Akkupaketti ja sen kokoonpano

Sähköauton akkupaketti yhdistää kennot sähköliitäntöihin, jäähdytyslaitteistoon, ohjauselektroniikkaan ja suojarakenteisiin muodostaen suurjännitteisen energiajärjestelmän.

Sähköinen kokoonpano määrää jännitteen, kapasiteetin ja virtakyvyn, kun taas fyysinen integrointi vaikuttaa massaan, jäähdytykseen, törmäyssuojaukseen, tilankäyttöön, huollettavuuteen ja akkupakettitason energiatiheyteen.

Mitä akkupaketin sisällä on?

Kennot varastoivat energian, mutta ne ovat vain yksi osa kokonaista akkupakettia.

Tyypillinen sähköauton akkupaketti sisältää:

• Akkukennoja
• Moduuleja tai muita kennojen ryhmittelyrakenteita
• Virtakiskoja ja suurjännitejohtimia
• Kennovalvontaelektroniikkaa
• Positiivisen ja negatiivisen pääkontaktorin
• Sulakkeita ja pyroteknisiä erottimia
• Virta-, jännite- ja eristysantureita
• Huoltoerottimen
• Jäähdytyslevyjä ja jäähdytysnestekanavia
• Lämpörajapintamateriaaleja
• Tiiviin akkupakettikotelon
• Törmäys- ja tunkeutumissuojauksen
• Paineenpoisto- ja kaasunhallintareittejä
• Suurjänniteliittimiä ja liitäntäkohtia

Pääkontaktorit irrottavat kennot muusta ajoneuvosta, kun suurjännitejärjestelmä sammutetaan. Kennot pysyvät kytkettyinä ja sähköisesti jännitteisinä akkupaketin sisällä.

Tavanomainen sulake suojaa liialliselta virralta, kun taas pyrotekninen erotin voi katkaista suurjänniteyhteyden nopeasti vakavassa törmäyksessä tai sähköviassa.

Akunhallintajärjestelmä valvoo ja ohjaa pakettia. Sen jäähdytys- ja lämmitysjärjestelmät selitetään tarkemmin luvussa Akun lämmönhallinta.

Akun kokoonpano

Akun kokoonpano kuvaa kennojen sähköisiä kytkentöjä.

Kaksi peruskytkentätapaa ovat:

• Sarjakytkentä, joka kasvattaa jännitettä
• Rinnankytkentä, joka kasvattaa ampeerituntikapasiteettia ja virtakykyä

Useimmat sähköautojen akkupaketit käyttävät molempien yhdistelmää.

Sarjakytkennät

Kun samanlaisia kennoja tai kennoryhmiä kytketään sarjaan, niiden jännitteet lasketaan yhteen.

Sama virta kulkee sarjaketjun jokaisen kennon tai rinnakkaisryhmän läpi.

Akkupaketin jännite = Sarjaryhmien määrä × Kennojännite

Kun 100 nimellisjännitteeltään 3,7 voltin kennoa kytketään sarjaan, akkupaketin nimellisjännitteeksi tulee noin 370 volttia.

Ampeeritunteina mitattu kapasiteetti ei kasva, kun samanlaisia kennoja kytketään vain sarjaan.

Rinnankytkennät

Kun samanlaisia kennoja kytketään rinnakkain, jännite pysyy samana ja niiden ampeerituntikapasiteetit lasketaan yhteen.

Rinnakkaisryhmän kapasiteetti =
Rinnakkaisten kennojen määrä × Kennon kapasiteetti

Neljä rinnakkain kytkettyä 72 Ah:n kennoa muodostaa 288 Ah:n ryhmän.

Rinnakkaiset kennot jakavat myös virran. Tasapainoisissa olosuhteissa neljä samanlaista rinnakkaista kennoa johtaa kukin noin neljäsosan ryhmän virrasta.

Todellinen virran jakautuminen voi vaihdella hieman seuraavien erojen vuoksi:

• Sisäinen vastus
• Lämpötila
• Kennon ikä
• Sähköliitännät
• Valmistustoleranssit

BMS valvoo rinnakkain kytkettyjä kennoja tavallisesti yhtenä jännitepisteenä, koska ne jakavat saman napajännitteen.

s- ja p-merkintöjen ymmärtäminen

Akkukokoonpanot kirjoitetaan yleisesti käyttäen:

• s sarjakytkennälle
• p rinnankytkennälle

3s4p-kokoonpanossa on:

• Kolme sarjaan kytkettyä ryhmää
• Neljä rinnakkain kytkettyä kennoa jokaisessa ryhmässä
• Yhteensä kaksitoista fyysistä kennoa

Kennojen kokonaismäärä on:

Kennoja yhteensä = Sarjamäärä × Rinnakkaismäärä

Samanlaisia kennoja käyttävässä akkupaketissa:

Akkupaketin nimellisjännite =
Sarjamäärä × Kennon nimellisjännite

Akkupaketin kapasiteetti, Ah =
Rinnakkaismäärä × Kennon kapasiteetti

Akkupaketin nimellisenergia, Wh =
Akkupaketin nimellisjännite × Akkupaketin kapasiteetti

Jännitteen ja ampeerituntien tulo antaa likimääräisen nimellisenergia-arvon.

Kennojännite muuttuu jatkuvasti varaustilan mukana, joten laskelma ei ole tarkka mittaus akkupaketin koko purkauksen aikana luovuttamasta energiasta. Valmistajat voivat myös määrittää nimellis- tai bruttokapasiteetin kennon karakterisointimenetelmillä, jotka poikkeavat hieman tästä yksinkertaisesta laskusta.

