Utvärdering av laddningskoncept för lastbilsbatterier

Utvärdering av laddningskoncept för lastbilsbatterier Examensarbete av Björn Malmgren November 003 IR RT EX 0317 ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY Department of Signals, Sensors & Systems Automatic Control SE-100 44 STOCKHOLM KUNGL TEKNISKA HÖGSKOLAN Institutionen för Signaler, Sensorer & System Reglerteknik 100 44 STOCKHOLM

Abstract When drivers overnight in the truck lots of electric energy is consumed by heaters, fans, lights and other extra equipment. If the engine is not running, this energy is taken from the lead/acid batteries of the truck which then needs to be recharged during operating hours. The fact that the charge acceptance of the lead/acid batteries is dependent on the temperature makes it hard to fully recharge the batteries at lower temperatures. A negative charge balance can lead to starting problems within a few days use in cold climate. In this thesis work, the effects of different battery charging concept are evaluated on the most common Scania battery (175Ah). A battery model is implemented in Matlab and some simulations of charging are made. Some tests are made in a real truck but the evaluation of the charging methods is mainly based on battery tests made in the laboratory. The methods and procedures for battery testing that were derived during this work are an important part of the results. The variations of charge acceptance with temperature are investigated. The effects of charging at a higher voltage than used today is also evaluated. We find that it is better to raise the temperature of the batteries rather than raise the charging voltage, even though both lead to a better charge acceptance. The internal heating of the batteries during charging are examined and the preliminary results indicate a thermal loss of approximately 10% of the energy the battery is charged with. The thermal loss in percent is the same at room temperature as at -10 C and -0 C. Sammanfattning När förare övernattar i lastbilen förbrukas stora mängder el av värmare, fläktar, belysning och annan komfortutrustning. När inte motorn går tas elenergin ur bilens batterier som sedan måste återladdas under körning. Då lastbilsbatteriernas laddningsmottaglighet försämras avsevärt med sjunkande temperatur är det inte säkert att batterierna blir återladdade fullt ut. En negativ laddbalans gör att föraren kan få startproblem redan efter ett par dagars drift och övernattningar i vintermiljö. Examensarbetet utgör en del i arbetet att komma tillrätta med problematiken kring laddningsmottaglighet vid lägre temperaturer. Olika laddningskoncept utvärderas på Scanias vanligast förekommande batteri (175Ah) med utgångspunkt från dagens elsystem. En batterimodell har implementerats i Matlab och försök till parameteranpassning och simulering har gjorts. Huvuddelen av utvärderingen har skett genom försök i laboratoriemiljö och enstaka försök har gjorts på en provlastbil. Ett viktigt resultat av arbetet är de provmetoder som tagits fram under arbetets gång. Laddningsmottaglighetens beroende av temperatur har undersökts liksom effekterna av en höjning av laddningsspänningen. Det är eftersträvansvärt att i första hand försöka höja temperaturen även om en höjning av laddningsspänningen också ger förbättrad laddningsmottaglighet. Batteriets egenuppvärmning har undersökts och de preliminära resultaten visar på att så mycket som 10 % av energin batteriet laddas med omvandlas till värme i batteriet. Intressant är att denna termiska verkningsgrad är densamma vid rumstemperatur som vid -10 C och -0 C.

Innehållsförteckning 1 Inledning... 4 1.1 Bakgrund... 4 1. Problemställning... 4 1.3 Uppgift... 4 1.4 Koncept att utvärdera... 4 1.5 Begränsningar...5 Metod... 6.1 Modellering/Simulering... 6. Test i laboratorium... 6.3 Test i bil... 8.4 Försöksplanering... 8 3 Teori... 9 3.1 Bilens elsystem...9 3. Generator... 10 3.3 Startmotor... 11 3.4 Bly/syra-batteriets uppbyggnad... 1 3.5 Urladdning av batteriet... 13 3.6 Laddning av batteriet... 14 3.7 Gasbildning i batteriet... 14 3.8 Batteriets kapacitet... 14 3.9 Batteriets laddstatus... 15 3.10 Laddningsmottaglighet... 15 3.11 Batteriets livslängd... 15 3.1 Batteriets spänning och inre resistans... 16 3.13 Batteriets egenuppvärmning... 17 3.14 Koncept för laddning... 17 3.15 Modellering... 17 4 Försök... 19 4.1 Modellering... 19 4. Provförberedelser och rutiner... 4.3 Laddningsmottagningens beroende av temperatur, spänning, och ström... 3 4.4 Verkningsgrad och intern värmeutveckling... 4 4.5 Batteriets temperatur... 5 5 Resultat... 6 5.1 Laddningsmottaglighetens beroende av temperaturen... 6 5. Laddningsmottaglighetens beroende av spänningen... 7 5.3 Batteritemperatur... 8 5.4 Batteriets egenuppvärmning... 9 6 Slutsatser... 30 6.1 Metoder & rutiner... 30 6. Laddningskoncept... 31 6.3 Batteriets egenuppvärmning... 31 Litteraturförteckning... 3 Bilagor... 33 3

1 Inledning Examensarbetet Utvärdering av laddningskoncept för lastbilsbatterier har genomförts på RESC, Scania, Södertälje. RESC är en grupp som arbetar med förutveckling inom systemteknik. Ansvarig institution på Kungliga Tekniska Högskolan är S3 Institutionen för Signaler, Sensorer & System. Examinator är Mikael Johansson och handledare från KTH är Jonas Mårtenson. På Scania är det tre personer som delat handledarskapet: Ola Markusson, Kristian Lindqvist och Johan Lindström. Ansvarig chef på Scania är Michael Blackenfelt. 1.1 Bakgrund Allt fler system i den moderna lastbilen blir direkt beroende av det elektriska systemet. Lastbilarna utrustas med mycket nya tillbehör från både tillverkare och eftermarknad. Tillsammans utgör dessa laster en stor påverkan på elsystemet i allmänhet och batterier och generator i synnerhet. En av de viktigaste funktionerna i elsystemet är alltjämt att kunna förse startmotorn med tillräcklig effekt för att kunna starta motorn. Vid en kallstart av en lastbil kräver startmotorn en effekt på uppemot 15kW från batterierna. 1. Problemställning Vid lägre temperaturer försämras lastbilsbatteriets laddningsmottagning dramatiskt vilket leder till en negativ laddbalans, det vill säga att batteriet totalt sett laddas ur mer än det laddas upp. Efter ett par dygns användning med upprepade övernattningar i lastbilen har det kalla vinterklimat bidragit till att batterierna ofta är så dåligt laddade att den kvarvarande kapaciteten kanske inte längre räcker till för att starta motorn. 1.3 Uppgift Examensarbetets syfte är att studera och utvärdera olika koncept för uppladdning av lastbilsbatterier under drift i lastbil. Batteriets funktion och de principer som styr uppladdningen studeras. För att kunna jämföra de olika koncepten på ett korrekt sätt bör arbetet utgå från en begränsad tillgång på effekt som till exempel kan motsvara den effekt dagens lastbilsgeneratorer ger. De olika koncepten har sannolikt olika fördelar och nackdelar avseende påverkan på lastbilens övriga komponenter men examensarbetets fokus ligger helt på hur batteriet och laddningen påverkas. Borträknat den begränsade tillgången till effekt vid laddning skall dagens system inte begränsa kreativiteten i att utvärdera koncepten. 1.4 Koncept att utvärdera Med ett laddningskoncept menas helt enkelt ett sätt eller en metod för att ladda batterier. De koncept som är intressanta för studie och utvärdering är: Dagens laddningsmetod Påverkan av i- och urkoppling av laster Påverkan av olika temperaturer, spänningar, State of charge (SOC) och laddmängder Effekt av uppvärmning av batterierna 4

