Hur fungerar en elbil?
Hur fungerar egentligen en elbil?
Varför håller inte batteriet hur länge som helst?
Behöver man en särskild laddare?
Svar på dessa frågor och många andra får du här.
---------------------------------
Hur fungerar en batteribil?
Batterifordon är, åtminstone i teorin, mycket simplare i sin uppbyggnad än fordon med förbränningsmotor. För att visa hur ett elfordon fungerar används i exemplen här en batteribil, men alla batterifordon – från mopeder till bussar – följer samma principer. En batteribil har fem huvudkomponenter, uppräknade från vägguttaget till drivhjulen:
1) Laddare – omvandlar växelströmmen i vägguttaget till likström med passande spänning som laddar batteriet.
2) Batteri – lagrar el-energin i kemisk form. Det är bilens ”bränsletank”.
3) Batteriövervakningssystem – ser till att batteriet inte överladdas eller under-urladdas. Är också bilens ”bränslemätare”.
4) Motorstyrning – är elbilens ”gaspedal”. Motorstyrningen gör om likströmmen från batteriet till passade form till motorn (likström till en likströmsmotor, växelström till en växelströmsmotor). Ju hårdare du trycker på gasen, desto mer effekt får motorn och desto snabbare går bilen.
5) Motor – driver bilen framåt.
Här följer en förenklad beskrivning av de olika komponenterna.
1) Laddare
Laddaren omvandlar växelströmmen i vägguttaget till likström med passande spänning som laddar batteriet. I ett svenskt vägguttag är det vanligen spänningen 230 V och frekvensen 50 Hz (andra länder har andra spänningar, USA har t.ex. 120 V och 60 Hz). I ett svenskt vägguttag skiftar alltså elen från plus till minus och tillbaka 50 ggr per sekund. Det är alldeles utmärkt för många ändamål, men inte om man vill ladda ett batteri – ett batteri måste laddas med likström. Laddaren uppgift är att göra om växelströmmen till likström med en passande spänning. Batterispänningen i en elbil kan vara allt från 24 V i en elmoped upp till 800 V i en racerbil. Spänningen är sällan lägre eller högre än så. Laddaren behöver dock ge lite högre spänning än batterispänningen – i storleksordningen 10-20 % högre – för att kunna ”trycka in” energin i batteriet. Den högre spänningen krävs dels för att övervinna batteriets inre elektriska motstånd, dels för att ”bryta isär” molekylerna inuti batteriet.
Eftersom batterispänningen skiljer så mycket mellan olika typer och modeller av bilar, så behövs olika modeller av laddare. Vissa laddare går att ställa, medan andra har en förbestämd spänning. Fel spänning på laddaren gör antingen att batteriet inte laddas, eller att det blir totalförstört och i värsta fall kan börja brinna. Det är alltså viktigt med rätt laddare. Om man köper en serieproducerad elbil ingår förstås laddaren. Den är oftast inbyggt i bilen så att man kan ”plugga in” sin bil i vilket vägguttag som helst. Om man bygger en egen elbil måste man hitta rätt laddare själv, vilket kan vara en utmaning.
Laddaren är i princip alltid inbyggde i en plåt- eller plastlåda och är vanligtvis stort som en skokartong eller en liten portfölj. För ett litet elektrisk fordon som en moped eller elektrisk rullstol kan laddaren vara liten som ett mjölkpaket. Det finns laddare som kan ladda en elbil på 10 minuter. Dessa är oftast stora som kylskåp och står utanför bilen.
2) Batteri
Batteriet är den eldrivna bilens hjärta. Den lagrar el-energin i kemisk form och kan ses som bilens ”bränsletank”.
Kemin inuti ett batteri är komplicerad eller väldigt komplicerad, men förenklat kan man säga att det är två ämnen som reagerar med varandra och den kemiskt bundna energin omvandlas till elektrisk energi. (Se figur nedan). När batteriet är urladdat har alla molekyler reagerat med varandra. Genom att tvinga in elektrisk energi i batteriet kan ämnena separeras igen och elektriciteten lagras i form av kemisk energi. Batteriet har då laddats upp igen. Förhållandet mellan den mängd energi som man stoppar in i batteriet vid laddningen och den mängd energi som man kan få ut vid urladdningen kallas batteriets i- och urladdningsverkningsgrad. En del av energin förloras som värme i batteriet. I de bästa batterierna förloras bara några få procent av energin varje gång de laddas eller urladdas. I- och urladdningen kan repeteras flera tusen gånger i ett bra batteri, upp till 10.000 gånger i de allra bästa. Anledningen till att det inte går att upprepa i oändlighet är att varje gång batteriet laddas upp och ur så går inte riktigt alla atomer tillbaka till sin plats, därför tappar batteriet successivt sin kapacitet. Sen finns det förstås batterier som inte kan laddas upp alls, t.ex. ficklampsbatterier, men de passar bara i leksakbilar.
