Audi e-tron batteripack

AudiBatt5

Audi har släppt intressanta bilder på deras kommande e-tron elbils batteripack. Batteripacket som kommer vara på 95 kWh är på samma gång snarlik men ändå olik Teslas batteripack.

Första likheten, att batterierna är i ett platt paket i bottenplattan delar Audi inte enbart med Tesla utan med många andra elbilar.

AudiBatt2

Att dela av batteriutrymmet med brandväggar till mindre enheter är dock något som vi hittills enbart sett i Teslas batteripack. Ja, de har till och med patent på det. Fast Audi behöver inte vara oroliga för patentintrång då Tesla har släppt alla sina patent fria att användas av vem som helst – inklusive deras konkurrenter.

Audi har dock fler brandväggar i sitt batteripack än Tesla som delar upp sitt batteriutrymme i 12 delar. Audis brandväggar delar upp utrymmet i hela 36 mindre delar. Brandväggarna är både till för att begränsa att en batteribrand kan sprida sig till omkringliggande celler och för att ge batteripacket och därmed bottenplattan vridstyvhet. I både Tesla och Audi är batteripacket en aktiv del i bottenplattan.

Batteribrand kan uppstå om cellerna överbelastas eller kortsluts. Förutom att begränsa branden med brandväggar har Tesla även patent på särskilda rökkanaler där röken och lågorna ska ventileras ut från batteripacket. Audi verkar ha använt även det patentet, rökkanalerna på sidan av batteripacket är väl synliga.

AudiBatt1

De enskilda battericellerna är däremot väldigt annorlunda mot Teslas. Istället för tusentals cylindriska små battericeller använder Audi sig av några hundra så kallade påsbatterier. I vart och ett av utrymmen mellan brandväggarna hamnar en batterimodul bestående av 12 påsbatterier i en aluminiumkassett.

En påsbatteri ser väldigt annorlunda ut än en cylindrisk battericell men innehåller egentligen exakt samma saker: en anod- och en katodfolie med en tunn pappersblad indränkt i litiumsaltlösning mellan dem. I cylindriska cellen har folierna rullats tight ihop i en rulle – i påscellen har de vakuumförpackats orullade som de är. Platta batteriet i din mobiltelefon är en påscell.

När batteriet ansträngs -laddas eller urladdas snabbt- kan den svälla. En cylinderformad batteri kan stå emot det bättre då dess väggar kramar runt battericellen. Påsbatterier har ingen mekanisk styrka som håller emot om batteriet sväller. (När man pratar om mobilbatterier som ”exploderar” menas det oftast att de har svällt up.)

Påsbatterierna i e-tron ger alltså inte samma mekaniska stabilitet till batteripacket som de cylindriska cellerna i Teslas, därför stoppade Audi in fler brandväggar i ett fackverk för att få samma styvhet i konstruktionen.

AudiBatt3

Batterier som belastas, laddas eller urladdas snabbt blir också varma. Men batterier gillar inte värme. Därför bör de kylas vid till exempel snabbladdning. Batterier trivs bäst i rumstemperatur, blir de för varma kan deras livslängd begränsas. Det är därför till exempel nya Nissan Leaf har problem med både långsam laddhastighet och begränsad livslängd på batterierna för de saknar kylning.

Tesla har löst batterikylningen genom att montera kylslangar mellan batteriraderna. Var och en av de tusentals små cylindriska battericellerna har direktkontakt med en kylslang på minst en sida som transporterar bort all värme som uppstår vid användning. (Eller på vintern värmer upp batterierna till rumstemperatur genom att cirkulera varmvatten i ledningarna.) Det blir väldigt effektiv kylning – men konstruktionen med kylslangar inbäddade mellan cellerna är ganska komplicerad och därmed dyr.

