Batteripakke og konfiguration

En batteripakke til en elbil kombinerer celler med elektriske forbindelser, køleudstyr, styreelektronik og beskyttende strukturer til et højspændingsenergisystem.

Den elektriske konfiguration bestemmer spænding, kapacitet og strømydelse, mens den fysiske integration påvirker vægt, køling, kollisionsbeskyttelse, indbygning, servicemuligheder og energitæthed på pakkeniveau.

Hvad er der i en batteripakke?

Cellerne lagrer energien, men de udgør kun én del af den komplette batteripakke.

En typisk batteripakke til en elbil indeholder:

• Battericeller
• Moduler eller andre strukturer, der grupperer cellerne
• Samleskinner og højspændingsledere
• Celleovervågningselektronik
• Positive og negative hovedkontaktorer
• Sikringer og pyrotekniske afbrydere
• Sensorer til strøm, spænding og isolation
• En serviceafbryder
• Køleplader og kølemiddelkanaler
• Termiske grænsefladematerialer
• En forseglet pakkekapsling
• Beskyttelse mod kollision og indtrængning
• Veje til trykaflastning og gashåndtering
• Højspændingsstik og -samlinger

Hovedkontaktorerne afbryder cellerne fra resten af bilen, når højspændingssystemet slukkes. Cellerne forbliver forbundet og elektrisk spændingsførende inde i pakken.

En traditionel sikring beskytter mod for høj strøm, mens en pyroteknisk afbryder hurtigt kan bryde en højspændingsforbindelse ved en alvorlig kollision eller elektrisk fejl.

Batteristyringssystemet overvåger og styrer pakken, mens Termisk styring af batteriet forklarer dens køle- og varmesystemer mere detaljeret.

Batterikonfiguration

Batterikonfiguration beskriver, hvordan cellerne er elektrisk forbundet.

De to grundlæggende forbindelsesmetoder er:

• Serieforbindelse, som øger spændingen
• Parallelforbindelse, som øger kapaciteten i amperetimer og strømydelsen

De fleste batteripakker til elbiler bruger en kombination af begge.

Serieforbindelser

Når identiske celler eller cellegrupper forbindes i serie, lægges deres spændinger sammen.

Den samme strøm passerer gennem hver celle eller parallelgruppe i seriekæden.

Pakkespænding = Antal seriegrupper × Cellespænding

Hvis 100 celler med en nominel spænding på 3,7 volt forbindes i serie, opnås en nominel pakkespænding på cirka 370 volt.

Kapaciteten målt i amperetimer stiger ikke, når identiske celler kun serieforbindes.

Parallelforbindelser

Når identiske celler parallelforbindes, forbliver spændingen den samme, mens deres kapacitet i amperetimer lægges sammen.

Parallelgruppens kapacitet =
Antal parallelle celler × Cellekapacitet

Fire celler på 72 Ah, som er parallelforbundet, danner en gruppe på 288 Ah.

Parallelle celler deler også strømmen. Under balancerede forhold fører fire identiske, parallelforbundne celler hver cirka en fjerdedel af gruppens strøm.

Den faktiske strømfordeling kan variere lidt på grund af forskelle i:

• Intern modstand
• Temperatur
• Cellealder
• Elektriske forbindelser
• Produktionstolerancer

BMS'et overvåger normalt parallelforbundne celler som én spændingsgruppe, fordi de har samme terminalspænding.

Forstå s- og p-notation

Batterikonfigurationer skrives almindeligvis med:

• s for serie
• p for parallel

En 3s4p-konfiguration indeholder:

• Tre serieforbundne grupper
• Fire parallelforbundne celler i hver gruppe
• I alt tolv fysiske celler

Det samlede antal celler er:

Samlet antal celler = Antal i serie × Antal i parallel

For en pakke med identiske celler:

Nominel pakkespænding =
Antal i serie × Nominel cellespænding

Pakkekapacitet i Ah =
Antal i parallel × Cellekapacitet

Nominel pakkeenergi i Wh =
Nominel pakkespænding × Pakkekapacitet

Spænding ganget med amperetimer giver en omtrentlig nominel energiværdi.

Cellespændingen ændrer sig løbende med ladetilstanden, så beregningen er ikke en nøjagtig måling af den energi, pakken kan levere under en fuld afladning. Producenterne kan desuden definere mærke- eller bruttokapacitet ved hjælp af cellekarakteriseringsmetoder, der afviger en smule fra denne enkle beregning.

Eksempel: Audi Q8 55 e-tron

Batteriet i Audi Q8 55 e-tron indeholder 432 prismatiske celler fordelt på 36 moduler. Hvert modul indeholder 12 celler.