Ett batteris användning och laddning kan förenklat visualiseras så här:
A) Fulladdat: När batteriet är fulladdat så är de aktiva ämnena i batteriet separerade. De aktiva ämnena kan vara t.ex. bly, nickel eller litium. Det är sällan ”rena” ämnen som är de aktiva beståndsdelarna i ett batteri, utan det är en kemisk förening med något annat ämne, t.ex. litium-järn-fosfat. De två ämnena vill reagera med varandra, men kan inte eftersom de på olika sätt är avskiljda från varandra inuti batteriet. Just separeringen av de aktiva ämnena är bland det mest komplicerade i ett batteri och kommer inte att diskuteras närmare här.
B) Urladdning: Om man kopplar in batteriet till t.ex. en motor, så flödar elektronerna från batteriets minussida, genom motorn och får den att rotera genom att den skapar ett magnetfält, och sedan tillbaka in i batteriet på plussidan. I precis samma ögonblick som du trycker på gaspedalen och säger åt motorstyrningen att du vill att bilen ska gå snabbare, så reagerar de kemiska ämnena i batteriet och avger precis den mängd elektroner som behövs. Det är nästan magi.
Hur mycket energi som batteriet avger bestäms enkelt uttryckt av hur många elektroner, alltså hur mycket energi, man tillåter det att flöda från minuspolen till pluspolen. Man kan bildlikt säga att den finns ett ”tryck” inuti batteriet och att elektronerna vill gå från minuspolen till pluspolen. Om man kortsluter batteriets båda poler, t.ex. genom att man tappar en skiftnyckel på det, så kommer batteriet ögonblickligen att avge så mycket ström det kan. Strömstyrkan i ett vanligt startbatteri i en bil är så stark att skiftnyckeln genast kommer att bli glödande. Det kommer också att spruta gnistor precis som när man svetsar med el (det ser ut som ett fyrverkeri, för den som aldrig har svetsat). Både skiftnyckeln och batteriet kommer förstås att bli totalförstört, bilen kan bli skadad och i värsta fall kan människor bli skadade. Batterier ska alltså hanteras med varsamhet och stor respekt.
C) Urladdat - ”tomt”. När alla molekyler i batteriet har reagerat med varandra så är det urladdat – eller som man säger i dagligt tal ”tomt”. Ingen mer energi kan avges. Detta betyder däremot inte att all kemisk aktivitet har avstannat inuti batteriet. I vissa typer av batterier, t.ex. blybatterier, fortsätter de ingående ämnena att reagera med varandra, men utan att avge elektricitet. Dessa kemiska reaktioner är oftast inte bra för batteriet. I ett blybatteri som står urladdat bildas blysulfat, så kallad ”sulfatering”, och detta gör att batteriets förmåga att lagra energi försämras drastiskt för att tillslut förloras helt. Vissa påstår att redan efter så lite som ett dygn, så börjar sulfateringen. Blybatterier bör därför aldrig lämnas helt urladdade, utan mår bäst av att alltid vara fulladdade.
D) Uppladdning. Genom att tvinga in elektricitet i batteriet kan de aktiva ämnena separeras och energi kan lagras i batteriet. För att kunna "bryta isär" molekylerna inuti batteriet måste spänningen man laddar med vara lite högre än den spänning man kan ta ur batteriet. Ett vanligt startbatteri i en bil har spänningen 12 V ifall du mäter med en voltmeter, men laddaren (eller bilens generator) måste ge runt 14,5 V för att kunna ladda det.
I praktiken är förstås kemin i ett batteri mycket, mycket mer komplicerad, men detta är de grundläggande principerna.