Esimerkki: Audi Q8 55 e-tron

Audi Q8 55 e-tronin akussa on 432 prismaattista kennoa 36 moduulissa. Jokaisessa moduulissa on 12 kennoa.

Audin tekniset tiedot:

• 114 kWh:n bruttokapasiteetti
• 106 kWh:n käytettävissä oleva kapasiteetti
• 396 V:n nimellisjännite
• 36 moduulia
• 432 kennoa

Jokainen moduuli käyttää 3s4p-järjestystä. Koko akkupaketti on siten 108s4p. (Audi)

Nimellisiä kennoarvoja käyttäen:

• Kennojännite: Noin 3,6667 V
• Kennokapasiteetti: 72 Ah
• Rinnakkaisryhmän kapasiteetti: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Moduulijännite: 3 × 3,6667 V = noin 11 V
• Moduulikapasiteetti: 288 Ah

36 moduulia kytketään sarjaan:

• Koko kokoonpano: 108s4p
• Akkupaketin jännite: 36 × 11 V = 396 V
• Akkupaketin kapasiteetti: 288 Ah
• Nimellisenergia: 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh

Tulos on noin 114 kWh, mikä vastaa Audin julkaisemaa bruttokapasiteettia.

Esimerkki osoittaa kaksi tärkeää periaatetta:

• Kennojen tai moduulien sarjakytkentä kasvattaa jännitettä
• Moduulien sarjakytkentä ei kasvata ampeerituntikapasiteettia

Esimerkki: Porsche Macan Electric

Porsche Macan Electric käyttää:

• 100 kWh:n bruttokapasiteettia
• Noin 95 kWh:n käytettävissä olevaa kapasiteettia
• 12 moduulia
• 15 sarjaan kytkettyä prismaattista kennoa moduulia kohti
• Yhteensä 180 kennoa
• 800-voltin luokan arkkitehtuuria

Koko akkupaketti voidaan siten kuvata merkinnällä 180s1p. Jokainen suuri prismaattinen kenno tarjoaa jo vaaditun ampeerituntikapasiteetin, joten kuhunkin sarjapaikkaan ei tarvita rinnakkaisia fyysisiä kennoja.

Porsche kertoo myös, että 12 moduulia ja useita muita tärkeitä akkupaketin osia voidaan vaihtaa yksittäin. (Porsche Newsroom)

Tämä poikkeaa olennaisesti tuhansia pieniä sylinterikennoja käyttävästä akkupaketista, vaikka molemmat rakenteet suorittavat samat perustehtävät.

Havainnollinen pieniä sylinterikennoja käyttävä akkupaketti

Tarkastellaan 4,416 sylinterikennoa käyttävää akkupakettia, jonka järjestys on 96s46p.

Oletetaan jokaiselle kennolle:

• Nimellisjännite: 3,7 V
• Kapasiteetti: 4,8 Ah

Tällöin akkupaketilla on:

Akkupaketin jännite = 96 × 3,7 V
                     = 355,2 V

Akkupaketin kapasiteetti = 46 × 4,8 Ah
                          = 220,8 Ah

Nimellisenergia = 355,2 V × 220,8 Ah
                = noin 78,4 kWh

Tämä on havainnollinen kokoonpano, ei jokaisen samanlaista kennomäärää käyttävän ajoneuvon tekninen tieto.

Todelliset sylinterikennoakut vaihtelevat seuraavien tekijöiden mukaan:

• Kennokapasiteetti
• Kennokemia
• Toimittaja
• Tehdas
• Mallivuosi
• Akkuversio
• Käytettävissä oleva jänniteikkuna

Esimerkkejä akkukokoonpanoista

Valmistajat eivät aina julkaise täydellistä sXp-merkintää. Tähdellä merkityt kokoonpanot on johdettu julkaistuista kenno- ja moduulijärjestelyistä.

Akku	Vuosi	Brutto- tai nimelliskapasiteetti	Kennot / moduulit	Kokoonpano	Nimellis- tai arkkitehtuurijännite
Mitsubishi i-MiEV, Yhdysvaltain erittely	2012	16,3 kWh	88 kennoa	88s1p*	325,6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	264 kennoa / 27 moduulia	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, 35,8 kWh:n sukupolvi	2017	35,8 kWh	264 kennoa / 27 moduulia	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 kennoa / 36 moduulia	108s4p	396 V
Audi Q6 e-tronin / A6 e-tronin PPE-akku	2024	100 kWh	180 kennoa / 12 moduulia	180s1p*	800-voltin luokka
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 kennoa / 12 moduulia	180s1p*	800-voltin luokka
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	Nimellinen 150 kWh	384 kennoa	Ei julkaistu virallisesti	Nimellinen 337 V
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 pussikennoa / 6 moduulia	Ei julkaistu virallisesti	800-voltin luokka

Mitsubishi i-MiEV:n testiakussa oli 88 kennoa, 50 Ah:n nimelliskapasiteetti, 16,3 kWh:n nimellisenergia ja 325,6 V:n nimellisjännite. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Alkuperäinen e-Golf käytti 264 kennoa, 27 moduulia, 323 V:n jännitettä ja 24,2 kWh:n kapasiteettia. Myöhempi 35,8 kWh:n versio säilytti saman kennomäärän, moduulimääärän, nimellisjännitteen ja julkaistun akkumassan. (VW Press)

Audin PPE-akku käyttää 12 moduulia ja 180 suurta prismaattista kennoa Q8 e-tronin 36 moduulin ja 432 kennon sijasta. (Audi)

