Kennojen tasapainotus

Kennojen tasapainotus korjaa sähköauton akun sarjaan kytkettyjen kennoryhmien varaustasoeroja. Se auttaa estämään yhtä ryhmää lopettamasta latausta tai purkautumista liian aikaisin, mutta ei palauta menetettyä kapasiteettia tai korjaa heikentynyttä kennoa.

Mitä kennojen tasapainotuksessa todella tasapainotetaan

Nimi kennojen tasapainotus voi antaa ymmärtää, että akunhallintajärjestelmä (BMS) mittaa ja säätää jokaista fyysistä kennoa erikseen. Sähköauton akkua ei kuitenkaan aina ole rakennettu näin.

Rinnakkain kytketyt kennot jakavat saman napajännitteen ja niitä valvotaan tavallisesti yhtenä ryhmänä. Esimerkiksi 108s4p-akussa 108 ryhmää on kytketty sarjaan ja jokaisessa ryhmässä on neljä rinnakkaista kennoa. Akkupaketissa on 432 fyysistä kennoa, mutta tavallisesti vain 108 valvonta- ja tasapainotuskanavaa.

Tässä artikkelissa kennoryhmä tarkoittaa yhtä valvottua paikkaa sarjaketjussa. Se voi olla yksi suuri kenno tai useita rinnakkaisia kennoja.

Jokaisessa sarjaan kytketyssä ryhmässä kulkee sama akkupaketin virta. Jos akun läpi kulkee 50 A, sama 50 A kulkee jokaisen sarjapaikan läpi. Ryhmät voivat silti saavuttaa eri varaustilan, koska niiden kapasiteetti, vastus, lämpötila, itsepurkautuminen ja vanheneminen eivät ole täysin samanlaisia.

Tasapainotus on BMS:n toiminto, joka pienentää näitä varaustasoeroja. Laajempi valvonta-, arviointi- ja suojausjärjestelmä selitetään luvussa Akunhallintajärjestelmä.

Miksi kennoryhmät ajautuvat erilleen

Kennot valitaan ja sovitetaan yhteen akun tuotannon aikana, mutta mitkään kaksi kennoa eivät säily täysin samanlaisina koko käyttöikäänsä. Pienet erot kertyvät toistuvien lataus-, ajo- ja pysäköintijaksojen aikana.

Tärkeimpiä syitä ovat:

Tuotannon ja alkuperäisen kapasiteetin vaihtelu
Erilainen vanhenemisnopeus ja kapasiteetin menetys
Sisäisen vastuksen erot
Epätasainen lämpötila ja jäähdytys
Pienet erot itsepurkautumisessa
Mittaus- tai tasapainotuselektroniikan vuotovirta
Rinnakkaisryhmän heikko kenno
Erot virtakiskoissa, liittimissä tai muissa sähköliitännöissä
Jänniteanturin poikkeama tai mittausjohdon vika

Kaikki nämä syyt eivät tarkoita samaa ongelmaa.

Varaustilan epätasapaino

Varaustilan epätasapaino tarkoittaa, että kahdessa ryhmässä on eri määrä varausta suhteessa niiden omaan käytettävissä olevaan kapasiteettiin. Jos kahdessa muuten samanlaisessa 100 Ah:n ryhmässä on 80 Ah ja 78 Ah, niiden varaustilat ovat 80% ja 78%.

Tasapainotuksen on tarkoitus korjata juuri tämä ero.

Kapasiteetin epätasapaino

Kapasiteetin epätasapaino syntyy, kun yksi ryhmä pystyy varastoimaan muita vähemmän varausta. Heikentynyt 90 Ah:n ryhmä ja hyväkuntoinen 100 Ah:n ryhmä voivat molemmat olla 100%:n varaustilassa, mutta heikentynyt ryhmä sisältää vähemmän varausta ja tyhjenee tavallisesti ensin.

Tasapainotus voi kohdistaa ryhmät samaan pisteeseen valitussa toimintaikkunassa. Se ei voi palauttaa puuttuvaa 10 Ah:ta. Pienimmän kapasiteetin ryhmä voi siksi rajoittaa akkupaketin käytettävissä olevaa energiaa myös tasapainotuksen jälkeen.

Vastus- ja lämpötilaerot

Suuren vastuksen ryhmän jännite nousee latauksessa enemmän ja laskee kiihdytyksessä enemmän. Myös kylmän ryhmän jännite voi painua kuormitettuna lämpimää ryhmää enemmän samassa varaustilassa.

