Mallinnus suoritettiin pääosin Catia V5 -CAD-ohjelmalla. Ohjelmalla suunniteltiin kokoonpano sekä mallinnettiin kennojen väliset liitokset sekä otettiin niistä työ-kuvat laserleikkausta varten. Mallinnuksessa käytettiin hyväksi osatoimittajien antamia 3D-malleja.
7.1 Kennotyyppi
Moduulissa käytettäväksi kennotyypiksi valittiin sylinterimäinen INR 21700 -kenno ja malliksi valittiin Molicel P42A. Kuvasta 23 nähdään, että P42A:n ni-mellisjännite on 3,6 V sekä kapasiteetti 4,2 Ah. Yhtä kennoa päätettiin käyttää valmistajan suurimmaksi jatkuvaksi tehoksi ilmoittaman 45 ampeerin virralla.
Kennon sylinterimäinen muoto aiheutti haasteita varsinkin kennojen toisiinsa kytkemisessä sekä niiden parhaassa mahdollisessa asettelussa kotelon sisälle.
Kun kennot järjestettiin 12 sarjaan ja 25 rinnan, saatiin tuloksena moduulin ni-mellisjännitteeksi 43,2 V ja kapasiteetiksi 105 Ah.
Kuva 23 Molicel P42A:n datalehti, jossa on kuvattuna kennon ominaisuudet sekä fyysinen koko (30).
7.2 Kennojen asettelu
Parhaaksi kennojen asetteluksi todettiin pystysuuntainen asettelu, jossa kennot menevät lomittain toisiinsa nähden. Samaa asettelua on käytetty muun muassa Teslan akkumoduuleissa (kuva 24). Tällä asettelumallilla saadaan hyödynnettyä tila parhaalla mahdollisella tavalla.
Kuva 24 Kennoasettelu 3D-mallissa.
Lomittaisessa asettelussa kennot tuli asentaa rinnankytkentään suoraan riviin ja sarjaankytkentä lomittaiseen riviin. Tämän lisäsi moduulin turvallisuutta, kun bus barit saatiin hieman kauemmas toisistaan, koska riski oikosulkua aiheuttaville vahingoille pieneni varsinkin kokoamisvaiheessa.
7.3 Virtakiskojen suunnittelu
Virtakirkojen (bus bar) suunnittelussa täytyi ottaa huomioon moduulin läpi kul-keva suuri virta. Tämän takia päädyttiin käyttämään kuparista valmistettuja bus bareja, koska kuparin ominaisresistanssi on pienempi, kuin esimerkiksi toisten yleisesti käytettyjen materiaalien nikkelin ja alumiinin.
Bus barit päätettiin laserleikkauttaa kuparilevystä. Toinen vaihtoehto olisi ollut vesileikkaus, mutta laserleikkaus todettiin yritykselle kustannustehokkaam-maksi. Bus bareihin päätettiin liittää niklatut tabit laserhitsauksella, jotta pistehit-sausliitokset kennojen ja bus barien välillä olisi helpompi toteuttaa (kuva 25).
Kuva 25 Niklatut tabit laserhitsattuina kupariseen bus bariin (31).
7.4 BMS:n valinta
BMS-yksiköksi valittiin ajoneuvokäyttöön suunniteltu sekä standardien ISO-11452, 10605, 16750-2, 16750-3 ja 16750-4 että ISO-7637-testihyväksytty jär-jestelmä (32).
Tämä helpottaa myöhempiä testejä ja hyväksymisten hankintaa. Yksikkö pystyy mittaamaan 12 jännitekanavaa sarjassa ja 32 moduulia 1000 voltin maksimijän-nitteellä. Yksiköstä löytyy 12 lämpötilanmittauskanavaa per moduuli, ja sen oh-jelmisto voidaan kalibroida käyttötarpeen mukaan.
Moduulin sisälle sijoitettu CMU mittaa kennojännitteet moduulista kennorivi ker-rallaan ja lähettää ne CAN-väylää käyttäen MCU:lle, joka on sijoitettu moduulin ulkopuoliselle PDU-yksikköön.
Jännitteenmittaus liitin sijoitettiin suoraan kupariseen bus bariin kennorivin pää-hän, josta saatiin parhaiten vedettyä johdotus CMU-yksikölle.