Audi oplyser:

• 114 kWh bruttokapacitet
• 106 kWh brugbar kapacitet
• 396 V nominel spænding
• 36 moduler
• 432 celler

Hvert modul bruger en 3s4p-opbygning. Den komplette pakke er derfor 108s4p. (Audi)

Med de nominelle celleværdier:

• Cellespænding: Cirka 3,6667 V
• Cellekapacitet: 72 Ah
• Parallelgruppens kapacitet: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Modulspænding: 3 × 3,6667 V = cirka 11 V
• Modulkapacitet: 288 Ah

De 36 moduler er serieforbundet:

• Komplet konfiguration: 108s4p
• Pakkespænding: 36 × 11 V = 396 V
• Pakkekapacitet: 288 Ah
• Nominel energi: 396 V × 288 Ah = 114.048 Wh

Resultatet er cirka 114 kWh, hvilket stemmer med Audis offentliggjorte bruttokapacitet.

Eksemplet viser to vigtige principper:

• Serieforbundne celler eller moduler øger spændingen
• Serieforbundne moduler øger ikke kapaciteten i amperetimer

Eksempel: Porsche Macan Electric

Porsche Macan Electric bruger:

• 100 kWh bruttokapacitet
• Cirka 95 kWh brugbar kapacitet
• 12 moduler
• 15 prismatiske celler serieforbundet pr. modul
• I alt 180 celler
• En arkitektur i 800-volt-klassen

Den komplette pakke kan derfor beskrives som 180s1p. Hver stor prismatisk celle leverer allerede den nødvendige kapacitet i amperetimer, så der kræves ingen parallelle fysiske celler i hver serieposition.

Porsche oplyser desuden, at de 12 moduler og flere andre vigtige pakkekomponenter kan udskiftes enkeltvis. (Porsche Newsroom)

Det adskiller sig markant fra en pakke med tusindvis af små cylindriske celler, selv om begge konstruktioner udfører de samme grundlæggende funktioner.

Illustrativ pakke med små cylindriske celler

Betragt en pakke med 4.416 cylindriske celler opbygget som 96s46p.

Antag, at hver celle har:

• Nominel spænding: 3,7 V
• Kapacitet: 4,8 Ah

Den resulterende pakke har:

Pakkespænding = 96 × 3,7 V
              = 355,2 V

Pakkekapacitet = 46 × 4,8 Ah
               = 220,8 Ah

Nominel energi = 355,2 V × 220,8 Ah
               = cirka 78,4 kWh

Dette er en illustrativ konfiguration og ikke en specifikation for alle biler med et lignende antal celler.

Faktiske cylindriske batteripakker varierer med:

• Cellekapacitet
• Cellekemi
• Leverandør
• Fabrik
• Modelår
• Batteriversion
• Brugbart spændingsområde

Eksempler på batterikonfigurationer

Producenterne offentliggør ikke altid den komplette sXp-notation. Konfigurationer markeret med en stjerne er udledt af offentliggjorte celle- og modulopbygninger.

Batteri	År	Brutto- eller mærkekapacitet	Celler/moduler	Konfiguration	Nominel spænding eller arkitekturspænding
Mitsubishi i-MiEV, amerikansk specifikation	2012	16,3 kWh	88 celler	88s1p*	325,6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	264 celler/27 moduler	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, 35,8 kWh-generation	2017	35,8 kWh	264 celler/27 moduler	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 celler/36 moduler	108s4p	396 V
Audi Q6 e-tron/A6 e-tron PPE-batteri	2024	100 kWh	180 celler/12 moduler	180s1p*	800-volt-klassen
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 celler/12 moduler	180s1p*	800-volt-klassen
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh mærkekapacitet	384 celler	Ikke officielt offentliggjort	337 V mærkespænding
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 pouch-celler/6 moduler	Ikke officielt offentliggjort	800-volt-klassen

Den testede Mitsubishi i-MiEV-pakke havde 88 celler, en mærkekapacitet på 50 Ah, en mærkeenergi på 16,3 kWh og en nominel spænding på 325,6 V. (US Department of Energy)

Den oprindelige e-Golf brugte 264 celler, 27 moduler, 323 V og 24,2 kWh. Den senere version på 35,8 kWh beholdt samme antal celler, antal moduler, nominelle spænding og offentliggjorte batterivægt. (VW Press)

Audi PPE-batteriet bruger 12 moduler og 180 store prismatiske celler i stedet for de 36 moduler og 432 celler, som Q8 e-tron bruger. (Audi)

NIO offentliggør 384 celler, 337 V mærkespænding, 446 Ah og 575 kg for sit batteri på 150 kWh, men giver ikke tilstrækkelige offentlige oplysninger til at fastslå en pålidelig, komplet sXp-konfiguration. (NIO)

Porsche Cayenne Electric bruger seks moduler og 192 store pouch-celler i et funktionsintegreret batteri. (Porsche Newsroom)

Spænding, strøm og effekt

Elektrisk effekt afhænger af spænding og strøm:

Effekt = Spænding × Strøm

Den samme effekt kan overføres med:

• Højere spænding og lavere strøm
• Lavere spænding og højere strøm

En idealiseret overførsel på 300 kW kræver:

Ved 400 V:

Strøm = 300.000 W ÷ 400 V
      = 750 A

Ved 800 V:

Strøm = 300.000 W ÷ 800 V
      = 375 A

800-volt-systemet leverer den samme effekt med halvt så høj strøm.