Nämä tilapäiset jännite-erot eivät välttämättä ole varauseroja. Jos tasapainotus perustuu vain hetkelliseen jännitteeseen suuren virran aikana, varausta voidaan poistaa väärästä ryhmästä.

Itsepurkautuminen

Suuremman itsepurkautumisen ryhmä jää vähitellen muista jälkeen ajoneuvon ollessa pysäköitynä. Tasapainotus voi palauttaa sen toistuvasti linjaan, mutta jatkuva erkaantuminen voi viitata kennovikaan, epäpuhtauteen, valvontalaitteiston vuotovirtaan tai muuhun diagnosointia vaativaan vikaan.

Sarjaan kytketyt kennot ajautuvat luonnostaan erilleen lämpötilan, impedanssin, kuormituksen ja itsepurkautumisen erojen vuoksi. Passiivinen tasapainotus riittää yleensä korjaamaan tarkasti sovitettujen kennojen pienet varaustilaerot. (Analog Devices)

Miten yksi ryhmä rajoittaa akkua

Jokaisen valvotun ryhmän on pysyttävä sallitulla jännite- ja lämpötila-alueellaan. Akkupaketin keskiarvo ei voi ohittaa yksittäisen ryhmän rajaa.

Latauksen aikana

Latausta rajoittaa ryhmä, joka saavuttaa yläjänniterajansa ensimmäisenä. Kuvitellaan neljä ryhmää latauksen loppuvaiheessa:

Ryhmä A saavuttaa ylärajansa.
Ryhmä B on 98%:n varaustilassa.
Ryhmä C on 97%:n varaustilassa.
Ryhmä D on 99%:n varaustilassa.

Samalla virralla jatkaminen ylilataisi ryhmän A, vaikka muissa ryhmissä on vielä tilaa. BMS:n täytyy pienentää latausvirtaa, tasapainottaa valittuja ryhmiä, lopettaa lataus tai yhdistää näitä toimia. Osa ryhmien B ja C kapasiteetista jää käyttämättä.

Purkautumisen aikana

Purkautumista rajoittaa ryhmä, joka saavuttaa alarajansa ensimmäisenä. Vahvemmissa ryhmissä voi vielä olla energiaa, mutta ajoneuvo ei voi jatkaa rajoittamatonta virranottoa ylittämättä rajoittavan ryhmän purkausrajaa.

BMS pienentää tavallisesti käytettävissä olevaa ajotehoa ennen kuin ryhmä saavuttaa ehdottoman alarajansa. Tarvittaessa se estää lopulta vetoakun purkamisen kokonaan.

Latausta rajoittava ryhmä ei aina ole sama kuin purkautumista rajoittava ryhmä. Suuremman vastuksen ryhmä voi nousta latauksessa korkeimmalle ja painua kiihdytyksessä alimmaksi, kun taas pienemmän kapasiteetin ryhmä voi saavuttaa käytettävissä olevan varauksensa lopun ensin. Siksi jännite-eroa on tarkasteltava asiayhteydessään, ei yhden raja-arvon perusteella.

Sekä passiivinen että aktiivinen tasapainotus pyrkivät ottamaan käyttöön energiaa, joka muuten jäisi varaustilan epätasapainon vuoksi hyödyntämättä. Kumpikaan menetelmä ei muuta kennojen fyysistä kapasiteettia. (Analog Devices)

Miten BMS tunnistaa epätasapainon

Kennovalvontaelektroniikka mittaa jokaisen sarjaryhmän jännitteen. BMS arvioi lukemia yhdessä seuraavien tietojen kanssa:

Akkupaketin virta
Kennojen ja moduulien lämpötilat
Jännitteen käyttäytyminen latauksen ja purkauksen aikana
Jännitteen palautuminen virran lakattua
Arvioitu ryhmän varaustila
Opittu kapasiteetti ja vastus
Aiempi tasapainotustoiminta
Itsepurkautuminen pysäköinnin aikana
Anturien ja tiedonsiirron diagnostiikka

Korkeimman ja matalimman mitatun ryhmäjännitteen erotusta kutsutaan usein kennojännite-eroksi tai jännitehajonnaksi. Se on hyödyllinen tieto, mutta ei täydellinen tasapainon mittari.

Jännitettä on helpointa tulkita, kun virta on pieni, lämpötilat ovat samankaltaiset ja tilapäiset polarisaatio- ja vastusvaikutukset ovat tasaantuneet. Pikalatauksessa tai voimakkaassa kiihdytyksessä mitattu hajonta voi johtua enemmän vastuksesta kuin varaustilasta.