Det finns två syften med att studera dagens laddningsmetod. Det första och mest uppenbara är att dagens system används som referens. Om ett nytt koncept skall användas måste det naturligtvis vara bättre än det befintliga. Den andra viktiga anledningen till att studera dagens laddningssystem mer ingående är att det finns en del faktorer i laddningsmiljön vars påverkan på laddningen är okända. Ett exempel är det rippel som dagens generator ger upphov till. Det är oklart om det påverkar laddningen i någon större utsträckning och i så fall om det har en positiv eller negativ påverkan på laddningen och batteriets livslängd. 1.5 Begränsningar Examensarbetet går ut på att tidigare nämnda laddningskoncept utvärderas med avseende på deras påverkan på batteriet. Hur de påverkar resterande del av elsystemet avhandlas inte i detta arbete. Det finns mängder av tänkbara alternativ för hur de olika koncepten kan implementeras men det ingår inte heller i arbetet. Syftet med examensarbetet är att kunna peka på vilka koncept som kan vara intressanta att implementera. För att begränsa antalet försök studeras enbart Scanias batterier av typen 175Ah som levererats av Varta. Dock är principen för batterier med en annan kapacitet eller tillverkare densamma och resultaten bör kunna överföras till dessa batterityper rakt av i de flesta avseenden. 5

Metod Laddningskoncepten har utvärderats genom tre olika metoder: Simulering mot en batterimodell i Matlab, test i batterilaboratorium samt test i försöksbil. Avsikten är att använda de tre metoderna parallellt under examensarbetet..1 Modellering/Simulering Simulering av laddning och urladdning av batterier sker i Matlab. Modellering av lastbilsbatterier ingår inte i detta examensarbete. I första hand inventeras de modeller som finns i de papper som studeras i förstudien. Utifrån dessa modeller modifieras och anpassas en modell för simulering inom ramen för projektet. En del av det arbetet utförs av Ola Markusson och Kristian Lindqvist på Scania. Lastbilsbatteriernas elektrokemiska uppbyggnad gör att de är ganska svåra att modellera fysikaliskt. I det här arbetet används modeller med ekvivalenta elektriska kretsar. Batteriets olinjära beteende vid upp- och urladdning försvårar modelleringsarbetet och begränsar en enskild modells giltighetsområde avsevärt. Parameterskattningarna för de olika giltighetsområdena har visat sig vara ganska besvärliga att utföra. Fler underleverantörer av komponenter till lastbilens elsystem arbetar med att ta fram metoder för att förbättra och övervaka laddningen av batterierna. Det vanligaste är att man använder en ganska enkel modell av batteriet för att övervaka laddningsnivån SOC (State of Charge) medan det krävs en modell av högre ordning för att kunna simulera och utvärdera laddningskoncept. Med en tillräckligt bra modell kan en del av utvärderingen göras med simulering och mycket tid sparas jämfört med att göra tidskrävande test i laboratorium och i bil. Även om huvudmotivet till modellerings- och simuleringsarbetet i examensarbetet är att på sikt få fram en bra modell, utgör själva arbetet med modeller också en viktig roll i processen att lära sig förstå batteriernas funktion och beteende.. Test i laboratorium De flesta av de prov som krävs för att utvärdera de olika laddningskoncepten utförs i batterilaboratoriet där batterierna kan laddas upp och ur med hjälp av tre kretsar (se figur 1). En krets är på 150A, 18V och de två andra är på 50A, 18V. Dessa kretsar kontrolleras med en PC där programmen skrivs i DOS-miljö. I batterilaboratoriet finns även en termisk kammare (se figur 1) vilken möjliggör batteriexperiment vid temperaturer från -40 C upp till 180 C samt en högströmurladdare som används för startprov. 6

Figur 1: Strömgenerator (till vänster) och termisk kammare (till höger). Fördelen med att utföra tester i batterilaboratoriet är att utrustningen och miljön gör proven mer lättarbetade och det är lätt att återskapa ett försök. Nackdelen är att miljön inte är autentisk med verkligheten. Smuts, fukt, avgaser och vibrationer ger en påverkan på batterierna och elsystemet vilket gör att ett resultat från försök i batterilaboratoriet bör verifieras med prov på lastbil. En viktig skillnad mellan batterilaboratoriet och verklighet är att strömmen från de tre kretsarna inte ser likadan ut som den som dagens generator ger. Det är inte känt hur stor påverkan skillnaden i strömkvalitet har. Arbetet i batterilaboratoriet begränsas av att det bara finns tre programmerbara kretsar och att den termiska kammaren endast rymmer två batterier. Genom att förbereda och delvis utvärdera försöken i rumstemperatur ökar möjligheten att genomföra fler prov på en viss tid. Inför varje prov laddas batterierna upp till en viss SOC genom att först ladda batterierna maximalt (i rumstemperatur) och sedan ladda ur en viss mängd ström. På så vis kommer man så nära samma utgångsläge inför varje försök som är möjligt. Därefter kyls batteriet ner till önskad provtemperatur och placeras i en isoleringskammare där själva laddningsförsöket genomförs. Efter försöket är färdigt placeras batteriet i rumstemperatur och efter att det acklimatiserat sig kan SOC fastställas genom att mäta tomgångsspänningen vid rumstemperatur. Genom att använda fler batterier kan flera prov förberedas och utvärderas samtidigt som ett prov genomförs. Fördelen med att genomföra provet i en isoleringskammare istället för i den termiska kammaren är att det går att beräkna hur mycket värmeenergi som utvecklats i batteriet. Om ett visst koncept tillför mer värme till batteriet i den termiska kammaren kommer kammaren kyla batteriet mer för att eftersträva inställd temperatur. Isoleringskammaren ger inte en autentisk situation av batteriets miljö på lastbilen men är ett utmärkt redskap för att begränsa utvärderingen till att enbart omfatta laddningskonceptens påverkan på batteriet. 7

