Akun lämmönhallinta

Akun lämpötila vaikuttaa lataukseen, tehontuottoon, regeneratiiviseen jarrutukseen, energiatehokkuuteen ja kestävyyteen, sillä kennot eivät vastaanota tai luovuta energiaa yhtä hyvin kaikissa lämpötiloissa.

Akun lämmönhallintajärjestelmä eli BTMS lämmittää, jäähdyttää ja tasaa siksi akkupaketin lämpötilaa kemian, varaustilan, tarvittavan tehon ja valmistajan ohjausstrategian mukaan.

Miksi akun lämpötila merkitsee?

Akkukennot ovat sähkökemiallisia laitteita. Niiden vastus, reaktionopeus, käytettävissä oleva energia ja ikääntymiskäyttäytyminen muuttuvat lämpötilan mukaan.

Lämmönhallintajärjestelmän täytyy tasapainottaa useita tavoitteita:

• Riittävän ajotehon tarjoaminen
• Suuren lataus- ja regeneratiivisen jarrutustehon salliminen
• Sähköhäviöiden rajoittaminen
• Kennojen pitäminen turvallisissa rajoissa
• Pitkäaikaisen ikääntymisen vähentäminen
• Samankaltaisen lämpötilan ylläpitäminen koko akkupaketissa
• Mahdollisimman vähäisen energian käyttäminen lämmitykseen ja jäähdytykseen

Akku voi olla turvallisella lämpötila-alueellaan olematta parhaassa lämpötilassa jokaiseen tehtävään.

Yhtä ihanteellista akun lämpötilaa ei ole. Energiatehokkaaseen tasaiseen ajoon sopiva lämpötila voi olla liian matala enimmäispikalatausteholle, kun taas suurteholataukseen valmisteltu akku voi olla tarpeettoman lämmin pysäköintiin tai pitkäaikaissäilytykseen. Audi ilmoittaa esimerkiksi e-tron GT:n akulle vaativissa ajo- ja latausolosuhteissa suositeltavaksi alueeksi 30–35 °C, mutta se ei ole kaikkien sähköautojen yleinen tavoite. (Audi)

Mitä tapahtuu akun ollessa kylmä?

Matala lämpötila hidastaa ionien liikkumista elektrolyytin ja elektrodimateriaalien läpi. Sisäinen vastus kasvaa, jolloin samalla virralla syntyy suurempi jännitehäviö ja enemmän lämpöä.

Kuljettaja voi huomata:

• Heikomman kiihtyvyyden
• Pienemmän huippu- ja jatkuvan tehon
• Rajoitetun regeneratiivisen jarrutuksen
• Hitaamman DC-latauksen
• Vähemmän välittömästi käytettävissä olevaa energiaa
• Suuremman kulutuksen lyhyillä talvimatkoilla

Kylmä itsessään ei tavallisesti vaurioita akkua. Suurempi riski syntyy, kun kylmää kennoa ladataan suurella virralla.

Tavanomaisissa litiumionikennoissa, joissa on grafiittipohjainen negatiivinen elektrodi, litiumionit voivat saapua elektrodin pinnalle nopeammin kuin ne ehtivät asettua grafiittiin. Pinnalle voi tällöin muodostua metallista litiumia prosessissa, jota kutsutaan litiumin pinnoittumiseksi.

Litiumin pinnoittuminen voi:

• Kuluttaa litiumia, joka muuten säilyisi syklien käytettävissä
• Lisätä kapasiteetin menetystä
• Kasvattaa sisäistä vastusta
• Muodostaa epätasaisia saostumia
• Lisätä vakavissa tapauksissa turvallisuusriskejä

BMS rajoittaa siksi latausta ja regeneratiivista jarrutusta, kunnes kennot ovat riittävän lämpimiä vastaanottamaan enemmän virtaa. Pikalataus ilman litiumin pinnoittumista on edelleen yksi kylmän tai suuren latausnopeuden keskeisistä suunnitteluhaasteista. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Mitä tapahtuu akun ollessa kuuma?

Lämpimämmän akun vastus on aluksi pienempi, ja se pystyy usein tuottamaan tai vastaanottamaan enemmän tehoa. Tämä ei tarkoita, että kuumempi olisi aina parempi.

Korkea lämpötila nopeuttaa elektrodien ja elektrolyytin välisiä haitallisia reaktioita. Pitkittynyt altistus voi aiheuttaa:

• Nopeampaa kalenteri-ikääntymistä
• Aktiivisen litiumin menetystä
• SEI:n kaltaisten pintakerrosten kasvua
• Elektrolyytin hajoamista
• Kaasun muodostumista
• Sisäisen vastuksen kasvua
• Lyhyempää syklistä käyttöikää

Lämpötila ja varaustila vaikuttavat toisiinsa. Akun pitkä pysäköinti sekä korkeassa lämpötilassa että korkeassa varaustilassa on yleensä rasittavampaa kuin sen lyhyt lämmittäminen ennen latausta.

Myös korkean lämpötilan hallinta äärimmäisen nopeassa latauksessa on vaikeaa. Yhdysvaltain energiaministeriön tutkimus tunnistaa akun lämmöntuoton ja noin 45 °C:n ylittävät lämpötilat merkittäviksi jatkuvan äärimmäisen pikalatauksen suorituskyvyn ja akun käyttöiän esteiksi. Tarkka raja riippuu kemiasta ja rakenteesta. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Mistä akun lämpö tulee?

Akku tuottaa lämpöä aina virran kulkiessa.

