TÄYSIN KESKEN koko rakenne uusiksi, akkukennon fys-kem periaatekuva... lisää tekijänoik vapaat kuvat... akuston rakenne... BMS... eri kemiat vertailu
Tee kaikista taulukoista .csv kautta pow shell .py
html table
Tarkastelen akkuasiaa pääasiassa esimerkkinä Hyundai Ioniq Electric 28 kWh (2016
- 2019)
olienergiasivulla--------------------
Akkuja on monenlaisia.
Tässä olen esittänyt asiat Hyundai Ioniq Electric 28 kWh
mallin pohjalta (tunnetaan myös nimellä Hyundai Ioniq Electric classic).
Perusperiaate on kuitenkin sama.
Tässä mallissa on se "vähän parempi" akku.
Tämän kemia on NMC111. Nykyisin uudemmissa autoissa käytetään hiukan eri
kemian NMC kennoja. (LFP tyyppiset akut poikkeavat ominaisuuksiltaan
huomattavasti NMC kennoista. Niitä tässä en käsittele.)
Minun mielipide on myös sähköautojen NMC akkujen osalta se että kehitys ei ole
suinkaan kehittynyt pelkästään siten kuin markkinointi luo mielikuvia. Markkinointi
tyypillisesti etsii ne "myynti argumentit" ja jättää muun sanomatta vaikka se
muu olisi saattanut olla jopa pääsyy. Yksi niistä on hinta. NMC111 on kallis.
(On tuo akku senverran kova luu että sille on kehittynyt myös ns jälkimarkkinat
ja classic ioniqien käytetyt akut menee kuin kuumille kiville aurinko- ja
tuulisähkä harrastajille. Vievät ne käsistä.)
Akun nimellinen kokonaiskapasitetti on noin 30,5 kWh luokkaa ja siitä on
käyttäjälle ajoon varattu nimellinen 28 kWh siivu jonka ulkopuolelle on rajattu pakolliset ala- ja yläpuskuri.
Toisin kuin ne urbaanit legendat tarinoi, ne eivät
ole sitä varten että niistä otetaan käyttöön lisää kapasiteettia kun akku
ikääntyy.
----------------------------------------
tavalla tai toisella mukaan ajatuksia:
Jostain syystä ajoittain lukiessa ja kuunnellessa eri lähteistä puhetta
sähköautojen akuista sekä toimittajien että aivan maallikoidenkin kertomana ei aina
oikein tiedä pitäisikö itkeä vai nauraa. Seassa on myös ihan oikeaa asiaa
mutta miten esimerkiksi joku täysin maallikko voi erottaa niistä sen mikä on
totta ja mikä on eri asteista väärinkäsitystä tai muuten vaan satuilua.
Vaikka käytän esimerkkeinä ja laskelmien pohjana tämän auton akkua ovat
periaatteet varsin samoja muissakin NMC pohjaisissa autojen akuissa. LFP
tyyppiset akut eroavat enemmän.
Sitten muistutus. Useimmille tarpeeton. Edelleenkin kohtaa sekoilua näissä
termeissä. kW on sähkötehon yksikkö. kWh on
sähköenergiamäärän yksikkö. 1 kW teho yhden tunnin ajan on 1 kWh energiamäärä.
Auton ajoakun kapasiteetti ilmaistaan usein kWh määränä.
Tämän mallin akku on kemialtaan NMC111 ja sen ilmoittettu käytettävissä oleva
nimelliskapasiteetti on 28 kWh. Sen nimellinen bruttokapasiteetti on
uutena noin
30,5 kWh josta käyttöön on rajattu noin 92% (noin 28 kWh)
Seuraavat yksityiskohdat ja lukuarvot ovat tai voivat olla eri tavalla
erilaisissa NMC akuissa mutta periaatteet on samat.