.3 Test i bil Scania har en försöksbil (se figur ) utrustad med dubbla batteriuppsättningar samt en styrbar generator för försöksverksamhet. Den styrbara generatorn ersätter inte den ordinarie generatorn utan bilen har alltså två generatorer. Tack vare att generatorn kan styras från en vanlig PC, kan en rad olika försök utföras på provbilen där ström och spänning styrs efter önskemål. Den största fördelen med prov på Balder är att nya koncept kan provas i en riktig miljö med vibrationer, smuts och annan miljöpåverkan. Nackdelen är att det är svårt att säkerställa en viss laddningsnivå i batterierna inför respektive försöksstart. Det är dessutom mycket besvärligare att byta batterier på Balder än vad det är att skifta batterier vid försök i labboratoriet. Figur : Försöksbilen Balder (mitten)..4 Försöksplanering För att kunna utvärdera en del av koncepten krävs många prov, framförallt för att undersöka hur laddningen påverkas av olika temperaturer, spänningar, SOC och laddmängder. För att minska det totala antalet prov och effektivisera arbetet bör försöken planeras med eftertanke. Genom att börja med rätt test kan ett antal onödiga prov undvikas och i vissa fall kan data från batterileverantörernas tester användas och eventuellt ersätta egna försök. För de återstående proven som skall genomföras kan man genom faktorförsök inom statistisk försöksplanering ytterligare försöka minska det totala antalet prov som måste genomföras genom att fler variabler varieras samtidigt mellan försöken. Under arbetets gång kommer sannolikt en rad nya frågeställningar dyka upp varför en viss flexibilitet i valet av vilka försök som genomförs krävs. 8

3 Teori I följande teoriavsnitt beskrivs bilens elsystem och två av dess viktigaste komponenter; startmotorn och generatorn. Generatorn möjliggör laddning av batteriet men är också en begränsande faktor i hur batterierna kan laddas. Startmotorn är den enskilt största lasten i elsystemet och den komponent som ställer högst krav på batteriets funktion. Tyngdpunkten på teorigenomgången ligger på bly/syra-batteriets funktion eftersom den ligger till grund för hela examensarbetet. 3.1 Bilens elsystem Lastbilens elsystem består av generator, batteri, spänningsregulator, säkringar och elektriska laster. I en modern lastbil finns det mängder av olika elektriska laster; strålkastare, lampor, instrument, torkarmotorer, motorstyrenheter, bränsleinsprutning et cetera. Den last som utmärker sig mest och som var grunden till att elsystemet från början infördes i bilar och lastbilar är startmotorn. Startmotorn kräver stor effekt och används innan generatorn ger någon ström vilket ställer stora krav på elsystemets batteri. Förutom att batteriet skall klara av att ge en stor ström vid en tillräckligt hög spänning måste batteriet också utjämna de skillnader i ström och spänning som generatorn ger upphov till. (Reasbeck & Smith 1997). I en modern personbil har man idag en systemspänning på 1 Volt medan man i en lastbil seriekopplar två batterier och har en systemspänning på 4 Volt (se figur 3). Figur 3. Lastbilens 4 Volts elsystem 9

3. Generator De första generatorerna som användes i bilar var likströmsgeneratorer och infördes på 0talet. I mitten av 60-talet började man använda växelströmsgeneratorer som kunnat utvecklas effektivt tack vare halvledartekniken. Växelströmsgeneratorn, eller generatorn som den benämns idag, är en trefas synkronmaskin och strömmen den ger likriktas med hjälp av en diodbrygga (Friedel 1997). Idag erbjuder Scania sina kunder två olika generatorer. En standardgenerator på 65 A tillverkad av BOSCH och en lite större generator på 90 A tillverkad av Valeo (se figur 4). Scanias generatorer är, likt de flesta på marknaden idag förekommande generatorer, luftkylda. Figur 4. Scanias generatorer Generatorn fungerar enligt följande. När rotorn roterar inuti statorn (se figur 5) genereras ström i statorns tre fasledningar. Statorlindningarna är stjärnkopplade (se figur 6) eller triangelkopplade. Växelströmmens frekvens avgörs av rotorns varvtal och antal poler (normalt sex eller åtta stycken). Statorlindningarnas strömmar kopplas ihop och sedan likriktas strömmen i en diodbrygga bestående av Zenerdioder (se figur 6) (SCANIA Technical Information, 00). Figur 5. Rotorns nord- och sydpoler omsluter magnetiseringslindningen. När rotorn roterar alstras ström i statorns faslindningar. Genom att använda Zenerdioder vid likriktningen av strömmen (se figur 6) kan generatorspänningen begränsas även om batterikretsen kopplas ifrån. Detta tack vare Zenerdiodernas förmåga att släppa igenom ström även i spärriktningen vid spänningar över 54 Volt. 10

Som tidigare nämnts beror generatorströmmens frekvens och spänning på varvtalet. För att begränsa spänningen används en mycket enkel regulator av transistortyp. Regleringen sker genom att jorda spolen På så vis magnetiseras inte rotorn och spänningen begränsas. Laddningsregulatorn är inte justerbar (SCANIA Technical Information, 00). Figur 6. Inre koppling 65 A generator: 1 Rotorlindning, Statorlindning, 3 Likriktardioder, 4 Kondensator, 5 Magnetiseringsdioder, 6 Laddningsregulator. 3.3 Startmotor Startmotorn var huvudanledningen till att man från början införde elsystem i bilar och lastbilar (Friedel 1997). Startmotorn är en motor försedd med kontaktmagnet (se figur 7). Under startförloppet aktiveras först kontaktmagneten som genom en manöverarm förskjuter kuggdrevet längs startmotorns axel och sätter det i kontakt med kuggkransen på dieselmotorn (SCANIA Technical Information, 00). Figur 7. Principskiss av startmotor. Det finns två typer av elmotorer som används som startmotorer. Den vanligaste typen är en seriemotor där ett kraftigt vridmoment uppnås genom att fältets magnetlindning seriekopplats med rotorlindningen. Den andra typen av elmotor som används är en shuntmotor med permanenta magnetiska fält och fördelen med den typen av elmotor är att vikten blir lägre (Rundlöf 1989). Gemensamt för alla startmotorer är att de kräver stor effekt, vilket ställer höga krav på bilens övriga elsystem. När startmotorn går brukar de flesta andra laster i elsystemet kopplas bort så att batteriet klarar av att ge en tillräckligt kraftig ström utan att spänningen blir för låg. 11

