Temperaturstyring af elbilbatterier: køling, opvarmning og forkonditionering

Et koldt batteri kan kræve opvarmning før lynladning; et varmt batteri kan kræve køling, før det kan modtage samme effekt. Batteriets temperaturstyring flytter varme ind i og ud af pakken og forbereder den til kørsel eller opladning, samtidig med at energiforbrug og temperaturforskelle begrænses.

Dette kapitel bygger videre på cellekonstruktionen forklaret i Celleformater og integrationen i køretøjet beskrevet i Batteripakke og konfiguration.

Hvorfor temperaturmål ændrer sig

Lav temperatur øger modstanden og bremser de processer, som lader en celle modtage opladning. I grafitbaserede litiumionceller kan for høj ladestrøm afsætte metallisk litium på den negative elektrode i stedet for at lagre det i grafitten. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Cellekemi og komponenter forklarer denne mekanisme for litiumplettering.

Disse begrænsninger påvirker både opladning og kørsel. Teslas instruktionsbog til Model 3 beskriver nedsat ladeeffekt og regenerativ bremsning, når batteriet er koldt, samt batteriopvarmning før et planlagt ladestop. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning

Opvarmning af cellerne kan forbedre ladeegenskaberne, men langvarig varmepåvirkning fremskynder ældning. US Department of Energy: Enabling Fast Charging—A Technology Gap Assessment (2017) Langtidseffekterne af temperatur og ladetilstand behandles i Batterinedbrydning. Før et lynladestop kan bilen forberede et batteri, der allerede var varmt nok til kørsel; Audi beskriver opvarmning af et meget koldt e-tron GT-batteri til dette formål. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

Producenterne angiver temperaturer til forskellige formål. Audis dokumentation fra 2021 angiver 30–35°C som den foretrukne temperatur for batteriet i den oprindelige e-tron GT. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021) Porsches præsentation af Cayenne Electric fra 2025 angiver derimod en startbetingelse for opladning: den oplyste optimale lynladekurve kan opnås fra en batteritemperatur på 15°C. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025)

Varmeudvikling og varmelagring

Modstand og elektrokemiske tab udvikler varme under opladning og afladning. For bidraget fra modstanden gælder:

P = I²R

Her er P varmeeffekten i watt, I strømmen i ampere og R modstanden i ohm. Ved uændret modstand giver en fordobling af strømmen fire gange så stor resistiv varmeeffekt. Cellereaktionerne har også et reversibelt termisk bidrag, der kan afgive eller optage varme afhængigt af elektrodematerialer, ladetilstand og strømretning. Wind and Vie: Entropy Profiles for Li-Ion Batteries (2025)

Pakkens temperatur stiger, når udviklet og tilført varme overstiger den varme, der forlader den. Celler og pakkematerialer lagrer termisk energi, så det tager tid fra kølingen aktiveres, til temperaturen ændres i hele pakken.

Inde i en celle bestemmer materialernes varmekapacitet og termiske modstand, hvordan temperaturen ændres, og varmen når kølefladen. Li og kolleger modellerer disse egenskaber særskilt for elektrodesamlingen, strømkollektorerne og cellehuset. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021)

Hvordan varmen forlader batteriet

Køling omfatter to forbundne opgaver: at overføre varme fra cellernes indre til en køleflade og derefter transportere den til et sted, som kan optage eller afgive den. Kølevæske- eller kølemiddelkredsen bestemmer den anden del; cellekonstruktionen og kontakten med kølestrukturen bestemmer den første.

Passiv varmeafgivelse og tvungen luftkøling

Passiv køling afgiver varme gennem pakkens struktur og den omgivende luft. Tvungen luftkøling bruger en ventilator. Luftkøling kan forenkle udstyret, men luftens lave varmekapacitet gør varmefjernelse og ensartet temperatur vanskeligere end ved væskekøling. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

Anden generation af Nissan LEAF e+ er et nyttigt eksempel på passiv køling. Nissans tekniske gennemgang fra 2022 klassificerer LEAF-systemet som naturlig varmeafgivelse. I testen med gentagen motorvejskørsel og lynladning faldt LEAF e+'s ladeevne fra anden opladning, efterhånden som batteritemperaturen steg. Den væskekølede Ariya bevarede ladeevnen i testen. Nissan Technical Review No. 88: Ariya battery and thermal control (2022)

Indirekte væskekøling

I et indirekte system adskiller faste kølestrukturer kølevæsken fra cellerne. De mellemliggende lags termiske modstand påvirker varmefjernelsen. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

Audis dokumentation for Q4 e-tron fra 2021 beskriver kølevæske af vand og glykol, der strømmer gennem flade kanaler under cellerummene. En varmeledende pasta forbinder batteriet med kølestrukturen, og en højspændingsvarmer opvarmer kølevæsken efter behov. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

Væskekredsen transporterer varme væk fra pakken, men skal derefter afgive den. En radiator overfører kølevæskens varme til udeluften, når temperaturforskellen tillader det. En chiller overfører varme fra kølevæsken til klimaanlæggets kølemiddel og muliggør kompressordrevet køling, når udeluften alene ikke er tilstrækkelig. Audi beskriver, hvordan batterikredsen i den oprindelige e-tron GT kobles til kølemiddelkredsen ved høj belastning. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Med en chiller går varmen fra cellerne til kølestrukturen, kølevæsken, kølemidlet og til sidst den udvendige varmeveksler. I modsætning til køling med radiator alene kan et køleanlæg køle batteriet under udetemperaturen.