Koska akkukennot ovat upoksissa jäähdytysnesteessä, päätettiin
lämpötilanmittaukseen käyttää vain yhtä anturia mittaamaan nesteen lämpötilaa moduulin sisällä. Anturi on tyypiltään NTC-vastus, joka toimitettiin BMS- järjes-telmän mukana. Tällä varmistettiin, että anturin B-arvo sekä nimellisresistanssi olivat suoraan yhteensopivat BMS-järjestelmän kanssa.
Virranmittausanturiksi valittiin shunt-tyyppinen anturi, joka sijoitettiin PDU:n si-sälle BMS-valmistajan ohjeiden mukaisesti akun negatiiviseen napaan (kuva 26). Yhteensopivuuden varmistamiseksi valittiin BMS-valmistajan suosittelema shunt, joka toimitettiin BMS-järjestelmän mukana.
Kuva 26 Lithium balancen BMS-järjestelmää esittelevä kaavio (32).
7.5 Sähköliitäntä
Virran ulosottamiseen moduulista päätettiin käyttää Amphenol powerlok500 -liit-timiä (kuva 27). Liittimien suurin sallittu jännite on 1000 V, IP-luokitus 67 sekä lämpötilaskaala -40–125 °C. Liittimet on suunniteltu kestämään 500 A:n virtaa ilmajäähdytteisinä, mutta käytettäessä uppojäähdytystä, tätä virtamäärää voi-daan kasvattaa suhteessa jäähdytyksen tehoon. (33)
tuspinta, johon vastaliittimen vastaava kosketuspinta osuu. Liittimen ollessa kiinni on matalajännite virtapiiri siis suljettu, ja liittimen avautuessa virtapiiri kat-keaa. Tällä voidaan ohjata esimerkiksi PDU:n sisällä olevia pääkontaktoreita, jotka puolestaan sulkevat korkeajännite virtapiirin.
Kuva 27 Amphenol powerlok500 -liitinpari (33).
Moduulin ohjauselektroniikkaan tarvittiin kaksi ulostulopinniä CAN-väylälle ja yksi maadoitus. Ulostuloliittimeksi valittiin Amphenolin AT04-3P-PM14 (kuva 28). Lii-tin on IP67-suojattu kolmepaikkainen liiLii-tin.
Kuva 28 Amphenol AT04-3P-PM14 (34).
7.6 Kotelointi
Moduulin ulkokuori valmistettiin hiilikuidusta sen keveyden sekä hyvien lujuus-ominaisuuksien vuoksi. Lisäksi käytetty hiilikuitu on palamatonta, mikä puoles-taan lisää entisestään suunnitellun moduulin turvallisuutta.
Hiilikuitua käytettäessä tulee huomioida sen sähkönjohtavuus. Epoksihartsilla kyllästetty hiilikuitu ei välttämättä johda sähköä, mutta jos hiilikuidusta valmiste-tussa kappaleessa on yksikin kohta, mistä sähkö pääsee kontaktiin kuidun kanssa, tulee kappaleesta sähköä johtava. Tästä syystä moduulin sisäpuolelle laitettiin kerros aramidia. Aramid on sähköä eristävää, palamatonta sekä han-kausta ja pistemäistä voimaa hyvin vastustava aine, jota voidaan käyttää hiili-kuidun tavoin. Siksi se on erinomainen valinta akkukennojen suojaamiseen yh-dessä hiilikuidusta valmistetun kotelon kanssa.
Jäähdytysratkaisuksi valittiin yksivaiheinen uppojäähdytys. Uppojäähdytysnes-teeksi valittiin 3M:n valmistama Novec 7300, jonka kiehumispiste on 98 °C ja jäätymispiste –38 °C (35).
Neste pumpataan moduuliin sisääntuloliittimestä kennoston alapuolella sijaitse-viin kanasijaitse-viin, joista se pääsee kulkemaan kanavien yläosassa sijaitsevista rei’istä kennorivien läpi ja ulos poistoliittimestä (kuva 29). Sieltä neste jatkaa matkaa jäähdyttimen kautta uudelle kierrokselle. Turvamekanismina toimii mo-duulin sisällä toimiva jäähdytysnesteen lämpötilan mittausanturi. Mikäli nesteen lämpötila nousee yli 50 °C:seen lähettää BMS viestin CAN-väylää pitkin virtaa pyytäville laitteille, kuten inverttereille, jotka sitten pudottavat virran pyyntiä tai sammuvat kokonaan.