NIO ilmoittaa 150 kWh:n akulleen 384 kennoa, 337 V:n nimellisjännitteen, 446 Ah:n kapasiteetin ja 575 kg:n massan, mutta ei tarjoa tarpeeksi julkista tietoa luotettavan täydellisen sXp-kokoonpanon määrittämiseen. (NIO)

Porsche Cayenne Electric käyttää toimintoja yhdistävässä akussa kuutta moduulia ja 192 suurta pussikennoa. (Porsche Newsroom)

Jännite, virta ja teho

Sähköteho riippuu jännitteestä ja virrasta:

Teho = Jännite × Virta

Sama teho voidaan siirtää käyttäen:

• Suurempaa jännitettä ja pienempää virtaa
• Pienempää jännitettä ja suurempaa virtaa

Ihanteellinen 300 kW:n siirto vaatii:

Jännitteellä 400 V:

Virta = 300,000 W ÷ 400 V
      = 750 A

Jännitteellä 800 V:

Virta = 300,000 W ÷ 800 V
      = 375 A

800-voltin järjestelmä siirtää saman tehon puolella virralla.

Johtimien sähköhäviöitä voidaan arvioida näin:

Resistiivinen häviö = Virta² × Vastus

Jos vastus pysyy samana, virran puolittaminen pienentää resistiivisen häviön neljäsosaan.

Todelliset ajoneuvot ovat monimutkaisempia, koska myös johtimien mitat, liitinvastus, puolijohteet, jäähdytys ja akun todellinen jännite muuttuvat. Laskelma selittää silti, miksi suurempi jännite muuttuu houkuttelevaksi lataus- ja ajovoimansiirtotehon kasvaessa.

400- ja 800-voltin luokan järjestelmät

Termit 400 volttia ja 800 volttia kuvaavat laajoja järjestelmäluokkia, eivät kiinteitä akkujännitteitä.

Akkupaketin jännite muuttuu seuraavien mukaan:

• Varaustila
• Kennokemia
• Lämpötila
• Virta
• Sarjaan kytkettyjen kennojen määrä
• Valmistajan jänniterajat

400 voltin akkuna markkinoitu järjestelmä voi toimia 300-voltin alarajalta yli 400 V:iin.

800-voltin luokan akkupaketin nimellisjännite voi olla lähempänä 650–750 V:a, vaikka jännite lähestyy tai ylittää 800 V:n korkeassa varaustilassa.

400-voltin luokan järjestelmät

400-voltin luokan arkkitehtuuri riittää edelleen monille tavallisille sähköautoille.

Edut

• Kypsät ja laajasti saatavilla olevat komponentit
• Pienemmät komponenttikustannukset
• Suoraviivainen yhteensopivuus nykyisten laturien kanssa
• Vähemmän vaativat eristysvaatimukset
• Riittävä teho monille henkilöautoille
• Vakiintuneet korjaus- ja tuotantoprosessit

Kompromissit

• Suurempi virta samalla teholla
• Erittäin suurella teholla suuremmat virtaa johtavat johtimet
• Enemmän liittimien ja kaapelien kuumenemista
• Äärimmäisen lataustehon saavuttaminen on vaikeampaa
• Suuritehoiset voimansiirrot vaativat enemmän virtaa

Hyvä 400-voltin akku voi silti latautua erittäin nopeasti, kun siinä yhdistyvät suurta virtaa kestävät kennot, tehokas jäähdytys ja laaja latauskäyrä.

800-voltin luokan järjestelmät

800-voltin luokan arkkitehtuuri pienentää tietyllä teholla tarvittavaa virtaa.

Edut

• Pienempi virta suurella latausteholla
• Pienemmät johdinhäviöt
• Mahdollisesti pienemmät tai kevyemmät suurjännitekaapelit
• Enemmän tehoa liittimen virtarajojen sisällä
• Suuren ajovoimansiirtotehon tehokas välitys
• Hyvä soveltuvuus suuritehoiseen lataukseen

Kompromissit

• Kalliimmat suurjännitekomponentit
• Vaativammat eristys- ja pintavuotovälit
• Suuremmat vaatimukset kontaktoreille ja antureille
• Monimutkaisempi tehoelektroniikka
• Yhteensopivuusongelmat matalamman jännitteen laturien kanssa
• Suuremmat kehitys- ja validointikustannukset

Suurempi jännite ei takaa nopeampaa latausta.

Latauskyky riippuu myös seuraavista:

• Kennokemia
• Kennon C-rate
• Akun lämpötila
• Latauskäyrä
• Virtarajat
• Jäähdytyskyky
• Varaustila
• Laturin suorituskyky

800-voltin akun lataaminen matalamman jännitteen laturilla

Laturin täytyy tarjota riittävä jännite virran työntämiseksi akkuun.

800-voltin luokan akkua ei yleensä voi ladata suoraan laturista, jonka suurin lähtöjännite jää selvästi akkupaketin jännitteen alapuolelle.

Valmistajat ratkaisevat asian useilla tavoilla:

• Erillinen DC-jännitettä nostava muunnin
• Moottorin ja invertterin käyttö osana jännitettä nostavaa piiriä
• Akun muuttaminen matalamman jännitteen osiksi
• Rajoitettu latauskyky yhteensopimattomilla latureilla

Lohkolataus

Lohkolataus muuttaa akun sähköistä kokoonpanoa latauksen aikana.