Vanliga typer av batterier
De vanligaste typerna av batterier i eldrivna fordon är bly, nickelmetallhydrid (NiMH), nickelkadmium (NiCd) och litiumbatterier. Blybatterier används framförallt i långsamma elfordon som elektriska rullstolar, mopeder, fyrhjuliga EU-mopeder, gaffeltruckar och golfbilar. Blybatterier är billiga men lagrar lite energi, dem är alltså ”tunga”. Blybatterier används också som startbatterier i alla vanliga bensin- och dieselbilar. Många befintliga elbilar har nickelkadmiumbatterier (NiCd) som kan lagra ungefär 50 % mer energi än blybatterier, men det byggs inga nya elfordon med denna typ av batterier. Kadmium är en tungmetall som kan ge skador på både miljö och människor ifall det kommer ut i naturen vid gruvbrytning, batteritillverkning och batteriåtervinning. Man försöker därför få bort kadmium från alla produkter, såväl från batterier som konstnärsfärg och andra produkter. Samtliga serietillverkade hybridbilar har nickelmetallhydridbatterier (NiMH). Dem kan lagra ungefär dubbelt så mycket energi som blybatterierna, men är dyra och används därför främst i hybridbilar som har förhållandevis små batterier. En Toyota Prius har ett batteri som väger 39 kg, en Lexus hybrid 60-70 kg, medan blybatterierna i en golfbil kan väga flera hundra kg.
Den batterityp som är aktuell för batteridrivna bilar är främst litiumbatterier. Dessa lagrar minst 3 ggr mer energi per kg än blybatterier, och dem kan bli billigare än nickelmetallhydridbatterierna. Litiumbatterier sitter bl.a. i mobiltelefoner och bärbara datorer, men kemin inuti batterierna till bilar är lite annorlunda. Säkerhetskraven på ett batteri som väger 300 kg är mycket högre än för ett batteri som väger 30 gram. Dessutom måste bilens batteri ha en livslängd på minst 10 år, medan batteriet i mobilen eller datorn ofta ”tar slut” inom ett par år.
Närbil på litium-järn-fosfatbatteriet från tillverkaren Thunder Sky. Foto: Eva Håkansson, EV World Sverige
Superkondensatorer är ett elektrostatiskt energilager, inte ett kemiskt energilager som batterier. Superkondensatorer kan ta upp och ge ifrån sig effekt oerhört snabbt, dem kan laddas fulla och urladdas helt på några sekunder. De lagrar dock väldigt, väldigt lite energi (ungefär en tjugondel som mycket som litiumbatterier) och kan inte användas som energilager i en batteribil. Superkondensatorer kan användas i hybridbilar, vilket bl.a. Scania har visat med sin hybridprototypbuss.
Så här lång kommer man med 200 kg batterier i en mellanstor familjebil:
3) BMS, batteriövervakningssystem
Litiumbatterier är känsliga för djup urladdning och för hög laddning. Laddar man ur litiumbatterier för djupt så kan dem skadas och få mycket lägre kapacitet och ett mycket kortare liv. Laddar man i mer energi än man bör så händer samma sak, och vissa typer av litumbatterier kan dessutom i värsta fall börja brinna. Mobiltelefoner, bärbara datorer och all annan elektronik med litiumbatterier har elektronik som stänger av laddaren när den har kommit till rätt nivå, och stänger av apparaten när batteriet inte får urladdas mer. Samma typ av system måste man ha i ett fordon med litiumbatterier, och kommer förstås att finnas i alla serieproducerade bilar.
Även andra typer av batterier, t.ex. nickelmetallhydrid-, nickekadmium- och blybatterier mår mycket bättre och får ett längre liv med ett batteriövervakningssystem. Batteriövervakningssystemet kallas ofta BMS efter engelskan Battery Management System.
Självklart kommer en varningssignal säga till i god tid innan strömmen är slut, precis som på en mobiltelefon eller dator, så att man kan köra till närmaste laddplats. En eldriven bil har förstås också en ”bränslemätare” som visar hur mycket energi man har kvar i batteriet.
4) Motorstyrning eller reglering
Motorstyrningen, även kallad reglering, är elbilens ”gaspedal”. Motorstyrningen innhåller elektronik gör om likströmmen från batteriet till passade form till motorn. Ju hårdare du trycker på gasen, desto mer effekt får motorn och desto snabbare går bilen. En motorstyrning kan vara liten som ett mjölkpaket eller stor som en resväska, helt beroende på vilken effekt (antal hästkrafter) motorn har. Mycket effekt = stor motorstyrning.
