Toimintalämpötila-alue - Litium-ioniakun tasapainon hallinta

Tyypillinen toimintalämpötila-alue nykyaikaiselle litium-ioniakulle on -20^◦C – 60^◦C.

Litium-ioniakun hyvästä hyötysuhteesta huolimatta kennojen lämpeneminen ak-kua kuormittaessa saattaa muodostua suorituskykyä rajoittavaksi tekijäksi, varsin-kin lämpimissä olosuhteissa toimittaessa. Korkeissa lämpötiloissa akku vanhenee nopeammin ja liian kuumat olosuhteet saattavat johtaa jopa akun stabiilisuuden vaarantamiseen. Siksi varsinkin useampikennoisten akkujen terminen suunnittelu tulisi tehdä huolellisesti riittävän jäähdytyksen takaamiseksi.

Vastaavasti alhaisissa lämpötiloissa voi ilmetä tarvetta lämmittää akkua riittävän toimintalämpötilan aikaansaamiseksi. Kylmissä olosuhteissa kennojen kapasiteetti sekä jännite pienenevät ja akun kyky vastaanottaa varausta heikkenee, joka vaikeut-taa lavaikeut-taamista. Kehitystyön haasteena onkin ollut paranvaikeut-taa akkujen suorituskykyä äärilämpötiloissa sekä pidentää akun elinikää korkeissa lämpötiloissa toimittaessa.

(Väyrynen & Salminen 2011, Kim et al. 2008) 4.4 Itsepurkautuminen ja varastointi

Litium-ioniakun itsepurkautuminen on vähäistä nikkeliakkujen purkautuessa jopa 10x nopeammin. Varauksen purkautumisnopeus varastoinnin aikana riippuu ym-päristön lämpötilasta sekä akun varausasteesta. Mitä suurempi varausaste ja kor-keammat lämpötilat, sitä suurempaa on itsepurkautuminen.

Akku menettää pysyvästi kapasiteettiaan varastoinnin aikana sitä nopeammin mitä korkeampi on akun varaustaso sekä varastointilämpötila. Litium-ioniakut tulisikin varastoida viileässä ja niin alhaisella varaustasolla, joka kuitenkin vielä riittää pi-tämään akun jännitetason käyttörajojen sisällä itsepurkautumisesta huolimatta. Pit-kän varastoinnin aikana tulisi huolehtia riittävän varaustason ylläpitämisestä tar-vittaessa lataamalla akkua. (Sony 2001, Snellman 2005b, Panasonic 2007)

Litium-ioniakun tasapainon hallinta 25

5 Litium-ioniakun tasapainon hallinta

Yksittäisen akkukennon jännite ja tehonantokyky on riittämätön esimerkiksi ajo-neuvokäytöissä energialähteeltä vaadittaviin ominaisuuksiin nähden. Tällöin käy-tännön sovelluksessa tarvittava suorituskyky voidaan saavuttaa muodostamalla akus-tot useasta sarjaan ja rinnan kytketystä yksittäisestä kennosta.

Monessa suhteessa erinomainen litiumakku on kaikkein herkin alijännitteelle ja ylilataukselle. Litium-ionikennojen muodostama akusto on varustettava erityisellä suojapiirillä, joka latauksen yhteydessä estää ylijännitteen. Suojapiirin tulee myös estää kennon tyhjentyminen alle kriittisen varaustason purkamisen aikana. Lisäksi kennon lämpötilaa on tarkkailtava ylikuumenemisen varalta.

Yksilöllisistä eroavaisuuksista johtuen on kennojen sähköisissä parametreissa ha-jontaa kennojen välillä. Tällöin kennojen sisäisen impedanssin vaihdellessa aiheu-tuu lataus- ja purkuvirran vaikutuksesta kuormituseroja sarjaan ja rinnankytketty-jen kennorinnankytketty-jen välille. Tämä johtaa ennen pitkää eri varaustiloihin kennoissa.

Yksinkertaista olisi valvoa pelkästään koko akuston kokonaisjännitettä ja virtaa, mutta tällöin ei voida havaita yksittäisten kennojen tilannetta. Tällöin jos lataus-tai purkutilanteessa varaustilannetta tarkastellaan koko akun kannalta, päädytään väistämättä ali- tai ylivaraukseen yksittäisten kennojen kohdalla. Akuston purku ja lataus joudutaan mitoittamaan heikoimman kennon perusteella, jolloin parhais-sa kennoisparhais-sa jää oparhais-sa kapasiteetista ja eliniästä käyttämättä. Tämän seikan merki-tys korostuu erityisesti ajoneuvokäytöissä käytetyissä suurissa ja kalliissa akuissa.

