Akunvaihto

Akunvaihdossa tyhjentynyt ajoakku korvataan ladatulla akulla ajoneuvon odottaessa. Se lyhentää kuljettajan energiatäydennyspysähdystä siirtämällä latauksen, jäähdytyksen, tarkastuksen ja varastonhallinnan asemalle.

Asema on akkujen logistiikkajärjestelmä

Henkilöauton automatisoitu akunvaihto voi sisältää:

Ajoneuvon tunnistamisen ja soveltuvuuden tarkistamisen
Ohjaamisen tarkasti määritettyyn asentoon
Korkeajännitteen katkaisun ja vahvistuksen, että akkupaketti voidaan irrottaa turvallisesti
Ajoneuvon nostamisen tai tukemisen
Mekaanisten kiinnikkeiden avaamisen
Sähkö- ja dataliitäntöjen sekä rakenteesta riippuvien lämmönhallinnan rajapintojen irrottamisen
Akkupaketin poistamisen ja kriittisten pintojen tarkastamisen
Yhteensopivan ladatun akkupaketin valinnan ja asentamisen
Akkupaketin uudelleenkytkennän, kiinnityksen, testauksen ja rekisteröinnin ajoneuvoon
Poistetun akkupaketin palauttamisen varastointiin, tarkastukseen, lämpötilan hallintaan ja lataukseen

Kuljettaja näkee lyhyen vaihtotapahtuman, mutta operaattori hallinnoi kokonaista akkukantaa useiden tuntien ajan. Akunvaihtoasema yhdistää siksi robotiikan, korkeajännitehuollon laitteet, akkuvaraston, laturit, lämpötilan hallinnan, palosuojauksen, ohjelmiston ja varastonohjauksen.

Mitä akunvaihto muuttaa

Tavanomaisessa latauksessa akku pysyy autossa ja energia siirtyy kaapelin kautta. Akunvaihdossa akku siirretään ja ladataan myöhemmin.

Tämä erottelu mahdollistaa useita etuja:

Ennakoitavan, minuuteissa mitattavan pysähdyksen, kun yhteensopiva akkupaketti on valmiina
Hallitun latauslämpötilan ja -tehon asemalla
Akkupaketin tarkastamisen jokaisen vaihdon yhteydessä
Ajoneuvon ja akun omistuksen erottamisen
Mahdollisuuden vaihtaa päivittäiseen käyttöön tarkoitettu pieni akkupaketti modulaarisessa järjestelmässä enemmän energiaa sisältävään pakettiin pidempää matkaa varten
Ajastetun latauksen, jolla voidaan välttää joitakin latauspaikan tehopiikkejä
Ajoneuvojen korkean käyttöasteen takseissa, sovelluspohjaisissa kyytipalveluissa, logistiikassa, linja-autoissa ja kuorma-autoissa

Se luo myös velvoitteita, joita kaapelilatauksessa ei ole:

Asemalla on oltava riittävä määrä yhteensopivia akkuja.
Ajoneuvon on sallittava toistuva rakenteellinen irrotus heikentämättä kolariturvallisuutta tai tiiviyttä.
Akkupaketin geometrian, kiinnikkeiden, liittimien, jäähdytyksen, ohjelmiston ja tunnistuksen on säilyttävä yhteentoimivina.
Operaattorin on hallittava akkupakettien iän, energiakapasiteetin, kuntotilan ja omistuksen eroja.
Jono voi muodostua nopeista vaihdoista huolimatta, jos aseman läpimenokyky tai ladattujen akkujen varasto ehtyy.

Akunvaihto ei poista latausaikaa eikä sähköverkon tehontarvetta. Se siirtää molemmat toiseen paikkaan tai ajankohtaan.

Ajoneuvon ja akkupaketin rakenne

Syvälle koriin integroitu rakenteellinen akku voi parantaa jäykkyyttä, massaa ja tilankäyttöä, mutta sitä on vaikea irrottaa usein. Vaihdettava akkupaketti tarvitsee huollettavan rajapinnan ja toistuvaa käyttöä kestävät liitännät.

