Sähköauton akun kunnon tarkistaminen kapasiteettiarvion avulla

Ajomatka voi auttaa arvioimaan sähköauton näyttämän akun prosenttialueen sisältämän käytettävissä olevan energian. Johdonmukaisilla lukemilla ja sopivalla vertailuarvolla toistuvat arviot voivat auttaa seuraamaan käytettävissä olevan energian muutoksia.

Mitä arvio mittaa

Menetelmässä ajotietokoneen ilmoittama energiankulutus jaetaan käytetyllä osuudella näytetystä varaustasosta (SOC). Se arvioi koko näytetyn 100–0% alueen edustaman energian kyseisen ajomatkan olosuhteissa.

Keskeinen oletus on, että jokainen näytetty prosenttiyksikkö vastaa yhtä suurta energiaosuutta. SOC kuvaa varaustilaa, kun taas energia riippuu myös jännitteestä. Jännite muuttuu purkauksen aikana, ja mittaristo käyttää auton omaa muunnosta. Siksi näytetyt prosentit eivät välttämättä seuraa energiaa lineaarisesti. Analog Devices: SOC and SOH estimation

Yhteiset mittaustiedot voivat aiheuttaa toisiinsa liittyviä virheitä, joten lukemien keskinäinen vastaavuus ei varmista akun kapasiteettia riippumattomasti. Luvussa Battery Management System selitetään, miten auto arvioi akun tilaa.

Tuloksen vertaaminen vastaavaan uuden akun arvoon antaa arvion säilyneestä energiasta. State of Health (SoH) voi kuvata myös tehonantokykyä, jota tämä ajomatka ei mittaa. Diagnostisessa arvioinnissa viat tutkitaan erillään kapasiteetin ja tehon säilymisestä. Kapasiteetin menetyksen ja tehonantokyvyn heikkenemisen mekanismeja käsitellään luvussa Battery Degradation.

Valitse lukemat ja vertailuarvo

Käytä koko ajomatkan kattavaa matkatallennetta. Tarkista auton käyttöohjeesta, mitä kulutuslukema sisältää, erityisesti matkustamon ilmastoinnin, akun lämmityksen tai jäähdytyksen sekä pysäköinnin aikaisen kulutuksen osalta. Viimeisimmän matkaosuuden keskiarvo ei edusta pidempää ajomatkaa.

Energia- ja SOC-lukemien on katettava sama ajanjakso. Esimerkiksi Tesla Model Y:n Yhdysvaltain käyttöohje erottaa ajon aikaisen energiankulutuksen pysäköinnin aikaisesta kulutuksesta. Jos pelkkää ajoa koskeva energialukema yhdistetään SOC-laskuun, johon sisältyy pitkä pysäköintijakso, osa kulutuksesta jää laskelman ulkopuolelle. Tesla US Model Y manual: energy use while driving and parked

Jotta säilynyt energia voidaan ilmaista prosentteina, tarvitset uuden akun vertailuarvon samalle akkuversiolle ja energia-alueelle:

• Selvitä akun tarkka kokoonpano ja mahdolliset ohjelmistomuutokset, jotka vaikuttavat käytettävissä olevaan energiaan.
• Tarkista vertailuarvon alku- ja loppurajat. Bruttokapasiteetti, nettokapasiteetti ja näytetyn 100–0% alueen energia ovat eri suureita.
• Varmista, sisältääkö vertailuarvo näytetyn 0% tason alapuolella käytettävissä olevan energian ja ovatko mittausolosuhteet vertailukelpoiset.

EVKX määrittelee nettokapasiteetiksi kaiken kuljettajan käytettävissä olevan energian näytetystä 100% tasosta siihen asti, kun auton voimalinja lakkaa liikuttamasta autoa. Siihen sisältyy myös mahdollinen nollan alapuolella käytettävissä oleva varaus. Tämä ajomatkaan perustuva laskelma ekstrapoloi vain näytetyn 100–0% alueen. Luvussa Battery Buffer and Usable Capacity selitetään tämä raja, ja Gross and Net Battery Capacity määrittelee keskeiset kapasiteettikäsitteet.

Jos sopivaa vertailuarvoa ei ole, pidä arvio kilowattitunteina (kWh) ja vertaile samankaltaisia ajomatkoja ajan mittaan. Aiempi ajomatka voi toimia henkilökohtaisena lähtötasona, mutta se edustaa auton kuntoa kyseisenä päivänä, ei välttämättä sen kuntoa uutena.

Tallenna ajomatka ja laske energia

Valitse matka, jonka varrella on sopivia latausmahdollisuuksia, ja jätä riittävästi varausta sään ja reitin muutoksiin. Laajempi SOC-väli pienentää pyöristyksen suhteellista vaikutusta, mutta tarkkuuden takaavaa yleispätevää vähimmäisväliä ei ole. Lähtö 100% varaustasosta on vapaaehtoista; älä aja lähelle energian loppumisesta johtuvaa pysähtymistä tarkistuksen suorittamiseksi.

