Introduktion och bakgrund
Temperatur är en ofta underskattad faktor när det gäller prestandan hos stationära energilager, särskilt i nordiska klimat. För att säkerställa att batterier levererar som de ska, har det blivit vanligt att installera energilager inomhus snarare än utomhus. Detta beror på att battericeller i traditionella energilager presterar bäst vid temperaturer mellan cirka 20 och 30 grader Celsius. Vid både högre och lägre temperaturer minskar batteriets förmåga att ladda och leverera energi. I detta inlägg fördjupar vi oss i hur temperaturen påverkar batteriprestanda, samt varför nya tekniker – som semi solid state LFP – kan erbjuda bättre prestanda i utmanande klimat.
Vad påverkar temperaturprestandan i ett stationärt energilager (av typen LFP)?
Batteriets temperaturprestanda avgörs till stor del av dess interna kemi och konstruktion. I ett traditionellt LFP-batteri (litiumjärnfosfat) är elektrolyten flytande, vilket innebär att den är känslig för temperaturförändringar. Vid låga temperaturer blir elektrolyten trögflytande, vilket försämrar förmågan att transportera litiumjoner mellan batteriets elektroder. Resultatet är sämre prestanda vid både laddning och urladdning. Ett vardagligt exempel är när mobiltelefonen laddar ur snabbt i skidbacken – kylan gör att elektrolyten fungerar sämre och telefonen stänger av sig. När man sedan kommer in i värmen återhämtar sig batteriet och fungerar igen. Den kemiska processen kan återupptas.
Samma princip gäller för stationära energilager i nordiska klimat. För att undvika prestandaförluster installeras batterier ofta inomhus, men även då kan temperaturvariationer påverka effektiviteten. Utvecklingen av nya batteritekniker har därför fokuserat på att förbättra temperaturtåligheten och säkerställa hög prestanda även vid extrema temperaturer.
Det är inte bara kylan som är problemet – värmen också
Det är lätt att fokusera på kyla som den största utmaningen för batteriprestanda i nordiska klimat, men värme kan vara minst lika problematisk – särskilt under soliga dagar när batterierna används som mest. Vid höga temperaturer försämras batteriets förmåga att leverera och ta emot energi, och den kemiska stabiliteten i cellerna påverkas negativt. Detta kan leda till snabbare åldrande, minskad kapacitet och i värsta fall säkerhetsrisker. Trots detta saknar många batterisystem avancerade kylsystem, vilket gör dem sårbara vid värmetoppar. Det finns dock lösningar: vissa system är utrustade med luftkylning via fläktar, medan andra använder vätskekylning för att hålla batterimodulerna inom ett optimalt temperaturområde. Att hantera värme är särskilt viktigt eftersom den ofta sammanfaller med hög belastning – just när solen skiner och batteriet förväntas leverera som mest. Därför är det avgörande att välja ett energilager med rätt typ av kylsystem för att säkerställa lång livslängd och pålitlig prestanda även under varma förhållanden.
Hur skiljer sig Semi Solid LFP och vanlig LFP när det kommer till temperaturprestanda?
Semi solid state LFP-batterier representerar ett stort steg framåt när det gäller temperaturprestanda. Till skillnad från traditionella LFP-batterier, där elektrolyten är helt flytande, har semi solid state-tekniken en elektrolyt som snarare liknar en gel eller en porös svamp med låg andel flytande vätska. Denna konstruktion gör att batteriet kan leverera energi effektivt även vid låga temperaturer, eftersom elektrolyten inte blir lika trögflytande som i traditionella batterier.
Det innebär att semi solid LFP-batterier kan laddas och urladdas med hög prestanda över ett bredare temperaturspann – både i kallt och varmt klimat. För användare i Norden, där temperaturen kan variera kraftigt, är detta en stor fördel. Tekniken gör det möjligt att installera energilager utomhus eller i mindre uppvärmda utrymmen utan att kompromissa med prestandan. Dessutom presterar semi solid state-tekniken bättre än traditionella LFP-batterier vid både laddning och urladdning, vilket ger ökad flexibilitet och tillförlitlighet för energilagring året runt.
Sammanfattningsvis innebär semi solid state-tekniken att batteriet blir mindre känsligt för temperaturvariationer och kan leverera hög prestanda även när klimatet är utmanande – en avgörande egenskap för framtidens energilager i nordiska förhållanden.
Semi solid state-tekniken har därmed en fördel gentemot traditionella litiumjonbatterier med flytande elektrolyt, både i kallt klimat och i varmt klimat. En annan fördel är att semi solid state-tekniken presterar bättre vid både uppladdning och urladdning än ett traditionellt LFP-batteri.
