Akkupuskuri ja käytettävissä oleva kapasiteetti

Sähköauton akku antaa harvoin koko ilmoitetun energiasisältönsä ajokäyttöön. Akunhallintajärjestelmä (BMS) määrittää toimintaikkunan, ja näytetyt 100% ja 0% ovat kuljettajalle tarkoitettuja rajoja eivätkä kennojen ehdottomia sähkökemiallisia päätepisteitä.

Sähköauton ostajan kohtaamat kapasiteettitermit

Akkukapasiteettilukuja on helppo verrata vain, jos ne kuvaavat samaa suuretta. Valmistajat, viranomaiset, testausorganisaatiot ja ajoneuvotietokannat eivät aina käytä termejä brutto, nimellinen, netto, käytettävissä oleva ja saatavilla oleva täysin samalla tavalla.

Hyödyllisimmät erot ovat:

Bruttokapasiteetti: Valmistajan ilmoittama uuden akun kokonaisenergiasisältö ennen kuljettajan normaalin käyttöikkunan rajaamista.
Netto- eli käytettävissä oleva kapasiteetti: Valmistajien yleisesti käyttämät termit energialle, jonka ajoneuvo antaa kuljettajan käyttää ajamiseen määritellyissä olosuhteissa.
Näytetyn 100–0%:n kapasiteetti: Energia, joka on käytettävissä näytetystä 100%:sta siihen asti, kun kojelauta saavuttaa 0%:n.
Käytettävissä oleva nollan alapuolinen reservi: Energia, jolla voidaan vielä ajaa näytetyn 0%:n jälkeen mutta ennen kuin ajoneuvo lopettaa ajotehon tuottamisen.
Käyttämätön suojamarginaali: Kuljettajan käyttöikkunan ulkopuolinen energia, jonka akun ohjausstrategia varaa.
Tällä hetkellä saatavilla oleva energia: Energia, jonka akku pystyy luovuttamaan ennen sammumista nykyisessä lämpötilassa, virtatarpeessa, kuntotilassa ja kennotasapainossa.

YK:n maailmanlaajuinen tekninen sääntö nro 22 määrittelee käytettävissä olevan akkuenergian energiaksi, jonka akku luovuttaa sertifiointitestin alusta sovellettavan keskeytysehdon täyttymiseen asti. Tämä muistuttaa siitä, että käytettävissä oleva energia vaatii määritellyt alku- ja loppuehdot; kyse ei ole vain akkupakettiin liitetystä nimikkeestä. (UNECE)

EVKX käyttää nettokapasiteettia kaikelle kuljettajan käytettävissä olevalle energialle näytetystä 100%:sta ajotehon loppumiseen. Jos ajoneuvo voi ajaa näytetyn 0%:n alapuolella, tämä energia sisältyy EVKX:n nettokapasiteettiin. EVKX kirjaa sen erikseen käytettävissä olevaksi puskuriksi, kun määrä tunnetaan.

Suhde on tällöin:

Näytetyn 100–0%:n kapasiteetti =
Nettokapasiteetti − käytettävissä oleva nollan alapuolinen reservi

Ilmoitetun brutto- ja nettokapasiteetin ero voidaan laskea näin:

Ilmoitettu brutto–netto-ero =
Bruttokapasiteetti − nettokapasiteetti

Ero on hyödyllinen, mutta ei kerro, miten varattu energia jakautuu käytettävissä olevan ikkunan ylä- ja alapuolelle.