Porsche Macan voi jakaa 800-voltin akkunsa kahdeksi erilliseksi 400-voltin piiriksi. Akun puolikkaat ladataan silloin samanaikaisesti enintään 135 kW:n teholla ilman erillistä suurjännitetehostinta. (Porsche Newsroom)

Kennot eivät liiku eikä akkupakettia jaeta fyysisesti. Suurjännitekytkimet muuttavat sen osien sähköisiä kytkentöjä.

Tämä osoittaa, ettei akun kokoonpano aina pysy samana kaikissa toimintatiloissa.

Akkupakettiarkkitehtuurit

Sähköinen kokoonpano kuvaa kennojen kytkentää.

Akkupakettiarkkitehtuuri kuvaa, miten kennot, jäähdytysjärjestelmä, kotelo, moduulit ja ajoneuvon rakenne on integroitu fyysisesti.

Tärkeimmät ratkaisut ovat:

• Moduulipohjaiset akkupaketit
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body tai Cell-to-Chassis
• Rakenteelliset tai toimintoja yhdistävät akkupaketit

Luokat ovat osittain päällekkäisiä.

Rakenteellinen akku voi sisältää moduuleja. Cell-to-Pack-rakenne voi käyttää sisäisiä kehyksiä, puristettuja rivejä, lohkoja tai muita kennojen ryhmittelyrakenteita.

Moduulipohjaiset akkupaketit

Perinteisessä moduulipohjaisessa paketissa kennot kootaan moduuleiksi ennen moduulien asentamista akkukoteloon.

Kenno → Moduuli → Akkupaketti → Ajoneuvo

Moduulit voivat sisältää:

• Kennokehiä
• Puristusrakenteita
• Virtakiskoja
• Kennovalvontaelektroniikkaa
• Jäähdytysrajapintoja
• Sähköeristystä
• Mekaanista suojausta
• Moduulitason liittimiä

Moduulipohjaisten akkupakettien edut

• Skaalautuvuus: Eri kapasiteetteja voidaan muodostaa eri moduulimäärillä.
• Tuotannon eriyttäminen: Moduulikokoonpano ja lopullinen pakettikokoonpano voidaan testata erikseen.
• Hallitut kennoryhmät: Puristus, sähköliitännät ja jäähdytys voidaan hallita määritellyissä yksiköissä.
• Mahdollinen korjattavuus: Viallinen moduuli voidaan ehkä vaihtaa koko akkupakettia vaihtamatta.
• Toimittajajoustavuus: Moduulit voivat muodostaa rajapinnan kennotuotannon ja ajoneuvokokoonpanon välille.
• Alustan uudelleenkäyttö: Samaa moduulirakennetta voidaan toisinaan käyttää useassa ajoneuvossa.

Moduulipohjaisten akkupakettien kompromissit

• Lisää epäaktiivista materiaalia: Kehykset, kannet, kiinnikkeet ja liittimet lisäävät massaa.
• Suurempi osamäärä: Koteloita, tiivisteitä, virtakiskoja ja rajapintoja tarvitaan enemmän.
• Heikompi pakettitehokkuus: Tilaa tarvitaan sekä kennojen että moduulien ympärille.
• Enemmän kokoonpanovaiheita: Moduulit vaativat erillisen tuotannon, testauksen, kuljetuksen ja asennuksen.

Moduulien olemassaolo ei tee akkupaketista automaattisesti korjattavaa.

Korjattavuus riippuu myös:

• Pääsystä akkupakettiin
• Liimoista ja tiivistysaineista
• Jäähdytysnesterakenteesta
• Varaosien saatavuudesta
• Diagnostiikkatuesta
• BMS-ohjelmoinnista
• Valmistajan korjausmenettelyistä

Porsche Macan Electric on nykyaikainen esimerkki korjattavuutta painottavasta moduulipohjaisesta akkupaketista. Porschen mukaan sen 12 moduulia ja muut tärkeät komponentit voidaan vaihtaa yksittäin. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, lyhenteeltään CTP, poistaa tai vähentää perinteistä moduulien välikoteloa.

Kenno → Akkupaketti → Ajoneuvo

Kennot voidaan edelleen järjestää:

• Riveiksi
• Puristetuiksi ryhmiksi
• Sisäisiin kehyksiin
• Lohkoiksi
• Rakenteellisiksi ryhmiksi

CTP ei välttämättä tarkoita, että jokainen kenno olisi irrallaan yhdessä jakamattomassa kotelossa.

Cell-to-Packin edut

• Parempi pakettitilavuuden hyödyntäminen: Moduulien seinät ja kannet vievät vähemmän tilaa.
• Pienempi epäaktiivinen massa: Välikoteloita ja kiinnikkeitä tarvitaan vähemmän.
• Pienempi osamäärä: Sähköisiä ja rakenteellisia rajapintoja voidaan yhdistää.
• Mahdollinen kustannussäästö: Toistuvien osien poistaminen voi yksinkertaistaa kokoonpanoa.
• Tiiviimpi jäähdytysintegrointi: Kennot voivat liittyä suoraan pakettitason jäähdytysrakenteisiin.
• Vähemmän liitäntöjä: Suuret kennot ja suora integrointi voivat vähentää virtakiskojen ja liittimien määrää.

Cell-to-Packin kompromissit

• Enemmän vastuuta akkupakettitasolla: Jäähdytys, puristus, eristys ja leviämissuojaus on ratkaistava suuremmissa osissa.
• Integroidumpi tuotanto: Tuotantovika voi vaikuttaa suurempaan kokoonpanoon.
• Heikompi modulaarinen vaihdettavuus: Kennoryhmiä voi olla vaikea poistaa erikseen.
• Alustariippuvuus: Kennojen mitat, jäähdytys, pakettikotelo ja ajoneuvon lattia liittyvät tiiviisti toisiinsa.
• Mahdolliset korjauskustannukset: Yhden osan vaurio voi vaatia suuremman pakettikokoonpanon vaihtamisen.