Suunnitteluvaatimuksia voivat olla:

Tarkat kohdistusominaisuudet ja robotin pääsy
Kiinnikkeet, jotka kestävät useita todennettuja vaihtokertoja
Lialta ja kulumiselta suojatut korkeajännitekoskettimet
Luotettavat data- ja turvalukitusliitännät
Toistuvia vaihtoja kestävät tiivisteet
Lämpöliitännät tai akkupaketin sisäinen lämpötilan hallinta
Suoja vedeltä, suolalta, kiviltä, iskuilta ja alustan vaurioilta
Ohjelmisto, joka tunnistaa akkupaketin ja sen kokoonpanon
Törmäyskuormien reitit, jotka säilyvät ennakoitavina toistuvien vaihtojen jälkeen

Akkupaketteja voidaan standardoida yhden merkin sisällä, useiden mallien kesken tai koko toimialan alustalla. Mitä laajempaa yhteensopivuutta tavoitellaan, sitä vaikeampaa mittojen ja rajapintojen lukitseminen on kennotekniikan, jännitteen, kemian ja ajoneuvon tilankäytön kehittyessä.

Ajoakkujen sisäistä rakennetta ja rakenteellisia kompromisseja käsitellään artikkelissa Battery Pack and Configuration.

Varasto määrittää palvelukapasiteetin

Asemalla, jossa on 20 akkupaikkaa, ei välttämättä ole 20 akkupakettia valmiina mille tahansa saapuvalle ajoneuvolle. Jotkin paketit voivat olla:

Latauksessa
Jäähtymässä tai lämpenemässä
Varattuja
Tarkastettavina
Yhteensopimattomia saapuvan mallin tai energiatason kanssa
Pidettyinä alle korkean varaustason varastointirasituksen vähentämiseksi
Karanteenissa havaitun vian jälkeen

Operaattorien on ennakoitava saapumiset, akkupakettien jakauma, energiantarve ja latausaika. Ajoneuvorypäs voi tyhjentää ladattujen akkujen varaston nopeammin kuin asema ehtii täydentää sitä. Sähköverkon kapasiteetti, laturien teho ja akkujen lämpötila määräävät tällöin palautumisnopeuden.

Teoreettinen päivittäinen läpimenokyky eroaa myös toteutuneesta. Asemointiviiveet, käyttäjävirheet, tarkastukset, huolto, akkuvalikoiman epätasapaino, ajoneuvojen kirjo ja kysyntähuiput pienentävät käyttöastetta.

Turvallisuus ja laadunvalvonta

Kiinan GB/T 40032-2021 määrittää kansalliset turvallisuusvaatimukset sähköautojen akunvaihdolle. Turvallinen toteutus riippuu silti täsmällisestä ajoneuvosta, akkupaketista, asemasta, huoltoprosessista ja paikallisista määräyksistä.

Aseman tulisi valvoa:

Akkupaketin oikeaa tunnistetta ja ohjelmistokokoonpanoa
Eristysvastusta ja korkeajännitejärjestelmän turvalukituksia
Liittimien kuntoa ja lämpötilahistoriaa
Mekaanista lukitusta ja kiinnikkeiden tarkistusta
Kotelon, tiivisteiden ja alustan kuntoa
Vikakoodeja ja törmäystapahtumien tietoja
Varaustasoa, kuntotilaa ja kennojen epätasapainoa
Lämpötilaa ennen varastointia, latausta tai luovutusta
Karanteeni- ja eskalointisääntöjä

Automaatio voi tehdä tarkastuksista yhdenmukaisia, mutta se voi myös toistaa järjestelmällisen virheen suuressa mittakaavassa. Anturit, riippumaton tarkistus, jäljitettävät lokit, ennakoiva huolto ja turvallinen rajoitettu toimintatila ovat yhtä tärkeitä kuin robotin nopeus.

Akkujen turvallisuutta suunnittelussa, käytössä, korjauksessa, uusiokäytössä ja kierrätyksessä käsitellään artikkeleissa EV Battery Safety ja EV Battery Lifecycle.

Omistus ja oikeudenmukaisuusongelma

Akkupalvelumalli voi alentaa ajoneuvon ostohintaa erottamalla akun tilaus- tai vuokrasopimuksen autosta. Se voi myös mahdollistaa kapasiteetin päivitykset, jos ajoneuvo ja palvelu tukevat niitä.