1. Noudata auton latausohjeita. Valitse ajomatka, jolla akun käyttölämpötila on toistettavissa eikä akusta tai lämmönhallintajärjestelmästä ole varoituksia.
2. Kirjaa näytetty SOC juuri ennen liikkeellelähtöä ja nollaa koko matkan kattava matkatallenne.
3. Aja normaalisti. Pidä energiatallenne ja SOC-väli ajallisesti yhtenevinä myös pysähdysten aikana. Jos pysäköintienergia puuttuu eikä sitä voida ottaa huomioon, käytä toista ajomatkaa.
4. Kun olet matkan lopussa turvallisesti pysäköitynä, kirjaa SOC, matka ja kulutus samalla kertaa ennen latausta tai pidempää seisontaa. Kirjaa myös matkan kesto, päivämäärä, matkamittarin lukema, ohjelmistoversio, ulkolämpötila ja akun lämpötila, jos se on saatavilla.
5. Laske ilmoitettu energia ja jaa se sitten näytetyn SOC:n käytetyllä osuudella.

Kun kulutus ilmoitetaan yksikössä kWh/100 km:

Ilmoitettu matkaenergia (kWh) = matka (km) × kulutus (kWh/100 km) ÷ 100

Kun energiatehokkuus ilmoitetaan yksikössä mailia/kWh:

Ilmoitettu matkaenergia (kWh) = matka (mailia) ÷ energiatehokkuus (mailia/kWh)

Muutos 90% tasosta 20% tasoon on 70 prosenttiyksikköä eli osuutena 0,70:

Näytetyn alueen arvioitu energia (kWh) = ilmoitettu matkaenergia ÷ ((SOC alussa − SOC lopussa) ÷ 100)

Kun käytössä on vastaava uuden akun vertailuarvo:

Arvioitu säilynyt energia (%) = näytetyn alueen arvioitu energia ÷ vastaava uuden akun vertailuarvo × 100

Näissä yhtälöissä käytetään auton ilmoittamaa energiaa. Laturin laskuttama energia voi sisältää mittarin jälkeisiä häviöitä ja apulaitteiden kulutusta, joten sitä ei voi käyttää ajomatkan akun energiankulutuksen tilalla. Charging loss selittää mittausrajat.

Laskentaesimerkkejä

Nämä ovat laskentaa havainnollistavia kuvitteellisia lähtöarvoja, eivät tietyn mallin mittauksia. Molemmissa oletetaan vastaavaksi uuden akun vertailuarvoksi 86,5 kWh näytetylle 100–0% alueelle. Pyöristetyt tulokset näyttävät laskutoimituksen; ne eivät osoita mittaustarkkuutta prosentin kymmenesosan tasolle.

Kilometrit ja kWh/100 km

Ajomatka on 308 km, näytetty keskikulutus 25 kWh/100 km ja varaustaso laskee 100% tasosta 5% tasoon:

Ilmoitettu energia = 308 × 25 ÷ 100 = 77,0 kWh

SOC-väli = 100 − 5 = 95 prosenttiyksikköä

Näytetyn alueen arvioitu energia = 77,0 ÷ 0,95 ≈ 81,1 kWh

Arvioitu säilynyt energia = (77,0 ÷ 0,95) ÷ 86,5 × 100 ≈ 93,7%

Arvio on noin 6,3% vertailuarvoa pienempi. Ero yhdistää mahdollisen pysyvän muutoksen sekä olosuhteiden ja arviointivirheen vaikutukset.

Mailit ja mailia/kWh

Erillinen kuvitteellinen ajomatka on 140 mailia tehokkuudella 2,5 mailia/kWh, ja varaustaso laskee 90% tasosta 20% tasoon:

Ilmoitettu energia = 140 ÷ 2,5 = 56,0 kWh

SOC-väli = 90 − 20 = 70 prosenttiyksikköä

Näytetyn alueen arvioitu energia = 56,0 ÷ 0,70 = 80,0 kWh

Arvioitu säilynyt energia = 80,0 ÷ 86,5 × 100 ≈ 92,5%

Tämä arvio on noin 7,5% vertailuarvoa pienempi. Ajomatka alkaa vajaalla akulla ja päättyy niin, että varausta jää jäljelle. Esimerkeissä on eri lähtöarvot; kyse ei ole saman matkan yksikkömuunnoksesta.

Tulkitse ajomatkojen välisiä eroja

Pyöristys ja SOC-väli

Oletetaan, että kummankin päätepisteen SOC pyöristetään lähimpään kokonaiseen prosenttiyksikköön. Kukin lukema voi poiketa taustalla olevasta arviosta enintään puoli yksikköä, joten niiden erotuksessa voi olla enintään yhden yksikön virhe jo pelkän pyöristyksen vuoksi.