Lähteitä ovat:

• Kennojen sisäinen sähkövastus
• Ionien kulkeutuminen elektrolyytissä ja elektrodeissa
• Sähkökemialliset reaktiot
• Kennoliuskat ja virrankeräimet
• Virtakiskot ja sähköliitännät
• Kontaktorit ja akkupaketin liitoskohdat
• Latauksen ja purkauksen tehottomuus
• Läheisestä tehoelektroniikasta siirtyvä lämpö

Vastuslämpö kasvaa suunnilleen virran neliössä:

Vastuslämpö ∝ Virta² × Vastus

Virran kaksinkertaistaminen voi siis tuottaa noin nelinkertaisesti vastuslämpöä, jos vastus pysyy muuttumattomana.

Tämä selittää, miksi vaativat olosuhteet aiheuttavat suuren lämpökuorman:

• Suuritehoinen DC-lataus
• Toistuvat voimakkaat kiihdytykset
• Jatkuva ajo suurella nopeudella
• Pitkät nousut
• Perävaunun vetäminen
• Rata-ajo
• Voimakas regeneratiivinen jarrutus

Lämpö ei aina synny tasaisesti. Suuren kennon keskiosa voi olla ulkopintaa lämpimämpi, ja jäähdytysnesteen poistoaukkojen tai akkupaketin reunojen lähellä olevat kennot voivat toimia eri lämpötilassa kuin muualla sijaitsevat. NREL:n tutkimus on yhdistänyt lämpötilan epätasaisuuden paikallisiin eroihin varaustilassa, litiumin pinnoittumisessa, SEI:n kasvussa ja ikääntymisessä. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Yhtä ihanteellista lämpötilaa ei ole

Suositeltava akun lämpötila riippuu ajoneuvon seuraavasta tehtävästä.

Normaali ajo

Kohtuullisessa ajossa järjestelmä voi painottaa apulaitteiden pientä energiankulutusta sen sijaan, että akku lämmitettäisiin tai jäähdytettäisiin pikalatauksen tavoitelämpötilaan.

Suuritehoinen ajo

Toistuva kiihdyttäminen, vetäminen, nouseminen tai nopea ajo voi edellyttää lisäjäähdytystä käytettävissä olevan tehon ylläpitämiseksi.

DC-pikalataus

Akun pitää usein olla lämpimämpi kuin tavallisessa talviajossa. Kennojen vastuksen täytyy olla riittävän pieni suuren virran vastaanottamiseen ilman liiallista jännitteen nousua tai litiumin pinnoittumista.

Pysäköinti

Auto ei yleensä pidä akkua pikalatauslämpötilassa pysäköinnin aikana, koska se tuhlaisi energiaa. Akkupaketin annetaan tavallisesti liikkua laajemmalla suojaavalla lämpötila-alueella.

Pitkäaikaissäilytys

Korkea lämpötila ja korkea varaustila eivät ole suositeltavia pitkäaikaissäilytyksessä, vaikka tilapäisesti lämmin akku voi latautua tai tuottaa tehoa tehokkaammin.

Lämmönhallinta on siksi jatkuva kompromissi välittömän suorituskyvyn, energiankulutuksen ja ikääntymisen välillä.

Lämmönhallintajärjestelmien arkkitehtuurit

Sähköautovalmistajat siirtävät lämpöä akkuun ja siitä pois useilla tavoilla.

Tärkeimmät menetelmät ovat:

• Passiivinen lämmönhallinta
• Ilmajäähdytys
• Epäsuora nestejäähdytys
• Suora kylmäainejäähdytys
• Integroidut jäähdytysneste- ja lämpöpumppujärjestelmät

Useimmat suurta lataustehoa varten suunnitellut modernit sähköautot käyttävät aktiivista nestejäähdytystä, joka on usein liitetty ajoneuvon kylmäainepiiriin lämmönvaihtimen tai jäähdyttimen kautta.

Passiivinen lämmönhallinta

Passiivisesti hallittu akku luottaa pääasiassa lämmön siirtymiseen seuraavien läpi:

• Kennokotelot
• Moduulirakenteet
• Akkukotelo
• Ajoneuvon pohja
• Ympäröivä ilma

Ratkaisussa on vähän komponentteja ja se kuluttaa vain vähän energiaa.

Edut

• Pienet kustannukset
• Pieni paino
• Ei pumppuja tai jäähdytysnestettä
• Vähän huoltokohteita
• Pieni valmiustilan kulutus

Rajoitukset

• Rajallinen lämmönpoistokyky
• Voimakas riippuvuus ulkolämpötilasta
• Hidas lämmitys ja jäähdytys
• Vaikeus ylläpitää kennojen tasaista lämpötilaa
• Huono soveltuvuus toistuvaan suurteholataukseen

Passiivinen lämmönhallinta voi riittää pienitehoiseen kaupunkisähköautoon, mutta muuttuu yhä rajoittavammaksi latausnopeuden, akkukoon ja jatkuvan tehon kasvaessa.

Ilmajäähdytys

Ilmajäähdytteiset järjestelmät kuljettavat ulko- tai matkustamoilmaa akun läpi tai sen ympärillä.

Ilmavirta voidaan tuottaa puhaltimilla tai ajoneuvon liikkeellä.