Huoma että joskus myös tuota 28 kWh nimitetään bruttokapasiteetiksi ja sitten
ajossa ulos saatua energiamäärää nettokapasiteetiksi. Se on mielestäni
virheelinen tapa koska ei ole mitään yhtä ajossa saatavaa nettokapasiteettia eli
"net out" lukemaa. Se riippuu olosuhteista ja ajotavasta sekä myös akun
ikääntymisestä. Mikäli käytetään jotain esim uuden akun "netto out" lukemaa
vertailukohtana esim arvioitaessa akun heikkenemistä pitää myös testi tehdä
vertailukelpoisella tavalla, joka usein unohdetaan.
Tuon nimellisen 28 kWh ala - yläpuolella on puskurialueet.
Ne eivät ole siellä sitä varten että sieltä vapautetaan lisää kun akun kapasiteetti
ajan kanssa alenee. Niille puskureille on aivan erilaiset ja pakollisetkin syyt.
Toki ne myös lisäävät akun kestoikää.
Ilmoittetu 28 kWh on "nimelliskapasiteetti" joka on
uutena akun käyttökapasiteetti kun se mitataan jollain menetelmällä jota esim Hyundai
ei ole tarkemmin avannut julkisesti. Voisi kuvitella(!) että se saattaisi
toteutua esim purettaessa uutta 25 asteista akkua hitaahkosti alhaisella
virralla.
Polttomoottoriauotossa 10 kg polttoainetta tankissa on 10 kg riippumatta ilmoista ja
siitä kuinka autoa ajaa.
Jos sähköauton akussa olisi "sisällä" 20 kWh sieltä ei saadakaan ulos sitä koko
määrää.
Siellä ole sähköä sähkönä vaan kemiallisesti
varastoituna. Paljonko siitä saadaan sähkönä ulos eri ajotavoilla ja
eri lämpötiloissa vaihtelee jonkun verran. Kemiallisesti voisi olla esimerkiksi
28 kWh. Siitä voidaan ajamalla saada sähkönä ulos jopa >27 kWh tai
vaikkapa jopa <24 kWh. Mennään tuohon kohta hiukan enemmän sisään.
Jotta akkuun on saatu kemiallisesti varastoon 28 kWh energiamäärä on
luonnollisesti tarvittu jonkun verran enemmän energiaa. (lataushäviöt)
Jokseenkin varmasti Hyundai Ioniq Elecetric 28 kWh mallin akku rakentuu näistä kennoista: LG Chem. LQ1729-A2
E41. (tähän minulla ei ole virallista Hyundain referenssiä, mutta tämä on monen
vakavasti otettavan lähteen käsitys)
(Huom. 38 kWh mallin akku on kovasti erilainen aina akun kemiaakin myöden. Se ei
ole lainkaan tämä "super" akku joka 28 kWh mallissa.)
Akun rakenteessa kyseisiä kennoja on 96 sarjaan kytkettynä ja rinnan on aina 2
kennoa. Siis 96s2p rakenne. Kennot on akkupaketin sisällä jaettu 12 moduuliin.
Akkupaketti on ilmajäähdytteinen (joka ei siis ole huono asia mutta ei
myöskään yksinomaan positiivinen asia)
Kyseinen kenno ja niistä rakennettu ajoakku on todella laadukas ja erinomaisen stabiili mutta ei niin hyvä
kapasitetti/paino suhteeltaan kuin uudemmat kuten NMC622 ja vastaavat jotka myös
ovat halvempia ja epästabiilimpia. Kenno datalehden mukaan läpäisee myös ns
metallitappi lävistys testin, samoin kuin ns ruttaus testin (ne on spesifioitu
kennon datalehdessä).
Olen aika varma että tässä autossa tämäkin on suunniteltu ja toteutettu myös
vahvasti
silmälläpitäen brändin kasvatusta sähköautovalmistajana, eikä vain sitä että saadaan
rakennettua "joku" sähköauto markkinoille. Siitä kielii muutama muukin suunnitteluvalinta
tässä autossa.