Figur 1. Temperaturprestanda i- och urladdning av Semi solid LFP från Qingtao och ”vanlig” LFP från Great Power.
Uppladdning och urladdning som funktion av SoC
Utöver ett bredare temperaturspann måste man också ta i beaktning att ett batteri har fysiska begränsningar. När ett batteri laddas upp kan man från 0-60% få ut 1,0C ur batterimodulen, men när laddningen i batteriet når 60 grader och över klinar kapaciteten av från 0,6 till 0,5 och slutligen 0,2 innan batteriet är fulladdat. Det är alltså inte möjligt att hålla full iladdning från 0-100%. Man kan se exakt samma fenomen i en elbil som snabbladdar. Från tomt batteri upp till en bit efter hälften är det full fart, men sedan minskar laddhastigheten. Detta har att göra med att batteriet rent kemiskt blir mättat och att det interna motståndet ökar (så också de interna värmeförlusterna). Man skall alltså både av säkerhetsskäl och prestanda sänka laddningseffekten sista tredjedelen (70-100% SOC).
Figur 2. Temperaturprestanda från en batteritillverkare vars batteri max kan ladda ur 1,0C.
På samma sätt kan man se trenden vid urladdning där det går att hålla hög effekt (urladdningsström) vid hög SOC. Men när batteriet börjar bli tomt (ca kring 20% SOC) så minskar urladdningseffekten.
Figur 3. Temperaturprestanda från en batteritillverkare vars batteri max kan ladda i 1,0C
Exempel på hur du skall tänka som systemdesigner
En tydlig trend som kan ses i temperaturgraferna är att ett batteri levererar bättre under både kalla och varma temperaturer när man inte maximerar C–talet. Låt oss ta ett exempel med en 10kW Solis växelriktare som har 50A på batteriingången. Om vi har ett qapasity Arctic Series batteri med 4 batterimoduler (21,68kWh) så kan det leverera 53A (pga att battericellen är på 53Ah). Växelriktaren kan inte ta emot mer än 10kW. Detta innebär att växelriktaren kommer dra 10/21,68=0,46 (dvs C-tal 0,46). Tack vare att man relativt sett har mycket batterikapacitet men förhållandevis en mindre växelriktare kan man hålla nere c-talet och på så sätt uppnå maximal effekt från växelriktaren 10kW och samtidigt mycket god temperaturprestanda.
Om man läser av diagramet vid C=0,46 så kan man läsa ut följande punkter och temperatudata:
Punkt A: lägsta temperatur då batteriet kan ladda: ca 9 grader celsius.
Punkt B: högsta temperatur då batteriet kan ladda: ca 56 grader.
Punkt C: lägsta möjliga temperatur då batteriet kan ladda ur: ca -26 grader.
Punkt D (syns ej i grafen) är varmaste temperaturen då batteriet kan ladda ur: denna är specificerad till max 55 grader enligt celltiverkaren.
Låt oss sammanfatta exemplet:
- Hög batterikapacitet (kWh) till en “mindre” växelriktare rekommenderas om höga effekter skall tas ut ut en batteristack som placeras utomhus.
- använd lägre c-tal, helst 0,5 och under för bästa prestanda.
- Semi solid state-tekniken ger mycket bra prestanda i utmanande temperaturmiljöer.
Inbyggd uppvärmning
qapasitys Arctic Series är framtagen för nordiskt klimat och för att klara extrem kyla. I varje batterimodul sitter det två stycken värmeplattor som aktiveras via batteriets Battery Management System (BMS). Dessa möjliggör att varje batterimodul kontrollerar sin egen temperatur. På så sätt kan uppladdning och urladdning göras med bibehållen prestanda även om omgivningstemperaturen är mycket låg. Batterimodulen kan därför installeras utomhus och leverera vid temperaturer ned till -25 grader celsius.
Det kommer alltså vara lika lätt att byta EMS-leverantör som det är att byta leverantör av e-sim. Detta kommer göra att konkurrensen ökar och kommer driva på den tekniska utvecklingen samt att konsumentens intressen tillvaratas då man vid nya tjänster och teknologier snabbt kan byta spår och inte sitter fast i slutna lösningar med dyr hårdvara som man inte kan byta ut.
Figur 5. qapasity Artic Series är framtagen för nordisk klimat och för tat klara extrem kyla.
Sammanfattning
Sammanfattningsvis växelverkar både cellteknologin (semi solid state LFP) med den inbyggda uppvärmningen för att batterimodulen alltid skall leverera enligt de tuffa krav qapasity ställer på våra produkter. Produkten har genomgått rigorösa tester både av battericellerna, BMS-enheten och batterimodulen, samt av hela systemet för att försäkra oss om att vi kan hålla vad vi lovar när det kommer till prestanda.