Volvo Cars arbetar med en ny batteriteknik som kan göra åtta av elbilens viktiga funktioner till ett enda integrerat system. Nu avslöjar ingenjörernas egen forskningsrapport ännu mer om tekniken som Carup avslöjat. Bland revolutionen finns växelströmsladdning med hela 200 kW, battericeller med olika kemi och teknik som kan hålla batteriet varmt i vinterkyla.
Tänk dig en elbil där batteriet inte bara lagrar energin. Det sköter också arbetet som normalt utförs av flera separata, dyra komponenter. Batteriet omvandlar strömmen till elmotorn, hanterar laddningen och fördelar elektriciteten mellan bilens olika system.
Det är vad Volvo Cars försöker utveckla med den nya tekniken SmartCell. Under söndagen berättade Carup om två nya patentansökningar som avslöjar hur Volvos ingenjörer arbetar med att styra de intelligenta battericellerna. Men en närmare granskning av en forskningsrapport från Volvo visar att ambitionerna är ännu större.
Volvo beskriver nämligen SmartCell som ett 8-i-1-system. Åtta funktioner som i en traditionell elbil hanteras av flera olika delar ska kunna samlas i batteripaketet. Och tekniken har redan testats i en provrigg.
Åtta funktioner byggs in i batteriet
En vanlig elbil innehåller en mängd elektronik som gör att energin från batteriet kan användas för att driva bilen och försörja andra elektriska system. Batteriet ger likström. Elmotorn behöver växelström. När bilen laddas med växelström måste elektriciteten omvandlas i motsatt riktning. Andra komponenter ser till att bilen får rätt spänning och att battericellerna arbetar säkert.
Det gör dagens elbilar avancerade och dyra att tillverka. Volvo vill nu samla en stor del av detta i samma konstruktion. I forskningsrapporten beskriver ingenjörerna hur SmartCell integrerar växelriktarnas funktioner, DC/DC-omvandlare, ombordladdare, batteriövervakning, batteriets frånkopplings- och distributionsfunktioner, fordonsstyrning och hjälpkraftförsörjning.
Resultatet blir ett batteripaket som innehåller stora delar av den elektronik som annars finns utspridd i bilen. Det betyder inte att all elektronik försvinner. SmartCell ersätter stora, separata komponenter med ett stort antal mindre kretskort och elektroniska omkopplare som byggs in i batteriet. Men Volvo räknar med att den nya lösningen kan minska behovet av separata kapslingar, kablar, kylsystem och andra delar som tillkommer i en konventionell drivlina. Det är framför allt här som de stora besparingarna kan finnas.
Kan ladda med 200 kW på växelström
En av forskningsrapportens mest uppseendeväckande uppgifter handlar om laddningen. Volvo beskriver hur SmartCell i framtiden skulle kunna hantera 100–200 kW vid AC-laddning, förutsatt att elnätet kan leverera tillräckligt hög effekt. Det är en helt annan nivå än dagens vanliga växelströmsladdning.
Många elbilar i Europa är begränsade till 11 kW vid AC-laddning. Vissa klarar 22 kW. För betydligt snabbare laddning används normalt likströmsladdning, DC, där laddstationen sköter omvandlingen av elektriciteten. Men SmartCell använder samma kraftiga elektronik för att driva elmotorn som för att hantera laddningen. Därmed kan batterisystemet i princip ta emot mycket högre effekt från växelström utan en traditionell separat ombordladdare.
Det öppnar för en intressant möjlighet: framtida snabbladdning med AC, som ett komplement till dagens DC-snabbladdare. Men det finns dock inte många som har en så hög effekt på sitt elabonnemang.
Volvo har redan lyckats ladda utan vanlig ombordladdare
Även om den extrema laddkapaciteten tillhör framtiden har Volvo redan testat grundprincipen. I forskningsrapporten redovisar ingenjörerna hur batteriets egna kretskort användes för att ta emot växelström från elnätet, utan en traditionell separat ombordladdare.
De har också undersökt en av teknikens svåraste säkerhetsfrågor. När batteriet ansluts till elnätet utan galvanisk isolering måste systemet hantera risken för läckströmmar. Det kräver mycket tillförlitlig övervakning och snabba skyddsmekanismer. Volvo genomförde ett test där laddningen utsattes för störningar från elnätet med frekvensen 400 Hz. Trots störningarna höll sig läckströmmen under den angivna gränsen på 30 milliampere. Jordfelsbrytaren löste inte heller ut.