Esimerkkejä brutto- ja nettoluvuista

Jotkin valmistajat ilmoittavat molemmat luvut selvästi:

Audi Q6 Sportback e-tron performance on määritelty 100 kWh:n bruttokapasiteetilla ja 94,9 kWh:n nettokapasiteetilla. Ilmoitettu ero on 5,1 kWh eli 5,1% bruttokapasiteetista. (Audi)
Audi Q8 55 e-tron ja SQ8 e-tron käyttävät 114 kWh:n bruttoakkua, jonka nettokapasiteetti on 106 kWh. Ilmoitettu ero on 8 kWh eli noin 7,0%. (Audi)
Porsche Taycanin Performance Battery Plus on määritelty 105 kWh:n bruttokapasiteetilla ja 97 kWh:n nettokapasiteetilla. Ilmoitettu ero on 8 kWh eli noin 7,6%. (Porsche)

Luvut koskevat viitattuja ajoneuvoja, mallikokoonpanoja, markkinoita ja teknisten tietojen versioita. Niitä ei pidä siirtää sukulaismalliin tai eri mallivuoteen.

Ne eivät myöskään kerro:

Kuinka suuri osa käyttämättömästä marginaalista on käyttöikkunan yläpuolella
Kuinka paljon energiaa jää ajotehon katkaisupisteen alapuolelle
Onko näytetyn 0%:n jälkeen käytettävissä energiaa
Mitkä kennojännitteet vastaavat näytettyä 100%:a ja 0%:a
Kuinka paljon energiaa vanhentunut akku pystyy nyt varastoimaan

Bruttokapasiteetti on itsessään nimellisarvo, ei mittaus jokaisesta joulesta tuhoavien sähkökemiallisten rajojen välillä. Lämpötila, purkausnopeus, kennojen vaihtelu, akun ikä ja valmistajan testimenetelmä vaikuttavat mitattuun tulokseen.

Toimintaikkunan toimintaperiaate

Puskuri ei ole erillinen lokero, moduuli tai kennoryhmä. BMS muodostaa toimintaikkunan ohjaamalla, kuinka täyteen samoja kennoja tavallisesti ladataan ja kuinka tyhjiksi ne puretaan.

Yksinkertaistetussa akun toimintaikkunassa voi olla:

Käyttämätön ylempi suojamarginaali
Näytetty 100%
Normaali näytetty toimintaikkuna
Näytetty 0%
Mahdollinen käytettävissä oleva nollan alapuolinen ajovara
Ajotehon katkaisupiste
Käyttämätön alempi suojamarginaali

Kuva on käsitteellinen. Kennojännite, varastoitu varaus ja varastoitu energia eivät ole täydellisen lineaarisessa suhteessa, ja rajat riippuvat kemiasta, lämpötilasta, vanhenemisesta, virrasta ja BMS-strategiasta.

Ylempi suojamarginaali

Ylempi marginaali estää normaalia latausta siirtymästä kennojännitealueelle, jonka valmistaja on rajannut pois tavanomaisesta käytöstä. Se voi antaa liikkumavaraa kennojen epätasapainolle, mittausvirheelle, lämpötilavaihtelulle ja latauksen ohjaukselle.

Ylärajan rajoittaminen voi myös vähentää aikaa, jonka kenno viettää erityisen korkeassa varaustilassa ja jännitteessä. Kaupallisilla litiumionikennoilla tehdyt kokeet osoittavat vanhenemisen riippuvan varaustilaikkunasta, kemiasta, virrasta ja lämpötilasta. Ne eivät tue yleissääntöä, jonka mukaan sama puskuriprosentti sopisi jokaiseen akkuun. (Journal of Power Sources Advances)

Alempi suojamarginaali

Käyttämätön alempi marginaali pitää kennot erossa vaurioittavasta alijännitteestä ja antaa BMS:lle tilaa irrottaa ajopiiri ennen kuin heikoin valvottu kennoryhmä ylittää sallitun rajansa.

Matalin ryhmä on akkupaketin keskiarvoa tärkeämpi. Akun vahvemmissa ryhmissä voi vielä olla energiaa yhden ryhmän saavuttaessa alajänniterajansa. Ryhmien epätasapainon ja käytettävissä olevan pakettienergian suhde selitetään luvussa Kennojen tasapainotus.

Käyttämätön alempi marginaali ei ole sama asia kuin nollan alapuolinen ajovara. Ensimmäinen jää saavuttamattomaksi ajotehon katkaisun jälkeen, kun taas jälkimmäinen voi yhä liikuttaa ajoneuvoa.