3.4 Bly/syra-batteriets uppbyggnad Bly/syra-batteriet är uppbyggt av likadana celler som serie- eller parallellkopplade tillsammans ger önskad spänning. Cellens spänning avgörs av de kemiska reaktioner som sker i cellen och ett normalt lastbilsbatteri består av sex stycken två volts celler kopplade i serie vilka tillsammans ger 1 volts spänning (Reasbeck & Smith 1997). Figur 8. Lastbilsbatteri från Exide. Batteriets celler består av en plusplatta i blyoxid (PBO ) och en minusplatta av bly (Pb) som är nedsänkta i en blandning av svavelsyra (H SO 4 ) och vatten (H O). Blandningen av svavelsyra och vatten kallas elektrolyt och blandas normalt till en densitet på 1.8 (koncentrerad svavelsyra har densiteten 1.8). I varmare länder blandas batterisyran till en densitet av 1.4 (Friedel 1997). Figur 9. Bilbatteri från Tudor: 1 poltappar, propp, 3 propphål, 4 lock, 5 cellförbindning, 6-7 plattor, 8 fickseparator, 9 batterikärl, 10 celler. Minusplattan tillverkas av blysvamp. Anledningen är att man vill öka den aktiva ytan hos plattan, det vill säga den yta som är i kontakt med batterisyran skall vara så stor som möjligt. Blysvampen framställs genom att man tillsätter bariumsulfat och kol (eller någon annan typ av organiskt material) till blyet. Blyoxiden i plusplattan är porös av sin natur och behöver således inte tillverkas i någon svampstruktur. I takt med att batteriet åldras lossnar fragment av blyoxiden och bildar ett slam som till sist riskerar att kortsluta batteriet. 1

För att förbättra ledningskapaciteten i plattorna är de uppbyggda kring ett galler. Gallret består traditionellt av en blandning av bly och antimon (se figur 10) eller i modernare batterikonstruktioner av en blandning av bly och kalcium. Fördelen med ett galler av typen bly/kalcium är att det ger batteriet en lägre vattenförbrukning (genom kokning). Nackdelen är att batteriet blir känsligare för djupa urladdningar. Idag förekommer även hybrider där man i cellerna använder ett galler av vardera typen för att försöka förena de goda egenskaperna i ett batteri. Figur 10. Galler av bly/antimon från Varta. I cellerna skiljs plattorna åt och hindras från att kortsluta batteriet med hjälp av separatorer. De första separatorerna som kom var platta men idag används uteslutande fickseparatorer. När plusplattan placeras i fickseparatorn (se figur 9) minskar risken avsevärt för att plusplattans oxidslam skall kunna kortsluta cellen (Friedel 1997). 3.5 Urladdning av batteriet Vid urladdning av batteriet sker en kemisk reaktion enligt följande (se nedan): En blyoxidmolekyl från plusplattan (PbO ) reagerar med två syramolekyler (H SO 4 ) på så vis att syret i plusplattan och vätet i syran bildar vatten (H O). Den andra delen av syramolekylen (S0 4 ) reagerar med blyet i både plus- och minusplatta. Tack vare den potentialskillnad som uppstår mellan plattorna kan en elektronström tas ut från batteriets negativa platta till den positiva. (strömmen är definierad så att en positiv partikel går från plus till minus) (Reasbeck & Smith 1997). Plusplatta : PbO Minusplatta : Pb + SO Totalt : PbO + 4H 4 + + SO e + Pb + H 4 SO + e 4 PbSO H O + PbSO 4 PbSO 4 + H O 4 13

3.6 Laddning av batteriet När batteriet laddas reverseras urladdningsprocessen (se nedan). Spänningsskillnaden mellan plattorna gör att syra frigörs från båda plattorna och sönderdelar vattenmolekyler, varpå svavelsyra bildas med vätet. Syret i vattnet bildar blyoxid på plusplattan (Reasbeck & Smith 1997). Plusplatta : PbSO 4 Minusplatta : PbSO 4 Totalt : PbSO e + e 4 + H + H + H O PbO + Pb + H O PbO + Pb + H SO + H SO SO 4 4 + H 4 3.7 Gasbildning i batteriet Om batteriet laddas för hårt förångas vattnet i batterisyran och dunstar bort. Gasbildningen börjar vid en cellspänning på.4 V vilket innebär att man inte kan höja laddspänningen över 8.8 V utan att riskera gasbildning i batteriet (Friedel 1997). När batteriet kokar bildas vätgas och syrgas som måste ledas bort (se nedan). Bortsett från laddningsspänningen beror batteriets vattenförbrukning även av mängden föroreningar i batteriet. Antimon och andra oönskade föroreningar i batterisyran bidrar till att vattnet i syran sönderdelas. Vattenförbrukningen är därför betydligt lägre i moderna batterier som saknar eller har låg mängd antimon jämfört med äldre konstruktioner (Rundlöf 1989). Plusplatta : H 4H H Minusplatta : Totalt : O 4e + + 4e O H O H + O + 4H + 3.8 Batteriets kapacitet Batteriets kapacitet anges i antal amperetimmar [Ah]. Ett lastbilsbatteri på en Scanialastbil har typiskt en kapacitet på 175Ah. Hur stor kapacitet ett batteri har beror på omständigheter som temperatur och hur hög ström som tas ur batteriet. Ett 175Ah batteri klarar säkert att ge en ström på 1A i 175h men ger knappast en ström på 175A i en timme. Skillnaden i kapacitet beroende av strömens storlek kommer sig av vad som händer kring cellernas plattor vid urladdning. Vid en hög ström och snabb urladdning sker utbytet mellan plattor och batterisyran på plattornas yta. Den blysulfat som bildas täpper till plattornas svampform och hindrar syran från att nå materialet längre in i plattan. Temperaturen har också den ett liknande inflytande på batteriets kapacitet. Vid lägre temperaturer försämras batterisyrans förmåga att tränga in i porerna på plattorna (Friedel 1997). + 14