CATL Qilin

CATL kuvaa Qiliniä kolmannen sukupolven CTP-arkkitehtuuriksi.

CATL ilmoittaa rakenteelle 72%:n pakettitilavuuden hyödyntämisasteen. Tämä on Qilinin tekninen tieto, ei kaikkia CTP-akkuja koskeva tulos.

Merkitys ulottuu perinteisten moduulikoteloiden poistamista pidemmälle. Qilin integroi jäähdytyksen, rakenteen, lämpösuojauksen ja kennot akkupakettitasolla.

Volkswagen Unified Cell ja Cell-to-Pack

Volkswagen-konsernin Unified Cell on standardoitu prismaattisten kennojen alusta, joka on suunniteltu toimimaan uuden Cell-to-Pack-akkujärjestelmän kanssa.

Laajan kennoalustan on tarkoitus tukea:

• NMC:tä
• LFP:tä
• Natriumionia
• Mahdollista tulevaa kiinteäelektrolyyttistä teknologiaa

Ensimmäinen Salzgitterissä valmistettu PowerCo Unified Cell käyttää NMC-kemiaa. LFP-versioita suunnitellaan. (Volkswagen Group)

Unified Cell osoitta…170 tokens truncated…-kemialla tai pitkällä kennomuodolla.

Cell-to-Body ja Cell-to-Chassis

Cell-to-Body eli CTB integroi akun tiiviimmin ajoneuvon koriin.

Cell-to-Chassis eli CTC kuvaa samankaltaisia konsepteja, vaikka valmistajat eivät käytä termejä yhdenmukaisesti.

Akku voi jakaa toimintoja seuraavien kanssa:

• Matkustamon lattia
• Poikkipalkit
• Pohjarakenne
• Sivurakenteet
• Istuinten kiinnitysrakenteet
• Törmäyskuormien reitit

Edistyneen CTP:n ja CTB:n välinen raja ei aina ole selvä. Se riippuu akkupaketin ja korin jakamista osista ja toiminnoista.

BYD Sealin Cell-to-Body

BYD Seal käyttää Cell-to-Body-järjestelmää, jossa akku ja korin lattia muodostavat tiiviisti integroidun kerrosrakenteen.

Akku toimii sekä:

• Energiavarastona
• Ajoneuvon rakenteellisena osana

CTB:n ja CTC:n edut

• Vähemmän päällekkäisiä rakennekerroksia
• Enemmän sisätilaa samalla ajoneuvon korkeudella
• Mahdollinen järjestelmämassan pieneneminen
• Korin suurempi jäykkyys
• Matalampi painopiste
• Tehokkaampi tilankäyttö

CTB:n ja CTC:n kompromissit

• Akun ja korin suunnittelu liittyvät tiiviisti toisiinsa
• Törmäyskorjaus voi koskea sekä akku- että korirakenteita
• Akkupaketin irrotus voi vaatia laajempaa purkamista
• Alustamuutos voi vaatia akun uudelleensuunnittelun
• Tiivistyksestä ja korroosiosuojauksesta tulee tärkeämpää
• Mittatoleransseista tulee vaativampia

Rakenteelliset ja toimintoja yhdistävät akkupaketit

Rakenteellinen akku kantaa merkittäviä ajoneuvokuormia sen sijaan, että se olisi vain korin alle asennettu energiavarasto.

Rakenteellinen paketti voi käyttää:

• Suoraan rakenteelliseen koteloon liimattuja kennoja
• Suuria rakenteellisia kennoryhmiä
• Korin yhteyteen integroituun akkuun asennettuja moduuleja
• Akun kantta, joka toimii myös osana matkustamon lattiaa

Rakenteellinen integrointi ja moduulien käyttö ovat erillisiä suunnitteluvalintoja.

Teslan rakenteellinen akkupaketti

Tesla aloitti valittujen Model Y -ajoneuvojen tuotannon omilla 4680-kennoilla, suurilla korivaluilla ja rakenteellisella akkupaketilla vuonna 2022.

Tesla on valmistanut myös Model Y -versioita, joissa käytetään perinteisiä ei-rakenteellisia akkupaketteja ja 2170-kennoja. Akkuarkkitehtuuri riippuu siis ajoneuvoversiosta ja tehtaasta.

Porsche Cayenne Electric

Porsche Cayenne Electric käyttää Porschen toimintoja yhdistäväksi suurjänniteakuksi kutsumaa rakennetta.

Akku:

• On integroitu suoraan ajoneuvon rakenteeseen
• Osallistuu korin jäykkyyteen
• Sisältää kuusi moduulia
• Sisältää 192 suurta pussikennoa
• On bruttokapasiteetiltaan 113 kWh
• Käyttää moduulien kaksipuolista jäähdytystä

Se on hyödyllinen esimerkki rakenteellisesti integroidusta akusta, joka säilyy modulaarisena eikä käytä moduulitonta CTP-arkkitehtuuria. (Porsche Newsroom)

Rakenteellisten akkupakettien edut

• Vähemmän päällekkäistä rakennetta akkupaketin ja korin välillä
• Mahdollisesti pienempi järjestelmän kokonaismassa
• Pystysuuntaisen tilan parempi käyttö
• Korin suurempi jäykkyys
• Matalampi painopiste
• Vähemmän suuria ajoneuvokomponentteja

Rakenteellisten akkupakettien kompromissit

• Akun ja ajoneuvon kehitystä ei voi erottaa toisistaan
• Rakennevaurio voi vaikuttaa akkukoteloon
• Akkupaketin irrotus ja korin korjaus voivat olla monimutkaisempia
• Valmistustoleransseista tulee vaativampia
• Akkua voi olla vaikea käyttää uudelleen toisella alustalla
• Korjaus vaatii yksityiskohtaiset valmistajan ohjeet

Alla olevassa videossa Munro & Associates analysoi Teslan rakenteellisen akkupaketin yksityiskohtaisesti.

