Miljövinster genom laddning med 3D-optimerade profiler

Text av Mark Jansson Kragh

Reliefed Technologies är ett teknik- och utvecklingsföretag som utvecklat z.trusion™-teknologin. I artikeln beskriver Mark Jansson Kragh möjliga vinster genom att använda deras teknik vid laddning och design av batterier.

2014 blev Reliefed Technologies kontaktade och inbjudna av ett bilföretag som undrade om de kunde träffas för att se om de kunde få hjälp att rationalisera produktionen på en ny volymbil med hjälp av z.trusion. Företaget hade fått ut en sportbil, en lyxbil, kämpade med en SUV och sist men inte minst: en volymbil , som skulle förvandla dem från nisch till volymtillverkare.

Double tab cooling konceptet

Fräst prototyp (ska tillv. Med z.trusion™ i serieprod) I konceptet som i detta fall anpassats för cylindriska celler och sommöjliggörs av z.trusion™ integreras: 1. Topologioptimering – möjliggör lätta och starka moduler som även kan utgöra fordonets struktur. 2.Cellfixering – eliminera lim av cellhållare etc. Möjliggör också ickedestruktivt demontering vid end of life 3. Integrerad tabkylning – ger överlägsen prestanda, 6 minuters laddning och trefaldig livslängd 4. Som ses i prototypen (bild) kan profiler byggas ihop till stora moduler eller bottenplattor. 5. Hela profilen används som kylplatta och ”thermal equalizer” ger låg delta T mellan cellerna.

De fick den specifika frågan: kan ni göra ”XXY” exakt likadan med z.trusion™ i ett steg? Svaret var att det inte går, men de skulle kunna integrera XXY´s funktion och flera andra termiska och strukturella funktioner i en enda 3D-optimerad profil, eliminera många komponenter och spara både vikt och pengar.

Men konceptet var redan låst.

Några år senare läser de ett technical paper ”Surface Cooling Causes Accelerated Degradation Compared to Tab Cooling for Lithium-Ion Pouch Cells” om hur en så kallad tabkylning möjliggör snabbare laddning och skapar en tre dubbel så lång livslängd vid snabbladdning av Litium Jon batterier.

Eftersom anod och katod leder värmen bättre än elektrolyt och isolator, så är det mycket effektivare att kyla via anod och katod och en lägre inre delta T i cellen erhålls (låg cellkärnetemperatur). Dessutom så gör det att laddfördelningen i varje cell blir jämnare och inre termomekaniska spänningar minskar. Detta ökar inte bara möjligheten till snabbare laddning utan ger också en avsevärt ökad livslängd och ökad säkerhet. Utmaningen har varit att man inte haft någon design som stöds av en rationell produktionsmetod och som möjliggör massproduktion till acceptabel kostnad.

Single tab cooling på 9 minuter.

z.trusion™ för rationell 3D-produktion

Simulering/jämförelse av laddning på 6 minuter från 20-80% : t.v. double tab och t.h. surface cooling.

EV-problem, lösningar, samt uppsatta och nådda mål för virtuella modellen/simuleringen av konceptet.

Med inspiration från ytterligare ett antal technical papers om tabkylningens fördelar skapades ett modulärt koncept där tabkylning, cellfixering och topologioptimerad fordonsstruktur integreras i en enda3D-profil, som till låg kostnad kan tillverkas i ett enda produktionssteg– utan materialspill och utan lim (möjliggör recycling/upcycling).

Lighter projekt

Ett LIGHTer projekt startades 2019för att digitalt simulera laddning från 20-80 % SOC på 6 minuter. Reliefed designade och koordinerade, Semcon gjorde termodynamiska simuleringar, Professor Anders Jarfors, Jönköpings Universitet, mätte termisk konduktivitet på aluminiumprofiler som tillverkats med z.trusion™ (säkerställde rätt invärden i simuleringar) batterimodulstillverkaren Micropower bistod med sin erfarenhet av batterier.

Som synes nåddes målen i simuleringarna– vilket resulterat i att ett Vinnovafinansierat verifieringsprojekt nu pågår. Om cellerna har lågtemperatur, låg intern Delta T och Delta T mellan celler i modulen är lågt, så har man inte bara möjlighet att ladda snabbt med god livslängd –utan även med god säkerhet. 3D-profileri aluminium möjliggör låg jämn temperatur, samtidigt som batterimodulen kan utgöra bottenplattan.

Att ladda ett 100 kWh batteri med 6C kräver laddare med 600 kW effekt, ett smartare sätt att utnyttja snabbladdningen och möjligheten till fler laddcykler, som tabkylningen ger, vore kanske en downsizing av batterierna, så att batteriet och fordonet blir både lättare, billigare och miljövänligare: 40 % downsizing minskar då miljöbelastningen/fordon med ca 8 ton CO2e/EV (räknat på en TESLA modell 3).

För att kunna elektrifiera tunga fordon, är det viktigt att det går snabbt att ladda och att batterierna klarar många cykler. Effektiv batterikylning möjliggör också effektiv regenerering i nerförsbackar.

Fördelarna med aluminiumprofiler i tabkylda batterimoduler, krockstrukturer och kylapplikationer är uppenbar. Om vi också kan optimera dessa ordentligt, eliminera materialspill i såväl tillverknings som återvinningssteg och se till att batterierna är säkra och håller länge, så har vi kommit en bit på vägen i att spara på miljön

FAKTA Z.TRUSION

z.trusion™ är en patenterad extrusionsmetod med integrerade roterande matriser i trycksatt zon som möjliggör variation i profilens (längsgående) z-riktning, utan materialspill, i existerande extrusionslinjer. Detta möjliggör utöver optimeringsmöjligheter och miljöfördelar även besparingar, då materialspill, logistik och kostnader associerade med post-extrusion bearbetning kan elimineras.

Mark Jansson Kragh, Reliefed Technologies