Kuva 29 Akkupaketin 3D-malli.
Akkupaketin jäähdytys ylimitoitettiin tarkoituksellisesti, joten siksi moduulien lämmöntuoton laskuissa on käytetty yksinkertaista matematiikkaa. Käytettäessä moduulia täydellä suunnitellulla 1125 ampeerin virralla yhden moduulin
kennojen tuottama lämpö on noin 10 kJ. Tähän vielä lisättäessä virtakiskojen sekä liittimien tuoma hukkalämpö voidaan arvioida, että yhden moduulin läm-mön tuotto on noin 13 kJ.
Polttomoottori tuottaa noin 15 kJ jäähdytysjärjestelmässä hukattavaa lämpö-energiaa yhtä hevosvoimaa kohden (36). Tämä tarkoittaa sitä, että suunniteltua akkumoduulia pystyttäisiin teoriassa jäähdyttämään suhteessa samankokoisella jäähdyttimellä kuin yhden hevosvoiman tuottavaa polttomoottoria. Tosiasiassa kuitenkin polttomoottoreissa sallittu korkein lämpötila on kaksinkertainen verrat-tuna akkumoduulissa sallittuun korkeimpaan lämpötilaan. Tämä on otettava huomioon ajoneuvon jäähdytystä suunnitellessa.
8 Yhteenveto
Insinöörityössä luotiin yleiskatsaus teknologiaan akkujen sisällä ja mitä akkujen suunnittelussa tulee ottaa huomioon. Työssä onnistuttiin luomaan asiakasyrityk-sen toiveiden mukainen akkumoduulin 3D-malli. Moduulin jatkokehityskohteena jäätiin pohtimaan erilaista kennojen kiinnitysmenetelmää niin, että moduulista voitaisiin vaihtaa yksittäisiä kennoja. Huolenaiheena virtakiskoihin hitsaamatto-mien kennojen ja uppojäähdytyksen yhteiskäytössä kuitenkin on mahdollisuus sille, että sähköä eristävää jäähdytysnestettä saattaisi päästä virtakiskon ja ken-non kontaktipinnan väliin.
Moduulin suuren kuormittamisen vuoksi jäähdytyksen merkitys korostui moduu-lin suunnittelun aikana ja erityisesti uppojäähdytyksen kehittäminen oli asiakas-yritykselle mielenkiintoinen ratkaisu.
Tässä insinöörityössä suunniteltu akkumoduuli on vain yksi monista mahdolli-sista vaihtoehdoista. Yleisesti ajoneuvoissa käytettävät akustot suunnitellaan erilaisiksi, eri automerkkien, mallien ja niiden tarpeiden mukaan. Elon Musk, Teslan toimitusjohtaja, on sanonut, ettei Teslassa tulla käyttämään muuntyyppi-siä kennoja kuin lieriömäimuuntyyppi-siä. Volkswagenin omistamat Audi ja Porsche
Akun käyttötarkoituksesta riippuen sen tulee täyttää hyvin erilaisia kriteerejä käytön suhteen. Sähkökäyttöisessä urheiluautossa akun tulee olla kevyt ja sen täytyy pystyä luovuttamaan suuria määriä virtaa, mutta sen käyttöiästä voidaan tinkiä. Perheautoissa puolestaan akun tulee kestää käyttöä ja pystyä varastoi-maan mahdollisimman paljon energiaa pitkän ajomatkan saavuttamiseksi.
Kaikkien sähköajoneuvojen akkujen suunnittelussa kuitenkin yhteistä on se, että ne pyritään suunnittelemaan mahdollisimman turvallisiksi kaikki käyttöolosuh-teet kuin onnettomuustilankäyttöolosuh-teetkin huomioiden.
Lähteet
1 Representation of a battery pack. Verkkoaineisto. Damián Ezequiel Alonso. <https://www.researchgate.net/figure/Representation-of-a-battery-pack-source-SB-Limotive_fig1_283213518>. Luettu 30.11.2021.