Akkupakettiarkkitehtuuri ja huollettavuus

Akkupakettiarkkitehtuurit on houkuttelevaa asettaa seuraavaan järjestykseen:

Moduulit = korjattava

Cell-to-Pack = vaikea korjata

Rakenteellinen akkupaketti = ei korjattavissa

Todellisuus on monimutkaisempi.

Huollettavuus riippuu:

• Voidaanko kansi avata rakennetta rikkomatta
• Voidaanko moduulit tai kennoryhmät poistaa
• Rakenneaineista, vaahdoista ja valumassoista
• Pääsystä jäähdytyslevyihin
• Jäähdytysnesteliitännöistä
• Moduulien ja elektroniikan saatavuudesta
• Diagnostiikkatyökaluista
• BMS-ohjelmoinnista ja komponenttien parituksesta
• Hyväksytyistä korjausmenettelyistä
• Akkukotelon tai ajoneuvon rakenteen vaurioista

Perinteinen moduulipohjainen akku voidaan silti joutua vaihtamaan kokonaisena, jos valmistaja ei toimita moduuleja tai korjausohjeita.

Rakenteellisesti integroitu akku voi silti sisältää vaihdettavia:

• Moduuleja
• Kontaktoreita
• Sulakkeita
• Antureita
• Ohjaimia
• Jäähdytysnestejärjestelmän osia

Porsche Cayenne Electric osoittaa, että rakenteellinen integrointi ja modulaarinen rakenne voivat olla samassa akussa.

Akkupakettiarkkitehtuuri vaikuttaa korjausmahdollisuuksiin mutta ei yksin määrää niitä.

Akkupakettitason energiatiheys

Kennotason energiatiheys kuvaa kennoihin varastoitua energiaa suhteessa niiden massaan tai tilavuuteen.

Akkupakettitason energiatiheys sisältää kaiken, mitä kennojen käyttöön, kytkentään, jäähdytykseen ja suojaukseen tarvitaan:

• Kennokotelot
• Moduulirakenteet
• Akkukotelo
• Jäähdytysjärjestelmä
• Virtakiskot ja johdotus
• Kontaktorit ja sulakkeet
• Ohjauselektroniikka
• Törmäyssuojaus
• Tiivisteet ja kiinnikkeet
• Lämpörajapintamateriaalit

Gravimetrinen akkupaketin energiatiheys on:

Gravimetrinen akkupaketin energiatiheys =
Akkupaketin energia, Wh ÷ Koko akkupaketin massa, kg

Volumetrinen akkupaketin energiatiheys on:

Volumetrinen akkupaketin energiatiheys =
Akkupaketin energia, Wh ÷ Akkupaketin ulkotilavuus, litraa

Suuren energiatiheyden kenno voi silti tuottaa suhteellisen raskaan akkupaketin, jos se tarvitsee laajaa jäähdytystä, suojausta tai rakenteellista laitteistoa.

Pienemmän tiheyden kemia, kuten LFP, voi tehokkaan integroinnin avulla saavuttaa hyvän pakettitason tuloksen, mutta kennotason pienempi tiheys ei katoa kokonaan.

Akkupakettitason energiatiheys ajan myötä

Taulukossa käytetään brutto- tai valmistajan ilmoittamaa energiaa käytettävissä olevan energian sijasta.

Arvoja tulee pitää edustavina esimerkkeinä, ei laboratoriotason vertailuna. Valmistajat eivät aina määritä akkupaketin massaa tai nimellisenergiaa täysin samalla tavalla.

Akkupaketti	Vuosi tai sukupolvi	Brutto- tai nimelliskapasiteetti	Akkupaketin massa	Laskettu tiheys
Mitsubishi i-MiEV, Yhdysvaltain erittely	2012	16,3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Noin 540 kg	Noin 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24,2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Noin 699 kg	Noin 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, 35,8 kWh:n sukupolvi	2017	35,8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, suuri akku	2021	82 kWh	Noin 500 kg	Noin 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82,56 kWh	Noin 558 kg	Noin 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron / Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Noin 570 kg	Noin 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, 52 kWh:n versio	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, päivitetty akku	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
NIO:n 100 kWh:n vaihtoakku	Nykyinen julkaistu erittely	Nimellinen 100 kWh	555 kg	180 Wh/kg
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	Nimellinen 150 kWh	575 kg	261 Wh/kg

Mitsubishi i-MiEV:n luvut ovat Yhdysvaltain energiaministeriön testiraportista, jossa ilmoitetaan 16,3 kWh:n nimellisenergia ja 363 lb:n akkupakettimassa eli noin 165 kg. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Tesla ilmoitti alkuperäiselle Model S:lle virallisesti 85 kWh:n akun. Noin 540 kg:n akkupakettimassa on yleisesti raportoitu tekninen arvio, ei Teslan alkuperäisessä ajoneuvoerittelyssä ilmoittama luku, joten myös laskettua tiheyttä on pidettävä likimääräisenä. (Tesla)

Volkswagen ilmoittaa virallisesti kummankin e-Golf-akkusukupolven massaksi 318 kg. (VW Press)

Vuoden 2018 Audi e-tron käytti 95 kWh:n akkua, jonka massa oli noin 699 kg. Luku on hyödyllinen esimerkki akkupaketista, joka suunniteltiin tehokkaan jäähdytyksen, rakenteellisen suojauksen, toistettavan latauksen ja modulaarisen rakenteen eikä vain mahdollisimman pienen massan ehdoilla.

