Batterier kan endast fungera inom ett visst temperaturintervall. Om de blir för varma eller för kalla påverkas deras säkerhet, prestanda och livslängd.
Termisk hantering av batterier är avgörande i elfordon och energilagringssystem för att hålla batteriernas temperatur under kontroll. Den använder kyl- och värmesystem för att hålla temperaturen inom ett optimalt intervall, minimera temperaturvariationer mellan cellerna, möjliggöra snabbladdning, förhindra funktionsfel och termisk runaway samt maximera batteriets livslängd.
I den här artikeln hittar du allt du behöver för att förstå termisk hantering av batterier.
Batteriets värmehantering är ett komplext ämne. Innan vi fördjupar oss i olika typer av värmehanteringssystem är det viktigt att förstå nyckelbegrepp som var värmen i batterier kommer ifrån, varför värmen påverkar batterierna och vilka som är de optimala driftstemperaturerna.
Den elektriska strömmen som går genom batterierna möter motstånd i olika material. Därigenom förloras en del av den elektriska energin som värme. Motstånd uppstår under laddning och urladdning när strömmen passerar genom elektroder, elektrolyt, strömavtagare, samlingsskenor och olika kopplingar. Ju högre ström, desto mer värme alstras.
Batterier påverkas av temperaturförändringar eftersom temperaturen påverkar den kinetiska energin hos molekylerna i batterimaterialen (såsom elektrolyten och elektroderna). Detta gör att dessa material blir mer eller mindre ledande beroende på temperaturen.
| Vid lägre temperaturer har molekylerna mindre kinetisk energi, rör sig långsammare och kolliderar mindre ofta. Vid högre temperaturer rör sig molekylerna snabbare, vilket orsakar fler kollisioner och därmed fler kemiska reaktioner. | 
|
När litiumjonbatterier laddas ur rör sig litiumjoner från den negativa elektroden till den positiva elektroden, genom elektrolyten och elektroderna.
Vid lägre temperaturer rör sig elektronerna långsammare genom dessa material eftersom de blir mer motståndskraftiga mot jonflödet, vilket resulterar i lägre konduktivitet. Under kalla vinterdagar behöver till exempel EV-batterier värmas upp med hjälp av värmeslingor för att säkerställa god konduktivitet och prestanda, vilket drar mer ström från batteriet.
Vid högre temperaturer rör sig elektronerna snabbare, vilket ger snabbare laddningsprestanda men också snabbare nedbrytning av batteriets komponenter. Att använda batterier vid högre temperaturer kan möjliggöra snabbladdning för att möta konsumenternas behov, men på bekostnad av en kortare batterilivslängd.
| Olika typer av batterikemier påverkas olika av temperaturen. |
Litiumjonbatterier, som används i de flesta elfordon, kan fungera mellan −20 °C och 60 °C. Deras optimala driftstemperatur ligger dock mellan 15 °C och 35 °C, det intervall där de presterar bäst. För att maximera batteripaketets prestanda och livslängd är det viktigt att upprätthålla en jämn temperaturfördelning över alla battericeller. Idealt sett bör den maximala variationen i yttemperatur inte överstiga 5 °C. |  |
| Varje typ av batterikemi har unika egenskaper som påverkar dess beteende vid olika temperaturer. Följaktligen har batteritypen stor inverkan på batteriets värmehantering. |  |
En av huvudfunktionerna hos ett system för batterivärmehantering är att leda bort värme från batteriet för att förhindra nedbrytning av dess komponenter samt termisk runaway. Här beskrivs de olika kylningsmetoderna och hur de påverkar batteriets konstruktion och effektivitet.
Metoder för batterikylning kan delas in i två huvudkategorier: passiv kylning och aktiv kylning.
Passiva kylningsmetoder använder naturlig värmeavledning som strålning och värmeledning för att leda bort värme från batteriet. Detta kan inkludera material med hög värmeledningsförmåga. Det kan också inkludera konstruktionsval som batterihöljen eller strukturer som underlättar luftflödet mellan cellerna för att avleda värme.