Sambandet mellan hur stor ström som tas ur ett batteri och hur stor kapacitet man faktiskt får n ut upptäcktes av Peukert för över hundra år sedan. Peukerts ekvation lyder K = t i. Där K anger batteriets kapacitet, i urladdningsströmmen och n är en konstant. Peukerts ekvation är giltig för strömmar som är uppåt begränsade i storlek och för jämna urladdningsförlopp. Om strömmen blir för stor eller om den varieras kraftigt är Peukerts ekvation inte tillämpbar (Reasbeck & Smith 1997). För att kunna jämföra kapaciteten hos batterier från olika tillverkare används någon standard för hur batteriets kapacitet bestäms. Enligt europeisk norm bestäms batteriets kapacitet uttryckt som C 0 eller K 0. Normen innebär att ett laddat batteri vid 5 C temperatur avger en ström så stor att spänningen efter 0 timmar är 10.5 Volt. Strömmens storlek gånger 0 h ger då batteriets kapacitet uttryckt i amperetimmar enligt K 0 (C 0 ) (Friedel 1997). För att få ett mått på hur bra batteriet klarar av att ge tillräckligt hög ström för start mäts batteriets köldstartström. Enligt europeisk norm definieras köldstartströmmen som den högsta ström man vid -18 C temperatur, under trettio sekunder, kan ta ut ur ett fulladdat batteri, så att spänningen inte understiger 9 Volt (Friedel 1997). Ett annat ofta använt mått på batteriets kapacitet är dess reservkapacitet. Vid en temperatur på 5 C mäter man den tid det tar för spänningen att sjunka till 10.5 Volt vid en ström på 5 Ampere. Reservkapaciteten ger en uppfattning om hur länge en bil kan köras om man får generatorfel (Rundlöf 1989). 3.9 Batteriets laddstatus För att ange ett batteris laddningsstatus, det vill säga hur pass uppladdat det är används begreppet state of charge SOC. State of charge anger hur stor del av batteriets nominella kapacitet som finns tillgänglig för stunden. Om det till exempel finns 176 Ah kvar i ett 0 Ah batteri har batteriet en state of charge på 80 %. Inom bilindustrin används nästan uteslutande K 0 standarden som utgångspunkt för SOC men hur man skall bestämma SOC är ett omdiskuterat ämne i branschen (Reasbeck & Smith 1997). 3.10 Laddningsmottaglighet För att prova ett batteris laddningsmottaglighet mäts den ström batteriet tar emot under tio minuters laddning. Batteriet skall vara halvladdat vid provets start och provet genomförs vid en temperatur på 0 C och en spänning på 9.6 Volt. Laddningsmottagligheten hos ett bly/syra-batteri avtar med minskande temperatur (Friedel 1997). 3.11 Batteriets livslängd När man mäter livslängden för ett bilbatteri gör man det genom att prova hur många laddningscykler batteriet klarar. En cykel enligt europeisk norm innebär att batteriet vid 40 C först laddas med en spänning på 14.8 Volt i.5 timmar, sedan laddas 5 % av den angivna kapaciteten ur batteriet under en timmes tid. För att klara ECE-normens krav för livslängd måste batteriet klara minst 70 cykler men oftast ställs mycket högre krav på batterierna än så, framförallt för lastbilar. 15

Hur länge ett batteri fungerar avgörs bland annat av hur det laddas upp och ur. Efter ett visst antal cykler upphör batteriet att fungera men hur många cykler det överlever beror på hur djupt batteriet urladdas i varje cykel. När ett fulladdat batteri laddas ur påbörjas den kemiska processen i det aktiva material som finns närmast gallret och en föråldring av materialet sker. Efter ett antal omvandlingar fungerar inte materialet längre. När hela kontaktytan mellan gallret och det aktiva materialet föråldrats fungerar inte batteriet även om det finns friskt aktivt material utanför gränsområdet, då det inte längre får kontakt med gallret. Dessa egenskaper hos batteriet gör att det åldras proportionellt mot urladdningsdjupet vid mindre urladdningar (1-10 % av kapaciteten). Vid större urladdningar åldras batteriet snabbare dock finns det en brytpunkt vid ca 5 % då djupare urladdning inte påverkar batteriets livslängd mer negativt. Det beror på att allt aktivt material i direkt kontakt med gallren då är omvandlat. Ett batteri kan fås mer tåligt för cykling genom att öka tjockleken på plattorna men då ökar också den inre resistansen (Friedel 1997). I takt med att ett batteri åldras bildas fler större blysulfatkristaller vid urladdning. Dessa kristaller är mer svårlösliga vilket ytterliggare reducerar batteriets kapacitet. Dessutom åldras batteriet om det förblir oladdat en längre tid. Då stabiliseras de bildade blysulfatkristallerna och den processen är inte reversibel (Armenta-Deu & Donaire 1995) 3.1 Batteriets spänning och inre resistans Batterispänningen (polspänningen) kan med hjälp av Ohms lag beräknas utifrån batteriets EMK, dess inre resistans samt uttagen ström enligt: U = E I RBatt. Batteriets EMK beror av syradensiteten i plattorna, den så kallade inre syradensiteten enligt: E=0.84+syrans densitet [Volt]. Vid rumstemperatur (5 C) är syradensiteten för ett fulladdat batteri 1.8 och 1 för ett tomt batteri. Efter laddning eller urladdning av ett batteri kan det vara stor skillnad på syradensiteten i plattorna och i den fria syran. För att kunna fastställa batteriets EMK måste man därför vänta tills densiteten i batteriet jämnat ut sig. Förutom att syrans densitet ändras efter batteriets laddstatus, varierar den också beroende på syrans temperatur. En höjning av temperaturen med en grad ger en minskning av densiteten på 0,0007 kg/m 3. Vilket också innebär att battericellens spänning ökar med 0,0007 V för varje grad som temperaturen sjunker (Friedel 1997). Batteriets inre resistans varierar med en rad olika faktorer som till exempel temperatur och laddningsnivå (Ceraolo 000). Den ena delen av resistansen utgörs av det motstånd som finns i gallren och förbindelserna till batteripolerna. Den andra delen av resistansen utgörs av elektrolyten och bestäms av skillnaden i den yttre och inre syrans densitet. När strömmen ökar, ökar också skillnaden i densitet, vilket leder till att batteriets inre resistans är konstant (Friedel 1997). Denna beskrivning av batteriets fysikaliska egenskaper är förenklad och bly/syra-batteriets beteende är egentligen starkt olinjärt, vilket framkommer med stor tydlighet vid försök att modellera batteriet. 16