Ryhmä, jonka jännite näyttää korkeimmalta latauksessa ja matalimmalta purkautuessa, voi sisältää liiallisen varauksen sijasta tavallista suuremman vastuksen. BMS:n täytyy erottaa toisistaan:

Todellinen varaustilaero
Kapasiteettiero
Vastuksesta johtuva jännite-ero
Lämpötilavaikutus
Poikkeava itsepurkautuminen
Anturin, mittausjohdon tai liitännän vika

Pelkkään jännitteeseen perustuvat tasapainotuspäätökset suuren virran aikana voivat pahentaa epätasapainoa. Teknisissä tasapainotusohjeissa painotetaan siksi virtaa, vastusvaikutuksia ja latauksen loppuvaiheen olosuhteita, joissa virta on pienentynyt. (Texas Instruments)

Miksi LFP vaatii erityistä huolellisuutta

Litiumrautafosfaattikennojen (LFP) avoimen piirin jännitekäyrä on suhteellisen tasainen suurella osalla varaustila-aluetta. Merkittävä muutos varastoidussa varauksessa voi aiheuttaa vain pienen jännitemuutoksen, kun taas lämpötila, hystereesi, anturivirhe ja viimeaikainen virta voivat synnyttää samansuuruisia eroja.

Jännite kertoo enemmän LFP-käyrän jyrkemmissä osissa, mutta tarkka BMS tarvitsee silti täsmällisen virran integroinnin, lämpötilakorjauksen, kemiakohtaisen mallin ja sopivat vertailuolosuhteet. Analog Devicesin ohjeistus LFP-akkujen varaustilan mittauksesta kuvaa tasaisen jännitekäyrän ja hystereesin keskeisiksi arviointihaasteiksi. (Analog Devices)

Tämä ei tee LFP:n tasapainottamisesta mahdotonta. Se tarkoittaa, että yksinkertainen sääntö ”pura korkeimman jännitteen ryhmää” ei ole yhtä luotettava toiminta-alueen tasaisessa keskiosassa.

Passiivinen tasapainotus

Passiivinen tasapainotus poistaa pienen määrän varausta valituista korkeamman varaustilan ryhmistä. Transistori kytkee vastuksen ryhmän rinnalle, ja ohjattu sähköenergia muuttuu lämmöksi.

Latauksen aikana korkeamman ryhmän purkaminen antaa alempien ryhmien saavuttaa sen samalla, kun akkupaketti vastaanottaa edelleen energiaa. Jotkin järjestelmät voivat purkaa valittuja ryhmiä myös ajoneuvon ollessa pysäköitynä tai latauksen loputtua.

Passiivinen tasapainotus on yleinen, koska piiri on pienikokoinen, suhteellisen edullinen ja helppo integroida kennovalvontalaitteistoon. Sen tärkeimmät rajoitukset ovat:

Poistettu energia menetetään lämpönä.
Tasapainotusvirta on pieni lataus- tai ajovirtaan verrattuna.
Suurten erojen korjaamiseen voi kulua monta tuntia.
Vastuksen lämpötila voi rajoittaa samanaikaisesti käytettäviä kanavia.
Se ei voi siirtää energiaa alempaan ryhmään purkautumisen aikana.

Tasapainotusvirta ja -aika

Autojen tasapainotuslaitteisto toimii yleisesti milliampeerien alueella. Esimerkiksi NXP:n MC33775A-autokennonohjain tukee enintään 300 mA:n passiivista tasapainotusta kanavaa kohti sekä aika-, jännite- ja lämpötilaohjausta. Kyse on komponentin suorituskyvystä, ei jokaista sähköautoa koskevasta arvosta. (NXP)

Yksinkertainen aika-arvio on:

Tasapainotusaika = varausero ÷ tasapainotusvirta

1%:n varaustilaero 100 Ah:n ryhmässä vastaa 1 Ah:ta. Jatkuvalla 0,1 A:n tasapainotusvirralla eron poistaminen kestäisi noin 10 tuntia.