Nekin ovat syitä jonka vuoksi tämä "legendaarinen" Hyundai Ioniq Electric
"classic" on sähköautoharrastajien piirissä lähes kulttiasemassa. Näitähän
ei ole myöskään kovin runsaasti koska silloin elettiin edelleenkin vielä
sähköautoilun alkuaikoja.
Reunahuomautuksena: on myös tunnettua että tämän Ioniq mallin NMC111 28
kWh akulla (käytetyillä) on vahvasti kysyntää tuulivoima ja aurinkosähkö
harrastajien piirissä.
Kun tarkastellaan sähköauton kulutusta ja rangea niin on ihan hyvä palastella se
kulutus osiin: akun häviöt, voimalinjan häviöt, renkaiden vierintävastus,
ilmanvastus, matkustamon lämmitys, regenerointi ja muut "pikkujutut".
Nyt tässä vain itse akun osuus.
Akkua
joko puretaan tai ladataan. Aina kun virta kulkee joko akusta
ulos tai akkuun sisään syntyy häviöitä. Puhutaan nyt akun sisäisistä häviöistä.
Menemättä
mutkikkaisiin yksityiskohtiin voidaan ajatella että akullla on sisäinen vastus,
resistanssi, jonka läpi kaikki virta kulkee sekä sisäänpäin että ulospäin. Sisäinen vastus koostuu erilaisista tekijöistä,
puhtaaasta resistiivisestä vastuksesta sekä kemiallisista ja siihen liittyvistä
seikoista. Summataan ne yksinkertaisuuden
vuoksi yhteen ja sovitaan että Ri on se kokonais vastus jonka läpi kaikki virta
kulkee.
Tuo Ri riippuu akun varaustilasta eli siitä SoC (State of Charge) joka
ilmaistaan % lukuna. Kun akku on täynnä SoC on 100% ja tyhjänä 0%.
Ri riippuu myös akun lämpötilasta josta voi sanoa että matalissa lämpötiloissa
erittäin voimakkaasti.
Tyypillisesti akun nimellis Ri ilmoitteaan 25 asteen lämpötilassa. Kuten
tämänkin akkukennon datalehdellä ilmenee.
Varaustilan vaikutus: SoC (Display) alueella noin 50 - 100%, Ri(n) pysyy käytännössä melko
tasaisena jalkaen sitten pikkuhiljaa kiihtyen lisääntyä kohti 0% mennessä. Noin
10% paikkeilla se on lisääntynyt noin 1,25 kertaiseksi ja lähellä 3% se on
noin 2,3 kertainen.
Kun tällä Ioniqilla ajetaan SoC Display 0% auto sammuu mutta edelleen akussa on
noin 2%. Tarkkaa uuden akun Ri arvoa tuolle ei ole mutta se lienee luokkaa 3
kertaa Ri(n)
pidätaulukko, tarkasta.. LG Chem kenno E41 datalehti ja muut lähteet. + rinnalle myös SoC BMS
Pelkkien kennojen Ri kokonais arvo akun eri varaustiloissa 25 °C.
Akun rakenne 2p96s
SoC Display Ri suunnilleen Virta Ri
häviöteho
100% noin 67 mΩ = 0.067 Ω 50 A
168 W
60% noin 63 mΩ = 0,063 Ω 50 A
158 W
50% noin 65 mΩ = 0,065 Ω 50 A
163 W
40% noin 68 mΩ = 0,068 Ω 50 A
170 W
20% noin 73 mΩ = 0,073 Ω 50 A
183 W
10% noin 82 mΩ = 0,082 Ω 50 A
205 W
3% noin 110 mΩ = 0,110 Ω 50 A
275 W
0% noin 140 mΩ = 0,140 Ω 50 A
350 W
Ylläolevassa taulukossa on suuntaa antavasti akun sisällä lämmöksi muuttuva
häviöteho kun akkua puretaan 50 A virralla. Kun puhutaan autosta käytännössä
pitäsi mieluummin puhua akusta ulos otettavasta tehosta. Eihän autoa ajeta
pienemmällä moottorin teholla sen mukaan kun varaustaso alenee.