3.13 Batteriets egenuppvärmning Vid uppladdning och urladdning bildas det värme i batteriets celler. Värmen beror dels på entropiändringen i den kemiska processen, vilket innebär att battericellen värms upp vid en ökning av entropin och kyls av vid en minskning. Den andra mekanismen som bidrar till uppvärmningen är polarisationsförluster i cellerna. Värmemängden från polarisationseffekterna är mycket större än den från entropiändringen, varför man i verkligheten alltid får en ökning av värmet i cellen både vid upp och urladdning av batteriet (Reasbeck & Smith 1997). 3.14 Koncept för laddning För att förbättra batteriets laddning under vinterhalvåret kan man antingen värma batteriet eller höja laddspänningen (Friedel 1997). Inför examensarbetet har båda dessa koncept diskuterats. Fenomen som också är intressanta och bör undersökas är pulsladdning och batteriets egenuppvärmning vid laddning. Olika batterityper har olika laddningsmottaglighet vid samma temperatur. Om batteriet specificeras för en god laddningsmottaglighet vid kyla sker det på bekostnad av lägre kallstartström genom att den inre resistansen höjs (Friedel 1997). Det är därför ingen större ide att vidare utforska möjligheterna i förändrade krav på batterierna. I dagens elsystem finns det också begränsningar i hur högt laddspänningen kan höjas med hänsyn till livslängden hos komponenterna i resten av elsystemet. I det här examensarbetet kommer ingen hänsyn tas till dessa begränsningar vid utredningen av effekterna från förhöjd laddspänning. 3.15 Modellering Bly/syra-batteriets uppbyggnad ser i princip likadan ut idag som den gjorde för hundra år sedan. En viktig del av examensarbetets bakgrundsstudie var att gå igenom och inventera de modeller av bly/syra-batterier som finns publicerade i vetenskapliga artiklar och konferensbidrag. Den litteraturgenomgång som gjorts har koncentrerats till publikationer från 1990 och framåt. Man kan ha olika mål med att modellera bly/syra-batteriet. Om man skall använda modellen för att till exempel bedöma batteristatusen i ett system räcker det oftast med en enkel modell av lägre ordning. Om man vill använda modellen för att genom simulering kunna ersätta försök och prov på batterier behöver man en noggrannare modell och ordningen på modellen blir då högre. I den här litteraturstudien söktes en modell som är tillräckligt noggrann för simulering men ändå inte ohanterligt stor. Ett grundligt fysikaliskt modellbygge av bly/syra-batteriet utgår rimligtvis från de kemiska processer som sker i batteriet vid laddning och urladdning. Ett exempel på en modell baserad på batteriets kemiska uppbyggnad är publicerad av Per Ekdunge KTH (Ekdunge 1993). En annan modell som också baseras på batteriets kemiska processer men med fokus på batteriplattornas funktion är publicerad av ett italienskt forskarteam (Maja & Spinelli 1990). Mycket av det material som finns publicerat runt laddning av bly/syra-batterier rör tillämpningar i elektriska fordon och elhybrider (Shen, et al. 00), (Maja, Spinelli & Calasanzio, 1993). Även om dessa modeller är utformade för bly/syra-batterier av en annan storlek och med något annorlunda egenskaper än våra startbatterier är de fortfarande intressanta. Anställda vid amerikanska armén har publicerat en modell som beskriver laddningskurvan för konstant ström (Catherino et al.1999). Modellen är ett exempel på modeller som är intressanta för att studera vissa förlopp men som har ett begränsat användningsområde och inte kan hantera snabba förlopp. 17

En artikel om black box modellering av bly/syra-batterier har publicerats av en fransk forskare (Duval 1995). Även om modellen är intressant finns det publicerade artiklar med modeller baserade på ekvivalenta elektriska kretsar som är intressantare. Ett italienskt forskarlag har i två artiklar publicerat en modell av bly/syra-batteriet som är mycket intressant. Den första publicerade modellen beskriver batteriet genom en ekvivalent krets (Ceraolo 000). Problemet med modellen är att det är svårt att bestämma de många parametrar som ingår. I den andra artikeln gör man ett försök till att beskriva en metod för hur modellen skall implementeras och hur parametrarna skall bestämmas (Ceraolo & Barsali 00). Artikeln är inte helt tydlig och har vissa brister. Trots kontakt med italienarna har det inte gått att få klarhet i exakt hur parameterbestämningen skulle gå till enligt deras metod eftersom de inte längre arbetar med projektet. En annan intressant modell som baseras på ekvivalenta kretsar har publicerats av några engelska forskare (Zhan et al. 003). Utgående från en av italienarnas tidiga modeller av fjärde ordningen har man tagit fram en modell av tredje ordningen. I artikeln finns också parameterbestämningen väl beskriven. I ett samarbete mellan Hyundai Motor Company och ett Koreanskt universitet har en artikel publicerats om modellering av elsystemet i en bil (Wootaik et al. 000). Syftet är att optimera laddningssystemet och batteridelen av modellen utgörs även här av en ekvivalent krets. Bortsett från fordonsindustrin finns det en del andra tillämpningsområden för bly/syrabatterier. Ett stort användningsområde är som backup i telefonväxlar, ett annat är för att lagra elenergi i solcellsystem. I en SAE-publikation finns en modell beskriven som är framtagen för solcellstillämpningen men där också simulering av startbatteriet i en personbil genomförts (Caselitz & Juchem 1998). 18

4 Försök I avsnitt fyra beskrivs de metoder som använts under examensarbetet. Under arbetets gång har förutsättningarna ändrats något och bilden av försöksbehovet klarnat då resultaten av försöken analyserats. Därför har fokus på metod och metodiken i respektive metod förändrats efterhand. 4.1 Modellering Under examensarbetets början gjordes ett försök att i Matlab implementera modellen nedan som publicerats av Ceraolo (Ceraolo 000) (Ceraolo & Barsali 00). Syftet med modelleringen var dels att försöka få en fungerande modell i Matlab för uppladdningsprocessen men också att skapa förståelse för hur modellen var uppbyggd och därmed erhålla kunskap om bly/syra-batteriets beteende. C 1 I m -I 1 R P R 0 I m I 1 I p I R 1 + E m I p (V PN ) V N Figur 11: Ekvivalent krets för Ceraolos modell av bly/syra-batteriet. 19

Modellen beskrivs av den ekvivalenta kretsen i figur 11 och ekvationerna: C Q ( I, θ ) () t = I m ( τ ) Q SOC = 1 C DOC = 1 C E R R R C V I e pn P m 0 1 1 = E = R = R = R τ = R = E = V KCC = 1+ 1 1 t 0 m 00 0 m PN θ ( 1+ ) f I ( K 1)( * ) ( 0, θ ) ( I, θ ) 0 K E ( 73 + θ )( 1 SOC) [ 1+ A0 ( 1 SOC) ] ln( DOC) 10 e 1+ e + R I G A1 p0 ( 1 SOC ) 1 e e 0 C Q dτ e avg AI m I * 1 θ I + R I m V PN V + A 1 θ p 0 p θ f * ε δ Där KC, C0, ε, δ, I, θ f, Em0, K E, R00, A0, R10, R0, A1, A, τ 1, G p0, V p0, Ap, θ f är parametrar som måste anpassas, C är batterikapaciteten, Q e är den laddmängd som tagits ur batteriet utgående från att det var fulladdat från början. 0