Edut

• Nestejäähdytystä yksinkertaisempi
• Pienempi massa
• Ei akun jäähdytysnestepiiriä
• Pienempi jäähdytysnestevuodon riski

Rajoitukset

• Ilma kuljettaa paljon vähemmän lämpöä kuin nestemäinen jäähdytysaine
• Jäähdytys riippuu voimakkaasti ilman lämpötilasta
• Ilmakanavat vievät tilaa
• Tasaisen lämpötilan ylläpito voi olla vaikeaa
• Puhaltimien melu ja energiankulutus kasvavat suurella kuormalla

Ilmajäähdytteinen akku voi selvitä yhdestä pikalatauksesta mutta epäonnistua riittävän lämmön poistamisessa toistuvien latausten aikana. Nissan dokumentoi ilmajäähdytteisen LEAF e+ -akun testaamisessa lataustehon laskevan toisesta pikalatauksesta alkaen. (Nissan)

Epäsuora nestejäähdytys

Epäsuora nestejäähdytys on nykyisten suuritehoisten sähköautojen yleisin arkkitehtuuri.

Vesi-glykolijäähdytysneste kiertää:

• Kennojen alla olevissa jäähdytyslevyissä
• Kennorivien vieressä olevissa kanavissa
• Akkupaketin lattian suulakepuristetuissa osissa
• Kennojen leveitä pintoja koskettavissa levyissä
• Moduuleihin integroiduissa jäähdytysrakenteissa

Jäähdytysneste ei tavallisesti virtaa kennojen sisällä. Lämmön täytyy kulkea useiden kerrosten läpi:

1. Kennon sisäosa
2. Kennokotelo
3. Lämmönsiirtomateriaali
4. Jäähdytyslevy
5. Jäähdytysneste

Lämmönsiirtomateriaali voi olla tyyny, tahna, liima, geeli tai muu johtava kerros, joka täyttää kennon tai moduulin ja jäähdytyslevyn väliset pienet raot.

Audi Q4 e-tronissa on erillinen matalan lämpötilan akkupiiri, jossa vesi-glykoliseos virtaa kenno-osastojen alla olevissa litteissä kanavissa. Lämpötahna yhdistää kennot jäähdytysrakenteeseen, ja suurjännitelämmitin lämmittää jäähdytysnestettä kylmissä olosuhteissa. (Audi)

Edut

• Suuri lämmönsiirtokyky
• Passiivista tai ilmajäähdytystä tasaisempi lämpötila
• Tehokas lämmitys ja jäähdytys samoilla levyillä
• Sopii suuritehoiseen ajoon ja lataukseen
• Voidaan liittää jäähdyttimeen, kylmäainejäähdyttimeen tai lämpöpumppuun

Kompromissit

• Lisää jäähdytysnestettä, pumppuja, venttiilejä, letkuja ja lämmönvaihtimia
• Kasvattaa painoa ja kustannuksia
• Luo mahdollisia vuoto- ja huoltokohteita
• Edellyttää huolellista tiivistystä ja korroosionhallintaa
• Jäähdytysteho riippuu kennojen ja levyjen välisestä kosketuksesta

Jäähdytinjäähdytys

Kun ulkoilma on riittävän viileää, akun jäähdytysneste voi luovuttaa lämpöä jäähdyttimen kautta.

Tämä on usein energiatehokkain jäähdytystila, koska järjestelmä voi tarvita vain:

• Jäähdytysnestepumpun
• Ilmavirran jäähdyttimen läpi
• Jäähdytyspuhaltimen, kun ajonopeus ei riitä

Jäähdytin ei voi alentaa akun lämpötilaa ulkoilmaa viileämmäksi. Se voi myös olla riittämätön kuumalla säällä tai suurteholatauksessa.

Kylmäainepiirin jäähdytin

Kun tavallinen jäähdytin ei poista riittävästi lämpöä, jäähdytysneste voidaan johtaa ilmastoinnin kylmäainepiiriin kytketyn kylmäainejäähdyttimen läpi.

Se siirtää lämmön akun jäähdytysnesteestä kylmäaineeseen. Sähkökompressori kuljettaa lämmön ilmastointijärjestelmän läpi ja luovuttaa sen ajoneuvon ulkopuolelle.

Yksinkertaistettu lämpöreitti on:

Akkukennot
    ↓
Jäähdytyslevy
    ↓
Vesi-glykolijäähdytysneste
    ↓
Kylmäainejäähdytin
    ↓
Ilmastoinnin kylmäaine
    ↓
Lauhdutin ja ulkoilma

Näin ajoneuvo voi jäähdyttää akun ulkolämpötilaa viileämmäksi tai pitää lämpötilan hallinnassa jatkuvalla lämpökuormalla.

Audi e-tron GT käyttää neljää toisiinsa yhdistettyä jäähdytysnestepiiriä. Suurella ajo- tai latauskuormalla venttiilit yhdistävät akkupiirin ilmastoinnin kylmäainepiiriin tehokkaampaa jäähdytystä varten. (Audi)

Suora kylmäainejäähdytys

Joissakin ratkaisuissa kylmäainekanavat tai höyrystinpinnat sijoitetaan suoraan akun jäähdytysrakennetta vasten erillisen vesi-glykolipiirin sijaan.

Tämä voi vähentää lämmönsiirtovaiheiden määrää ja tarjota tehokkaan jäähdytyksen.

Kompromisseja ovat:

• Vaikeampi kylmäaineen jakaminen
• Suurempi herkkyys paineelle ja tiivistykselle
• Monimutkaisemmat huoltomenettelyt
• Epätasaisen jäähdytyksen riski, jos kylmäainevirtausta ei hallita hyvin
• Akun ja LVI-järjestelmän tiiviimpi integraatio

Epäsuora nestejäähdytys on edelleen yleinen, koska se erottaa akun jäähdytysnestepiirin korkeapaineisesta kylmäainepiiristä.