Passivt kylda batterier finns överallt omkring oss. Exempel är mobiltelefoner, bärbara datorer, Bluetooth-högtalare och de flesta batteridrivna konsumentelektronikprodukter.
Passiva kylningsmetoder är enklare, kräver mindre underhåll och är billigare. De är dock ofta mindre effektiva när det gäller att leda bort värme, och deras effektivitet kan variera beroende på omgivningsförhållandena.
Aktiva kylningsmetoder använder externa enheter för att aktivt reglera och avleda värme från batteriet. De använder komponenter som fläktar, pumpar eller kompressorer för att cirkulera luft eller vätska genom batterisystemet. Aktiva kylsystem använder också sensorer och andra verktyg för att övervaka temperaturer och justera kylningen. Dessa komponenter behöver strömförsörjning och bidrar därmed till batteriets energiförbrukning.
Aktiva kylningsmetoder erbjuder ökad precision och kontroll, vilket gör det enklare att hålla batteriet inom ett specifikt intervall. De avleder också värme mer effektivt. De är dock mer komplexa, förbrukar mer energi och kräver extra underhåll.
Luftkylning och vätskekylning är de vanligaste kylningsmetoderna som för närvarande används i elfordon. Båda är aktiva kylningsmetoder.
Luftkylningssystem använder fläktar eller blåsmaskiner för att generera ett luftflöde som leder bort värme från batteriets komponenter. Luftkylning är enkel, relativt billig och kräver inte mycket energi. Luft är dock inte en effektiv värmeledare jämfört med alternativ. Av den anledningen har många tillverkare av EV-batterier gått ifrån luftkylning för elfordon i den högre prisklassen.
Vätskekylningssystem använder pumpar eller andra mekaniska komponenter för att cirkulera en flytande kylvätska genom kanaler som är i direkt kontakt med battericellerna eller modulerna för att absorbera värme. Vätskan transporteras sedan till komponenter som värmeväxlare, radiatorer eller fläktar för att avleda värmen. Exempel på kylvätskor är vatten, glykol, olja, aceton och köldmedium.
Det finns olika metoder för vätskekylning. Vissa tillverkare lägger till kylkretsar mellan cellerna (vågplattor). Andra lägger till kylplattor under cellerna (bottenplattor). Dessa plattor ansvarar för att leda bort värmen från cellerna.
Vätskekylning är mer komplex och kostsam än luftkylning, men den är effektivare, vilket gör den till ett bättre val för krävande värmehanteringsapplikationer. Detta beror på att vätskor, tack vare sin högre densitet, har bättre värmekapacitet och värmeledningsförmåga än luft.
| Värmekapacitet | Värmeledningsförmåga |
|---|---|
På grund av sin högre densitet har vätskor en större massa än luft. Mer massa innebär fler molekyler, och fler molekyler innebär fler möjligheter att lagra energi. Som ett resultat kan vätskor absorbera mer värme för samma volym. Vatten kan absorbera cirka 4,18 joule energi per gram innan det värms upp med 1 °C, medan luft kan absorbera cirka 1,005 joule energi per gram innan det värms upp med 1 °C (källa). | På grund av sin högre densitet har vätskor fler molekyler som är i kontakt med den heta ytan, vilket gör att de kan absorbera mer värme på en gång. Detta innebär att värme absorberas snabbare av vätskor än av luft. Volymmässigt motsvarar 1 g vatten 1 ml vatten, medan 1 g luft motsvarar ungefär 1 l luft. Detta visar hur mycket bättre kontakt vattnet har med ytan och därmed bättre värmeledningsförmåga. |
Luftkylning och vätskekylning är de vanligaste kylmetoderna som används i elfordon idag, men nya tekniker håller på att utvecklas. Även om de ännu inte är redo för marknaden har de en enorm potential att förbättra batteriets värmehantering.
| Fasförändringsmaterial (PCM) är material som hanterar värme genom att ändra fas: de övergår från fast till flytande form eller från flytande till gasform när de absorberar värme, och återgår till sitt ursprungliga tillstånd när de avger värmen. När batteriet når en kritisk temperatur genomgår dessa material en fasövergång och avger värme mycket effektivt. |  |
När man väljer ett fasförändringsmaterial är smält- och stelningstemperatur är en av de viktigaste faktorerna att ta hänsyn till. Dessa material väljs också utifrån deras värmeledningsförmåga, värmekapacitet, latent värme (dvs. den mängd värme som absorberas/avges under fasförändringar), deras förmåga att genomgå upprepade fasförändringar utan att försämras, samt deras kompatibilitet med batteripaketets komponenter. Material som expanderad grafit och metallskum har stor potential att förbättra värmeavledningen i batterier.
