Batteriets förmåga att ta emot ström beror på storleken

Hur snabbt ett batteri kan laddas utan att ta skada varierar. Många elbilstillverkare bygger in vätskekylning av batterierna för att de ska kunna laddas fortare. Men när det kommer till vad batterierna kan ta emot visar sig en sak betyda mer än alla de andra – storleken har stor betydelse!

I elfordonssammanhang mäter och jämför man ofta laddhastighet på flera olika sätt än just laddeffekt. Ett av de vanligare sätten är att ange hur många mil man kommer på en timmes laddning. Om du kommer 17 eller 32 mil på en timmes laddning beror förstås på laddkapacitet, men också på förbrukning. På ett liknande sätt pratar man ofta om laddhastigheter som en konstant med beteckningen C. 1C innebär att batteriet teoretiskt sett laddas fullt på en timme medan 2C innebär dubbel laddhastighet, det vill säga en halvtimme till fullt laddat. 0,5C ger då följaktligen laddtider på 2 timmar. Men varför använder man begrepp som C istället för direkt laddhastighet eller laddeffekt?

Storlekens dilemma

C är egentligen en konstant som avser laddhastighet i relation till batteriets storlek. Och anledningen är att ett större batteri kan ta emot högre laddeffekter än ett mindre batteri. Ett batteri på 10 kWh behöver laddas med en laddeffekt på 10 kW för att komma upp i 1C medan ett 50 kWh stort batteri behöver hela 50 kW i laddeffekt för att laddas upp lika snabbt och därmed nå 1C. Med relativa begrepp som mil per laddtimme och konstanten C blir det alltså möjligt att jämföra olika batterier och laddbara fordon med varandra.

Skillnaden mellan ett stort och ett litet batteri är antalet celler

Det finns en anledning till att man inte laddar ett litet batteri med lika hög effekt som ett större batteri. Alla litiumjon-batterier är uppbyggda av relativt små, ficklampsbatteriliknande battericeller som var för sig rymmer en mindre mängd energi. Skillnaden mellan ett stort och ett litet batteri är därför främst antalet celler.

• Öppnar du ett batteripack till en Tesla P85 (på 85 kWh) hittar du 7 104 battericeller som var och en har en nominell spänning på 3,6 volt och kan lagra 12 Wh vardera. P85-modellen har batterierna samlade i 74 grupper med 96 seriekopplade celler i varje grupp. På så sätt nås en batterispänning på 402 volt eftersom varje cell laddas upp till 4,1875 volt.

• Öppnar du ett 14,4 kWh batteri till en Zero DSR hittar du 1 200 battericeller som var och en har en nominell spänning på 3,6 volt och kan lagra 12 Wh vardera. I elmotorcykelns 14,4 kWh stora batteri är cellerna uppdelade i 42 grupper med 28 celler seriekopplade i varje grupp. Fullt laddade ger 28 seriekopplade celler en batterispänning på 116 volt då varje cell laddas upp till 4,1428 volt.

Det är detta som är anledningen till att ett stort batteri kan ta emot betydligt högre laddeffekter än ett litet batteri. När varje cell laddas med 1C är det antalet celler som avgör hur mycket effekt som kan användas och ett stort batteri med många celler kan därför ta emot en totalt sett högre laddström än ett litet batteri med färre antal celler.

Konstanten C är inte konstant över laddcykeln

För att röra till det ytterligare är det även så att laddhastigheten varierar stort under laddningen. Ett tomt till halvfullt batteri kan nämligen ta emot laddning snabbare än ett nästan fulladdat batteri. 

Tänk på batteriet som en schweizerost med en massa hål i där laddningen består av små kulor som fyller upp dessa hål. I början trillar kulorna enkelt på plats av sig själva, men ju mer hålrummen fylls upp desto svårare blir det att få ytterligare kulor på plats, och när de sista hålrummen ska fyllas får kulorna pressa undan andra kulor för att hitta fram till ett hålrum.

Det är därför man ofta pratar om laddtider upp till 80 procents laddnivå. Vid snabb laddning saktas nämligen laddningen ner rejält när man når 80 procents laddnivå för att skona batteriet. Skillnaderna kan vara så stora att det kan ta lika lång tid att ladda de sista 20 % mellan 80 och 100 % som det tar att ladda 0 – 80 %. 

BMS:en avgör både laddeffekt och cellbalans

Hur snabb laddning som tillåts sköts i slutänden av batteriets eget övervakningssystem – Battery Management System. Blir det för varmt sänker BMS:en laddhastigheten och hjälper inte det stängs laddningen av. På samma sätt håller BMS:en koll på temperaturer och avvikelser under tiden man kör. Blir det för varmt eller på något annat sätt ogynnsamt för batteriet meddelar BMS:en detta till huvuddatorn som omedelbart sänker det möjliga effektuttaget och varnar föraren.

Batteriet måste skyddas i första hand!

En annan uppgift för BMS:en är att se till så att batteriets alla celler laddas till samma nivå. Det är nämligen viktigt att det råder balans mellan alla battericeller, det vill säga att cellerna håller samma spänning. Under laddning kan cellerna fyllas på lite olika (kulorna i schweizerostens hål hamnar ojämnt) och om avvikelserna blir mer än några millivolt träder BMS:en in och reglerar avvikelserna.Det är tack vare detta rigorösa säkerhetssystem som batteriernas livslängd kan hållas långa samtidigt som de faktiskt tillåts snabbladdas i hastigheter man tidigare inte trott varit möjliga.