BYD Seal -luku käyttää 82,56 kWh:n LFP Blade Batterylle noin 558 kg:n pakettimassaa. Tulokseksi tulee noin 148 Wh/kg, joten se toimii hyödyllisenä nykyaikaisen LFP-akun vertailukohtana.

Renault ilmoittaa Renault 5:lle virallisesti 52 kWh:n käytettävissä olevan kapasiteetin ja 297 kg:n pakettimassan. Taulukossa käytetään EVKX:n 55 kWh:n työarvoa bruttokapasiteetille, jolloin tulokseksi tulee noin 185 Wh/kg. (Renault Ireland)

Audi ilmoittaa päivitetyn e-tron GT -akun bruttokapasiteetiksi 105 kWh ja massaksi 625 kg. (Audi)

NIO ilmoittaa 100 kWh:n akkujensa massaksi 555 kg ja 150 kWh:n version massaksi 575 kg. (NIO)

Varhaiset sähköautoakut eivät olleet kaikki samanlaisia

Taulukko ei osoita yksinkertaista vuosittaista nousua.

Mitsubishi i-MiEV ja alkuperäinen e-Golf olivat varovaisesti suunniteltuja varhaisia akkujärjestelmiä, joilla oli:

• Kohtuullinen kapasiteetti
• Pieni latausteho
• Paljon tukirakenteita
• Pienen tai usealle käyttövoimalle suunnitellun alustan rajoittama tilankäyttö

Ensimmäinen e-Golf saavutti akkupakettitasolla vain 76 Wh/kg.

Alkuperäinen Tesla Model S oli merkittävä poikkeus. Sen suuri ja tarkoitusta varten suunniteltu lattia-akku saavutti noin 157 Wh/kg jo vuonna 2012, vaikka siinä käytettiin:

• 7,104 pientä sylinterikennoa
• 16 moduulia
• Nestejäähdytystä
• Tuhansia sähköliitäntöjä
• Vahvaa rakenteellista koteloa

Model S osoitti, miten suuren energiasisällön kenno ja suuren litteän akkupaketin ympärille suunniteltu ajoneuvo saattoivat päihittää monet pienemmät varhaisten sähköautojen akut.

e-Golf-akun kaksi sukupolvea

Kaksi e-Golf-akkupakettia tarjoavat poikkeuksellisen selkeän vertailun, koska niiden julkaistu pakettimassa, kennomäärä, moduulimäärä ja nimellisjännite säilyivät samoina.

Tekninen tieto	24,2 kWh:n e-Golf	35,8 kWh:n e-Golf
Nimelliskapasiteetti	24,2 kWh	35,8 kWh
Akkupaketin massa	318 kg	318 kg
Kennojen määrä	264	264
Moduulien määrä	27	27
Nimellisjännite	323 V	323 V
Laskettu tiheys	76 Wh/kg	113 Wh/kg

Uudempi akku varastoi noin 48% enemmän energiaa kasvattamatta julkaistua akkupaketin massaa tai kennojen määrää.

Parannus syntyi ensisijaisesti suuremmasta kennokapasiteetista, ei suuremmasta akkukotelosta.

Nykyaikainen LFP: BYD Sealin Blade Battery

BYD Seal on hyödyllinen esimerkki nykyaikaisesta LFP-akkupaketista.

Sen 82,56 kWh:n Blade Battery painaa noin 558 kg, joten laskettu akkupakettitiheys on noin 148 Wh/kg.

Tulos on useita nykyaikaisia nikkelipohjaisia akkupaketteja pienempi siitä huolimatta, että Seal käyttää tehokasta Cell-to-Body-arkkitehtuuria.

Tulos osoittaa kaksi erillistä vaikutusta:

• LFP-kennot varastoivat tavallisesti kilogrammaa kohti vähemmän energiaa kuin johtavat nikkelirikkaat kennot
• Tehokas integrointi vähentää mutta ei poista kennotason haittaa

Sealin akkupaketti ei ole huonosti suunniteltu. Se painottaa erilaista tasapainoa seuraavien välillä:

• Materiaalikustannukset
• Sykli-ikä
• Lämpövakaus
• Akkupaketin integrointi
• Rakenteellinen tehokkuus

Akkupaketin tiheyttä ei siksi pidä käsitellä täydellisenä akun laatuluokituksena.

Renault 5: suuri tiheys pienessä moduulipaketissa

Renault 5 E-Tech on huomionarvoinen, koska sen pienikokoinen akku saavuttaa noin 185 Wh/kg käyttämällä 55 kWh:n bruttotyöarvoa.

Tekninen tieto	Renault 5 E-Tech
EVKX:n käyttämä bruttokapasiteetti	55 kWh
Virallinen käytettävissä oleva kapasiteetti	52 kWh
Akkupaketin massa	297 kg
Laskettu bruttotiheys	185 Wh/kg
Moduulien määrä	4

Tulos on erityisen kiinnostava, koska Renault 5 ei käytä moduulitonta CTP-rakennetta.