Kun varaustaso alenee myös akun jännite alenee. Jotta saadaan sama teho ulos
pitää virtaa kasvattaa. Tällä tavalla tarkasteltuna häviöteho nousee paljon
jyrkemmin kun akun SoC% laskee.
Lämpötilan vaikutus: Erityisen paljon Ri nousee kun mennään hyvin alhaisiin
lämpötiloihin ja jostain 0 asteen tuntumasta kun mennään pakkasen puolelle Ri
alkaa nousta jyrkästi kun lämpötila edelleen laskee. Lämpötilan vaikutus (suuntaa antava koska
tarkkoja spesifioituja arvoja tälle kennolle ei ole joten käytän tyypillisia NMC
kennojen arvoja). Tässä siis nimenomaan itse akun lämpötila!
Tarkasta ja täydennä ja kertoimiin uusi sanity check
Suuntaa antavasti 25 °C Ri SoC 30 - 100% noin 1.37 mΩ (yksi kenno)
(Huom. Tämäkään ei ole yksiselitteinen vaan
riippuu testitavasta, tämä on isovirtainen ns 10 sek arvo)
Koko akku käsittää 192 kennoa. Rakenne on 96 sarjassa 2 rinnan eli 96s2p.
Pelkkien kennojen Ri kokonais arvo akun eri lämpötiloissa:
+25 °C noin 1,0 x 65 mΩ = 0.065 Ω
+10 °C noin 1,45 x 65 mΩ = 0,094 Ω
0 °C noin 2,4 x 65 mΩ = 0,160 Ω
KORJATTU korjaa muut
-10 °C noin 4,8 x 65 mΩ = 0,312 Ω
-20 °C noin 9,7 x 65 mΩ = 0,630 Ω
(lämpötilariippuvuus siis hiukan
Arrheniuksen mallin mukainen).
Monesti ajatellaan että talvella auton range putoaa matkustamon lämmityksen
vuoksi ja suuremman ilmanvastuksen vuoksi (kylmä ilma raskaampaa).
Aina ei huomata että myös akusta ulos saatava pienenee. Siis täysi akku ei
olekaan aina 28 kWh. Kuten jossain mainitsin 10 kg savupiippuaton
polttoainetta on aina 10 kg riippumatta lämpötilasta tai siitä kuinka täynnä
tankki on tai millä tyylillä ajetaan.
Sähköautossa on toisin. Akussa voi olla
kemiallisesti varastoituna vaikka se 28 kWh energiaa mutta sähkönä ulos akun
navoista sitä ei saadakaan vaan osa menee harakoille siellä akun sisällä
lämpötilasta, varaustasosta ja ajotyylistä riippuen. (tietenkin sen lisäksi
muuallakin syntyy häviöitä mutta nyt puhutaan pelkän akun itsensä osuudesta.)