Fasförändringsmaterial används för passiv kylning. De är en integrerad del av batteriets konstruktion och kräver inga ytterligare komponenter som fläktar eller pumpar som drar ström.
Dielektrisk nedsänkningskylning är en metod där battericeller och moduler nedsänks i en icke-ledande vätska (dielektrisk vätska) för att avleda värme. Dielektrisk kylning är mycket effektiv och ger en jämnare temperaturfördelning över battericellerna, vilket bidrar till att förbättra batteriets prestanda och livslängd. Det förhindrar också fukt i batteriet – en orsak till fel i dagens EV-batterier.
Det finns flera utmaningar som batteritillverkare måste ta itu med innan de implementerar dielektrisk kylning. Denna metod kräver att man konstruerar ett batteri som är 100 % vätsketätt. Dielektriska vätskor ökar också batteriets vikt, vilket är en viktig faktor att beakta när man försöker optimera batteriets räckvidd.
En annan utmaning är att välja rätt vätska. Enligt forskning om dielektriska vätskor beror valet av vätska på dess värmeledningsförmåga, värmekapacitet, kemiska stabilitet, viskositet och kompatibilitet med de batterimaterial som den kommer i kontakt med. Exempel på dielektriska vätskor som testas för värmehantering i batterier är mineraloljor, esteroljor och transformatoroljor.
Värmeledande material (TIM) är material som placeras mellan två ytor för att förbättra värmeöverföringen mellan dem. De spelar en avgörande roll för att effektivt överföra värme mellan battericeller och kylelement som kylflänsar, plattor eller kylvätskor. Exempel på TIM inkluderar pastor, lim, spaltfyllare, kylplattor och fasförändringsmaterial.
Innan ett termiskt gränssnittsmaterial appliceras mellan två ytor måste ytan ofta förberedas för att säkerställa god vidhäftning. Laserbehandling av ytor är en teknik som används för att avlägsna föroreningar, skapa rätt ytjämnhet och modifiera ytans kemiska sammansättning. Den skapar optimala förhållanden för att säkerställa en stark bindning mellan det termiska gränssnittsmaterialet och batterikomponenterna.
Bland de aktuella utvecklingarna inom batterier för elfordon finns ett behov av att hantera värme mer effektivt. Superladdning genererar mer värme, och batteriernas ökande energitäthet innebär att de packar in mer värme på en mindre yta. Detta visar bara hur utvecklingen inom värmehantering är central för elfordonens framtid.
Teknisk expert och konsult inom batterier och elektriska framdrivningssystem, Stéphane har en examen i fysik med inriktning mot fotonik, optik, elektronik, robotik och akustik. Engagerad i omställningen till elfordon har han utvecklat industriella batteripaket för elcyklar. På fritiden driver han en YouTube-kanal om allt som rör el.
Även om litiumjonbatterier dominerar marknaden för elfordon finns det fortsatt oro över brist på råvaror, kostnader samt utvinnings- och gruvdrift. Litiumproduktion är dyr och inte särskilt miljövänlig.
Litiumjonbatterier har drivit våra enheter och elfordon i åratal, men fastfasbatterier hyllas nu som nästa stora grej. Men hur korrekt är det påståendet?
Pouch-celler introducerades 1995 och har alltid haft en unik design, där batteriet är inneslutet i en mjuk plastfilm istället för ett styvt hölje som hos cylindriska och prismatiska celler.
I den här artikeln diskuterar vi hur de har utvecklats genom åren och vart de är på väg.