(Snellman 2005b, Snellman 2010)

Yli- ja alivaraukselle herkkien litiumioni-akkujen kohdalla onkin tarvetta monipuo-liselle hallintajärjestelmälle, joka valvoo akun käyttöä yksittäisen kennon varaus-tilanteen sekä käyttöolosuhteet huomioiden. Seuraavissa kappaleissa esitellään eri ratkaisumalleja akun tasapainon hallitsemiseksi, kun tavoitteina on mahdollisim-man pitkä akun elinkaari sekä mahdollisimmahdollisim-man suuri hyödynnettävissä oleva kapa-siteetti. Käsittely painottuu hallintajärjestelmän ominaisuuksiin, joista tarkemmin käydään lävitse akun mallintamista, varauksen tasapainottamista kennojen välillä sekä eri latausmenetelmiä.

Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 26

6 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset

Litium-ioniakkujen turvallinen käyttö voidaan taata varustamalla akusto hallinta-järjestelmällä, joka valvoo akun käyttöä ja latausta sekä sisältää turvaominaisuuk-sia väärinkäyttötilanteiden varalta. Akun sähkökemiallinen suorituskyky heikkenee akun altistuessa vaativille käyttöolosuhteille, kuten suurille lämpötilavaihteluille ja usein toistuville lataus-purkausjaksoille. Haluttaessa turvata akun mahdollisimman suuri kapasiteetti ja pitkä elinikä tulee käyttöolosuhteita valvoa ja hallinnoida py-symään akun rajoitusten sisällä kuvan 6.1 mukaisesti. (Cheng et al. 2011)

Vaurioitumisvaara (ylijänniteraja)

Salli-u toiminta-‐‑alue

(alijänniteraja) Vaurioitumisvaara

Kuva 6.1.Litium-ioniakut ovat hyvin herkkiä vahingoittumaan ellei kennon jännitettä hal-lita pysymään turvallisten toimintarajojen sisällä.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi litium-ioniakkuja on alettu varustamaan erilli-sellä hallintajärjestelmällä. Esimerkiksi ajoneuvosovelluksissa haluttaessa hyödyn-tää akun koko kapasiteetti turvallisesti on akun hallintajärjestelmän ja ajoneuvon kyettävä viestimään luotettavasti keskenään akun toimintatilasta. Tavallisia hallin-tajärjestelmän akusta tarjoamia tietoja ovat jäljellä oleva toiminta-aika, varaustila (State of Charge, SoC), toimintakyky (State of Function, SoF), akun käyttöhistoria (lataus-purkausjaksojen määrä), kokonaiskapasiteetti sekä akun terveydentila (State of Health, SoH). (de Melo et al. 2011)

6.1 Varaustila, terveydentila ja toimintakyky

Akun varaustilan (State of Charge, SoC) määrittäminen on oleellista, kun halutaan tietää akun jäljellä oleva kapasiteetti sekä pysyä toimintarajojen sisällä. Kun SoC tie-detään tarkasti, voidaan akkua ladata ja purkaa turvallisesti optimaalisissa rajoissa parantaen akun odotettua elinikää. Terveydentilan (State of Health, SoH)

määrit-Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 27 tämisessä pyritään selvittämään akun ikääntymisen vaikutukset kapasiteettiin ja kuormitettavuuteen.

Varaustila ilmoitetaan yleensä prosentteina kuvaten akussa jäljellä olevaa varaus-ta suhteessa akun nimelliseen kapasiteettiin. Akun terveydentila ilmaisee paljonko akun kapasiteetti ja kuormitettavuus on pienentynyt alkuperäisistä lukemista.

Akun toimintakyky (State of Function, SoF) pohjautuu kuormitettavuuden määrit-tämiseen käyttöhetkellä perustuen akun varaustilaan, terveydentilaan, ja lämpöolo-suhteisiin. Jotta pysytään turvallisten käyttörajojen sisällä, on akun hallintajärjestel-män oleellista kertoa ulkopuolisille akkua kuormittaville järjestelmille suurimmat sallitut kuormitus- sekä latausvirrat riippuen akun toimintatilasta ja lämpötilasta.

(Cheng et al. 2011, Hussein & Bataresh 2011, Kim & Cho 2011) 6.2 Lämmönhallinta

Akun lämpötilan määrittäminen voi perustua yksinkertaisesti yksittäisten akkujen sekä ympäristön lämpötilojen mittaamiseen. Haluttaessa selvittää lämpökuormi-tuksen jakautuminen tarkemmin voidaan ottaa käyttöön monimutkaisemmat läm-pötilamallit, joissa otetaan huomioon pelkkien mittauksien lisäksi akun fysikaaliset lämmönsiirron ominaisuudet sekä akun kuormitushistoria. (Muratori 2009)

Akuston lämpötila on hallittava pysymään sallituissa rajoissa. Akun kuumenemista voidaan rajoittaa kuormitustilanteissa rajoittamalla virtaa sekä ohjaamalla mahdol-lisia jäähdytysjärjestelmiä. Vastaavasti erittäin kylmissä olosuhteissa voidaan ohjata akuston lämmitysjärjestelmää. (Cheng et al. 2011)