Elektriske tab i ledere kan tilnærmes som:

Modstandstab = Strøm² × Modstand

Hvis modstanden er uændret, reducerer en halvering af strømmen modstandstabet til en fjerdedel.

Virkelige biler er mere komplekse, fordi lederdimensioner, kontaktmodstand, halvledere, køling og den faktiske batterispænding også ændrer sig. Beregningen forklarer alligevel, hvorfor højere spænding bliver attraktiv, når lade- og drivlinjeeffekten stiger.

Systemer i 400-volt- og 800-volt-klassen

Betegnelserne 400 volt og 800 volt beskriver brede systemklasser og ikke faste batterispændinger.

Pakkespændingen ændrer sig med:

• Ladetilstand
• Cellekemi
• Temperatur
• Strøm
• Antal serieforbundne celler
• Producentens spændingsgrænser

Et batteri, der markedsføres som 400 volt, kan arbejde fra den lave del af 300-volt-området til over 400 V.

En pakke i 800-volt-klassen kan have en nominel spænding tættere på 650–750 V og samtidig nærme sig eller overstige 800 V ved høj ladetilstand.

Systemer i 400-volt-klassen

En arkitektur i 400-volt-klassen er stadig tilstrækkelig til mange almindelige elbiler.

Fordele

• Modne og bredt tilgængelige komponenter
• Lavere komponentpris
• Enkel kompatibilitet med eksisterende ladere
• Mindre krævende isolationskrav
• Tilstrækkelig effekt til mange personbiler
• Etablerede reparations- og produktionsprocesser

Afvejninger

• Højere strøm ved samme effekt
• Større strømførende ledere ved meget høj effekt
• Mere opvarmning af stik og kabler
• Større vanskeligheder ved at nå ekstrem ladeeffekt
• Højere strømkrav til drivlinjer med stor effekt

Et godt 400-volt-batteri kan stadig oplades meget hurtigt, når det kombinerer celler med høj strømydelse, effektiv køling og en bred ladekurve.

Systemer i 800-volt-klassen

En arkitektur i 800-volt-klassen reducerer den nødvendige strøm ved en given effekt.

Fordele

• Lavere strøm ved høj ladeeffekt
• Reducerede tab i ledere
• Potentielt mindre eller lettere højspændingskabler
• Større effekt inden for stikkets strømgrænser
• Effektiv levering af stor drivlinjeeffekt
• Velegnet til opladning med høj effekt

Afvejninger

• Dyrere højspændingskomponenter
• Mere krævende isolation og krybeafstande
• Større krav til kontaktorer og sensorer
• Mere kompleks effektelektronik
• Kompatibilitetsudfordringer med ladere til lavere spænding
• Højere udviklings- og valideringsomkostninger

Højere spænding garanterer ikke hurtigere opladning.

Ladeydelsen afhænger også af:

• Cellekemi
• Cellens C-rate
• Batteritemperatur
• Ladekurve
• Strømgrænser
• Kølekapacitet
• Ladetilstand
• Laderens kapacitet

Opladning af et 800-volt-batteri ved en lader med lavere spænding

En lader skal levere tilstrækkelig spænding til at drive strøm ind i batteriet.

Et batteri i 800-volt-klassen kan normalt ikke oplades direkte fra en lader, hvis maksimale udgangsspænding ligger væsentligt under pakkespændingen.

Producenterne løser det på flere måder:

• En dedikeret DC-boostkonverter
• Brug af motoren og inverteren som en del af et boostkredsløb
• Omkonfiguration af batteriet til batteribanker med lavere spænding
• Begrænset ladeevne ved inkompatible ladere

Opladning i batteribanker

Opladning i batteribanker ændrer batteriets elektriske konfiguration under opladning.

Porsche Macan kan opdele sit 800-volt-batteri i to separate 400-volt-kredsløb. De to batterihalvdele oplades derefter samtidig med op til 135 kW uden en separat højspændingsbooster. (Porsche Newsroom)

Cellerne flytter sig ikke, og pakken opdeles ikke fysisk. Højspændingskontakter ændrer, hvordan dens sektioner er elektrisk forbundet.

