Batteriet – drivlinans energikälla
Batteripaketet är fordonets ”bränsletank” och lagrar all energi som behövs för att driva motorn.
Cellkemi
Litiumjonbatterier är idag standard i moderna elfordon tack vare deras höga energitäthet, låga vikt och goda cykellivslängd. Ett batteripack håller normalt i 5 till 6 år vid normal användning. Det finns variationer som NMC och LFP med olika styrkor gällande energitäthet och stabilitet, men båda fungerar utmärkt i tvåhjuliga fordon.
Blyackumulatorer (bly) var vanliga förr men är tunga och har låg energitäthet. Ett modernt litiumbatteri kan väga så lite som en tiondel av ett blybatteri med samma energiinnehåll.
Nickel-metallhydridbatterier (NiMH) förekommer sällan idag för drivlinor då de har bättre energitäthet än bly men sämre än litium samt högre självurladdning. För hög prestanda och hobbybyggen är litium det praktiska valet.
Litiumpolymer (LiPo) erbjuder ofta ännu högre energitäthet och lägre intern resistans än många andra litiumvarianter, vilket ger möjlighet till höga strömmar och lågt spänningsfall under last. Nackdelen är högre brandrisk och krav på mycket noggrann hantering gällande laddning, mekaniskt skydd och temperatur.
Intern resistans (r) är battericellens inre motstånd. Den orsakar spänningsfall under last enligt Uterm = Uoc − I·r och förluster som värme enligt Pförlust = I²·r. Låg inre resistans ger mindre värme och högre tillgänglig effekt.
- LiPo: Mycket hög energitäthet, låg intern resistans (hög strömkapacitet), men högre brandrisk och hårdare krav på hantering.
- Litiumjon: Hög energitäthet, låg vikt, bra cykellivslängd.
- NiMH: Medel energitäthet, högre självurladdning, sällsynt i drivlinor.
- Bly: Låg energitäthet, tungt, kortare livslängd, används främst för start av förbränningsmotorer.
Batteristruktur och BMS
Ett batteripack är uppbyggt av många mindre battericeller. Ofta används cylindriska celler av typen 18650 eller 21700 (typiskt 18 mm x 65 mm eller 21 mm x 70 mm). Dessa kopplas samman i serie (S) för att öka batteriets spänning och parallellt (P) för att öka kapaciteten och strömtåligheten. Exempelvis innebär en konfiguration på 20S4P att man har 20 cellgrupper i serie där varje grupp består av 4 parallellkopplade celler.
Ett så kallat BMS (Battery Management System) är helt nödvändigt i seriekopplade litiumbatterier. Systemet övervakar varje grupp av celler och begränsar strömmen vid både laddning och urladdning. Det skyddar också mot farliga spänningsnivåer och balanserar cellerna så att de håller samma laddningsnivå. Utan denna balansering riskerar batteriet att ta skada eller tappa kapacitet över tid, vilket i värsta fall kan leda till brand.
Spänning, kapacitet och ström
Mängden energi i ett batteri mäts i wattimmar (Wh) som beräknas genom spänning gånger amperetimmar (U × Ah). Till exempel ger 72 V × 8 Ah exakt samma energimängd som 36 V × 16 Ah, nämligen 576 Wh. De flesta elcykelbatterier brukar ligga på mellan 250 och 600 Wh. Batteriet i Gbike 1 har en energimängd på närmare 600 Wh vilket ger god räckvidd även för ett så pass kraftfullt fordon.
Fun fact: 600 Wh jämfört med bensin
I ren energimängd motsvarar 600 Wh bara cirka 0,065 liter (6,5 cl) bensin!
Men här kommer magin: En förbränningsmotors verkningsgrad är bara ~20–25%(resten blir värme och ljud), medan en elmotor når ~85–90% verkningsgrad! Det innebär att 600 Wh elektrisk energi kan göra bra mycket mer arbete i ett elfordon än 0,065 liter bensin i en förbränningsmotor, trots att det är samma energimängd.
Tack vare eldrivlinans höga effektivitet kommer vi alltså 3–4 gånger längre per energienhet – därför räcker 600 Wh till flera mil körning trots den "lilla" energimängden!
När man belastar ett batteri sjunker spänningen något på grund av den inre resistansen (r) i celler och kablar. En enkel modell för detta är Uterm = Uoc − I·r, där Uoc är spänningen vid öppen krets. Effekten ut blir ungefär Put ≈ Uterm·I medan förlusterna som blir värme är Pförlust = I²·r. En högre spänning (U) innebär att man kan ta ut samma effekt med lägre ström (I), vilket minskar både spänningsfall och värmeförluster.
Genom att parallellkoppla fler celler (fler P) minskar man den totala inre resistansen vilket är bra för att minska spänningsfall. Genom att seriekoppla fler celler (högre S) höjer man systemspänningen. Man balanserar dessa två metoder för att få önskad prestanda i förhållande till effekt och räckvidd.
Notera
En högre systemspänning tillåter hög effekt utan orimliga strömmar. Samtidigt är 72 V tillräckligt lågt för att beröring normalt inte ska kännas farligt, men man ska alltid vara försiktig med el.
GBIKE 1: 20S 72 V litiumjonbatteri
Batteriet i GBIKE 1 är konfigurerat som 20S vilket innebär 20 cellgrupper i serie. Detta ger en nominell spänning på 72 V och en fulladdad spänning på 84 V, vilket är betydligt högre än vanliga elcyklar som ofta ligger på 36 eller 48 V. Den höga spänningen är avgörande för att kunna ta ut hög effekt. Batteriet kan leverera upp till 80 A ström.
Teoretiskt innebär det en effekt på 72 V × 80 A ≈ 5760 W (~5,8 kW). I praktiken sjunker spänningen något vid belastning men det ger en bra bild av kapaciteten. Alla komponenter som kablar och kontakter är dimensionerade för att hantera dessa strömmar säkert, och BMS:en ser till att allt fungerar som det ska.