Integroitu lämmönhallinta

Modernien sähköautojen lämpöjärjestelmät yhdistävät yhä useammin akun, moottorit, tehoelektroniikan, latauslaitteiston ja matkustamon.

Olosuhteiden mukaan lämpöä voidaan:

• Poistaa akusta
• Käyttää uudelleen matkustamon lämmitykseen
• Siirtää voimansiirrosta akkuun
• Luovuttaa jäähdyttimen kautta
• Siirtää kylmäainepiirin kautta
• Ottaa ulkoilmasta lämpöpumpulla

Audi Q6 e-tron käyttää jäähdytysneste- ja kylmäainelämmönvaihtimia, ja sen ennakoiva ohjausjärjestelmä koordinoi akun lämmitystä ja jäähdytystä. Nissan kuvaa vastaavasti integroitua järjestelmää, joka käyttää ajossa ja latauksessa syntyvää lämpöä uudelleen akun ja matkustamon hyväksi. (Audi)

Akun lämmitysmenetelmät

Kylmän akun lämmittäminen vaatii energiaa. Valmistajien käyttämät energialähteet eroavat.

Suurjännitteinen jäähdytysnestelämmitin

Erillinen sähkölämmitin voi lämmittää akun jäähdytyslevyissä virtaavaa jäähdytysnestettä.

Positiivisen lämpötilakertoimen eli PTC:n lämmittimiä käytetään yleisesti, koska niiden sähkövastus kasvaa lämpötilan noustessa ja auttaa rajoittamaan liiallista kuumenemista.

Edut

• Toimii lähes kaikissa ulkolämpötiloissa
• Tarjoaa ennustettavan lämmitystehon
• Voi lämmittää akkua ajamatta
• Melko suoraviivainen hallita

Kompromissit

• Sähköenergia muutetaan suoraan lämmöksi
• Suuri lämmitysteho voi lyhentää käytettävissä olevaa toimintamatkaa
• Lisää laitteistoa, painoa ja kustannuksia

Audi käyttää suurjännitelämmittimiä useissa sähköautojensa lämpöjärjestelmissä, myös Q4 e-tronin jäähdytysnestepiirissä. (Audi)

Lämpöpumppulämmitys

Lämpöpumppu siirtää lämpöä sen sijaan, että tuottaisi kaiken vastuslämmityksellä.

Mahdollisia lämmönlähteitä ovat:

• Ulkoilma
• Moottorin ja invertterin jäähdytysneste
• Latauslaitteisto
• Matkustamosta poistuva ilma
• Kylmäainepiiri

Sopivissa olosuhteissa lämpöpumppu voi siirtää enemmän lämpöenergiaa kuin sen kompressori kuluttaa sähköenergiaa.

Suorituskyky heikkenee lämpötilaeron kasvaessa. Monet ajoneuvot yhdistävät siksi lämpöpumpun vastuslämmittimiin nopeaa lämmitystä tai erittäin kylmiä olosuhteita varten.

Hukkalämmön talteenotto

Moottorit, invertterit, sisäiset laturit ja DC–DC-muuntimet tuottavat lämpöä käytön aikana.

Integroitu lämpöjärjestelmä voi ohjata osan tästä lämmöstä:

• Akkuun
• Matkustamoon
• Toiseen jäähdytysnestepiiriin

Hukkalämmön talteenotosta on hyötyä ajon ja latauksen aikana, mutta kylmäkäynnistyksen jälkeen lämpöä ei aina ole riittävästi. Nissan kuvaa voimansiirron ja latauksen lämmön uudelleenkäyttöä osaksi integroitua lämpötilanhallintastrategiaansa. (Nissan)

Ajon aikana syntyvä lämpö

Ajo itsessään lämmittää akkua, koska virran kulku tuottaa lämpöä.

Kylmä akkupaketti voi vähitellen palauttaa lataustehon ja regeneratiivisen jarrutuksen seuraavien jälkeen:

• Moottoritieajo
• Nouseminen
• Voimakas kiihdyttäminen
• Jatkuva tehonkäyttö

Lämpeneminen ei ole ilmaista. Lämpö syntyy vastuksessa ja muissa tehottomuuksissa menetetystä energiasta.

Jotkin ajoneuvot voivat tarkoituksella luoda lisäsähkökuormaa tai muuttaa voimansiirron toimintaa ennen latausta. Menetelmän käyttö ja voimakkuus riippuu ajoneuvon lämpöarkkitehtuurista.

Jäähdytyslevyn sijainti

Jäähdytyspinnan sijainti vaikuttaa lämmön siirtymiseen kennon läpi.

Yleisiä järjestelyjä ovat:

• Pohjajäähdytys
• Sivujäähdytys
• Jäähdytys kennorivien välissä
• Leveän pinnan jäähdytys
• Kennoliuskan tai navan jäähdytys
• Kaksipuolinen jäähdytys

Pohjajäähdytys

Moduulien tai kennojen alla oleva levy on melko helppo integroida litteään akkupakettiin. Lämmön pitää kulkea korkean kennon yläosista alas jäähdytyslevylle.

Sivu- tai leveän pinnan jäähdytys

Prismaattisten tai pussikennojen suurten pintojen jäähdytys voi lyhentää lämpöreittiä, mutta edellyttää tasaista mekaanista kosketusta ja puristusta.

Jäähdytys kennorivien välissä

Sylinterikennojen väliset kanavat tarjoavat suuren kosketuspinta-alan mutta vievät tilaa akkupaketista ja luovat monia toistuvia jäähdytysnestereittejä.

