211service.com
Det elektriska kylbatteritestet
Senare denna månad kommer två nya elbilar – GM Volt och Nissan Leaf – att börja dyka upp på miljömedvetna uppfarter över hela USA.
Batteri ingår: Tekniker laddar ett batteri i en förproduktion av Chevrolet Volt.
Nissan Leaf lovar 73 miles per elektrisk laddning, medan GM Volt får 35 miles per laddning, även om den också har en reservbensinmotor för längre resor. Men GM och Nissan tar olika tillvägagångssätt för att säkerställa att batterierna i dessa bilar håller och förblir säkra. Hur dessa batterier presterar under de närmaste åren kommer att antyda vilket tillvägagångssätt som är bättre, och kan forma designen av framtida elbilar och plug-in hybrider, vilket alla stora biltillverkare har lovat. Vissa kritiker säger att Nissans batteripaketdesign, som använder ett relativt enkelt kylsystem, kan tillåta batterierna att överhettas, vilket minskar batteriets livslängd och utgör ett säkerhetsproblem.
Både GM och Nissan använder litiumjonbatterier (en teknik som länge har använts i bärbara datorer och mobiltelefoner) i motsats till nickelmetallhydridbatterier, som har visat sig pålitliga i gaselektriska hybrider som Toyota Prius, men som är skrymmande och tung.
Genom att välja litiumjon framför nickelmetallhydrid tar GM och Nissan en risk eftersom sådana batterier ännu inte har visat sig tillförlitliga i den krävande rollen att driva en bil. Bilbatterier måste tåla extrema temperaturer, hårda stötar och kontinuerliga vibrationer från vägen och måste prestera bra i ungefär ett decennium. I några få sällsynta fall kan litiumjonbatterier överhettas och fatta eld, ett problem som har krävt massiva återkallanden av vissa bärbara batterier. Batterierna som behövs för elfordon måste också lagra mycket mer energi - så en brand orsakad av bilbatterier kan vara särskilt farlig.
En annan nackdel med att använda litiumjonbatterier är att de snabbt förlorar sin förmåga att hålla laddningen. Efter ett par års användning är det inte ovanligt att de lagrar hälften så mycket ström som de gjorde när de var nya. Biltillverkare vill ha bilbatterier som håller under ett fordons livslängd – cirka åtta till 15 år.
För att lösa dessa problem har GM och Nissan gjort betydande förändringar av litiumjonbatterierna de använder. Istället för att använda litiumkoboltoxid – det material som föredras i batterier för bärbara datorer på grund av dess höga energitäthet – som elektrod, använder de litiummanganoxid, som lagrar en relativt stor mängd energi, men är mer stabil, delvis p.g.a. arrangemanget av dess atomer. I en manganoxidelektrod bildar atomer en tredimensionell struktur som bibehåller sin form även när litiumjoner rör sig in och ut ur elektroden när batteriet laddas och laddas ur. Den mindre stabila strukturen hos konventionella batterielektrodmaterial kan skadas när litiumjoner rör sig in och ut, vilket förkortar batteriets livslängd.
GM och Nissan har också bytt från en cylindrisk form för batterierna (battericellerna inuti typiska laptop-paket ser ut som stora AA-batterier) till en platt rektangulär form som sparar utrymme och som även låter värmen avgå bättre. Överhettning kan skada batterierna, minska deras förmåga att lagra laddning, och i vissa fall kan det leda till ett fenomen som kallas termisk runaway, när förhöjda temperaturer resulterar i kemiska reaktioner som leder till ännu mer värme, vilket så småningom resulterar i en brand.
Men stora skillnader uppstår när man tittar på hur GM och Nissan designade sina batteripaket – samlingen av battericeller, elektronik och temperaturkontroller som utgör hela batteriet. Den största skillnaden är hur företagen väljer att kontrollera temperaturen på förpackningarna. Nissan har valt en enkel design, med en fläkt för att kyla sina batterier. Det står att battericellernas platta form gör ytterligare kylning onödig. GM:s design är mer komplex. En flytande kylvätska transporterar vätska förbi ytan på varje cell i förpackningen och till en liten kylare utanför förpackningen.
Vätskekylningssystem kan transportera bort värme från battericeller snabbare än luftkylning. Dessutom är vätskekylning mycket mer kompakt, säger Bill Wallace, GM:s chef för globala batterisystem. Du kan flytta mycket mer värme och flytta den mycket mer enhetligt.
Wallace säger att flytande kylning valdes för att säkerställa att alla celler i en förpackning är inom två °C från varandra. Tillsammans med att förhindra överladdning är temperaturkontroll den viktigaste ratten du kan vrida på när det gäller att förbättra batteritiden, säger han.
Vätskekylning är det tillvägagångssätt som valts av Tesla Motors, som gör en elektrisk sportbil med litiumjonbattericeller som ursprungligen designades för andra applikationer. Kylningsmetoden säkerställer att även om vissa celler överhettas och tar eld, så skulle resten inte göra det. I en nyligen genomförd vinstsamtal med investerare kritiserade Elon Musk, vd för Tesla Motors, Nissan-designen och sa att den kan orsaka temperaturer överallt, vilket kan försämra batteriets prestanda.
Eftersom kallt väder kan begränsa mängden laddning som ett batteripaket kan lagra och orsaka skador på batteriet, har GM:s pack också en 1 800-watts resistiv värmare för att hålla batteripaketet från att bli för kallt. Nissan rekommenderar ett kallväderpaket som inkluderar en batterivärmare, men detta är inte standard. Och alternativet är inte tillgängligt för de första Leafs att lossna från löpande bandet, och det kan inte läggas till en bil senare. Om Leaf-paketet blir för kallt eller för varmt går det in i ett begränsat effektläge, vilket begränsar acceleration och toppfart.
Volt är också konstruerad för att hålla en viss mängd laddning i reserv när bilen är ny för att hjälpa till att bevara batteritiden. När batteriet åldras kommer en del av denna reservkapacitet att frigöras, vilket hjälper bilen att behålla sin elektriska räckvidd över tid. GM räknar med att batteriets kapacitet kommer att blekna mellan 10 och 30 procent under bilens livslängd (cirka åtta till 10 år). Nissan har inte sagt om det kommer att använda ett liknande tillvägagångssätt, men det har sagt att Leafs batterikapacitet kommer att blekna med 30 procent om 10 år. Den har också noterat att exponering för heta temperaturer kan minska batterikapaciteten snabbare.