Sopimuksen on vastattava vaikeisiin kysymyksiin:

Omistaako asiakas tietyn akkupaketin, oikeuden tiettyyn kapasiteettiin vai vain pääsyn verkostoon?
Mikä vähimmäisenergia, -teho ja kuntotila taataan?
Voiko vanhempi akkupaketti korvata uudemman?
Kuka maksaa vaurioista, epänormaalista heikkenemisestä tai puuttuvasta huoltohistoriasta?
Mitä tapahtuu, kun tilaus päättyy tai verkosto poistuu markkinoilta?
Voidaanko ajoneuvo myydä tai viedä verkoston ulkopuolelle?
Onko kaapelilataus edelleen käytettävissä?
Ovatko akkupaketin päivitykset yhteensopivia ajoneuvon törmäys-, lämpö- ja sähköteknisten rajojen kanssa?

Paras akunvaihtojärjestelmä ei ole vain mekaanisesti nopea, vaan tekee myös akun kunnosta ja asiakkaan oikeuksista ymmärrettäviä.

Nykyiset toteutusmallit

NIO:n Power Swap Station 4.0 havainnollistaa kokonaisten akkupakettien vaihtoa yhden merkin ekosysteemissä. NIO:n mukaan asema varastoi 23 akkua, voi suorittaa automatisoidun vaihdon 144 sekunnissa ja on suunniteltu enintään 480 vaihtoon päivässä. Nämä ovat kyseisen asemasukupolven valmistajatietoja, eivät yleispäteviä akunvaihdon suoritusarvoja.

CATL:n EVOGO käyttää modulaarista lähestymistapaa. Sen alkuperäinen Choco-SEB-konsepti mahdollisti yhdestä kolmeen akkulohkon käytön yhteensopivassa ajoneuvossa. Vakioasema varastoi enintään 48 lohkoa ja vaihtoi ilmoituksen mukaan yhden lohkon minuutissa. Modulaarisuus voi sovittaa vuokratun energiamäärän päivittäisiin tarpeisiin, mutta se edellyttää näiden lohkojen ympärille suunniteltua ajoneuvoalustaa.

Kaupalliset kuorma-autot, taksit ja muut korkean käyttöasteen ajoneuvokannat voivat tarjota henkilöautoja vahvemman liiketoimintaperusteen, koska ennakoitavat reitit ja keskittynyt kysyntä kasvattavat aseman läpimenokykyä. Ajoneuvokannan standardoitu laitteisto vähentää myös niiden akkupakettiversioiden määrää, joita jokaisen latauspaikan on varastoitava.

OCPP 2.1 lisää taustajärjestelmätuen akunvaihtotoiminnoille, mukaan lukien akunvaihtoasemien toiminnot. Hallintaprotokolla voi standardoida tapahtumat ja tilatietojen vaihdon, mutta se ei standardoi akkupaketin fyysisiä, lämpöteknisiä tai törmäykseen liittyviä rajapintoja.

Milloin akunvaihto on parempi ratkaisu

Akunvaihto on vakuuttavimmillaan, kun:

Ajoneuvot palaavat ennakoitaville reiteille tai varikoille
Seisonta-aika on kallista
Yhteensopiva ajoneuvokanta mahdollistaa aseman korkean käyttöasteen
Akun ja ajoneuvon omistuksen erottaminen tuottaa selvää asiakasarvoa
Maata, verkkokapasiteettia ja akkupakettivarastoa on saatavilla
Ajoneuvoalusta on suunniteltu toistuviin vaihtoihin

Kaapelilataus on yleensä yksinkertaisempi, kun ajoneuvot voivat seistä useita tunteja, standardien on katettava useita merkkejä, verkosto on harva tai akku on rakenteellisesti integroitu.

Menetelmät voivat toimia rinnakkain. Vaihdettavalla akulla varustettu ajoneuvo voi käyttää koti- tai julkista latausta tavalliseen energiantarpeeseen ja säästää akunvaihdon korkean käyttöasteen päiville tai pitkille matkoille. Oikea vertailu ei ole ”kolme minuuttia vastaan kolmekymmentä minuuttia”. Siihen kuuluvat aseman pääomakustannukset, akkuvarasto, sähköverkosta otettava energia, yhteensopivuus, jonoriski, ajoneuvon rakenne ja ajan arvo.

Latausjärjestelmän laajempaa kokonaisuutta käsitellään artikkelissa EV Charging: The Complete System.