Kaksipuolinen jäähdytys

Suuren kennon jäähdyttäminen molemmilta puolilta lyhentää lämmön kulkemaa matkaa ja voi tasata lämpötilaa.

Porsche Cayenne Electric käyttää jäähdytyslevyjä jokaisen kuuden moduulinsa ylä- ja alapuolella. Porschen mukaan levyt voivat sekä lämmittää että jäähdyttää akkua, mikä auttaa suuria pussikennoja saavuttamaan tavoitelämpötilansa tehokkaammin. (Porsche Newsroom)

Lämpötilan tasaisuus

Akkupaketin keskilämpötilan pienentäminen ei riitä. Lämpöjärjestelmän täytyy myös minimoida kennojen väliset ja kennon sisäiset erot.

Epätasainen lämpötila voi aiheuttaa:

• Erilaisen kennovastuksen
• Epätasaisen virranjaon
• Erilaisia varaustiloja
• Paikallista ikääntymistä
• Paikallista litiumin pinnoittumista
• Yhden kennoryhmän jänniterajan aikaisen saavuttamisen
• Käytettävissä olevan kapasiteetin pienenemisen

Mahdollisia ongelma-alueita ovat:

• Suurten kennojen keskiosat
• Kaukana jäähdytysnesteen tuloaukosta olevat moduulit
• Kontaktorien ja virtakiskojen lähellä olevat kennot
• Tiheästi pakatut keskimmäiset moduulit
• Kennot, joiden yhteys jäähdytyslevyyn on huono
• Tien tai pakoputkiston lämmölle altistuvat alueet

Lämmönhallintajärjestelmä, BMS, jäähdytyslevyn rakenne, kennomuoto ja akkupaketin puristus vaikuttavat kaikki lämpötilan tasaisuuteen. Yhdysvaltain energiaministeriön tutkimus äärimmäisen nopeasti ladattavista kennoista tunnistaa sisäiset lämpötilaerot epätasaisen ikääntymisen syyksi ja vain yhdeltä puolelta jäähdytettävien suurten kennojen rajoitteeksi. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Akun esivalmistelu

Akun esivalmistelu tuo akkupaketin lähemmäs suunnitellun tehtävän vaatimaa lämpötilaa.

Käsitteellä tarkoitetaan tavallisimmin DC-pikalataukseen valmistautumista, mutta se voi sisältää myös:

• Lämmityksen ennen lähtöä
• Jäähdytyksen ennen latausta
• Valmistelun suurta ajotehoa varten
• Sopivan lämpötilan ylläpitämisen AC-lataukseen kytkettynä

Esivalmistelu ei aina tarkoita lämmitystä. Kuuma akku voi tarvita aktiivista jäähdytystä ennen pikalaturille saapumista.

Pikalatauksen esivalmistelu

Kun DC-pikalaturi valitaan ajoneuvon navigointijärjestelmästä, auto voi arvioida ennen saapumista tarvittavan lämmityksen tai jäähdytyksen.

Syöttötietoihin voivat kuulua:

• Akun nykyinen lämpötila
• Ulkolämpötila
• Etäisyys ja ajoaika
• Odotettu saapumisvaraustila
• Viimeaikainen ajokuormitus
• Laturin odotettu suorituskyky
• Reitin korkeuserot ja nopeus

Järjestelmä säätää sitten lämmitystä tai jäähdytystä matkan aikana.

Audi e-tron GT:n lämmönhallinta voi tehostaa akun jäähdytystä noin puoli tuntia ennen suunnitellulle suurteholaturille saapumista tai lämmittää akkupakettia kylmässä.

Esivalmistelu ei takaa latauksen huipputehoa. Lataus riippuu edelleen:

• Saapumisvaraustilasta
• Laturin jännitteestä ja virrasta
• Kennojännitteestä
• Kennojen epätasapainosta
• Akkupaketin lämpötilasta
• Akun kunnosta
• Ajoneuvon latauskäyrästä
• Latauskohteen tehonjaosta

Manuaalinen esivalmistelu

Joissakin sähköautoissa kuljettaja voi käynnistää akun valmistelun manuaalisesti.

Siitä on hyötyä, kun:

• Käytössä on puhelin tai kolmannen osapuolen reittisuunnittelija
• Laturi puuttuu auton tietokannasta
• Suunniteltu latauspysähdys on muuttunut
• Kuljettaja ei käytä reittiopastusta
• Ajoneuvo on valinnut väärän laturityypin
• Lataus on odotettavissa navigointijärjestelmän ennustetta aikaisemmin

Manuaalisessa esivalmistelussa voi silti olla rajoituksia:

• Vähimmäisvaraustila
• Lämpötilasta riippuva saatavuus
• Kiinteä enimmäistoiminta-aika
• Automaattinen sammutus
• Pienempi lämmitysteho matalassa varaustilassa
• Peruuntuminen kuljettajan vaihtaessa toimintatilaa

Esivalmistelun käynnistäminen ei myöskään todista akun saavuttaneen tavoitelämpötilaa. Käytettävissä oleva valmisteluaika ja lämmitysteho vaikuttavat edelleen.

Esivalmistelu ennen lähtöä

Kun sähköauto on kytketty kotilataukseen, ajastettu esivalmistelu voi käyttää verkkosähköä matkustamon ja joissakin ajoneuvoissa myös akun lämmittämiseen.

Tämä voi vähentää heti lähdön jälkeen käytettävän akkuenergian määrää.