2 Voltage Classes for Electric Mobility. Verkkoaineisto. Zvei.
<https://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Presse_und_Medien/Publika- tionen/2014/april/Voltage_Classes_for_Electric_Mobility/Voltage_Clas-ses_for_Electric_Mobility.pdf>. Luettu 18.5.2021.
3 A look at Old and New Battery Packaging. Verkkoaineisto. Batteryuniver-sity. <https://batteryuniverBatteryuniver-sity.com/article/bu-301-a-look-at-old-and-new- <https://batteryuniversity.com/article/bu-301-a-look-at-old-and-new-battery-packaging>. Luettu 18.5.2021.
4 Types of Battery Cells. Verkkoaineisto. Batteryuniversity. <https://bat-teryuniversity.com/article/bu-301a-types-of-battery-cells>. Luettu 18.5.2021.
5 Lithium-ion Batteries Part II: Safety. Verkkoaineisto. Lightingglobal.
<https://www.lightingglobal.org/wp-content/uploads/2019/06/Lithium-Ion_TechNote-2019_safety-1.pdf>. Luettu 30.11.2021.
6 Advantages of pouch cell battery trend and opportunities. Verkkoaineisto.
Medium. <https://medium.com/battery-lab/advantages-of-pouch-cell-bat-tery-trend-and-opportunities-d08a5f0c6804>. Luettu 1.11.2021.
7 Samsung SDI 94 Ah battery cell full specifications. Verkkoaineisto.
Pushevs. <https://pushevs.com/2018/04/05/samsung-sdi-94-ah-battery-cell-full-specifications/>. Luettu 2.11.2021.
8 Prismatic & Pouch Battery Packs. Verkkoaineisto. Epectec
<https://www.epectec.com/batteries/prismatic-pouch-packs.html>. Luettu 25.5.2021.
9 The value of lithium batteries and battery management systems (BMS).
Verkkoaineisto. LithiumBalance <https://lithiumbalance.com/why/>. Luettu 10.7.2021.
10 What is Battery Management System? - BMS Building Blocks & Working.
Verkkoaineisto. Robu. <https://robu.in/what-is-battery-management-sys-tem-bms-building-blocks-working/>. Luettu 6.8.2021.
6.8.2021.
12 Introduction to Battery Management Systems. Verkkoaineisto. Allaboutcir-cuits. <https://www.allaboutcirAllaboutcir-cuits.com/technical-articles/introduction-to- <https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-battery-management-systems/>. Luettu 7.8.2021.
13 Comparing shunt- and hall-based isolated current-sensing solutions in HEV/EV. Verkkoaineisto. Texas Instruments.
<https://www.ti.com/lit/an/sbaa293b/sbaa293b.pdf?ts=1628165044749&re f_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsolution%252Fhev-ev-
inverter-motor-control%253Fvariantid%253D14291%2526subsys-temid%253D17060>. Luettu 17.8.2021.
14 Reliable temperature monitoring during the charging process for xEV bat-teries. Verkkoaineisto. Tdk-electronics.
<https://www.tdk-electron- ics.tdk.com/en/2844644/products/product-catalog/sensors-and-sensor-systems/ntc-temperature-measurement-sensors/ntc-for-emobility>. Luettu 13.9.2021.
15 Temperature sensing for Battery Management Systems. Verkkoaineisto.
Planetanalog. <https://www.planetanalog.com/temperature-sensing-for-battery-management-systems/>. Luettu 11.9.2021.
16 Getting a handle on thermistor temperature measurement. Verkkoaineisto.
Embedded. <https://www.embedded.com/getting-a-handle-on-thermistor-temperature-measurement/>. Luettu 10.9.2021.
17 Measuring Temperature in EV battery modules. Verkkoaineisto. Accu-place. <https://accuAccu-place.com/2019/05/20/measuring-temperature-in-ev- <https://accuplace.com/2019/05/20/measuring-temperature-in-ev-battery-modules/>. Luettu 10.9.2021.
18 Industry Developments in Thermal Management of Electric Vehicle Batter-ies. Verkkoaineisto. Qats. <https://www.qats.com/cms/2018/10/12/in- dustry-developments-in-thermal-management-of-electric-vehicle-batte-ries/>. Luettu 13.9.2021.
19 Explore the limitations when operating a battery at adverse temperatures and learn how to minimize the effects. Verkkoaineisto. Battery university <
https://batteryuniversity.com/article/bu-502-discharging-at-high-and-low-temperatures>. Luettu 1.11.2021.