En liten motorstyrning till en elektrisk motorcykel, storlek som ett mjölkpaket och maxeffekt ungefär 25 kW. Foto: Eva Håkansson, EV World Sverige
5) Motor
Elmotorn får sin energi från batteriet och driver bilen framåt. Det finns ett flertal olika typer av elmotorer, och förstås ett oräkneligt antal fabrikat och modeller. Grundtyperna är dock bara två: likströmsmotorer och växelströmsmotorer. De kallas också DC-motor respektive AC-motor från engelskans ”Direct Current” (likström) och ”Alternating Current” (växelström). De fundamentala principerna är dock dem samma i båda motortyperna – ett magnetfält roterar runt på insidan av motorns ytterhölje och ”drar” med sig rotorn inuti. Rotorn är kopplad till bilens drivaxel/drivhjul och driver på så sätt bilen framåt. Skillanden är hur det roterande magnetfältet skapas.
I likströmsmotorn skapas det roterande magnetfältet mekaniskt, medan det i växelströmsmotorn skapas elektroniskt i motorstyrningen. Det innebär att själva likströmsmotorn är mer komplicerad än själva växelströmsmotorn, men likströmsmotorns motorstyrning är enklare. Växelströmsmotorn är förhållandevis enkel i sin uppbyggnad, men har en mycket mer komplicerad och därmed dyrare motorstyrning. Båda grundtyperna har sina för- och nackdelar.
Likströmsmotorn är den äldsta typen av elmotor och uppfanns i början av 1800-talet. Likströmsmotorn och dess motorstyrning är förhållandevis enkel och därför billig. Likströmsmotorer har traditionellt använts i elfordon, men de flesta moderna elfordon har växelströmsmotorer (se nedan). Likströmsmotorer är dock fortfarande väldigt vanliga i hembyggda elfordon, framförallt på grund av enkelheten och den förhållandevis låga kostnaden. Den främsta anledningen till att likströmsmotorn inte längre används i kommersiella elbilar är att den inte är underhållsfri. Mekaniken som ger det roterande magnetfältet, de s.k. ”borstarna” och ”kollektorn”, är slitdelar. Borstarna är vanligen 4 eller 8 stycken i en typisk elfordonsmotor, men kan vara färre i en liten motor och fler i en större. De är gjorda av grafit och ungefär stora som suddgummin och de trycker mot änddelen av motorns rotor, den så kallade kollektorn. Materialet i borstarna är liknar väldigt hårt stift i en blyertspenna, och slits därför så småningom ned och måste då bytas ut. Det är inte särskilt dyrt att byta borstarna, men det är arbete som bilägaren måste betala för. Slitna borstar (eller kol som de också kallas) är förresten ett vanligt fel på generatorn i gamla bensin- och dieselbilar.
Kollektor av modell kraftigare tillhörande en av dragracingmotorcykeln KillaCycles två motorer. Foto: EV World Sverige
Växelströmsmotorn är en modernare typ av elmotor, men även den uppfanns faktiskt också på 1800-talet. I växelströmsmotorn skapas magnetfältet som drar runt rotorn (och därmed också bilens hjul) i elektroniken i motorstyrningen. Därmed har växelströmsmotorn inga delar som slits. En växelströmsmotor kan gå nästan hur länge som helst. Det finns växelströmsmotorer inom industrin som har gått i över 50 år i ett sträck.
Den typ av elmotorer som används i eldrivna fordon kan vanligtvis också fungera som generator. Det gör det möjligt att återvinna en del av energin som finns i bilens rörelse vid inbromsning och ladda batteriet. På fordon som har denna funktion så koppas elmotorn in som generator när föraren släpper gasen och/eller trampar på bromsen. När elmotorn används som generator så bromsar den samtidigt in bilen – den som har haft en cykel med en traditionell dyno till belysningen vet att det blir mycket tyngre att trampa när man kopplar in den. Elen lagras i bilen batteri och används sedan för att accelerera bilen igen. Detta kallas regenerativ (in)bromsning (på engelska ofta förkortat "regen") och kan öka en eldrivens bils räckvidd med upp till 30 %.
----------------------------------------
Mer ingående beskrivningar av batterier, motorer och andra delar av elbilen kommer successivt att läggas upp på EV World Sverige. Titta in då och då för att ta del av de senaste uppdateringarna och andra nyheter.
----------------------------------------
Håller du inte med om vad vi skriver? Eller saknar du något? EV World Sverige strävar efter att vara så korrekt som möjlig och vi tar gärna emot ditt förslag. Skicka dina data med hänvisning till källan till redaktören.
-------------------------------------
EV World Sverige
- Din guide i elfordonsdjungeln!