Så fungerar ett litiumbatteri i en el- eller hybridbil

Grundprincipen är enkel: litiumjoner flyttar sig fram och tillbaka mellan två elektroder, och ingenting förbrukas på vägen. Det som ändå sliter är temperatur, hög laddnivå och stora strömmar, inte antalet mil i sig. Därför avgörs ett batteris skick mer av hur bilen har använts och vilken cellkemi den har än av mätarställningen.

Grundprincipen: laddning är litiumjoner som flyttar sig

Ett litiumjonbatteri lagrar inte el i sig självt. Det lagrar energi genom att flytta litiumjoner mellan två elektroder. Vid laddning vandrar jonerna från katoden till anoden, där de bäddas in i ett grafitmaterial. Vid urladdning vandrar de tillbaka, och elektronerna tvingas då ta vägen genom bilens elmotor. Ingenting förbränns och ingenting förbrukas. I teorin kan det pågå hur länge som helst.

I praktiken gör det inte det. Varje gång jonerna rör sig sker små sidoreaktioner vid elektroderna. En del litium binds permanent i ett skikt på anodens yta, det så kallade SEI-skiktet. Det skiktet är nödvändigt för att batteriet ska fungera, men det växer långsamt genom hela batteriets liv och varje tillväxt tar litium ur cirkulation. Det är den enskilt viktigaste orsaken till att kapaciteten sjunker med åren.

Hastigheten på den processen styrs framför allt av temperatur, av hur hög laddnivå batteriet hålls vid, och av hur stora strömmar som dras. Det är därför samma batteri kan åldras dubbelt så snabbt hos en ägare som hos en annan.

Från cell till modul till batteripaket

En enskild cell ger bara 3–4 volt. För att driva en bil behövs hundratals volt och tiotals kilowattimmar, så cellerna kopplas ihop i två steg.

Celler seriekopplas för att höja spänningen och parallellkopplas för att höja kapaciteten. Ett typiskt personbilspaket ligger på 350–450 volt, medan nyare plattformar använder 800 volt. Den högre spänningen gör att samma effekt kan överföras med lägre ström, vilket ger mindre värmeutveckling och möjliggör snabbare laddning utan grövre kablar.

Runt cellerna finns två system som är minst lika viktiga som cellerna själva: den termiska hanteringen och styrelektroniken. Kylkanaler eller kylplattor håller cellerna inom sitt idealintervall, ungefär 15–35 °C. I kyla värms paketet i stället upp inför snabbladdning. Det är vad förkonditionering innebär. Ett batteri som ofta får arbeta utanför sitt temperaturfönster åldras märkbart snabbare.

Konstruktionen skiljer sig också åt mellan tillverkare. Traditionellt byggs paketet av utbytbara moduler. Allt fler nya modeller använder i stället cell-till-pack, där cellerna limmas direkt i en bärande struktur. Det ger lägre vikt och mer energi per liter, men gör reparation på modulnivå svår eller omöjlig. För den som köper begagnat är det en relevant fråga: går batteriet att laga i delar, eller är det hela paketet som gäller?

NMC eller LFP: kemin avgör beteendet

Nästan all skillnad mellan olika batterier handlar om vad katoden är gjord av. Två kemier dominerar marknaden idag.

LFP har gått från att vara ett nischval till att stå för ungefär hälften av den globala batterikapaciteten till elbilar. För begagnatmarknaden betyder det att andelen bilar med lång cykellivslängd och lägre känslighet för full laddning ökar år för år.

En praktisk konsekvens är svårare att se men viktig: LFP har en mycket flack spänningskurva. Mellan ungefär 20 och 90 procent laddning förändras cellspänningen knappt. Det gör det svårare för bilens system att avgöra hur fullt batteriet faktiskt är, och därför ber LFP-bilar med jämna mellanrum om en full uppladdning för att kalibrera sig. Samma sak gör mätning av batterihälsa mer krävande på LFP, eftersom spänningen ensam avslöjar mindre.

BMS: batteriets styrsystem

Ovanpå cellerna sitter ett Battery Management System. Det är BMS som gör skillnaden mellan en hög sammankopplade celler och ett fordonsbatteri.

• Cellövervakning. Spänning och temperatur mäts kontinuerligt, i regel per cellgrupp.
• Balansering. Celler åldras olika. BMS jämnar ut skillnaderna, annars begränsas hela paketet av sin svagaste cell.
• Termisk styrning. Startar kylning eller värmning och begränsar effekten när temperaturen ligger utanför det säkra fönstret.
• Skydd. Bryter eller stryper vid överspänning, underspänning, för hög ström eller för hög temperatur.
• Estimering. Räknar fram laddnivå (SoC) och batterihälsa (SoH). Ingen av dem går att mäta direkt. Båda är beräknade värden.

Den sista punkten är värd att stanna vid. När bilen visar 62 procent laddning är det en uppskattning som bygger på spänning, strömräkning och en modell av hur just det batteriet beter sig. Samma sak gäller batterihälsan. Uppskattningen kan drifta över tid, särskilt om bilen sällan laddas till ytterlägena, och olika tillverkare räknar på olika sätt. Det är därför en hälsosiffra alltid bör åtföljas av uppgift om hur den togs fram.

Vad det här betyder i praktiken

För dig som kör bilen

• Undvik att låta bilen stå länge vid 100 procent laddning, särskilt i värme. För NMC är 20–80 procent en bra vardagsnivå. LFP tål full laddning och behöver den ibland.
• Snabbladdning är inte skadligt, men bör inte vara normalläget. Skillnaden syns över år, inte över enstaka laddningar.
• Använd förkonditionering på vintern. Att snabbladda ett kallt batteri är en av de tuffare påfrestningarna som finns.
• Parkera helst svalt och skuggat vid längre uppehåll. Värme åldrar batteriet även när bilen står still.

För dig som handlar med bilar

• Kemin påverkar värderingen. En LFP-bil med många mil har ofta mer kvar av sin livslängd än en NMC-bil med samma mätarställning.
• Fråga efter laddmönstret, inte bara mätarställningen. Andelen snabbladdning förklarar en stor del av skillnaderna mellan till synes identiska bilar.
• Ta reda på om batteriet är modulbyggt eller cell-till-pack. Det avgör vad en framtida reparation realistiskt kostar.
• Dokumentera batteriets skick vid inbyte och vid försäljning. En mätning tar bort det största frågetecknet i affären för både dig och kunden.

Vanliga frågor