Det viser, at batterikonfigurationen ikke nødvendigvis forbliver fast i alle driftstilstande.

Batteripakkearkitekturer

Den elektriske konfiguration beskriver, hvordan cellerne er forbundet.

Pakkearkitekturen beskriver, hvordan celler, kølesystem, kapsling, moduler og bilens struktur er fysisk integreret.

De vigtigste metoder omfatter:

• Modulbaserede pakker
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body eller Cell-to-Chassis
• Strukturelle eller funktionsintegrerede pakker

Kategorierne overlapper.

Et strukturelt batteri kan stadig indeholde moduler. En Cell-to-Pack-konstruktion kan stadig bruge interne rammer, komprimerede rækker, banker eller andre strukturer til cellegruppering.

Modulbaserede pakker

I en traditionel modulbaseret pakke samles cellerne i moduler, før modulerne monteres i batterikapslingen.

Celle → Modul → Pakke → Bil

Moduler kan indeholde:

• Cellerammer
• Kompressionsstrukturer
• Samleskinner
• Celleovervågningselektronik
• Kølegrænseflader
• Elektrisk isolation
• Mekanisk beskyttelse
• Stik på modulniveau

Fordele ved modulbaserede pakker

• Skalerbarhed: Forskellige kapaciteter kan skabes med forskellige antal moduler.
• Opdelt produktion: Modulsamling og endelig pakkesamling kan testes separat.
• Kontrollerede cellegrupper: Kompression, elektriske forbindelser og køling kan styres i definerede enheder.
• Mulig reparerbarhed: Et defekt modul kan måske udskiftes uden at udskifte hele pakken.
• Leverandørfleksibilitet: Moduler kan danne en grænseflade mellem celleproduktion og bilsamling.
• Genbrug på platforme: Ét moduldesign kan i visse tilfælde bruges i flere biler.

Afvejninger ved modulbaserede pakker

• Yderligere inaktivt materiale: Rammer, dæksler, fastgørelsesdele og stik tilfører vægt.
• Flere dele: Der kræves flere huse, tætninger, samleskinner og grænseflader.
• Lavere pakkeeffektivitet: Der kræves plads omkring både celler og moduler.
• Flere samlingstrin: Moduler kræver separat produktion, test, transport og montering.

Tilstedeværelsen af moduler gør ikke automatisk en pakke reparerbar.

Reparerbarheden afhænger også af:

• Adgang til pakken
• Lim og tætningsmidler
• Kølemiddelkonstruktion
• Tilgængelighed af reservedele
• Understøttelse af diagnosticering
• BMS-programmering
• Producentens reparationsprocedurer

Porsche Macan Electric er et moderne eksempel på en reparationsorienteret, modulbaseret pakke. Porsche oplyser, at dens 12 moduler og andre vigtige komponenter kan udskiftes enkeltvis. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, der almindeligvis forkortes CTP, fjerner eller reducerer den traditionelle mellemliggende modulkapsling.

Celle → Pakke → Bil

Cellerne kan stadig placeres i:

• Rækker
• Komprimerede grupper
• Interne rammer
• Banker
• Strukturelle cellefelter

CTP betyder ikke nødvendigvis, at hver celle ligger løst i én udelt kapsling.

Fordele ved Cell-to-Pack

• Bedre udnyttelse af pakkevolumen: Mindre volumen optages af modulvægge og -dæksler.
• Lavere inaktiv vægt: Der kræves færre mellemliggende huse og fastgørelsesdele.
• Færre dele: Elektriske og strukturelle grænseflader kan samles.
• Mulig prisreduktion: Fjernelse af gentagne komponenter kan forenkle samlingen.
• Tættere køleintegration: Cellerne kan være i direkte kontakt med kølestrukturer på pakkeniveau.
• Færre forbindelser: Store celler og direkte integration kan reducere antallet af samleskinner og stik.

Afvejninger ved Cell-to-Pack

• Større ansvar på pakkeniveau: Køling, kompression, isolation og beskyttelse mod spredning skal løses på tværs af større sektioner.
• Mere integreret produktion: En produktionsfejl kan påvirke en større enhed.
• Mindre modulær udskiftning: Cellegrupper kan være vanskelige at fjerne enkeltvis.
• Platformsafhængighed: Celledimensioner, køling, pakkekapsling og bilgulv er tæt forbundne.
• Mulige reparationsomkostninger: Skade på én sektion kan kræve udskiftning af en større pakkeenhed.

CATL Qilin

CATL beskriver Qilin som en tredje generations CTP-arkitektur.

CATL angiver en udnyttelse af pakkevolumen på 72% for konstruktionen. Det er en specifikation for Qilin og ikke et resultat, der gælder for alle CTP-batterier.