Genom att utgå från de riktvärden för parametrarna som finns i artiklarna och genom att låsa en del värden i modellen (bland annat SOC och DOC) gick det att genomföra simulering av batteriet under laddning. De batteridata som användes vid simuleringen var loggade från en sekvens där batteriet laddades upp och ur vid olika spänningsnivåer (Se figur 1). Med spänningen som insignal simulerades batteriströmmen som sedan kunde jämföras med den verkliga batteriströmmen från mätdata. 16 15.5 15 14.5 Volt 14 13.5 13 1.5 1 11.5 4 6 8 10 1 14 16 18 time [hours] Figur 1: Batterispänning [V] som funktion av tiden [h]. Resultatet från denna första simulering visar att modellen följer strömmens beteende grovt men att konstanter och tidskonstanter stämde mycket dåligt (se figur 13). 40 30 0 10 Ampere 0-10 -0-30 -40 4 6 8 10 1 14 16 18 Hours Figur 13: Batteriström [A] (heldragen) och simulerad batteriström [A] (streckad) som funktion av tiden [h]. 1

Parallellt med examensarbetet har andra personer på gruppen arbetat vidare med parameteranpassning av modellen till batteridata från test. Ola Markusson har med hjälp av det Matlabbaserade programmet MoCaVa tagit fram en första parameteranpassning till batteridata för en uppladdningsmodell. Kristian Lindqvist har i Matlab tagit fram ett program som medger ett annat sätt att anpassa parametrarna. Genom att låsa några parametrar och sedan optimera anpassningen mot mätdata med hjälp av minsta kvadratmetoden för de övriga parametrarna kan man iterativt komma närmare en sanningsenlig modell genom att variera vilka parametrar som låses och vilka som anpassas. Kristians program medger en större kontroll av hur parameteranpassningen går till men är mer arbetskrävande än att använda MoCaVa. De modeller som hittills anpassats mot mätdata har ett begränsat giltighetsområde. Detta tillsammans med det faktum att mycket av anpassningsarbetet återstår gör det svårt att ersätta batteriförsök med simuleringar i detta examensarbete. För att få en någorlunda sanningsenlig modell för ett större giltighetsområde måste ett antal batteriförsök först göras. Genom de försök som görs i examensarbetet läggs dock en grund till att kunna ta fram en mer allmängiltig och noggrannare modell. Undersökningen av verkningsgraden för laddning av batterierna är speciellt intressant i detta avseende. 4. Provförberedelser och rutiner En stor och viktig del av examensarbetet har varit att ta fram metoder och rutiner för de försök som genomförs på batterierna. Batteriernas olinjära beteende och svårigheten att fastställa SOC ställer höga krav på noggrannhet för att få fram tillförlitliga och repeterbara resultat. De försök som gjorts har begränsats till Scanias 175Ah batterier som levererats av Varta. Scania har batterier med olika kapacitet och köper även batterier av andra tillverkare men det finns inte utrymme för att studera dessa batterier i det här arbetet. Många av slutsatserna som dras från försöken är dock generella och gäller samtliga Scanias batterier. För att hålla ordning på alla de test som genomförts numreras varje nytt prov med ett löpande nummer och ett enkelt protokoll för anteckningar av försöksdata har tagits fram. De datafiler som genererats från ström-, spänning- och temperaturmätningar namnges efter vilket provnummer de tillhör och lagras elektroniskt i PC-miljö för att förenkla utvärderingen. För att kunna jämföra de olika laddningskoncepten är det viktigt att varje jämförande försök utförs med samma förutsättningar. Det vill säga att man använder samma batteriindivid (individuella skillnader är inte ovanliga) och att proven utförs i samma miljö och utifrån samma ursprungliga SOC. Ett problem med att utföra många prov på samma batteriindivid är att man inte får samma SOH (State of Health) hos batteriet i de olika försöken eftersom batteriet åldras efterhand. För att minimera skillnaderna i SOH bör man undvika att använda helt nya batterier (som inte är formaterade) eller batterier som har mycket låg SOH eftersom det för dessa batterier blir större skillnad i SOH i två av varandra följande försök. Att mäta och fastställa SOC i ett batteri är svårt. Det enda säkra sättet att verkligen veta hur mycket av batteriets kapacitet som finns kvar är att ladda ur batteriet med K 0 strömmen och mäta hur mycket energi man fick ut. För att uppskatta SOC utan att ladda ur batteriet kan man antingen mäta syradensiteten eller batteriets tomgångsspänning och utifrån dessa värden approximera SOC.

I examensarbetet har försöksbatterierna förberetts likadant inför varje försök. Först laddas batteriet ur med 30 Ah och därefter laddas det under 4 timmar med en spänningsbegränsning på 14,15 V och en strömbegränsning på 0 A. Genom att begränsa laddspänningen till 14,15 V (motsvarar 8,3 V över två batterier) efterliknas den laddsituation som batterierna har i lastbilar med dagens elsystem. Efter laddningen tas en viss energi ur batteriet för att uppnå lämplig SOC för det specifika försöket. I första hand har utgångsläget för SOC valts högt eftersom det är i den laddningsnivån vi vill att batteriet skall befinna sig. För att uppnå denna SOC tas typiskt 40 Ah ur batteriet. Det är också intressant att se hur laddningsmottagligheten varierar vid ett lägre SOC, då det är vid den nivån batterierna befinner sig då fel uppstår. 4.3 Laddningsmottagningens beroende av temperatur, spänning, och ström För att försöka utreda laddningsmottaglighetens beroende av temperatur, spänning och ström har ett antal försök gjorts i batterilaboratoriet. Proven har gått till enligt följande: Först förbereds batterierna i enlighet med vad som beskrivs under punkten 4.. När batteriet fått vila tillräckligt länge för att kunna estimera SOC mäts tomgångsspänningen och därefter placeras batteriet i den termiska kammaren där temperaturen anpassas till den aktuella provtemperaturen. Vid de kallare testerna tar det lång tid för batteriet att acklimatisera sig och batteriet får stå i rätt temperatur i minst 36 timmar för att säkerställa en jämn och korrekt temperatur. När testet väl påbörjas laddas batteriet med en uppåt begränsad ström och spänning under en på förhand fastställd tid. Under försökets gång loggas kontinuerligt batterispänning och ström med hjälp av den dator som styr strömkretsarna. Efter att laddningssekvensen är avslutad placeras batteriet på nytt i rumstemperatur. För att få en uppfattning om hur mycket SOC har ökats under försöket måste batteriet vila minst 4 timmar innan tomgångsspänningen mäts. Förutom att tomgångsspänningen varierar med laddningstillståndet beror den också på batteriets temperatur och därför är det viktigt att man mäter tomgångsspänningen före och efter försöket vid samma temperatur. Det finns två anledningar till att tomgångsspänningen mäts i rumstemperatur istället för vid den aktuella provtemperaturen. För det första ger det en indikation på hur varje batteriindivids SOH påverkas under arbetets gång i och med att batterierna förbereds på samma sätt inför varje försök. Det andra skälet är av en mer praktisk natur. Termiska kammaren rymmer bara två batterier och utgör en begränsning i hur många försök som kan genomföras. Genom att förbereda och delvis utvärdera batteriförsöken med batterierna placerade i rumstemperatur kan fler försök genomföras på en viss tid jämfört med om batterierna också skall vila minst 4 timmar i den aktuella provtemperaturen. Dessutom behöver man vid jämförelse mellan försökens resultat inte kompensera för spänningens temperaturberoende. När försöket är avslutat kopieras datafilerna över till pc-miljö där de utvärderas. Analysen av proven görs i huvudsak med hjälp av Matlab. Genom att integrera den effekt med vilken batteriet laddas beräknas enkelt hur mycket energi som tillförts batteriet totalt. För att få någon slags uppfattning om verkningsgraden kan man i denna typ av försök också jämföra den integrerade energin med ökningen av SOC mätt genom tomgångsspänningen. Den termiska kammaren är termostatreglerad och jobbar hela tiden för att behålla batteriet vid den angivna temperaturen vilket gör att det krävs försök i isoleringsboxen för att kunna mäta hur mycket värmeenergi som tillförts batteriet. Genom att studera plottar över batteriströmens och spänningens variation under laddningen kan man också dra viktiga slutsatser om de olika laddningskonceptens effektivitet. 3