Direkte køling med kølemiddel

Ved direkte kølemiddelkøling passerer kølemidlet gennem batteriets kølestruktur uden en mellemliggende vand-glykolkreds. Varmen når det gennem strukturen uden for de forseglede celler, og kølekredsen fører varmen ud af bilen. BMW beskrev løsningen i sit tekniske materiale om i3 fra 2013. BMW i Innovation Days: refrigerant cooling (April 2013)

Kølekontakt og placering

Køling fra cellens bund eller side skaber forskellige varmeveje gennem materialerne indeni. Li og kollegers studie af cylindriske celler viser, hvorfor huset og de interne forbindelser påvirker resultatet. Li et al.: cylindrical-cell tab design and cooling (2021) Celleformater behandler disse retningsafhængige varmeveje og eksempler på køling via tilslutningsfanerne mere detaljeret.

Porsches tekniske præsentation af Cayenne Electric fra 2025 beskriver batterikøling både oppefra og nedefra. Det er et konkret eksempel på ekstra køleflader til temperaturstyring i en pakke med store poseceller. Porsche: Cayenne Electric high-voltage system (2025) Pakkens strukturelle rolle og modulopbygning behandles i Batteripakke og konfiguration.

Hvordan batteriet opvarmes

En kølevæskevarmer omdanner elektrisk energi til varme og cirkulerer varmen gennem batteriets kølestruktur. Den kan forberede en kold pakke uden at vente på, at tab under kørsel varmer den op. Det oprindelige Q4 e-tron-system beskrevet ovenfor bruger denne løsning. Audi: Q4 e-tron battery, thermal management and charging (2021)

Varmepumper flytter varme mellem temperaturniveauer med en kølemiddelkreds. Under egnede forhold overstiger den leverede varme den elektriske energi, kompressoren bruger, fordi noget af varmen kommer fra en anden kilde. For en luftvarmepumpe reducerer koldere udeluft den tilgængelige varme og kan sænke virkningsgraden. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

Om en varmepumpe kan opvarme batteriet, afhænger af, hvordan dens kreds er forbundet til batterikredsen. Varmen kan også gå den anden vej: Audis dokumentation for den oprindelige e-tron GT beskriver, hvordan varmepumpen bruger spildvarme fra højspændingskomponenter til at opvarme kabinen. Audi: original e-tron GT battery and thermal management (2021)

Integrerede systemer kan omdirigere varme, som ellers ville blive afgivet. Nissan beskriver, hvordan termiske kredse for kabine, batteri og drivlinje kombineres for at genbruge varme fra kørsel og opladning til kabineklima og batteriets temperaturstyring. Nissan: electric vehicle thermal conditioning Varmegenvinding er nyttig, når en egnet kilde er til rådighed; efter langvarig nedkøling kan der i starten være lidt spildvarme at genvinde.

Temperaturmåling og styring

Batteristyringssystemet måler spændinger, strøm og temperaturer og bruger oplysningerne til at styre batteriets driftsgrænser. Texas Instruments: EV battery management systems Temperaturfølerne rapporterer forholdene dér, hvor de sidder. De måler ikke direkte hvert punkt inde i hver celle.

Den indre temperatur kan afvige fra overfladetemperaturen. NRELs forskning i ekstrem lynladning undersøgte målinger inde i celler og sammenhængen mellem temperaturvariationer og uens celleadfærd. NREL: Heat Generation Concerns Associated with Extreme Fast Charging (2020) Derfor kan pakkens gennemsnitstemperatur eller én værdi på instrumentpanelet ikke fuldt beskrive dens termiske tilstand.

Ujævn kølevæskefordeling eller kontakt kan efterlade varme områder i pakken. Køledesignet skal håndtere lokale varmeveje såvel som den samlede kapacitet til varmefjernelse. Kim and Pesaran: Battery Thermal Management Design Modeling (2007)

BMS og bilens øvrige styreenheder samordner tilladt effekt med det termiske udstyr. Hvis batteriet ikke kan modtage den ønskede strøm inden for sine grænser, skal bilen reducere strømmen, mens opvarmning eller køling virker. Batteristyringssystem forklarer overvågningen og beslutningerne om effektgrænser; temperaturstyringen leverer de fysiske midler til at ændre temperaturen.

Forudseende styring tilføjer information om, hvad der kommer. Audis dokumentation for Q6 e-tron fra 2024 beskriver brug af afgangstimer, rute og navigationsdata til at planlægge konditionering samt konditionering efter brug. Audi: Q6 e-tron technical facts (2024) Planlægning er vigtig, fordi cellernes indre reagerer langsommere, end det tager at tænde en varmer eller kompressor.