Sen neljä suurta moduulia vähentävät toistuvia koteloita, liittimiä ja tukiosia monia pienempiä moduuleja käyttäviin paketteihin verrattuna.

Renault osoittaa siten, ettei hyvä pakettitiheys edellytä moduulitason poistamista kokonaan.

NIO:n 100 akkukilowattitunnin ja 150 kWh:n vaihtoakut

NIO:n 100 akkukilowattitunnin ja 150 kWh:n akut tarjoavat toisen havainnollisen vertailun, koska kumpikin sopii yhtiön akunvaihtorajapintaan.

Tekninen tieto	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Nimelliskapasiteetti	100 kWh	150 kWh
Akkupaketin massa	555 kg	575 kg
Laskettu tiheys	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Massaero	—	20 kg enemmän
Energiaero	—	50% enemmän

150 kWh:n akku varastoi 50% enemmän nimellisenergiaa, vaikka se lisää julkaistuun 100 kWh:n akkupakettierittelyyn vain 20 kg.

Sen laskettu noin 261 Wh/kg:n tiheys on selvästi taulukon tavallisia esimerkkejä suurempi.

Sitä ei pidä pitää koko sähköautomarkkinaa edustavana. Akkupaketti käyttää erikoistunutta suuren energiasisällön kennorakennetta, ja sitä on toimitettu NIO:n päivitys- ja akunvaihtojärjestelmän kautta.

Miksi pakettitiheysluvut eivät ole täysin vertailukelpoisia

Akkupakettien tiheysvertailut vaativat varovaisuutta.

Valmistajien määritelmät voivat erota seuraavissa asioissa:

• Bruttokapasiteetti
• Nimelliskapasiteetti
• Koko akkupaketin massa
• Jäähdytysnesteen massa
• Liitäntäkotelon massa
• Pohjasuojaus
• Jaetut rakenteelliset osat
• Tuotanto- ja prototyyppierittely

Myös ajoneuvojen vaatimukset eroavat.

Suorituskykyinen sähköauto voi tarvita enemmän:

• Jäähdytystä
• Virtakiskokapasiteettia
• Suurvirtalaitteistoa
• Törmäyssuojausta

Katumaasturi tai maastoajoneuvo voi tarvita pienikokoista viistoperää raskaamman kotelon.

Vaihdettava akku tarvitsee rakenteellisia ja mekaanisia rajapintoja, joita pysyvästi asennettu akkupaketti ei tarvitse.

Pienemmän tiheyden akkupaketti voi silti tarjota:

• Nopeamman ja toistettavamman latauksen
• Paremman jäähdytyksen
• Vahvemman törmäyssuojauksen
• Helpomman moduulien vaihdon
• Suuremman jatkuvan tehon
• Pidemmän käyttöiän
• Pienemmät tuotantokustannukset

Akkupakettitason tiheys on hyödyllinen tieto, mutta ei täydellinen akun laatupisteytys.

Mitä akkupakettiarkkitehtuuri merkitsee sähköauton ostajalle

Akkupaketin kokoonpanoa ei tavallisesti tarvitse vertailla suoraan ostotilanteessa.

180s1p-akku ei ole lähtökohtaisesti parempi kuin 96s46p-akku.

Päivittäisessä käytössä ratkaisee koko suunnittelun lopputulos:

• Käytettävissä oleva akkukapasiteetti
• Ajoneuvon energiatehokkuus
• Latauskäyrä
• Lataus kylmässä
• Akun esilämmitys
• Jatkuva ja huipputeho
• Heikkeneminen
• Lämmönhallinta
• Takuun kattavuus
• Suojaus lämpövaurion leviämistä vastaan
• Akkupaketin ja moduulien korjausvaihtoehdot
• Vaurion jälkeiset vaihtokustannukset

Suurempi jännite voi auttaa sähköautoa saavuttamaan suuren lataus- ja voimansiirtotehon, mutta jännite yksin ei määrää latausnopeutta.

Cell-to-Pack ja rakenteellinen integrointi voivat vähentää massaa ja parantaa tilankäyttöä. Ne voivat myös muuttaa korjausmenettelyjä ja lisätä pohja- tai rakennevaurion seurauksia.

Modulaarinen akkupaketti voi tarjota enemmän korjausvaihtoehtoja, mutta vain, jos varaosia, diagnostiikkaa ja hyväksyttyjä menettelyjä on saatavilla.

Paras akkupakettiarkkitehtuuri täyttää ajoneuvon tavoitteet seuraavissa asioissa:

• Suorituskyky
• Toimintamatka
• Lataus
• Turvallisuus
• Kestävyys
• Tuotantokustannukset
• Tilankäyttö
• Huollettavuus

Uusin lyhenne ei automaattisesti tarkoita parasta akkua.

Kennoja ja koko akkupakettia ympäröivät suojaustasot käsitellään luvussa Sähköauton akun turvallisuus ja vikojen hallinta.

Lähteet

• Audi Q8 e-tronin akkukapasiteetti ja lataus
• Porsche Macanin akku ja lataus
• Yhdysvaltain energiaministeriön Mitsubishi i-MiEV -akkutestaus
• Volkswagen e-Golfin lehdistöaineisto
• Audin PPE-suurjänniteakku
• NIO ET7 -käyttöohje
• Porsche Cayenne Electricin suurjännitejärjestelmä
• Volkswagen-konsernin akku- ja energiateknologiat
• Tesla Model S:n tekniset tiedot
• Renault 5 E-Techin tekniset tiedot
• Audi e-tron GT:n suurjänniteakku