Kolmea toimintoa ei pidä sekoittaa:

• Matkustamon esivalmistelu
• Akun esivalmistelu
• Latauksen ajastaminen päättymään lähellä lähtöä

Jotkin sähköautot tekevät kaikki kolme. Toiset lämmittävät vain matkustamon.

Latauksen päättäminen vähän ennen lähtöä voi silti auttaa, koska lataaminen tuottaa kennoissa lämpöä. Äskettäin latautunut akku voi olla matkan alussa lämpimämpi kuin monta tuntia aikaisemmin latautunut.

Yhdysvaltain energiaministeriön analyysin mukaan kytkettynä tehtävässä esivalmistelussa energia voidaan ottaa suoraan verkosta ja lyhyiden talvimatkojen kylmäkäynnistyshäviöt voivat pienentyä. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Jäähdytys ennen pikalatausta

Lämpimällä säällä tai vaativan käytön jälkeen akku voi olla liian kylmän sijaan liian kuuma.

Näin voi käydä seuraavien jälkeen:

• Jatkuva ajo suurella nopeudella
• Perävaunun vetäminen
• Vuoristoajo
• Rata-ajo
• Edellinen pikalataus
• Pysäköinti voimakkaassa auringonpaisteessa
• Toistuva kiihdyttäminen

Ajoneuvo voi aloittaa aktiivisen jäähdytyksen hyvissä ajoin ennen latauspysähdystä. Suurella akkupaketilla on huomattava lämpömassa, eikä sen lämpötila muutu hetkessä.

Esivalmistelu tarvitsee siksi riittävästi ajoaikaa lämmön poistamiseen kennojen sisäosista eikä pelkkien mitattujen pintojen jäähdyttämiseen.

Miksi esivalmistelu voi loppua matalassa varaustilassa?

Akun lämmitys ja jäähdytys kuluttavat energiaa.

Matalassa varaustilassa valmistajan täytyy tasapainottaa:

• Laturille pääseminen
• Akun valmistelu
• Varauksen säilyttäminen
• Kennojen liiallisen purkauksen välttäminen
• Matkustamon lämmityksen ylläpitäminen

Järjestelmä voi vähentää tai lopettaa akun esivalmistelun varaustilan alittaessa määritellyn rajan.

Raja vaihtelee ajoneuvoittain ja voi muuttua ohjelmiston mukana. Yllä oleva Kia EV9 -esimerkki kuvaa yhtä toteutusta, eikä sitä pidä tulkita yleiseksi 12 %:n säännöksi.

Energiankulutus ja toimintamatka

Akun esivalmistelu kuluttaa energiaa. Kun ajoneuvo ei ole kytkettynä, energia otetaan ajoakusta ja vähentää liikkumiseen käytettävissä olevaa määrää.

Tärkeimmät hyödyt ovat:

• Lyhyemmät latauspysähdykset
• Enemmän käytettävissä olevaa ajotehoa
• Enemmän regeneratiivista jarrutusta
• Pienempi kylmälatausvaurion riski
• Ennustettavampi suorituskyky

Lämpimämmän akun vastus voi olla pienempi, mutta tämä ei tarkoita esivalmistelun aina lisäävän kokonaistoimintamatkaa. Pienempien häviöiden säästämä energia voi olla lämmitykseen käytettyä energiaa vähäisempi.

Pitkällä matkalla, johon sisältyy pikalatauspysähdys, akkuenergian käyttäminen esivalmisteluun voi silti lyhentää kokonaismatka-aikaa huomattavasti.

Kytkettynä verkkosähköllä tehtävä esivalmistelu tarjoaa tavallisesti selvimmän toimintamatkaedun, koska varastoitua energiaa kuluu vähemmän ennen lähtöä.

Toistuva pikalataus ja lämmön kertyminen

Latauksen huipputeho kuvaa vain yhtä osaa automatkan suorituskyvystä.

Yhden latauksen jälkeen lämpöä jää:

• Kennojen sisäosiin
• Moduulirakenteisiin
• Jäähdytyslevyihin
• Jäähdytysnesteeseen
• Virtakiskoihin ja napoihin
• Akkukoteloon

Tätä kertynyttä lämpöä kutsutaan usein lämpökyllästymiseksi.

Seuraava lataus voi alkaa lämpimämmällä akulla, vaikka kojelaudassa ei näkyisi varoitusta. Lämmönhallintajärjestelmän täytyy poistaa lämpöä ajon aikana ja ylläpitää riittävän tasaista lämpötilaa ennen uutta latausta.

Hyvän pitkän matkan järjestelmän täytyy:

• Valmistella akku ennen ensimmäistä pysähdystä
• Poistaa lämpöä latauksen aikana
• Jatkaa jäähdytystä lähdön jälkeen
• Välttää liiallista lämpötilan nousua seuraavalla pysähdyksellä
• Ylläpitää toistettava latausteho
• Rajoittaa tarpeetonta kompressorin ja puhaltimen kulutusta

Audi e-tron GT käyttää toisiinsa yhdistettyjä jäähdytysneste- ja kylmäainepiirejä toistuvan suuren tehon ja pikalatauksen tukemiseen. Sen reittipohjainen lämpöstrategia voi lämmittää tai jäähdyttää akkua ennen latauspysähdystä. (Audi)

Kaksi samalla ilmoitetulla huipputeholla varustettua sähköautoa voi siksi suoriutua eri tavoin useiden latausten aikana.

Jatkuva suorituskyky

Lämmönhallinta määrää myös, kuinka kauan sähköauto voi ylläpitää suurta ajotehoa.