20 Nissan: “Leaf’s Battery Pack Should Last As Long As The Car”. Verkkoai-neisto. Greencarreports.
<https://www.greencarreports.com/news/1064332_nissan-leafs-battery-pack-should-last-as-long-as-the-car>. Luettu 13.9.2021.
21 A review of Battery Thermal Management System. Verkkoaineisto. syner-gyfiles. <http://synersyner-gyfiles.com/2016/07/battery-thermal-management- <http://synergyfiles.com/2016/07/battery-thermal-management-system-review/>. Luettu 13.9.2021.
22 Volkswagen’s EV racecar just broke records during this year’s Pikes Peak Hill Climb. Verkkoaineisto.
<https://www.theverge.com/2018/6/24/17078544/volkswagen-ev-race-car-pikes-peak-hill-climb-record>. Luettu 14.9.2021.
23 Tesla or GM: Who Has the Best Battery Thermal Management? Verkkoai-neisto. Insideevs <https://insideevs.com/news/328909/tesla-or-gm-who-has-the-best-battery-thermal-management/>. Luettu 14.9.2021.
24 Immersion of Electric Vehicle Batteries: IDTechEx Discusses the Best Way to Keep Cool. Verkkoaineisto. IDTechEx <https://www.prnews- wire.com/news-releases/immersion-of-electric-vehicle-batteries-idtechex-discusses-the-best-way-to-keep-cool-301025687.html>. Luettu 20.9.2021.
25 Two-Phase Liquid Immersion Cooling for servers. Verkkoaineisto. Giga-byte <https://www.gigaGiga-byte.com/Solutions/Cooling/immersion-cooling>.
Luettu 15.10.2021.
26 Fire tests on batteries (ECE R100 Rev2). Verkkoaineisto. Emitech.
<https://www.emitech.de/en/content/fire-tests-batteries-ece-r100-rev2>.
Luettu 18.10.2021.
27 What revision 2 of ECE-R100 means for rechargeable battery manufactur-ers. Verkkoaineisto. Tuvsud <https://www.tuvsud.com/en-us/e-ssentials-
newsletter/past-topics/what-revision-2-of-ece-r100-means-for-re-chargeable-battery-manufacturers>. Luettu 18.10.2021.
28 Proposal of German Working Group according RESS draft of ECE-R100/02 mechanical integrity. Verkkoaineisto. Unece.
<https://unece.org/DAM/trans/main/wp29/wp29wgs/wp29grsp/RESS-06-08e.pdf>. Luettu 17.10.2021.
29 External Fire Exposure Test Machine. Verkkoaineisto. <https://belltest-chamber.com/battery-test-chamber/external-fire-exposure-test-machine>.
Luettu 17.10.2021.
30 INR21700P42A-V3-80092. Verkkoaineisto. Molicel. <https://www.imrbatte-ries.com/content/molicel_p42a.pdf>. Luettu 20.5.2021.
32 n-BMS™ Battery Management System (BMS). Verkkoaineisto. Lithiumba-lance <https://lithiumbaLithiumba-lance.com/products/n-bms/>. Luettu 10.7.2021.
33 PowerLok Datasheet_Rev 2.1. Verkkoaineisto. Amphenol.
<https://www.amphenol-industrial.com/c/images/catalogs/PowerLok.pdf>.
Luettu 2.8.2021.
34 AT04-3P-PM14 3 Position Receptacle, Pin, Panel Mount, Self-Threading, RD01 Seal, Cap. Verkkoaineisto. Amphenol. <https://www.amphenol- sine.com/AT04-3P-PM14-3-Position-Receptacle-Pin-Panel-Mount-Self-Threading-RD01-Seal-Cap_p_6189.html>. Luettu 6.11.2021.
35 3M™ Novec™ 7300 Engineered Fluid. Verkkoaineisto. 3M. <https://multi-
media.3m.com/mws/media/338713O/3m-novec-7300-engineered-fluid.pdf>. Luettu 6.6.2021.
36 Cooling System Basics. Verkkoaineisto. Motortrend. <https://www.mo-tortrend.com/how-to/sucp-1204-cooling-system-basics/>. Luettu 4.11.2021.