Miksi sähköautojen akut varaavat energiaa

BMS:n täytyy pitää jokainen valvottu kennoryhmä hyväksytyissä jännite-, virta- ja lämpötilarajoissa. Rajattu toimintaikkuna auttaa sitä:

Estämään ylilatauksen ja liiallisen purkautumisen
Sallimaan kennoryhmien väliset erot
Säilyttämään mittaus- ja ohjausmarginaalit
Pienentämään tehoa turvallisesti akun lähestyessä rajaa
Huomioimaan lämpötilasta riippuvan jännitekäyttäytymisen
Hallitsemaan varaustilan arviointiepävarmuutta
Tasapainottamaan toimintamatkaa, suorituskykyä, kestävyyttä ja takuutavoitteita

Toimintaikkuna on vain yksi osa akun suojausta. Kennokemia, elektrodirakenne, jäähdytys, latausstrategia, tehorajat, akkupaketin rakenne, ohjelmisto ja kuljettajan käyttö voivat olla yhtä tärkeitä tai tärkeämpiä.

Suurempi brutto–netto-ero ei siksi todista, että akku olisi turvallisempi tai kestäisi pidempään. Se voi kuvastaa varovaisia rajoja, tiettyä kennokemiaa, mittaustapaa, vaihtelun sallimista tai kyseistä ajoneuvoa varten tehtyä suunnittelupäätöstä.

Näitä rajoja valvovat BMS-toiminnot käsitellään luvussa Akunhallintajärjestelmä.

Mitä näytetyt 100% ja 0% tarkoittavat

Näytetty 100%

Näytetty 100% tarkoittaa tavallisesti, että akku on saavuttanut kuljettajan käyttöikkunan yläpään. Se ei yleensä tarkoita, että jokainen kenno olisi saavuttanut ehdottoman sähkökemiallisen enimmäisarvonsa.

Kolmea rajaa ei pidä sekoittaa keskenään:

Valmistajan käyttämätön ylempi marginaali
Ajoneuvon näytetty 100%:n piste
Kuljettajan valitsema alempi latausraja, esimerkiksi 80%

Päivittäisen 80%:n latausrajan valitseminen ei muodosta tai korvaa valmistajan suojamarginaalia. Se lopettaa latauksen aiemmin normaalissa käyttöikkunassa.

Ylemmän marginaalin olemassaolo ei myöskään takaa täyttä regeneratiivisen jarrutuksen tehoa näytetyssä 100%:ssa. Regenerointia rajoittavat sallittu kennojännite, latausvirta, akun lämpötila, kennotasapaino ja teho, jonka akkupaketti pystyy sillä hetkellä vastaanottamaan. BMS voi vähentää regenerointia, vaikka bruttotieto antaisi ymmärtää, että käyttöikkunan yläpuolella on käyttämätöntä energiaa.

Latausteho, tehon lasku, esilämmitys ja latausrajat selitetään erikseen luvussa Akun lataaminen ja latauskyky.

Näytetty 0%

Näytetty 0% on valmistajan määrittämä piste lähellä kuljettajalle näytetyn asteikon alapäätä. Ajoneuvosta riippuen ajoteho voi loppua siinä pisteessä tai käytettävissä olevaa ajoenergiaa voi jäädä jäljelle.

Akun lähestyessä alarajaansa ajoneuvo voi edetä usean vaiheen kautta:

Pienen energiamäärän ja lataustarpeen varoitukset
Ilmastoinnin tai lisälaitteiden tehon pienentäminen
Kiihtyvyyden ja enimmäistehon pienentäminen
Erittäin pieni tai katoava toimintamatka-arvio
Näytetty 0%
Mahdollinen nollan alapuolinen ajovara
Ajotehon katkaisu

Tarkka järjestys ja kynnysarvot ovat mallikohtaisia. Suuri tehontarve voi saada heikon tai kylmän kennoryhmän saavuttamaan jänniterajansa aikaisemmin, joten näytetyn 0%:n jälkeen saatavilla oleva energia ei välttämättä toistu samanlaisena.