Akku voi tarjota erittäin suuren tehon useita sekunteja mutta joutua rajoittamaan jatkuvaa tehoa seuraavien vuoksi:

• Kennojen lämmöntuotto
• Invertterin tai moottorin lämpötila
• Jäähdytysnesteen lämpötila
• Jäähdyttimen kapasiteetti
• Kylmäainejärjestelmän kapasiteetti
• Ympäristöolosuhteet

Tällä on merkitystä:

• Autobahn-ajossa
• Perävaunua vedettäessä
• Pitkissä vuoristonousuissa
• Rata-ajossa
• Toistuvassa kiihdyttämisessä

Tehokas moottori ei takaa toistettavaa suorituskykyä, jos akku ja lämpöjärjestelmä eivät pysty tukemaan sitä.

Lämmönhallinta pysäköinnin aikana

Akku voi jatkaa lämmitystä tai jäähdytystä seuraavien jälkeen:

• Pikalataus
• Vaativa ajo
• Pysäköinti äärimmäisessä kuumuudessa
• Kytkeminen AC-lataukseen
• Ajastetun matkan päättyminen

Kuljettaja voi kuulla:

• Jäähdytysnestepumppuja
• Puhaltimia
• Venttiilejä
• Ilmastointikompressorin
• Sähkölämmittimiä

Tämä voi olla normaalia myös auton lukitsemisen jälkeen.

Ajoneuvo ei tavallisesti ylläpidä akun ihanteellista pikalatauslämpötilaa loputtomasti. Se sallii sen sijaan laajemman pysäköintilämpötila-alueen ja puuttuu tilanteeseen suojauksen, latauksen tai suunnitellun lähdön sitä edellyttäessä.

Strategiat vaihtelevat ajoneuvoittain. Jotkin autot hallitsevat akkunsa lämpötilaa aktiivisesti vain kytkettynä, kun taas toiset voivat käyttää ajoakun energiaa lämpötilojen lähestyessä suojarajoja.

Kemiakohtainen lämpökäyttäytyminen

Lämmönhallinnan tarve riippuu osittain kennokemiasta, mutta koko ajoneuvon rakenne ratkaisee edelleen.

Nikkelirikas litiumioni

NMC-, NCA- ja NCMA-kennot voivat tarjota suuren energiatiheyden ja tehon.

Niiden suorituskyky riippuu seuraavien tarkasta hallinnasta:

• Korkea lämpötila
• Korkea kennojännite
• Latausvirta
• Jäähdytyksen tasaisuus
• Korkeassa varaustilassa vietetty aika

Nikkelirikkaita kennoja käytetään laajalti pitkää toimintamatkaa ja suurta tehoa vaativissa ajoneuvoissa, mutta ne asettavat huomattavia vaatimuksia jäähdytykselle ja ohjaukselle.

Litiumrautafosfaatti

LFP tarjoaa hyvän lämpövakauden ja pitkän syklisen käyttöiän.

Sen tärkein lämpötilarajoite on toiminta kylmässä. Kylmissä LFP-kennoissa voi esiintyä:

• Voimakkaampi latausrajoitus
• Vähemmän regeneratiivista jarrutusta
• Pienempi teho
• Vaikeampi varaustilan arviointi
• Suurempi riippuvuus aktiivisesta lämmityksestä

Hyvin lämmitetty LFP-akku voi silti tarjota vahvan talvilataussuorituskyvyn. Kemia ei yksin määrää tulosta.

Natriumioni

Joitakin natriumioniratkaisuja kehitetään nimenomaan laajaa lämpötila-aluetta varten.

CATL ilmoittaa Naxtra-henkilöauton natriumionikennonsa säilyttävän 90 % käytettävissä olevasta tehosta −40 °C:ssa. Kyseessä on juuri tämän tuotteen valmistajan määrittely, ei kaikkien natriumionikennojen yleinen ominaisuus. (CATL)

Natriumioniakut tarvitsevat silti lämmönhallintaa, koska:

• Lataaminen tuottaa lämpöä
• Kennojen ikääntyminen riippuu edelleen lämpötilasta
• Lämpötilan tasaisuudella on merkitystä
• Teho- ja latausrajat muuttuvat edelleen lämpötilan mukaan
• Matkustamo ja voimansiirto jakavat lämpöresursseja

Lämmönhallinta ja akun ikääntyminen

Lämmönhallinta vaikuttaa sekä sykli- että kalenteri-ikääntymiseen.

Hyvä järjestelmä rajoittaa:

• Pitkiä jaksoja liian korkeassa lämpötilassa
• Pikalatausta kennojen ollessa liian kylmiä
• Suuria eroja kennojen lämpötiloissa
• Toistuvaa suurtehokäyttöä ilman riittävää jäähdytystä
• Paikallisia kuumia kohtia
• Pitkäaikaista altistumista korkealle lämpötilalle ja varaustilalle

Tavoitteena ei ole pitää akkua aina yhdessä lämpötilassa. Se kuluttaisi liikaa energiaa.

Järjestelmä käyttää sen sijaan eri lämpötilatavoitteita:

• Ajoon
• Pikalataukseen
• Pysäköintiin
• AC-lataukseen
• Suureen tehoon
• Akun suojaukseen

Tehokkaasti jäähdytetty ajoneuvo voi tarkoituksella antaa kennojen lämmetä pikalatauksen aikana ja poistaa lämmön sen jälkeen. Lyhyt hallittu lämpeneminen eroaa pitkäaikaisesta kuumuudesta.