Audi har istället placerat kylkanalerna i botten av batteripacket. Battericellerna står ovanpå ett tätt nät av kylkanaler som kyler (eller på vintern värmer) dem. Kylningen blir mindre effektiv -det är endast nedre kanten av varje påsbatteri som står i direktkontakt med kylkanalerna- men konstruktionen är mycket enklare och billigare. Genom ökad genomströmning av kylvätskan kan Audi delvis kompensera den mindre kylytan mot cellerna – men riskerar ändå att battericellernas ovandel kan bli betydligt varmare än deras undersida. Aluminiumlådan varje dussin påsbatterier sitter i är till för att hjälpa avleda värmen även från batteriernas ovansida.

AudiBatt4

Ovan bild visar uppbyggnaden av Audis batteripack. Det ser krångligt ut men är ändå en kostandsoptimerad konstruktion om man jämför mot Teslas. Batteripacket på 95 kWh består av 36 mindre batterimoduler som var och en består av 12 påsceller. Detta ger att varje batterimodul är på 2.6 kWh och varje cell på 220 Wh.

Genom att lägga till eller minska antalet batterimoduler kan Audi i framtiden tillverka elbilar med större eller mindre batterikapacitet. Teslas batteripack är väldigt svår att plocka isär. Allting är hoplimmat, och med kylkanaler som löper mellan cellerna är det väldigt svårt att byta ut enstaka battericeller om det skulle behövas. Audis lösning verkar vara mer lättservad där de 36 mindre batterimodulerna kan plockas ut och bytas. Om Audi, eller rent av hela Volkswagengruppen kommer använda samma standardiserade batterimodul i sina elbilar kan de få enorma skalfördelar vid tillverkningen.

Audi verkar ha ansträngt sig för att förädla Teslas grundidé med kyld platt batteripack. Det går ändå inte svart på vitt säga vilket batteripack som är ”bättre” – båda har sina för- och nackdelar. Teslas batteripack kan nog få en jämnare och bättre kylning – men Audis lösning kan visa sig vara ”tillräckligt bra”, till skillnad från Teslas ”överkurs”. Vid snabb acceleration hämtas enorma mängder energi ur batterierna på kort tid vilket hettar upp dem. En icke-vågad gissning är därför att Audi e-tron inte kommer kunna komma upp i samma ”ludicrous” acceleration som Tesla Model S.

Även vid snabbladdning blir batterierna varma. Audi e-tron kommer kunna laddas med upp till 150 kW till skillnad från Teslas max laddeffekt på 120 kW. Det tyder i alla fall på att Audi har löst batterikylningen bra – fast man ska komma ihåg att max laddeffekt uppnås endast i början av laddningen, och endast om batterierna är tomma. Alla elbilar minskar därefter laddeffekten för att skydda batterierna. Försöker man ladda batterierna för snabbt överhettas de och åldras i förtid. Hur länge man kan ladda med max effekt innan man måste sänka laddhastigheten är i mångt och mycket beroende av hur bra man kan kyla batterierna. Angiven max laddeffekt i sig ger alltså inte hela bilden av hur lång tid snabbladdningen kommer ta. Det fick nya Nissan Leaf ägare bittert erfara då deras okylda batteripack orkar endast med två snabbladdningar i rad innan den upphettas så pass mycket att laddhastigheten stryps.

Audi e-tron verkar bli en ”riktig” Tesla-utmanare med både batteripack och räckvidd i ”Tesla-paritet”. Till och med laddnätverket hoppas Audi fixa i och med Ionity laddstationerna. Återstår att se priset. Lyckas Audi tillverka e-tron till ett attraktivt pris kan den bli en riktig utmanare till Tesla Model S.

Synd bara på namnet. Audi envisas med att kalla alla sina bilar som är det minsta lilla elektrifierade för e-tron. De har redan flera ”e-tron” modeller ute – i form av laddhybrider. Nu ska de släppa en ren elbil med samma namn… undrar hur förvirrade kunderna blir. Men största problemet får de nog ändå i Frankrike där étron betyder bajskorv

Tagged , . Bookmark the permalink.
  • Marcus

    En mycket bra beskrivning. Tack Tibor :-)

  • sesundbackl

    Kan bara instämma. Tack för ännu en bra artikel!