Billiga och dyra battericeller kan blandas
En annan möjlighet är att Volvo kan bygga batterier som kombinerar olika typer av celler. Dagens elbilstillverkare tvingas ofta göra en avvägning mellan pris, energitäthet och hur mycket effekt batteriet kan leverera. Litiumjärnfosfat, LFP, har blivit populärt eftersom det kan ge relativt billiga batterier. NMC-celler används bland annat när tillverkaren prioriterar hög energitäthet.
Med SmartCell skulle Volvo kunna kombinera olika cellkemier i samma batteripaket. Det intelligenta styrsystemet kan välja vilka batterigrupper som ska arbeta mest beroende på hur mycket kraft bilen behöver. Vid lugn körning kan celler som är bra på att lagra mycket energi användas mer. När föraren trycker gaspedalen i botten kan andra celler, som är bättre på att snabbt leverera stora mängder ström, hjälpa till.
Forskarna beskriver också möjligheten att blanda celler av olika storlek. Det skulle kunna göra det lättare att utnyttja utrymmet i batteripaketet. Tekniken skulle därmed kunna ge biltillverkarna större frihet att kombinera räckvidd, prestanda och låga kostnader. Men rapporten visar inte att Volvo redan serieproducerar eller har långtidstestat ett batteri med blandade cellkemier.
Batteriet kan värma sig självt i kylan
SmartCell kan också få betydelse för hur elbilar fungerar på vintern. När battericeller blir kalla ökar deras inre motstånd. Det påverkar hur effektivt de kan laddas och leverera energi. Därför använder moderna elbilar system som värmer batteriet till en lämplig temperatur. Vanligtvis sker det genom att värma batteriets kylvätska, som sedan överför värmen till cellerna.
Men det innebär också att en del energi går förlorad på vägen. Volvos forskare beskriver i stället möjligheten att använda styrda elektriska strömmar för att skapa värme direkt inne i battericellerna. På så sätt kan batteriet värmas mer direkt, utan att all värme först behöver gå genom kylsystemet.
Kan minska slitaget på batteriet
En viktig fördel med SmartCell är att batteriets många grupper kan styras självständigt. I ett vanligt batteripaket kan skillnader mellan celler påverka hur hela batteriet fungerar. En grupp som är mer sliten eller har lägre laddningsnivå kan behöva skyddas från alltför hög belastning. Med SmartCell kan styrningen fördela arbetet mellan grupperna.
Vissa kan kopplas bort tillfälligt, medan andra får bidra mer. Batteriet kan också balansera cellerna under körning, laddning och när bilen står stilla. Forskarna beskriver dessutom hur laddningspulser och viloperioder skulle kunna användas för att minska slitaget. I rapporten hänvisar de till tidigare forskning där en särskild pulsladdningsmetod gett bättre kapacitetsbevarande efter upprepade laddcykler.
Trådlös kommunikation mellan cellerna
För att systemet ska fungera måste många separata batterigrupper kunna arbeta tillsammans med mycket hög precision. Volvo har därför utvecklat en lösning med trådlös kommunikation mellan den centrala styrenheten och kretskorten i batteriet. Forskarna beskriver ett system med upp till 100 batterigrupper, där styrinformation kan skickas ungefär 1 000 gånger per sekund.
Varje batterigrupp får instruktioner om hur den ska bidra till den elektriska strömmen. Sedan sköter dess egen elektronik de snabba omkopplingarna. Systemet måste dessutom kunna hantera störningar. Om en batterigrupp tillfälligt förlorar kontakten med den centrala styrenheten kan den under en begränsad tid fortsätta att beräkna hur den ska arbeta. Om problemet kvarstår ska skyddsfunktioner kunna ingripa.Volvo har redan byggt fungerande provrigg
Det är inte bara framtidsvisioner som presenteras i forskningsrapporten. Volvos ingenjörer har testat systemet i hårdvara. Bland annat har de visat att batterigrupperna kan skapa ström för att driva en elmotor, hantera AC-laddning och leverera reglerad likström till andra elektriska system.
LÄS MER:
Maths Nilsson är motor- och ekonomijournalist och grundare av Carup, har mångårig erfarenhet från stora mediehus och tidningar. Mer information och kontaktuppgifter