Betydningen rækker ud over fjernelsen af traditionelle modulhuse. Qilin integrerer køling, struktur, termisk beskyttelse og celler på pakkeniveau.

Volkswagen Unified Cell og Cell-to-Pack

Volkswagen-koncernens Unified Cell er en standardiseret platform for prismatiske celler, der er udviklet til at fungere med et nyt Cell-to-Pack-batterisystem.

Den brede celleplatform skal understøtte:

• NMC
• LFP
• Natrium-ion
• Mulig fremtidig faststofteknologi

Den første PowerCo Unified Cell, der blev produceret i Salzgitter, bruger NMC-kemi. LFP-varianter er planlagt. (Volkswagen Group)

Unified Cell viser, hvorfor celleformat og pakkegrænseflader kan standardiseres, uden at alle biler bindes til den samme kemi.

BYD Blade Battery

BYD's Blade Battery bruger lange prismatiske LFP-celler, der placeres direkte i pakken uden traditionelle mellemliggende moduler.

De lange celler bidrager også til pakkens indvendige mekaniske struktur.

En stor del af indbygningsfordelen kommer fra forholdet mellem:

• Celledimensioner
• Pakkebredde
• Køling
• Strukturel understøtning
• Samling uden moduler

Resultatet bør ikke tilskrives LFP-kemien eller den lange celleform alene.

Cell-to-Body og Cell-to-Chassis

Cell-to-Body, eller CTB, integrerer batteriet tættere med bilens karrosseri.

Cell-to-Chassis, eller CTC, bruges om lignende koncepter, selv om producenterne ikke bruger betegnelserne ensartet.

Batteriet kan dele funktioner med:

• Gulvet i kabinen
• Tværvanger
• Undervogn
• Sidestrukturer
• Sædernes monteringsstrukturer
• Veje for kollisionsbelastning

Skillelinjen mellem avanceret CTP og CTB er ikke altid tydelig. Den afhænger af, hvilke dele og funktioner der deles mellem pakken og karrosseriet.

BYD Seal Cell-to-Body

BYD Seal bruger et Cell-to-Body-system, hvor batteriet og karrosserigulvet danner en tæt integreret sandwichlignende struktur.

Batteriet fungerer både som:

• Et energilagringssystem
• Et strukturelt element i bilen

Fordele ved CTB og CTC

• Færre dobbelte strukturlag
• Mere kabineplads ved en given bilhøjde
• Mulig reduktion af systemvægten
• Større karrosseristivhed
• Lavere tyngdepunkt
• Bedre indbygningseffektivitet

Afvejninger ved CTB og CTC

• Udvikling af batteri og karrosseri bliver tæt forbundet
• Kollisionsreparation kan berøre både batteri- og karrosseristrukturer
• Afmontering af pakken kan kræve mere omfattende adskillelse
• Platformændringer kan kræve et nyudviklet batteri
• Forsegling og korrosionsbeskyttelse bliver mere kritiske
• Måltolerancerne bliver mere krævende

Strukturelle og funktionsintegrerede pakker

Et strukturelt batteri bærer betydelige belastninger fra bilen i stedet for kun at være en energilagerenhed monteret under karrosseriet.

En strukturel pakke kan bruge:

• Celler limet direkte ind i en strukturel kapsling
• Store strukturelle cellefelter
• Moduler monteret i et karrosseriintegreret batteri
• Et batteridæksel, der samtidig udgør en del af kabinegulvet

Strukturel integration og brug af moduler er separate konstruktionsvalg.

Teslas strukturelle batteripakke

I 2022 begyndte Tesla at producere udvalgte Model Y-biler med egenproducerede 4680-celler, store støbte karrosseridele og en strukturel batteripakke.

Tesla har også produceret Model Y-varianter med traditionelle, ikke-strukturelle pakker med 2170-celler. Batteriarkitekturen afhænger derfor af bilversion og fabrik.

Porsche Cayenne Electric

Porsche Cayenne Electric bruger det, Porsche kalder et funktionsintegreret højspændingsbatteri.

Batteriet:

• Er direkte integreret i bilens struktur
• Bidrager til karrosseriets stivhed
• Indeholder seks moduler
• Indeholder 192 store pouch-celler
• Har en bruttokapacitet på 113 kWh
• Bruger dobbeltsidet modulkøling

Det er et nyttigt eksempel på et strukturelt integreret batteri, der fortsat er modulært og ikke bruger en CTP-arkitektur uden moduler. (Porsche Newsroom)

Fordele ved strukturelle pakker

• Mindre overlap mellem pakke- og karrosseristrukturer
• Potentielt lavere samlet systemvægt
• Bedre udnyttelse af højden
• Større karrosseristivhed
• Lavere tyngdepunkt
• Færre store bilkomponenter

Afvejninger ved strukturelle pakker

• Udvikling af batteri og bil bliver uadskillelig
• Strukturelle skader kan påvirke batterikapslingen
• Afmontering af pakken og karrosserireparation kan blive mere kompliceret
• Produktionstolerancerne bliver mere krævende
• Batteriet kan være vanskeligt at genbruge på en anden platform
• Reparation kræver detaljerede procedurer fra producenten

Videoen nedenfor indeholder en detaljeret analyse af Teslas strukturelle pakke fra Munro & Associates.