Kun ilmoitettu energia pidetään vakiona, välin 9 tai 11 käyttäminen välin 10 sijasta muuttaa laskettua energiaa noin +11% tai −9%. Välin 79 tai 81 käyttäminen välin 80 sijasta muuttaa sitä noin ±1,3%. Nämä vaihteluvälit havainnollistavat vain pyöristystä; ne eivät sisällä BMS:n arviointivirhettä, kulutuksen pyöristystä tai puuttuvaa energiaa.

Kulutus ja käytettävissä oleva energia

Tuuli, mäet, renkaat ja nopeus muuttavat matkaan tarvittavaa energiaa. Suurempi kulutus ei yksin tarkoita pienempää akkua: jos matkatallenne sisältää energian ja SOC-muutos seuraa sitä oikein, laskelma huomioi lisääntyneen käytön.

Puuttuva energia on eri ongelma. Jos jokin kuorma laskee SOC:ta mutta puuttuu tallennetusta matkaenergiasta, osoittaja on liian pieni ja alueen laskettu energia aliarvioidaan. Tarkista auton tapa kirjata energia ennen korjauksen lisäämistä; älä oleta mitään vakiohäviöprosenttia.

Myös lämpötila ja purkausnopeus voivat muuttaa sitä, kuinka paljon energiaa akku luovuttaa ennen rajojensa saavuttamista. Siksi DOE:n akkutestikäsikirja määrittelee lämpötila- ja jänniteolosuhteet ja erottaa kapasiteetin, käytettävissä olevan energian ja tehon testit toisistaan. US Department of Energy: Battery Test Manual for Electric Vehicles

SOC-korjaukset ja käyttöalueen muutokset

BMS arvioi varaustilaa mittausten ja mallien avulla. Arvion muutokset voivat siirtää näytettyä prosenttia lisäämättä energiaa tai palauttamatta kennojen kapasiteettia. Analog Devices: SOC and SOH estimation Kirjaa odottamaton SOC-hyppy tai pysäköinnin jälkeinen korjaus erikseen; älä yhdistä tätä myöhempää SOC:ta aiemman matkan energiaan ja käsittele tulosta vertailukelpoisena testinä.

Myös ohjelmisto voi muuttaa käytettävissä olevaa aluetta. Tasapainotus voi palauttaa käyttöön energiaa, jonka saatavuutta epätasaiset varaustasot rajoittavat, mutta kennojen menetetty varastointikapasiteetti ei muutu. Cell balancing Kirjaa ohjelmistomuutokset ja asiaan liittyvät huoltotoimet, jotta muuttunutta arviota ei automaattisesti tulkita akun heikkenemiseksi.

Vertaa useita ajomatkoja, joiden SOC-alueet, lämpötilat ja energian kirjaustavat ovat samankaltaisia. Säilytä yksittäiset tulokset ja niiden olosuhteet sen sijaan, että laskisit keskiarvon yhteismitattomista testeistä. Jatkuva väheneminen vertailukelpoisissa olosuhteissa antaa vahvemman syyn selvittää asiaa kuin alin yksittäinen lukema.

Milloin tarvitaan diagnostinen testi

Jos odottamattoman pieneen tulokseen liittyy akkuvaroituksia, toistuvia äkillisiä SOC-muutoksia tai poikkeavia tehorajoituksia, noudata auton huolto-ohjeita. Pitkän ajomatkan toistaminen ei sulje vikaa pois. Montesin ja hänen kollegoidensa akkujen arviointitutkimus erottaa jatkuvat kuntoarviot kapasiteetin ja sisäisen resistanssin testeistä sekä tarkastelee vikoja säilyneen energian rinnalla. Montes and colleagues: assessing batteries after EV use (2022)

Valmistajan testi tarjoaa määritellyn menettelyn silloin, kun sellainen on saatavilla. Tesla Model Y:n Yhdysvaltain käyttöohje erottaa BMS-pohjaisen kuntoarvion valinnaisesta Battery Health Test -testistä. Toiminnolla varustetuissa autoissa testi voi kestää enintään 24 tuntia AC-liitäntään kytkettynä ja purkaa akun näytettyyn 0% tasoon auton pysyessä pysäköitynä ja kytkettynä. Se ilmoittaa säilyneen energian suhteessa uuteen ja voi kalibroida näytetyn toimintamatka-arvion uudelleen. Tesla suosittelee sitä vain, jos energian säilyminen huolestuttaa. Noudata kaikkia käyttöohjeen edellytyksiä ja ohjeita. Tesla Model Y Owner's Manual: High Voltage Battery Health

Pyydä osto-, korjaus- tai takuupäätöstä varten raportti, jossa yksilöidään auto ja akku, testipäivä, mitattu suure, vertailuarvo, menetelmä, olosuhteet ja olennaiset viat. Kapasiteettia koskevassa vaatimuksessa raporttiin kuuluu myös sovellettava hyväksymis- tai hylkäysraja. Varmista ennen vaatimuksen tueksi tarkoitetun testin maksamista, minkä menettelyn valmistaja hyväksyy. Battery warranty selittää kapasiteettitakuiden ja vikoja koskevan takuuturvan erilliset vaatimukset.