Batteribalansering

Som elbilist hör man ibland mystiska ordet “batteribalansering” som något som på magiskt sätt kan få dåliga batterier bli bättre. Men vad är batteribalansering egentligen för något?

Ett batteripack består av flera battericeller. I en elbil kan det vara hundratals eller till och med tusentals hopkopplade celler i batteripacket. I en perfekt värld har alla battericeller samma laddnivå.

När man laddar batterierna avbryts laddningen när någon utav cellerna har blivit fulladdad. Battericeller kan skadas om man försöker ladda dem mer när de är fulladdade. Så länge alla battericeller har samma laddnivå fungerar det bra, alla celler blir fulladdade samtidigt.

Men efter några laddningar börjar cellerna uppvisa olika laddnivåer. Små materialskillnader gör att vissa celler har högre kapacitet än andra. Andra kanske urladdas snabbare. Laddnivåerna börjar skilja sig mellan de enskilda cellerna. Problemet är att när man laddar ett batteripack så avbryts laddningen så snart någon utav cellerna blivit fulladdad, för att undvika skada dem. I ovan bild har cell nummer tre blivit fulladdad innan de andra cellerna. Batteripacket blir alltså “fulladdad” när cell nr 3 blir full – trots att de andra cellerna skulle kunnat tagit emot mer laddning! Man upplever att batteripacket kan inte ta emot lika mycket laddning längre som förut.

På samma sätt avbryts urladdningen när någon utav batterierna har nått 0% laddning, åter igen för att skydda de enskilda cellerna. Ovan pack avbröt laddningen när cell nr 3 var fulladdad – trots att batteripacket som helhet var då bara 84% laddad. På samma sätt kommer elbilen packet sitter i stanna och hävda batterierna är tomma när någon utan cellerna nått 0% – trots att vissa andra kanske fortfarande innehåller laddning! Packet upplevs som att den har blivit mycket sämre, den har bara 80% av sin ursprungliga kapacitet kvar – trots att de enskilda battericellerna fortfarande är toppenbra! Men på grund av obalansen utnyttjas endast 80% av cellernas tillgängliga kapacitet.

Därför balanseras batterierna. Man eftersträvar att laddnivån mellan de olika cellerna i batteripacket ska alltid vara så jämn som möjligt för att fortsätta kunna utnyttja alla cellers fulla kapacitet.

Vid så kallad passiv balansering kopplas en resistor in när en cell är fulladdad som leder (det mesta av) strömmen förbi den fulladdade cellen så att de andra cellerna kan fortsätta laddas. Om tex cell nr 3 i exemplet ovan är fulladdad kopplas den förbi med en resistor så att de andra cellerna kan fortsätta ladda lite till utan att skada den redan fulladdade cellen.

Vid aktiv balansering kopplas de enskilda battericellerna ihop på så sätt att de celler som har högre laddnivå laddar celler med lägre laddnivå. Batteripackets celler laddar varandra tills alla har uppnått samma laddnivå. Den metoden är mer energieffektiv än passiv balansering där en del av laddströmmen försvinner i motstånden (värmer upp dem) men kräver många fler komponenter och blir därmed dyrare.

Balanserar man battericellerna under laddning heter det toppbalansering – det sker när batterierna är närapå fulladdade. Man kan även balansera batteripack under urladdning, när cellerna har endast lite laddning kvar. Då heter det bottenbalansering. Olika batterityper, olika tillverkare använder sig av olika balanseringsmetoder.

I en riktig elbil kompliceras ovan enkla resonemang av att batteripacket i sig består av flera mindre pack. Seriekopplade battericeller utgör dessa subpack som sedan parallellkopplas med varandra. Där kan man också balansera på subpacknivå, fördela laddningen mellan de olika subpacken. Dessutom urladdas aldrig en elbils celler ända ner till 0%, elbilar brukar stanna och hävda “0% laddning kvar, du kan inte åka en meter längre” när egentligen (den sämsta av cellerna i) batteripacket fortfarande har runt 5% laddning kvar. Detta för att skydda cellerna från total urladdning som skulle skada dem permanent. På samma sätt har de flesta elbilar (utom Tesla faktiskt) även samma säkerhetsmarginal på toppen: när en elbil hävdar att batterierna är fulladdade är (den mesta laddade cellen i) batteripacket endast ca 95% laddad.

Så vad ska jag göra för att hålla min bils battericeller i balans? Ladda fullt? Urladda? Det florerar olika “recept” på Internet på hur man ska göra för att hålla batterierna i balans.

Korta svaret är: du behöver inte göra nånting. Din bil tar hand om det åt dig.

Mycket av råden om hur man balanserar batterier kommer från de första primitiva, ofta hembyggda elbilar som rullade för tio-tjugo år sedan. Där behövde man ta hand om sina batterier mycket mer än idag. Moderna elbilar har särskilda batterimanagementsystem (BMS) som tar hand om batteripacken inklusive dess balansering. De utnyttjar bästa tillfällen för att balansera batteripacken utan att du som användare behöver göra något. De hittar de optimala tidpunkterna under din dagliga elbilsanvändning till att ladda, urladda och balansera bilens batterier.

En missuppfattning man ofta hör är att man ska balansera batterierna för att undvika att de åldras. En obalanserad batteripack får inte sämre batterier – det bara verkar så i och med att då utnyttjas inte varje battericell till fullo. När laddnivån mellan cellerna balanseras kan varje enskild cell utnyttjas mer – och det är då “magin” händer att plötsligt verkar batteripacket blivit bättre, friskare.

Med åren slits battericellerna i en elbil, de kan inte längre ta emot lika mycket laddning som när de var nya. Olika celler slits olika mycket och batteripacket får lättare och lättare att komma i obalans. De sämsta cellerna hindrar dem som fortfarande är OK att utnyttja sin bästa förmåga. En enda riktigt dålig cell kan sabotera för ett helt batteripack (eller åtminstone för subpacket med de seriekopplade celler den ingår i). För ett tag sedan rapporterade vi om Nissans batteriåtervinning där de erbjuder rekonditionerade batteripack – där de ersatt de allra sämsta cellerna så att resten av packet kan fortsätta utnyttjas optimalt.

Vissa misstänker också att problemet Nissan hade med sina 30 kWh batterier, att de batteripacken tappade kapacitet snabbare än andra elbilars berodde just på att bilens BMS misslyckades hålla cellerna balanserade – inte på att de enskilda cellerna blev sämre. Det är därför en mjukvarufix kunde åtgärda problemet.

Så njut av din elbil, åk runt med den i trygg vetskap om att batterierna balanseras automatiskt av din bil. För det mesta fungerar det perfekt. Skulle du någon gång tycka att bilen har fått konstigt kort räckvidd kan du hjälpa bilens system på traven och ladda batterierna fulla och köra sedan långt så de urladdas rejält. Det kan ge din bil tillfälle att balansera sina batterier så du får längre räckvidd igen. Men det är inget som du behöver tänka på eller göra något dagligdags, din bil tar hand om det där åt dig och även om ett batteripack skulle råka bli obalanserat är det inget farligt.

TCS fyra år sedan: Batterinivån i Model S

För fyra år sedan (jösses vad tiden går) skrev vi om hur elbilar vet hur mycket el som finns kvar i batterierna?