Todellinen tasapainotus voi kestää kauemmin, koska BMS voi keskeyttää sen jännitemittauksia varten, rajoittaa vierekkäisiä kanavia, pienentää käyttöastetta komponenttien lämmetessä, lopettaa sallitun lämpötila-alueen ulkopuolella tai antaa ajoneuvon siirtyä pienemmän tehon tilaan. Nykyiset autojen valvontapiirit sisältävät ajastin- ja lämpötilasäädöt, koska purkuvastuksia ja kytkinlaitteita on suojattava. (Texas Instruments)

Passiivinen tasapainotus sopii siksi hyvin muuten samankaltaisten ryhmien vähittäisen erkaantumisen korjaamiseen. Se ei ole nopea korjausmenetelmä pahasti epätasapainossa olevalle akulle.

Aktiivinen tasapainotus

Aktiivinen tasapainotus siirtää varausta tehoelektroniikan avulla sen sijaan, että kaikki ylimääräinen energia muutettaisiin tarkoituksella lämmöksi purkuvastuksissa. Piirirakenteesta riippuen energiaa voidaan siirtää:

Korkeammasta ryhmästä alempaan ryhmään
Ryhmän ja akkupaketin suuremman osan välillä
Moduulien tai akkupaketin osien välillä
Akkupaketista alhaisen varaustilan ryhmään

Siirtopiiri voi käyttää kondensaattoreita, keloja, muuntajia, kytkentämatriiseja tai kaksisuuntaisia DC-DC-muuntimia.

Aktiivinen tasapainotus voi toimia suuremmalla virralla ja jakaa energiaa uudelleen latauksen, purkautumisen tai levon aikana. Purkautuessa se voi esimerkiksi syöttää energiaa vahvemmista ryhmistä alarajaansa lähestyvään ryhmään ja viivästyttää kohtaa, jossa ryhmä lopettaa akkupaketin käytettävissä olevan purkauksen.

Menetelmä ei ole häviötön. Johtimet, kytkimet, magneettiset osat ja ohjauselektroniikka kuluttavat energiaa ja tuottavat lämpöä. Lisäksi se kasvattaa:

Kustannuksia ja osamäärää
Tilantarvetta ja massaa
Ohjauksen monimutkaisuutta
Sähkömagneettisiin häiriöihin liittyviä vaatimuksia
Diagnostiikan ja toiminnallisen turvallisuuden vaatimuksia
Mahdollisten vikatilojen määrää

Aktiivinen tasapainotus voi ottaa käyttöön suuremman osan akkupaketin olemassa olevasta energiasta, kun ryhmien kapasiteetit ovat erkaantuneet. Se ei kuitenkaan palauta heikon ryhmän alkuperäistä kapasiteettia. Sama ryhmä voi jälleen rajoittaa seuraavaa sykliä. Analog Devices kuvaa keskeisen eron selvästi: passiivinen tasapainotus hävittää ylimääräisen varauksen, kun taas aktiivinen tasapainotus jakaa sen uudelleen. (Analog Devices)

Aktiivinen tasapainotus ei ole automaattisesti parempi ratkaisu jokaiseen sähköautoon. Passiivinen tasapainotus voi riittää, kun kennot ovat tarkasti yhteensopivia ja BMS korjaa pienet erot säännöllisesti. Aktiivinen tasapainotus muuttuu houkuttelevammaksi, kun käytettävissä olevasta energiasta saatava hyöty oikeuttaa lisälaitteiston ja validointityön. Sähköautojen tasapainotusarkkitehtuureja koskevat katsaukset päätyvät samaan yleiseen kompromissiin: aktiiviset järjestelmät tarjoavat joustavampaa energiansiirtoa, passiiviset järjestelmät ovat edullisempia ja yksinkertaisempia. (Energies)

Milloin tasapainotus tapahtuu

Yleispätevää tasapainotusaikataulua ei ole. Akusta ja BMS-strategiasta riippuen tasapainotus voi tapahtua:

AC-latauksen aikana
Latauksen loppuvaiheessa
Latauksen päätyttyä
Ajoneuvon ollessa edelleen kytkettynä
Tietyissä pysäköinti- tai ajo-olosuhteissa
Aina kun jännite, virta ja lämpötila täyttävät ohjelmoidut ehdot

Monet järjestelmät suorittavat suuren osan tasapainotuksesta korkeassa varaustilassa. Latausvirta on silloin pienempi, BMS voi tunnistaa ensimmäisenä ylärajansa saavuttavan ryhmän ja kytkettynä olevalla ajoneuvolla voi olla riittävästi aikaa hitaaseen korjaukseen.

