Sensor för batterier

Batterier en viktig del av energiomställningen

Schematisk bild av litium jon-batteri med Insplorions batterisensormodul (orange och röd) i varje cell.

Övergången till förnybara energikällor är nödvändig för att världen ska nå sina klimatmål. Där kommer batterier in som en viktig del av lösningen för speciellt två områden; fordon och energilagring. Inom båda dessa områden har Insplorions sensorteknik stor potential.  Med sensorer som mäter laddningen inuti batterier på molekylär nivå kan man, genom att övervaka och styra batterierna, få ökad energitillgänglighet, effekttäthet, laddningshastighet och minskad explosionsrisk, som alla är viktiga egenskaper både för fordon och batterilager. 

Behovet av litium-jon batterier, som är den huvudsakliga batteritypen, förväntas till 2026 öka mellan 6 till 7 gånger dagens nivåer, enligt Benchmark Mineral Intelligence 2017 [1]. En starkt växande och rörlig marknad innebär större underliggande behov och fler möjliga samarbeten, något som gynnar Insplorion.

Eldrivna fordon

Det görs idag stora satsningar på elbilar, men för att el ska bli den huvudsakliga energikällan för fordon, krävs längre körsträcka, snabbare laddning och lägre pris. Att tack vare Insporions sensorteknik kunna ta ut mer effekt ur samma batterier ger vinst på flera plan, både pris, vikt, volym och miljöeffekt i tillverkningssteget, vilket kan ta batterierna närmare brytpunkten för när det ekonomiskt och funktionsmässigt inte längre är motiverat med förbränningsmotorer i fordon.

Det går fort även när det gäller ökning av antal elbilar.  Bloomberg Electric Vehicle Outlook 2017 [2] uppdaterade sin ett år gamla prognos från 2016 [3] gällande elbilarnas andel av nybilsförsäljningen år 2040 från 35% till 54%. De förutspådde också att 33 procent av hela bilflottan då kommer att bestå av elbilar. De förväntar sig en böjningspunkt mellan 2025 och 2030 där det tar fart på allvar, eftersom elbilar då blir lönsammare än bensinbilar, även utan subventioner.

Batterilagring

Förnybara energikällor som sol- och vindkraft är oregelbundna, och effekttillgången följer inte effektuttaget. Därför måste man hitta hållbara sätt att lagra energi för att jämna ut toppar och dalar. Litium-jonbatterier har många fördelar för energilagring, men det höga priset står fortfarande i vägen för bredare användning, vilket skapar en fördelaktig marknadssituation för Insplorions batterisensor som väsentligt minskar detta problem. Eftersom det är mindre krav på miniatyrisering och färre regler gällande batterilagring än elfordon, passar detta område dessutom bra för initial marknadspenetrering. 

Andrahandsvärde – livscykel

Elbilar och energilagring är kopplade till varandra på flera sätt. Till exempel måste en elbil köras på förnybar el för att få ut fulla potentialen av sin miljöfördel. Energilagringen drar också nytta av den snabba utvecklingen av batterier som påskyndas av fordonsindustrins produktutveckling. Det finns dock ett område där sambanden kunde vara betydligt större än de är idag, och det är fordonsbatteriers andraliv, en marknad som för ett tynande liv på grund av brist på mätbarhet.

Insplorions batterisensor kommer inte bara förbättra batteriets funktion för varje användningsområde, men också förbättra övergången mellan användningsområden eftersom den tillhandahåller data som möjliggör en korrekt värdering och beslutsunderlag för återanvändning respektive återvinning.

Man kan idag inte bedöma ett batteris andrahandsvärde, eftersom man inte kan bedöma dess skick. Säljaren har också svårt att ge garantier, och vid en garantisituation bedöma vad som orsakat felet. Det gör att det idag knappt existerar en andrahandsmarknad. Insplorions batterisensor, med historik på batteriets liv och möjlighet att mäta batteriets kapacitet mycket mer exakt, ger god möjlighet att både fastställa batteriets värde och ge garanti, vilket lägger grunden till en kommersiell andrahandsmarknad av fordonsbatterier.

Teknisk bakgrund

Det har tills nu inte funnits någon teknik för att mäta batteriets State of Charge (SoC), State of Health (SoH) eller temperatur inuti kommersiella Litium-jonbatterier. Istället görs beräkningar baserade på spänning, ström och utvändig temperatur, vilka inte blir speciellt exakta. Osäkerheten i mätresultaten tvingar idag tillverkare och brukare att använda överdimensionerade batterier. På grund av de säkerhetsmarginaler som byggts in i batteri-styrsystem kan inte hela batterikapaciteten utnyttjas, vilket resulterar i ineffektivt utnyttjande av batteriet, försämrad livslängd, långsammare laddning, säkerhetsrisker, brist på information för andra- och tredjelivsbestämning och dåligt utnyttjande av naturresurser.

Batterisensorns möjligheter

Tvärsnittsbild av en battericell med Insplorions batterisensor, som består av NPS-sensorproben, optisk hårdvara med elektronik och en gränssnittsenhet som hanterar kommunikationen mellan den optiska avläsningsenheten och batteriövervakningssystemet.

Genom att utnyttja batterierna bättre genom effektivare mätning och styrning för att veta var gränserna går och därmed kunna gå närmare dem och få ut mer av samma batteri. Det ger flera uppenbara fördelar. Med samma batteri kan en bil till exempel köras längre och laddas snabbare. Även säkerheten kan ökas då ett batteri kan stängas av snabbare innan en explosiv utveckling kan ske. Bättre kontroll ger också batteriet längre livslängd.

Mätning av batteristatus inuti Litium-jonceller med hjälp av vår batterisensor resulterar i upp till 50% ökning i tillgänglig energi och upp till 23% ökad laddningshastighet [4]. Detta resulterar i upp till 38% lägre kostnader på packnivå. Insplorions teknik finns i dag i kommersiellt producerade prototyper och man vet att den går att miniatyrisera och massproducera till en kostnad som är jämförbar med dagens batteristyrsystem.

1. http://benchmarkminerals.com/where-is-new-lithium-ion-battery-capacity-located/
2. https://data.bloomberglp.com/bnef/sites/14/2017/07/BNEF_EVO_2017_ExecutiveSummary.pdf
3. https://about.bnef.com/blog/electric-vehicles-to-be-35-of-global-new-car-sales-by-2040/
4. C. Zou, X. Hu, Electrochemical Control of Lithium-Ion Battery Health-Aware Fast Charging. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 13 November 2017. DOI: 10.1109/TIE.2017.2772154