Erilaisilla kuormituksilla erilaisilla akun lämpötiloilla Ri vaikuttaa suoraan
siihen paljonko siellä akussa syntyy hävikkiä joka siis muuttuu siellä lämmöksi
(tosin hyödyttäenkin joissain tilanteissa kun katsotaan kokonaiskuvaa kylmissä
oloissa)
Tarkasta jos Ri rtai kertoimet muuttuu vielä, ja lisäys noin 200A virralle... pakkasella ehkä mahdoton, BMS rajoituskriteerit
Esimerekissä ajetaan tasateholla siten että akkua puretaan 50 A virralla:
SoC noin 50%
Ri jännitehäviö olisi 25 °C akussa
n 3,25 V. Syntyvä hukkalämpöteho noin 163 W
Ri jännitehäviö olisi 10°C akussa n 4,70 V. Syntyvä
hukkalämpöteho noin 235 W
Ri jännitehäviö olisi 0°C akussa n 7,80 V. Syntyvä
hukkalämpöteho noin 390 W Korjaa
Ri jännitehäviö olisi -10°C akussa n 15,60 V. Syntyvä hukkalämpöteho
noin 780 W
Ri jännitehäviö olisi -20 °C akussa n 31,50 V. Syntyvä hukkalämpöteho noin
1575 W
Jos ajatellaan että akun lepojännite (OCV) olisi 360 V (SoC Display noin 50 -
60%) olisi tuolloin -20 °C akun
ulostulonavoissa 328,5 V olisi sähköinen ulostuloteho 50 A virralla
16,425 kW ja akun sisällä syntyisi lämpöä 1,575 kW teholla. Joten akusta
kulutetaan tuolloin 18 kW teholla sinne kemiallisesti varastoitua energiaa mutta
ulos saadaan vain 16,425 kW sähkötehoa. (huoma että tämä on vain karkeasti
suuntaa antava erityisesti muilla kuin tämän Ioniqin akulla jonka osalta myös
luvut ovat ns suuntaa antavia ja uudehkolle akulle)
Jos tämä tilanne jatkuisi tasaisena (kuvitelma) saataisiin koko 28 kWh
käyttämällä ulos noin 25,5 kWh. Mutta se ei mene näin, saataisiin
vielä reilusti vähemmän (edellyttäen siis että myös akun lämpö pysyisi koko ajan
vakiona jota se toki ei tee.
Oikeassa elämässä akun lämpö nouseee mutta Ri kasvaa myös varaustason laskiessa
ja myös akun jännite laskee varaustason laskiessa. Samaa tehoa ulos otettaessa
pitää silloin virran kasvaa joka taas nostaa myös Ri häviötehoa siellä SoC %
alapäässä.
Akun sähköisestä ulostulotehosta toki edelleen menee siivuja hukkaan lämpönä ja
muihin tarpeisiin ennen kuin se on edes moottoria pyörittämässä ja edelleen
syntyy hukkaa nnennekuin se on pyörien kautta tienpintaan välitettynä.
Samaan aikaan voisi olla matkustamon lämmitystä lisäämässä akusta otettavaa
virtaa. (tietenkin esim ILP ja PTC vastukset ottavat suoraan ajoakusta josta
auton kaikki sähkö tulee, osa 12V akun kautta mutta sitä myös ladataan ajon
aikana ajoakusta. Niistä eri kulutus siivuista lisää toisaalla.
Kovin kylmällä akulla jo akun sisälläkin syntyy merkittävää häviötä lämmöksi.
Tosin, nyt kun tuota "hukka" lämpöä tuotetaan akun
sisällä, se lämmittää akkua joten pakkasilla varsinkin tuon osalta pidemmällä
matkalla tilanne paranee akun sisäisten häviöiden osalta kun sisäinen Ri
pienenee.
V = I*Ri, P = I^2*V. ( ja tietenkin myös P = Ri*I^2 )
Rauhallisella ajolla siis saaadaan vähemmillä häviöillä energiaa ulos akusta.
Talven pakkasilla tuo korostuu.
On hyvä myös huomioida se että alhaisilla SoC arvoilla Ri kasvaa. Samalla
jännite laskee joten samalla moottorin teholla tarvitaan suurempi virta.. ja
akun sisällä häviöt kasvaa ja se nimenomaan korostuu kylmässä.
Ajaessa ja ladatessa akun lämpötila muuttuu. Ajossa on jatkuvaa tehon ja siis
virran vaihtelua, akusta otetaan ja akkuun työnnetään regeneroitaessa takaisin.
Autolla voi kuitenkin ajaa ihan normaalisti tietämättä ylläolevastakaan yhtään
mitään. Istuu autoon. Auto käyntiin ja ajoa. Kun mittarit näyttää ja on sopiva
hetki ladata sitten ladataan. Ilman tietoa jää vain se "ihmettely" että mites
nyt akku tyhjeni yllättävästi odotettua nopeamamin.
Sivun alkuun
Sähköautojen energiankulutus
osan etusivu.
Etusivulle
näillä sivustolla ei käytetä evästeitä. these sites do not use cookies.