Normal temperaturstyring regulerer temperaturen under kørsel og opladning; Batterisikkerhed behandler begrænsning af fejl og beskyttelse mod spredning af termisk runaway.

Forkonditionering før opladning og afgang

Forkonditionering bringer batteriet tættere på de forhold, der kræves til en kommende opgave. Til lynladning kan det betyde opvarmning af en kold pakke eller køling af en varm. Kias amerikanske instruktionsbog for EV9 fra 2026 beskriver begge tilfælde og bemærker, at forberedelsen kræver tid og batterienergi. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Forberedelse til en lynlader

Navigationsbaseret forkonditionering lader bilen bruge det planlagte ladestop til at begynde forberedelsen undervejs. For den oprindelige e-tron GT oplyste Audi, at kølingen intensiveres omkring en halv time før ankomst til en lynlader valgt i navigationen. Separat beskrev Audi opvarmning af et meget koldt batteri kort efter en vinterstart for at forberede lynladning. Audi: original RS e-tron GT navigation and preconditioning

Manuel aktivering er nyttig, når føreren vælger et stop uden for den indbyggede ruteplanlægger. Volkswagens beskrivelse af ID.7 fra januar 2024 nævner Google Maps eller Waze via App Connect som eksempler: manuel forkonditionering er nyttig, når bilens egen ruteplanlægger er inaktiv. Volkswagen Netherlands: automatic and manual ID.7 preconditioning (January 2024)

Skærmen ovenfor viser en anslået aktuel lynladeevne på 155 kW og mulig optimering til 162 kW sammen med et estimat for forberedelsestiden. Det er bilens estimater, ikke lademålinger. Starter forberedelsen først kort før ankomst, kan tiden blive for knap.

En aktiv forkonditioneringsindikator viser, at forberedelsen kører, ikke at måltemperaturen er nået. Efter tilslutning afhænger ladeeffekten også af ladetilstand, bilens ladekurve og laderens kapacitet, som forklaret i Batteriopladning.

Forberedelse før afgang

Planlagt kabinekonditionering, batteriforkonditionering og afslutning af opladning er forskellige funktioner. En afgangstimer kan samordne dem, men den præcise funktion skal kontrolleres i bilens instruktionsbog.

Når forkonditionering bruger strøm fra nettet før afgang, kan den spare lagret batterienergi til turen. DOEs rapport om koldt vejr illustrerer det med forsøg med kabineforkonditionering: energiforbruget på en bykørselscyklus på 7,5 miles (cirka 12 km) ved 20°F (cirka −7°C) faldt med 9–20%. US Department of Energy: cold-weather EV performance (2024)

Forberedelse før afgang kan opvarme både kabine og batteri til kørsel. Teslas instruktionsbog til Model 3 beskriver eksempelvis opvarmning af batteriet efter behov, når kabineforkonditionering aktiveres. Tesla Model 3 owner's manual: cold-weather operation and preconditioning Forberedelse til et ladestop med høj effekt er en separat opgave, der kan kræve yderligere batteriopvarmning eller køling.

Kias amerikanske instruktionsbog for EV9 fra 2026 beskriver også batteriforkonditionering startet via app, mens bilen er parkeret. I denne tilstand stopper funktionen, når batteriet når det passende temperaturområde, eller efter 30 minutter. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Lav ladetilstand og aktiveringsgrænser

Forkonditionering bruger energi, som også kan være nødvendig for at nå laderen. Kias amerikanske instruktionsbog for EV9 fra 2026 siger, at funktionen kan være utilgængelig ved lav ladetilstand for at bevare rækkevidden, uden at angive en procentgrænse i afsnittet. Kia EV9: battery conditioning, 2026 US owner's manual

Begge billeder viser 12% SOC: det ene har symbolet for aktiv forkonditionering, mens det andet viser »Lavt batteriniveau. Batterikonditionering deaktiveret«. Den afrundede SOC-visning dokumenterer de observerede tilstande uden at fastslå den præcise afbrydelsesgrænse.

Energiforbrug og ydelse ved gentagen opladning

Batteriforkonditionering koster elektrisk energi. Som et hypotetisk regneeksempel bruger et system, der trækker gennemsnitligt 6 kW i 20 minutter, 2 kWh. Ved et antaget kørselsforbrug på 18 kWh/100 km svarer det til energien til cirka 11 km kørsel.

De 2 kWh beskriver trukket elektrisk energi, ikke varme leveret til cellerne. En modstandsvarmer omdanner strøm til varme, mens en varmepumpe kan tilføre varme hentet andre steder; noget varme opvarmer også andre komponenter eller forsvinder til omgivelserne.

På en tur med lynladestop kan energi brugt til at forberede batteriet reducere ladetiden. Det øger ikke automatisk rækkevidden. Afvejningen gælder forberedelsens energi, eventuelt reducerede tab og den sparede ladetid.

Test med gentagen opladning viser en anden egenskab end ét tal for maksimal effekt, som Nissan-sammenligningen ovenfor illustrerer. En nyttig sammenligning bør registrere omgivelsesforhold, ladetilstand ved ankomst, kørselsbelastning og indstillinger for forkonditionering sammen med laderesultaterne.