Nollan alapuolinen reservi on edelleen käytettävissä olevaa kapasiteettia

Jos sähköauto jatkaa ajamista näytetyn 0%:n jälkeen, sen käyttämä energia on edelleen kuljettajan käytettävissä olevaa energiaa. Se ei kuulu käyttämättömään alempaan suojamarginaaliin.

Ero on tärkeä teknisiä tietoja verrattaessa. Ajoneuvolla, jolla on 80 kWh energiaa näytetystä 100%:sta pysähtymiseen ja tästä 3 kWh näytetyn 0%:n alapuolella, on:

EVKX:n määritelmän mukaan 80 kWh:n nettokapasiteetti
3 kWh:n käytettävissä oleva nollan alapuolinen reservi
77 kWh näytetyn 100%:n ja 0%:n välillä

Ajotehon katkaisun jälkeen jäljelle jäävää määrää ei voi mitata ajamalla autoa vain siihen asti, että se pysähtyy. Tällainen testi mittaa ainoastaan käytettävissä olevan ikkunan.

Älä koskaan pidä reserviä taattuna toimintamatkana

ADAC testasi vuonna 2025 kuutta sähköautoa. Yksikään niistä ei pysähtynyt heti näytetyssä 0%:ssa, vaan kaikki jatkoivat suotuisissa testiolosuhteissa noin 15–20 km. ADAC varoitti myös, että reservi voi olla paljon pienempi kylmässä, vanhentuneella akulla tai epäsuotuisammissa olosuhteissa. (ADAC)

Tulos kuvaa kuutta yksittäistä testiajoneuvoa, ei koko alan takuuta. Tesla Model 3:n ohjekirja antaa asianmukaisen säännön kuljettajalle: älä oleta toimintamatkaa olevan jäljellä näytön saavuttaessa 0%:n. (Tesla)

Miksi mitattu ja näytetty energia voi muuttua

Varaustila on arvio, ei suora mittaus

Varaustilaa ei voi mitata suoraan kuten säiliössä olevaa nestettä. BMS arvioi sen virran, jännitteen, lämpötilan, akkumallien ja vertailuolosuhteiden perusteella. Kulometrinen laskenta on hyödyllinen lyhyellä aikavälillä, mutta pienet virheet kertyvät. Jännitepohjaiset korjaukset riippuvat myös kemiasta, lämpötilasta, viimeaikaisesta virrasta ja lepoajasta. Varaustilan arviointimenetelmiä koskevat katsaukset selittävät, miksi tuotantojärjestelmät yhdistävät mittauksia ja malleja yhden signaalin varaan luottamisen sijasta. (Electronics)

Kojelauta lisää vielä yhden kerroksen. Se voi muuntaa BMS-arvion kuljettajalle tarkoitetulle asteikolle, suodattaa nopeita muutoksia ja sisällyttää valmistajan määrittämän reservin.

Yhtä näytettyä prosenttiyksikköä ei siksi pidä automaattisesti käsitellä yhtenä sadasosana akun kilowattitunneista. Suhde voi vaihdella, koska:

Akun jännite muuttuu purkautumisen aikana
Näytettyä varaustilaa voidaan suodattaa tai muuntaa
BMS voi tarkistaa kapasiteettiarviotaan
Lämmitys, jäähdytys ja muut akun kuormat kuluttavat energiaa
Lämpötila ja virta vaikuttavat kohtaan, jossa kenno saavuttaa jänniterajansa
Kennojen epätasapaino voi saada yhden ryhmän lopettamaan käyttöikkunan aikaisin

Äkillinen varaustilan korjaus ei todista fyysisen puskurin muuttuneen. Kyse voi olla arvion korjauksesta.