  • G F

    Om 10 år vet vi vilket koncept som lever längst!

    Teslas cylindriska välkylda och dyra, eller de billigare påsbatterierna. Skälv tror jag på det första. :)
    Jaguar och de flesta andra biltillverkare har valt liknande lösningar som Audi, för att det blir billigare.
    Vad de flesta inte känner till, är hur långt före Tesla är i just batteriteknik.

    • Geni87

      En annan viktig aspekt som Tibor nämner är också att Audis lösning är mer servicevänlig. Vid fel på en battericell kan man relativt enkelt byta ut den berörda modulen. Volvo gör faktiskt redan så i batteripaketet till deras PHEV:s, som består av 6 st liknande moduler som kan bytas ut av en verkstad.

      • G F

        OM det går sönder, ja! De flesta Tesla batterierna har hålt oförskämt bra genom åren.
        Lite granna som med dagens LED lampor. IKEA bygger in ljuskällan i sänglampan.
        Varför ska man kunna byta, om man aldrig gör det?

        • Geni87

          Ja såklart, om de går sönder – och visst håller de bra kvalitet. Inte jämförtbart med en sänglampa dock, statistiken blir totalt annorlunda. En sänglampa kostar dessutom en hundring, och innehåller en/ett par ljuskällor. Sannolikheten att just din sänglampa ska gå sönder är därför låg, och om den ändå gör det är kostnaden för en ny låg.

          Antar man att battericeller och LED-lampor har samma kvalitetsnivå är risken för att du får en defekt battericell i din bil hundratals/tusentals gånger högre än att LED-lampan i din sänglampa är trasig, beroende på hur många celler batteripacket innehåller. Om man genom att byta ut en modul slipper byta ut ett helt batteripack för ~200.000 sek är mycket vunnet för biltillverkaren, konsumenten och miljön. Jag säger inte att det kommer hända ofta, men det händer. Och kan man designa ett servicevänligt batteripack är det ju jättebra, det bör dessutom underlätta den dagen det ska återvinnas!

          • G F

            Jag förstår hur du tänker. Och det låter ju bra med moduler och lättservat.
            Jag har en livslång erfarenhet med att serva professionella elektroniksystem av alla de slag. Och min erfarenhet säger mej att de mest servicevänliga och modulbaserade systemen är visserligen enkla att laga, men de är samtidigt de systemen som krånglar mest och är därmed dyrast för kunden att äga.
            Varför är det så? Jo för minst 9 av 10 fel är kontaktfel! När man ska splittra upp en elektrisk pryl i moduler måste man ha minst lika många kontakter som moduler. Och jag har hittills inte träffat någon kontakt som jag gillat.
            Historien är full av skräckexempel på detta feltänk. Steve Jobs första Apple datorer såldes bland annat med argumentet att samtliga IC-krettsar i dem var monterade i socklar. Så att de enkelt kunde bytas ut av vem som helst utan lödkolv. Det var inte så ofta kretsarna gick sönder men jag fick jämt öppna locket och trycka till 100 talet kretsar för att den la av.

          • Geni87

            Absolut, du har en bra poäng. Och här gäller det att biltillverkarna gör sin hemläxa och konstruerar robust kontaktering, med största sannolikhet kopplas modulerna samman med busbars och skruvförband, så det ska inte vara några problem. Audi ser ut att ha valt detta koncept och det är så det har sett ut i de batterier jag har haft förmånen att studera. Är det något bilindustrin har erfarenhet av så är det att förhindra kontaktfel (läs mängder av sensorer etc som sitter på en tokvibrerande förbränningsmotor). :)

          • G F

            Just det, o alla som läser detta och aldrig haft inne sin bil och fått en svettig räkning som det stått sensorfel på håller säkert med. :)
            Om det finns någon…..