Normaali jäähdytys ei ole suoja thermal runaway -tilanteelta

Tavallinen lämmönhallinta poistaa normaalissa latauksessa ja ajossa syntyvää lämpöä.

Thermal runaway on eri tila. Siinä itseään kiihdyttävät sisäiset reaktiot voivat vapauttaa lämpöä nopeammin kuin tavallinen jäähdytysjärjestelmä pystyy poistamaan.

Jos thermal runaway alkaa kennon sisällä, kontaktorien avaaminen ja jäähdytysnestepumppujen käyttäminen eivät välttämättä pysäytä reaktiota. Energia on jo kemiallisesti varastoituna kennossa.

Suojaukseen vaikuttavat myös:

• Kennokemia
• Valmistuslaatu
• Kennojen etäisyys
• Lämpöesteet
• Kaasujen purkautumissuunta
• Kaasunhallintareitit
• Akkupaketin paineenpoisto
• Vian havaitseminen
• Törmäyssuojaus
• Etenemisen estäminen viereisiin kennoihin

Lämmönhallinta auttaa estämään kennojen joutumista väärinkäyttöolosuhteisiin normaalissa käytössä, mutta ei korvaa erillistä lämpenemisen etenemissuojausta. NREL käsittelee akkupaketin tavallista lämmönhallintaa ja lämpökuormituksen hallitsemista toisiinsa liittyvinä mutta erillisinä suunnitteluongelmina. (NREL)

Lämpöjärjestelmän kompromissit

Suorituskykyisempi lämpöjärjestelmä ei ole ilmainen.

Se lisää:

• Painoa
• Kustannuksia
• Jäähdytysnestettä
• Pumppuja
• Venttiilejä
• Lämmönvaihtimia
• Kylmäainekomponentteja
• Antureita
• Ohjelmiston monimutkaisuutta
• Sähkönkulutusta
• Huolto- ja vuotokohtia

Suuri kylmäainejäähdytin ja kompressori voivat tukea toistuvaa suurteholatausta mutta vievät enemmän tilaa ja kuluttavat enemmän energiaa.

Yksinkertaisempi järjestelmä voi sopia täydellisesti edulliseen kaupunkisähköautoon, jota pikaladataan harvoin. Sama järjestelmä voi olla riittämätön pitkän toimintamatkan ajoneuvossa, joka on tarkoitettu toistuvaan lataukseen, vetämiseen tai jatkuvaan nopeaan ajoon.

Lämmönhallintateknologioissa tehdään siksi kompromisseja suorituskyvyn, kustannusten, energiatehokkuuden, tilankäytön ja kestävyyden välillä. Myös Yhdysvaltain energiaministeriön teknologiatiekartat tunnistavat lisäpainon, kustannukset ja monimutkaisuuden keskeisiksi lämmönhallinnan rajoitteiksi. (Yhdysvaltain energiaministeriö)

Mitä sähköauton ostajan pitäisi vertailla?

Valmistajat julkaisevat harvoin tarpeeksi teknisiä yksityiskohtia jäähdytysjärjestelmien laitteiston suoraan vertailuun. Todellinen käyttäytyminen tarjoaa parempaa näyttöä.

Hyödyllisiä kysymyksiä ovat:

• Esivalmisteleeko auto akun automaattisesti navigoitaessa laturille?
• Voiko esivalmistelun käynnistää myös manuaalisesti?
• Lämmittääkö ajastettu lähtö akkua vai vain matkustamoa?
• Kuinka kauan akun valmistelu kestää talvella?
• Missä varaustilassa esivalmistelu loppuu?
• Pystyykö auto ylläpitämään latausnopeutta peräkkäisillä pysähdyksillä?
• Miten lataus toimii kuumalla säällä?
• Rajoitetaanko regeneratiivista jarrutusta voimakkaasti akun ollessa kylmä tai täysi?
• Säilyttääkö auto ajotehon perävaunua vedettäessä tai jatkuvassa nopeassa ajossa?
• Voiko kuljettaja nähdä akun lämpötilan?
• Jatkaako ajoneuvo jäähdytystä latauksen jälkeen?
• Onko lämpöpumppu vakio-, lisävaruste vai ei saatavilla?

Pelkkä latauksen huipputeho kertoo vähän lämmönhallinnan suorituskyvystä. Hyödyllisempi mittari on, pystyykö sähköauto saapumaan laturille akku valmisteltuna, ylläpitämään vahvan latauskäyrän ja toistamaan suorituskyvyn koko matkan ajan.

Aiheeseen liittyvästä akun käyttäytymisestä kerrotaan artikkeleissa Akun lataaminen ja lataussuorituskyky, Akun ikääntyminen ja Sähköauton akun turvallisuus ja vikojen hallinta.

Lähteet

• Audi e-tron GT:n akku ja lämmönhallinta
• Yhdysvaltain energiaministeriön arvio äärimmäisen nopean latauksen teknologiasta
• Yhdysvaltain energiaministeriö — Äärimmäisen pikalatauksen lämmöntuotto
• Nissan Technical Review 2022
• Audi Q4 e-tronin akun lämmönhallinta
• Audi Q6 e-tronin akku ja lataus
• Nissanin sähköauton lämpötilanhallinta
• Porsche Cayenne Electricin suurjännitejärjestelmä
• Yhdysvaltain energiaministeriön tutkimus sähköauton toiminnasta kylmässä
• CATL Naxtra -akku ja Dual-Power-arkkitehtuuri
• NREL:n cell-to-pack-integraatiotutkimus
• Yhdysvaltain energiaministeriön sähkökemiallisen energiavarastoinnin tiekartta