Saatavilla oleva energia riippuu olosuhteista

Brutto- ja nettotiedot kuvaavat uutta akkua määritellyissä olosuhteissa. Auto voi luovuttaa yhdellä matkalla vähemmän energiaa.

Yleisiä syitä ovat:

Akun alhainen lämpötila
Suuri tehontarve
Kasvanut sisäinen vastus
Heikko tai epätasapainoinen kennoryhmä
Akun heikkeneminen
Akun lämmitys- tai jäähdytyskuormat
Äskettäinen ohjelmisto- tai varaustila-arvion korjaus

Osa suurella kuormalla saavuttamattomasta energiasta voi vaikuttaa palaavan ajoneuvon levättyä. Pienemmällä virralla kennojännite palautuu ajon aikaisesta vastukseen liittyvästä laskusta. Lämpimämmät kennot voivat myös luovuttaa enemmän energiaa ennen alajänniterajansa saavuttamista.

Tämä ei tarkoita, että BMS olisi vapauttanut suojamarginaalinsa pysyvästi. Akku vain pystyy täyttämään toimintarajansa uusissa olosuhteissa.

Latausasemalta otettu energia ei myöskään ole suora kapasiteettimittaus. Lataushäviöitä syntyy kaapelissa, sisäisessä laturissa, tehoelektroniikassa, akussa ja lämpöjärjestelmissä. Laturi voi siksi toimittaa enemmän kilowattitunteja kuin akkuun varastoitu energia lisääntyy.

Miten käytettävissä oleva kapasiteetti voi muuttua

Ohjelmisto voi muuttaa toimintaikkunaa

BMS ohjaa toimintaikkunaa, joten valmistaja voi muuttaa sitä, jos kennojen ja akkupaketin rajat sallivat. Ohjelmistomuutos voi:

Antaa käyttöön enemmän tai vähemmän olemassa olevasta akusta
Muuttaa näytetyn varaustilan muunnosta
Muuttaa tehorajoja lähellä täyttä tai tyhjää
Muuttaa kohtaa, jossa lataus tai ajoteho päättyy
Parantaa BMS:n kapasiteettiarviota fyysistä ikkunaa muuttamatta

Alkuperäinen Audi e-tron 55 on dokumentoitu esimerkki. Audi tarjosi soveltuviin vuoden 2019 autoihin ja vuoden 2020 versioihin päivityksen, joka kasvatti olemassa olevan 95 kWh:n akun nettokapasiteetin noin 86 kWh:iin muiden energiatehokkuusmuutosten ohella. Fyysinen akkupaketti ei kasvanut, vaan Audi muutti sen käyttötapaa. (Audi)

Esimerkki ei tarkoita, että jokaisessa sähköautossa olisi kapasiteettia, joka voidaan turvallisesti avata käyttöön. Toimintaikkuna validoidaan tietylle kennolle, jäähdytysjärjestelmälle, jännitealueelle, tehontarpeelle, vanhenemistavoitteelle ja vikamarginaalille. Yhden rajan muuttaminen voi vaikuttaa useisiin muihin.

Puskuri ja akun heikkeneminen

Akun heikkeneminen vähentää kennojen fyysistä kykyä varastoida energiaa ja luovuttaa tehoa. Se on eri asia kuin toimintaikkunan muuttaminen.

Kolme vaikutusta voi pienentää mitattua kapasiteettia tai muuttaa kojelaudan käyttäytymistä:

Fyysinen heikkeneminen: Kennot varastoivat vähemmän energiaa tai niiden vastus on suurempi kuin uutena.
Arvion muutos: BMS muuttaa arviotaan varaustilasta tai saatavilla olevasta kapasiteetista.
Toimintaikkunan muutos: Ohjelmisto muuttaa sallittua ylä- tai alarajaa.

Vaikutukset voivat tapahtua yhdessä, ja niitä on vaikea erottaa yhdestä hallitsemattomasta ajo- tai lataustestistä.