            Körde en jan 04 Prius i mer än 10 år innan Teslan. Det var ett hybridbatteri i den uppbyggt just så. Och ändå finns det massor med träffar på nätet om folk som undviker räkning på långt mer än 20 tusen för batteribyte genom att montera loss alla skruvförband och rengöra dem. Sök så får du se.

          • Geni87

            Jo såklart. Men ett batteri i en elbil är långt ifrån en lika ogästvändlig miljö som en förbränningsmotor i det avseendet. :)

            Jo jag har faktiskt också sett det, vilket är olyckligt. Men jag hävdar ändå att det absolut är möjligt att undvika det genom en bra konstruktion. Jag har jobbat en hel del med konstruktion av elkomponenter och distributionssystem för likström och det finns mång fallgropar att gå i…

    • Johnny Rosenberg

      Om tio år struntar vi nog i vilket. Förhoppningsvis har vi bättre grejer än litiumbatterier då.

      • Geni87

        Även solid-state-batterier lär innehålla någon form av litium, men jag förstår vad du menar. :)

      • G F

        Givetvis har vi det! Men min poäng var, att den som ska köpa en elbil idag vill naturligtvis veta att batteriet håller länge. I alla fall var det så jag tänkte när jag köpte min för över fyra år sedan.
        Jag brukar behålla mina bilar minst 10-15 år innan jag byter.

  • Geni87

    Mycket intressant artikel! Något som kan vara värt att nämna i sammanhanget är att hur mycket ström som kan laddas i- och ur en battericell inte bara beror på hur effektiv kylningen är. Man kan designa celler för att klara högre strömmar (vilket gör dem dyrare) vid en given kylkapacitet. Värmeförlusterna som behöver kylas bort är ju direkt beroende av strömmen. Men strömmen i sig dödar även battericeller, dvs bara för att cellen håller en temperatur som är ok, kan man fortfarande degradera den snabbt genom att mata ut/in för höga strömmar.

    Audi kan alltså potentiellt ha celler som klarar högre strömmar jämfört med Teslas, huruvida de har det är ju självklart en spekulation från min sida. Men det är fullt möjligt.

  • G F

    En elbil kan leva mycket längre än en vanlig bil.Det blir ingen bra affär för dagens biltillverkare som vill sälja så många bilar som möjligt. De föredrar teknik som är billig (konkurrenskraftigt pris) och som inte håller för länge. Kanske därför de traditionella har valt påsbatterier, bara en tanke……….

    • Geni87

      Nu är det ju inte så att påsbatterier per definition har kortare livslängd än ett cylindriskt batteri. Ett cylindriskt batteri är i princip ett ihoprullat påsbatteri intryckt i en metallcylinder. Har inget med livslängden på batteriet att göra.

      • G F

        Per definition ja, precis så som det förklaras så bra i Tibor:s artikel.
        Han beskriver också bra några faktorer som påverkar livslängden vid verklig användning i en bil,
        (om man är mottaglig för det).

        Jag instämmer i hans resonemang, men det är fritt fram för var och en att dra andra slutsatser.

        • Geni87

          Jo självklart påverkas livslängden om man inte kyler batterierna tillräckligt, det säger jag inte emot. :) Men det finns skyddsmekanismer mot detta, klarar inte kylningen av att hålla temperaturen under en viss gräns sänker man gränsen för rms-strömmen ut ur batteriet tills temperaturen sjunker igen. Sen är jag faktiskt inte helt överygad om att Audis, Jaguars mfl:s lösning är billigare än Teslas per kWh. Men det blir nog svårt att få de siffrorna svart på vitt…

          Det lät på dig som att påsbatterier skulle ha en sämre livslängd än cylindriska batterier, men då kanske jag missförstod dig.