Pakkearkitektur og servicemuligheder

Det er fristende at rangordne batteriarkitekturer sådan:

Moduler = kan repareres

Cell-to-Pack = vanskelig at reparere

Strukturel pakke = kan ikke repareres

Virkeligheden er mere kompliceret.

Servicemulighederne afhænger af:

• Om dækslet kan åbnes uden at blive ødelagt
• Om moduler eller cellegrupper kan fjernes
• Strukturlim, skum og indstøbningsmaterialer
• Adgang til køleplader
• Kølemiddelforbindelser
• Tilgængelighed af moduler og elektronik
• Diagnoseværktøjer
• BMS-programmering og parring af komponenter
• Godkendte reparationsprocedurer
• Skade på batterikapslingen eller bilens struktur

Et traditionelt, modulbaseret batteri kan stadig kun blive udskiftet som en komplet enhed, hvis producenten ikke leverer moduler eller reparationsvejledninger.

Et strukturelt integreret batteri kan stadig indeholde udskiftelige:

• Moduler
• Kontaktorer
• Sikringer
• Sensorer
• Styreenheder
• Kølemiddelkomponenter

Porsche Cayenne Electric viser, at strukturel integration og modulær konstruktion kan eksistere samtidig.

Pakkearkitekturen påvirker reparationsmulighederne, men bestemmer dem ikke alene.

Energitæthed på pakkeniveau

Energitæthed på celleniveau beskriver cellernes lagrede energi i forhold til deres vægt eller volumen.

Energitæthed på pakkeniveau omfatter alt, der kræves for at drive, forbinde, køle og beskytte cellerne:

• Cellehuse
• Modulstrukturer
• Pakkekapsling
• Kølesystem
• Samleskinner og ledninger
• Kontaktorer og sikringer
• Styreelektronik
• Kollisionsbeskyttelse
• Tætninger og fastgørelsesdele
• Termiske grænsefladematerialer

Gravimetrisk energitæthed for pakken er:

Gravimetrisk energitæthed for pakken =
Pakkeenergi i Wh ÷ Den komplette pakkes vægt i kg

Volumetrisk energitæthed for pakken er:

Volumetrisk energitæthed for pakken =
Pakkeenergi i Wh ÷ Pakkens udvendige volumen i liter

En celle med høj energitæthed kan stadig give en forholdsvis tung pakke, hvis den kræver omfattende køling, indeslutning eller strukturelt udstyr.

En kemi med lavere densitet som LFP kan opnå et respektabelt resultat på pakkeniveau gennem effektiv integration, men den lavere densitet på celleniveau forsvinder ikke helt.

Udviklingen i energitæthed på pakkeniveau

Tabellen bruger bruttoenergi eller den energi, producenten opgiver, frem for brugbar energi.

Værdierne bør betragtes som repræsentative eksempler og ikke som en laboratoriesammenligning. Producenterne definerer ikke altid pakkevægt eller mærkeenergi på præcis samme måde.

Batteripakke	År eller generation	Brutto- eller mærkekapacitet	Pakkevægt	Beregnet densitet
Mitsubishi i-MiEV, amerikansk specifikation	2012	16,3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Cirka 540 kg	Cirka 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Cirka 699 kg	Cirka 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, 35,8 kWh-generation	2017	35,8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, stort batteri	2021	82 kWh	Cirka 500 kg	Cirka 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82,56 kWh	Cirka 558 kg	Cirka 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron/Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Cirka 570 kg	Cirka 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, version med 52 kWh	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, opdateret batteri	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
NIO-udskiftningsbatteri på 100 kWh	Nuværende offentliggjorte specifikation	100 kWh mærkekapacitet	555 kg	180 Wh/kg
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	150 kWh mærkekapacitet	575 kg	261 Wh/kg

Tallene for Mitsubishi i-MiEV stammer fra en testrapport fra det amerikanske energiministerium, som angiver 16,3 kWh mærkeenergi og en pakkevægt på 363 lb, svarende til cirka 165 kg. (US Department of Energy)

Tesla oplyste officielt det oprindelige Model S-batteri til 85 kWh. Pakkevægten på cirka 540 kg er et ofte omtalt teknisk estimat og ikke et tal fra Teslas oprindelige bilspecifikation, så den beregnede densitet bør betragtes som omtrentlig. (Tesla)

Volkswagen angiver officielt 318 kg for begge generationer af e-Golf-batteriet. (VW Press)

2018 Audi e-tron brugte et batteri på 95 kWh, der vejede cirka 699 kg. Værdien er et nyttigt eksempel på en pakke, der er udviklet med vægt på effektiv køling, strukturel beskyttelse, ensartet opladning og modulær konstruktion frem for udelukkende lavest mulig vægt.

