse systemene. Men ladetiden bestemmes ikke bare av ladepunktets kapasitet, den reguleres også av bilen selv. Ved langsomlading transformeres vekselstrømmen til likestrøm i en enhet i kabelen eller i bilens innebygde lader, og disse trafoene kan ikke alltid ta imot like mye som stikkontakten

LADEMULIGHETENE ER BLITT LANGT BEDRE ENN DE VAR FOR NOEN ÅR SIDEN, MEN DETTE ER FORTSATT RENE MINEFELTET.

kan levere. Ved hurtiglading med direkte innmatet likestrøm vil bilen regulere sitt eget inntak slik at batteriet ikke lades raskere enn det har godt av.

Når det gjelder framtidige forbedringer, er det på disse områdene mye av satsingen skjer. Og etter hvert som bilenes systemer blir mer avanserte og batterienes egenskaper bedres, burde ladetiden bli mye kortere. Samtidig bygges ladeinfrastrukturen stadig mer ut, ikke bare når det gjelder antall ladepunkter, men også når det gjelder kraft. Det blir flere hurtigladere som kan levere opptil 150 kw, og et konsortium som omfatter Daimler, BMW, Ford og Vw-gruppen med Audi og Porsche, planlegger et nett av 350 kilowatts lynladere som vil kutte ladetidene for biler som kan ta imot slike strømstyrker. Den første norske lynladeren kom i drift i Ås i april 2018; den skal inngå i en korridor som vil knytte sammen Oslo, Stockholm og Helsinki, og kan tilføre strøm til 25 mils kjøring på ti minutter. I løpet av neste år kan vi vente en tilsvarende korridor fra Sørlandet til Narvik.

Og mens vi er inne på framtidige nyheter, ligger en annen laderevolusjon i kortene for 2020-årene: Med induksjonslading i kjørebanen vil vi kunne lade mens vi kjører langs en hovedvei. Systemet er foreløpig bare demonstrert i prototypform, og virker på samme måte som den trådløse ladingen vi kjenner fra tannbørster og telefoner. En giverspole ligger i veilegemet, og en mottakerspole i bilen får en jafs strøm idet den passerer over. Det er uvisst når løsningen kommer i alminnelig bruk, om den noen gang gjør det, men trådløs lading under parkering er allerede i bruk på en del hybrider. Ulempen ligger i virkningsgraden, vi taper litt energi til omgivelsene når vi ikke bruker kabel, derfor er prinsippet mindre vanlig på helelektriske biler som har større batterier å fylle.

Det er kanskje ikke så overraskende at Tesla har en egen løsning som gjør det greiere og rimeligere og mer bærekraftig å lade elbiler. Det går ut på å montere solpaneler på taket – eller tekke det totalt med fotoelektrisk takstein – for å tilføre kupeen rimelig strøm. Panelene kan kombineres med Teslas «Power wall», et veggmontert litium-ionbatteri som lagrer energi for senere behov. Slik kan kupétaket samle neste dags kjørestrøm mens bilen er ute på veien, og bilen kan overta disse kilowattimene fra veggbatteriet mens den står parkert om natten. Strøm som drivkraft er allerede betydelig rimeligere per mil enn bensin, og med systemer som disse vil kostnadene reduseres enda mer. Det er en snedig løsning som vil komme godt med når antallet elektriske biler stiger i de kommende årene.

Bilprodusentene og den øvrige bransjen står avgjort overfor mange utfordringer. Bilene skal kunne gå lenger med bedre batterier, ladingen skal gå raskere og være lettere tilgjengelig, kraftproduksjonen skal være mer rasjonell og bærekraftig. Disse utfordringene må overvinnes før de brede lag vil gå over fra forbrenningsmotor til elbil. Fordelen er at utviklingen aldri har gått raskere enn den gjør nå, og selv det minste gløtt av det vi har i vente viser at elbilens framtid er tindrende lys.