Valmistaja voisi periaatteessa antaa osan varatusta marginaalista käyttöön ja pienentää nettokäyttöenergian laskua tilapäisesti. Tämä ei kumoaisi fyysistä heikkenemistä, vaan toisi käyttöön enemmän jäljellä olevasta kennokapasiteetista.

EVKX ei ilman mallikohtaista näyttöä oleta valmistajan vapauttavan varakapasiteettia heikkenemisen peittämiseksi. Akun kunto pitää arvioida määritellyllä testimenettelyllä ja lämpötilalla sekä tuntemalla ohjelmistoversio ja ajoneuvon kapasiteetti uutena. YK:n GTR nro 22 noudattaa tätä periaatetta vertaamalla mitattua käytettävissä olevaa akkuenergiaa sertifioituun käytettävissä olevaan akkuenergiaan yhdenmukaistetulla menettelyllä. (UNECE)

Kapasiteetin menetys, vastuksen kasvu, testaus ja takuurajat käsitellään luvussa Akun heikkeneminen.

Akkukapasiteettilukujen vertaaminen

Tarkista ennen kahden sähköauton vertailua:

Tarkka malli, akkuvaihtoehto, mallivuosi ja markkina-alue
Kuvaako kukin luku brutto-, netto- vai mitattua käytettävissä olevaa energiaa
Sisältääkö nettokapasiteetti näytetyn 0%:n alapuolisen energian
Koskeeko luku uutta akkua vai tiettyä käytettyä ajoneuvoa
Käyttävätkö molemmat tulokset samoja alku- ja loppuehtoja
Onko arvo peräisin akusta vai laturin toimittamasta energiasta
Onko lähde valmistaja, sertifiointitesti vai riippumaton arvio

Älä arvioi nettokapasiteettia bruttokapasiteetista tyypillisen prosenttiluvun avulla. Puskuristrategiat vaihtelevat liikaa. Älä myöskään arvioi bruttokapasiteettia lisäämällä julkaistuun nettolukuun oletettua reserviä.

Älä myöskään arvioi akun kuntoa yhdestä lyhyestä matkasta jakamalla ajotietokoneen energiankulutusta menetetyllä prosenttiosuudella. Kojelaudan pyöristys, apulaitteiden kuormat, lämpötila, jännitteen palautuminen ja varaustilan korjaukset voivat hallita lyhyttä mittausväliä.

Luotettavin vertailu käyttää valmistajan tai sertifioinnin lukuja, joiden määritelmät vastaavat toisiaan. Yksittäisen ajoneuvon kapasiteettitesti pitäisi tehdä laajalla varaustila-alueella hallituissa olosuhteissa, tunnetulla ohjelmistoversiolla ja mahdollisuuksien mukaan akun puolelta mitatulla energialla.

Käytettävissä olevan energian loppuminen

BMS lopettaa ajotehon ennen kuin kennot saavuttavat vaarallisen alarajan, mutta sähköauton ajaminen sammumiseen asti voi silti vaikeuttaa palautumista. Suurjänniteakku voi lakata tukemasta pienjännitejärjestelmää, ajoneuvo ei välttämättä pysty aloittamaan latausta ilman ulkoista pienjännitetukea ja kuljetusta voidaan tarvita.

Näytetyn 0%:n alapuolinen käytettävissä oleva reservi on siksi varoitusmarginaali, ei osa matkasuunnitelmaa. Sen koko voi muuttua lämpötilan, akun kunnon, tehontarpeen, kennotasapainon ja ohjelmiston mukaan. Kuljettajan kannattaa noudattaa juuri oman ajoneuvonsa varoituksia ja latausohjeita eikä luottaa toisen auton nollaan asti ajamisen testiin.

Suojamarginaalit ovat normaalia akkutekniikkaa. Selkeissä teknisissä tiedoissa erotetaan bruttokapasiteetti, nettokapasiteetti, näytetyn 100–0%:n energia ja mahdollinen käytettävissä oleva nollan alapuolinen reservi, jotta ostaja tietää, mitä suuretta hän vertaa.