Den ursprungliga planen att genom statistisk försöksplanering kunna decimera antalet prov har ändrats. Svårigheten att fastställa aktuell SOC tillsammans med de övriga mätosäkerheterna i försöken gör att det inte är aktuellt att ändra på mer än en parameter åt gången vid jämförande försök. Just svårigheten att fastställa SOC har också ställt högre krav på hur batteriförsöken förbereds och följs upp vilket lett till att varje enskilt försök tagit längre tid än väntat. Tillsammans med att fler försök fått göras om under utvecklingen av provmetodiken gör detta att det totala antalet gynnsamma försök som genomförts under examensarbetet är färre än vad som ursprungligen planerades. De försök som gjorts i den termiska kammaren har genomförts med två olika nivåer på spänningsbegränsningen; 14,15 V samt 14,5 V. Strömbegränsningen har varierats mellan 10 A, 5 A och 40 A (med vissa begränsningar i 40 A försöken). Temperaturerna har varierats mellan RT (0 C), 0 C och -10 C. Försöken har utförts från en ursprunglig SOC på ca 77 % av batteriets nominella kapacitet enligt K 0 normen (40 Ah har laddats ur batterierna före försök). Försöken har genomförts på fyra olika batteriindivider. 4.4 Verkningsgrad och intern värmeutveckling När batteriet laddas eller laddas ur övergår en del av den elektriska energin i förluster. De värmeförluster som bildas till följd av batteriets resistans kan vara ett problem i varma länder men eventuellt göra nytta i de fall omgivningstemperaturen är så låg att den påverkar laddningsmottagligheten negativt. För att kunna beräkna hur mycket elektrisk energi som finns lagrad i batteriet och hur mycket som går att få ur batteriet är det nödvändigt att veta verkningsgraden för batteriet. Utgångspunkten för beräkning av verkningsgraden har varit att den energi som passerar batteriets poler vid laddning antingen lagras eller åtgår i värmeförluster eller mekaniska förluster och att dessa mekaniska förluster kan försummas. På samma sätt approximeras den totala energin vid urladdning som summan av den elektriska energi som passerar polerna och den energin som omvandlas till värme i batteriet. Figur 14: Isoleringsbox med 175 Ah batteri, temperatursensorer och interface till Hydra datalogger. 4

Försöken för att bestämma verkningsgraden och värmeutvecklingen i batteriet har förberetts med samma noggrannhet som övriga försök. Skillnaden är att försöken genomförs i en isoleringsbox (se figur 14) och att batteriets temperatur loggas före, under och efter laddningen. Isoleringsboxen är tillverkad av isoleringsskivor avsedda för värmeisolering av hus. De inledande försöken med isoleringsboxen visade att den decimetertjocka isoleringen är mycket effektiv. Genom att placera isoleringsboxen i en omgivningstemperatur som är identisk med batteritemperaturen vid försökets början minimeras värmetillförseln utifrån och kan vid begränsade laddtider försummas, vilket avsevärt förenklar beräkningarna av värmeutvecklingen i batteriet till följd av laddning eller urladdning. Förändringen av batteritemperaturen hos batteriet i isoleringsboxen loggas samtidigt som batteriet laddas. Utgående från batteriets temperaturökning och den specifika värmekapaciteten för batteriet beräknas hur mycket värmeenergi som tillförts batteriet under laddningen. Eftersom isoleringsboxen är mycket effektiv och skillnaden mellan temperaturen i boxen och utanför är liten kan påverkan utifrån försummas. Med kunskap om tillförd värmeenergi och tillförd total energi kan den termiska verkningsgraden för laddning 1 beräknas enligt: energitotalt energivärme ηladdning = energitotalt På samma sätt beräknas den termiska verkningsgraden för urladdning enligt: η urladdning energiuttaget = energi + energi uttaget värme Den totala verkningsgraden benämns här elektrisk verkningsgrad och beräknas enligt: η = η η elektrisk laddning urladdning 4.5 Batteriets temperatur Att batteriets temperatur har stor inverkan på laddningsmottagligheten är känt. Idag är batterierna helt oisolerade på en standardutrustad Scanialastbil. Batterilådan som skulle kunna isolera batterierna från den omgivande kylan är ventilerad med gälar som täcker hela lådans insida. För att få en uppfattning om batteriets miljö har försök inletts där temperaturen på batterierna och dess omgivning mäts. Försöken har genomförts under sensommaren och ytterliggare mätningar är nödvändiga för att bättre kartlägga batteriernas befintliga miljö för olika årstider och även för olika typer av dragbilar, lastbilar och påbyggnader. 1 Med termisk verkningsgrad för laddning menas här den verkningsgrad med vilken energi lagras i batteriet. Vid urladdning sker också förluster som måste beaktas vid beräkning av den elektriska verkningsgraden för batteriet. 5