Tallet for BYD Seal bruger en anslået pakkevægt på 558 kg for LFP Blade Battery på 82,56 kWh. Det giver cirka 148 Wh/kg og er nyttigt som en moderne LFP-reference.

Renault offentliggør officielt 52 kWh brugbar kapacitet og en pakkevægt på 297 kg for Renault 5. Tabellen bruger 55 kWh som EVKX' arbejdsværdi for bruttokapaciteten, hvilket giver cirka 185 Wh/kg. (Renault Ireland)

Audi offentliggør en bruttokapacitet på 105 kWh og 625 kg for det opdaterede e-tron GT-batteri. (Audi)

NIO oplyser 555 kg for sine batterier på 100 kWh og 575 kg for versionen på 150 kWh. (NIO)

Tidlige elbilbatterier var ikke ens

Tabellen viser ikke en enkel stigning år for år.

Mitsubishi i-MiEV og den oprindelige e-Golf var konservative, tidlige batterisystemer med:

• Beskeden kapacitet
• Lav ladeeffekt
• Omfattende støttestruktur
• Indbygning begrænset af små platforme eller platforme til flere drivlinjer

Det første e-Golf-batteri opnåede kun 76 Wh/kg på pakkeniveau.

Den oprindelige Tesla Model S var en markant undtagelse. Dens store, specialudviklede gulvbatteri opnåede cirka 157 Wh/kg i 2012, selv om det brugte:

• 7.104 små cylindriske celler
• 16 moduler
• Væskekøling
• Tusindvis af elektriske forbindelser
• En stærk strukturel kapsling

Model S viste, hvordan en højenergicelle og en bil udviklet omkring en stor, flad pakke kunne overgå mange mindre, tidlige elbilbatterier.

To generationer af e-Golf-batteriet

De to e-Golf-pakker giver en usædvanlig tydelig sammenligning, fordi deres offentliggjorte pakkevægt, antal celler, antal moduler og nominelle spænding forblev ens.

Specifikation	24,2 kWh e-Golf	35,8 kWh e-Golf
Mærkekapacitet	24,2 kWh	35,8 kWh
Pakkevægt	318 kg	318 kg
Antal celler	264	264
Antal moduler	27	27
Nominel spænding	323 V	323 V
Beregnet densitet	76 Wh/kg	113 Wh/kg

Det nyere batteri lagrer cirka 48% mere energi uden at øge den offentliggjorte pakkevægt eller antallet af celler.

Forbedringen kom primært fra større cellekapacitet og ikke en større batterikapsling.

Moderne LFP: BYD Seal Blade Battery

BYD Seal er et nyttigt eksempel på en moderne LFP-pakke.

Dens Blade Battery på 82,56 kWh vejer cirka 558 kg og giver en beregnet pakketæthed på omkring 148 Wh/kg.

Det er lavere end flere moderne nikkelbaserede pakker, selv om Seal bruger en effektiv Cell-to-Body-arkitektur.

Resultatet illustrerer to separate virkninger:

• LFP-celler lagrer normalt mindre energi pr. kilogram end førende nikkelrige celler
• Effektiv pakkeintegration reducerer, men fjerner ikke ulempen på celleniveau

Seal-pakken er ikke dårligt konstrueret. Den prioriterer en anden balance mellem:

• Materialepris
• Cykluslevetid
• Termisk stabilitet
• Pakkeintegration
• Strukturel effektivitet

Pakketæthed bør derfor ikke betragtes som en komplet rangordning af batterikvalitet.

Renault 5: Høj densitet i en lille modulær pakke

Renault 5 E-Tech er bemærkelsesværdig, fordi dens kompakte batteri opnår cirka 185 Wh/kg med arbejdsværdien på 55 kWh brutto.

Specifikation	Renault 5 E-Tech
Bruttokapacitet anvendt af EVKX	55 kWh
Officiel brugbar kapacitet	52 kWh
Pakkevægt	297 kg
Beregnet bruttodensitet	185 Wh/kg
Antal moduler	4

Resultatet er særlig interessant, fordi Renault 5 ikke bruger en CTP-konstruktion uden moduler.