Tätä kutsutaan usein yläpään tasapainotukseksi, mutta muissa strategioissa ryhmät voidaan kohdistaa alapäässä tai mallipohjaista tasapainotusta voidaan käyttää laajemmalla toiminta-alueella. Valittu menetelmä riippuu kennokemiasta, akkupaketin rakenteesta, toimintaikkunasta ja valmistajan tavoitteista.

Lataaminen näytettyyn 100%:iin ei todista tasapainotuksen tapahtuneen. BMS voi lisäksi edellyttää sopivaa lämpötilaa, jännitteen tai arvioidun varaustilan vähimmäiseroa, pientä virtaa, pidempää kytkentäaikaa tai muuta valmistajakohtaista ehtoa.

Tasapainotus ja varaustilan kalibrointi ovat eri asioita

Tasapainotus muuttaa varauksen jakautumista sarjaan kytkettyjen ryhmien välillä. Varaustilan kalibrointi muuttaa BMS:n arviota akun täyttöasteesta.

Korkea tai matala vertailupiste voi auttaa BMS:ää kalibroimaan varaustilan uudelleen, ja pitkä lataus voi samalla antaa aikaa tasapainotukseen. Prosessit ovat silti erillisiä. Ajoneuvo voi päivittää näytetyn prosenttilukeman siirtämättä merkittävää varausta ryhmien välillä. Se voi myös tasapainottaa ryhmiä ilman näkyvää muutosta kojelaudassa.

Kuljettajan kannattaa siksi noudattaa oman ajoneuvonsa latausohjeita yleisen ”lataa 100%:iin tasapainotusta varten” -säännön sijasta. Kemia, BMS-strategia, ohjelmisto, säilytysaika ja päivittäinen toimintamatkan tarve vaikuttavat sopivaan käytäntöön. Latauskykyä ja korkean varaustilan tehon laskua käsitellään erikseen luvussa Akun lataaminen ja latauskyky.

Mitä tasapainotus ei pysty korjaamaan

Kennojen tasapainotus ei voi:

Palauttaa heikkenemisen vuoksi menetettyä kapasiteettia
Peruuttaa pysyvästi kasvanutta vastusta
Korjata sisäistä oikosulkua
Pysäyttää poikkeavaa itsepurkautumista
Korjata vaurioitunutta virtakiskoa, liitintä tai mittausjohtoa
Korjata riittämätöntä jäähdytystä
Korjata epätarkkaa jännite- tai lämpötila-anturia
Saada kaikkia ryhmiä vanhenemaan samalla nopeudella
Palauttaa kennon sisällä jo menetettyä litiumia tai aktiivimateriaalia

Jos yksi ryhmä erkaantuu toistuvasti pian tasapainotuksen jälkeen, akun taustalla voi olla kapasiteettiin, vastukseen, itsepurkautumiseen, lämpötilaan, liitäntään tai mittaukseen liittyvä ongelma. Tasapainotus voi kohdistaa ryhmän tilapäisesti, mutta jatkuva epätasapaino vaatii diagnostiikkaa.

Useimmat sähköautot eivät näytä tasapainotustoimintaa suoraan. Mahdollisia epäsuoria oireita ovat:

Lataustehon laskeminen tai latauksen pysähtyminen odotettua aiemmin
Käytettävissä olevan energian väheneminen
Näytetyn varaustilan äkillinen korjaus
Varaustilan nopeampi lasku lähellä tyhjää
Ajotehon väheneminen alhaisessa varaustilassa
Suureksi ilmoitettu jännitehajonta
Ajoneuvon pysyminen aktiivisena latauksen jälkeen
Akun tai voimansiirron varoitus

Mikään näistä oireista ei yksin todista epätasapainoa. Lämpötila, normaali lataustehon lasku, varaustilan arviointivirhe, laturin rajat, yleinen heikkeneminen, jäähdytysviat ja ohjelmistostrategia voivat aiheuttaa samanlaista käyttäytymistä.

Luotettava diagnoosi vertaa ryhmien jännitettä, lämpötilaa, vastusta, itsepurkautumista ja historiaa hallituissa olosuhteissa. Yksi kuvakaappaus jännite-erosta tai yksi latauskerta ei riitä. Pysyvä kapasiteetin menetys ja akun kunnon testaus selitetään luvussa Akun heikkeneminen.

Kennojen tasapainotus on tehokkainta silloin, kun se korjaa pienet erot huomaamattomasti ennen kuin kuljettaja huomaa niitä. Kun ryhmä on heikentynyt niin paljon, että se rajoittaa akkupakettia toistuvasti, tasapainotus voi hallita seurausta mutta ei poistaa syytä.