De fire store moduler reducerer gentagne huse, stik og støttekomponenter i forhold til pakker med mange mindre moduler.

Renault viser dermed, at høj pakketæthed ikke kræver, at modulniveauet fjernes helt.

NIO's udskiftningsbatterier på 100 and 150 kWh

NIO's batterier på 100 and 150 kWh giver en anden afslørende sammenligning, fordi begge passer til virksomhedens grænseflade for batteriskift.

Specifikation	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Mærkekapacitet	100 kWh	150 kWh
Pakkevægt	555 kg	575 kg
Beregnet densitet	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Forskel i vægt	—	20 kg mere
Forskel i energi	—	50% mere

Batteriet på 150 kWh lagrer 50% mere mærkeenergi og vejer kun 20 kg mere end den offentliggjorte specifikation for pakken på 100 kWh.

Dets beregnede densitet på cirka 261 Wh/kg ligger langt over de almindelige eksempler i tabellen.

Det bør ikke betragtes som repræsentativt for det bredere elbilmarked. Pakken bruger en specialiseret højenergicelle og er taget i brug gennem NIO's opgraderings- og batteriskiftsystem.

Hvorfor tal for pakketæthed ikke er fuldt sammenlignelige

Sammenligninger af pakketæthed kræver forsigtighed.

Producenterne kan definere følgende forskelligt:

• Bruttokapacitet
• Mærkekapacitet
• Komplet pakkevægt
• Kølemiddelvægt
• Vægt af samledåsen
• Beskyttelse af undervognen
• Delte strukturelle komponenter
• Produktions- kontra prototypespecifikation

Kravene til biler er også forskellige.

En elbil med høj ydeevne kan have brug for mere:

• Køling
• Strømkapacitet i samleskinnerne
• Højstrømsudstyr
• Kollisionsbeskyttelse

En SUV eller terrængående bil kan kræve en tungere kapsling end en kompakt hatchback.

Et udskifteligt batteri kræver strukturelle og mekaniske grænseflader, som en permanent monteret pakke ikke har brug for.

En pakke med lavere densitet kan stadig give:

• Hurtigere og mere ensartet opladning
• Bedre køling
• Større kollisionsbeskyttelse
• Lettere udskiftning af moduler
• Højere vedvarende effekt
• Længere levetid
• Lavere produktionsomkostninger

Energitæthed på pakkeniveau er nyttig, men er ikke en fuldstændig karakter for batterikvalitet.

Hvad betyder pakkearkitekturen for en køber af en elbil?

Pakkekonfiguration er normalt ikke noget, en køber behøver at sammenligne direkte.

Et 180s1p-batteri er ikke i sig selv bedre end et 96s46p-batteri.

Det, der betyder noget i daglig brug, er resultatet af hele konstruktionen:

• Brugbar batterikapacitet
• Bilens effektivitet
• Ladekurve
• Opladning i koldt vejr
• Temperaturforberedelse af batteriet
• Vedvarende effekt og spidseffekt
• Degradering
• Termisk styring
• Garantidækning
• Beskyttelse mod termisk spredning
• Reparationsmuligheder for pakke og moduler
• Udskiftningsomkostninger efter skade

Højere spænding kan hjælpe en elbil med at opnå høj lade- og drivlinjeeffekt, men spændingen alene bestemmer ikke ladehastigheden.

Cell-to-Pack og strukturel integration kan reducere vægten og forbedre indbygningen. De kan også ændre reparationsprocedurerne og øge konsekvenserne af skader på undervogn eller struktur.

En modulær pakke kan give flere reparationsmuligheder, men kun når reservedele, diagnosticering og godkendte procedurer er tilgængelige.

Den bedste batteripakkearkitektur er den, der opfylder bilens mål for:

• Ydeevne
• Rækkevidde
• Opladning
• Sikkerhed
• Holdbarhed
• Produktionsomkostninger
• Indbygning
• Servicemuligheder

Den nyeste forkortelse er ikke automatisk det bedste batteri.

Se Sikkerhed og fejlhåndtering for elbilbatterier for beskyttelseslagene omkring cellerne og hele pakken.

Kilder

• Audi Q8 e-tron: batterikapacitet og opladning
• Porsche Macan: batteri og opladning
• Det amerikanske energiministeriums test af Mitsubishi i-MiEV-batteriet
• Volkswagens pressemateriale om e-Golf
• Audi PPE-højspændingsbatteri
• Brugervejledning til NIO ET7
• Porsche Cayenne Electric-højspændingssystem
• Volkswagen-koncernens batteri- og energiteknologier
• Tesla Model S-specifikationer
• Renault 5 E-Tech-specifikationer
• Audi e-tron GT-højspændingsbatteri