6.3 Tasapainoitus

Valmistusprosessin epäideaalisuuksien takia jokainen litium-ionikenno on yksilön-sä. Eroavaisuudet sähköisissä arvoissa johtavat epätasaiseen kuorman jakautumi-seen sarjaan- ja rinnankytkettyjen kennojen välillä, josta seuraa kennojen varaus-tasojen epätasapaino kuormituksen loputtua. Epätasapainon seurauksena akuston hyödynnettävissä oleva kapasiteetti pienenee ja elinikä lyhenee. (Cheng et al. 2011) Jotta pystyttäisiin hyödyntämään koko akuston kapasiteetti, eikä vain toimimaan heikoimman kennon ehdoilla, tulee akuston varaus tasapainottaa jakautuneeksi ta-saisesti kaikille kennoille kuvan 6.2 mukaisesti. Jotta akusto pystytään lataamaan täyteen kapasiteettiinsa välttyen ylilataukselta, pitää eniten varausta sisältävien

ken-Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 28 nojen varausta saada puretuksi. Vastaavasti purettaessa akkua pitää huolehtia, ettei-vät akuston heikoimmin varatut kennot tule alipuretuksi siirtämällä niihin varausta korkeammin varautuneista kennoista. (Cheng et al. 2011)

Ylijännitekatkaisu

Kuva 6.2.Sarjaankytketyissä kennoissa esiintyvän epätasapainon vaikutukset kuormitus- ja latausjaksojen jälkeen (Borne and Wen 2009).

6.4 Suojaominaisuudet

Akustot muodostavat selkeän turvallisuusriskin altistuessaan korkeassa varausti-lassa liialliselle lämmölle. Akun suositellut toimintalämpötilat ylittävät olosuhteet saattavat aiheutua ylilataamisen, ylikuormittamisen tai oikosulun seurauksena. Akun hallintajärjestelmän tulisikin hallita kyseiset tilanteet turvallisuuden takaamiseksi.

Ylilataaminen voidaan estää aktiivisella hallinnalla sekä ehkäisevillä toimilla. Tasa-painoitus huolehtii kennojen jännitteen pysymisestä käyttörajojen sisäpuolella, kun taas viimekädessä kytkinten avulla voidaan kennoja irrottaa latausvirrasta yksitel-len mahdollistaen kuitenkin kennon purkamisen.

Ylikuumeneminen on estettävissä ohjaamalla jäähdytysjärjestelmää ja rajoittamalla kuormitusta. Jos jäähdytysjärjestelmän päälle kytkeminen ei riitä pitämään lämpö-tiloja käyttörajojen sisällä, hallintajärjestelmä voi katkaista lataus- tai kuormitusvir-ran estääkseen virkuormitusvir-ran aiheuttaman lämpenemisen.

Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 29 Oikosulkutilanteet johtavat helposti hyvin korkeisiin lämpötiloihin. Ulkoinen oiko-sulku voidaan hallita palautuvalla akustoa suojaavalla oikooiko-sulkuvirran katkaisijalla, kuten puolijohdekytkimillä tai tarkoitukseen suunnitelluilla katkaisijoilla. Palautu-matonta sulaketta voidaan käyttää varatoimenpiteenä, jos ensisijainen suojaus pet-tää. (McDowall et al. 2007)

Hallintajärjestelmän tulisi sisältää kennoja suojaavina ominaisuuksina ainakin ali- ja ylijännitesuojauksen, oikosulkutilanteista selviytyvän ylivirtasuojauksen sekä läm-pötilasuojauksen (Lukic et al. 2008b).

6.5 Tarkkuus ja luotettavuus

Hallintajärjestelmän mittauksien pitää olla tarkkoja sekä luotettavia, jotta akuston varaustila kyetään määrittämään tarkasti ja siten hyödyntämään akun koko kapa-siteetti ilman, että ylitetään turvarajoja. Hallintajärjestelmän epätarkkuus ja heikko sähkömagneettisten häiriöiden sietokyky vaikuttaa suoraan akun hyödynnettävissä olevaan suorituskykyyn ja elinikään käytössä. (Douglass 2009)

Akuston korkean energiatiheyden ja luonnollisen epästabiilisuuden seurauksena hallintajärjestelmältä edellytetään korkeaa luotettavuutta. Järjestelmän tulee selviy-tyä vakaana häiriötilanteissakin. Vikojen ilmaisu, vikamoodien vähyys sekä luotet-tavat viestintäyhteydet muodosluotet-tavat hyvin suunnitellun hallintajärjestelmän perus-tan. (Douglass 2009)

6.6 Kustannukset ja valmistettavuus

Kustannuksilla ja valmistettavuudella on suuri merkitys, jos järjestelmää on tarkoi-tus sarjavalmistaa. Kokonaiskustannukset riippuvat komponenttien kokonaismää-rästä sekä valmistettavuudesta. Kalliiden komponenttien sekä johtimellisten kyt-kentöjen määrän minimoimisella pystytään järjestelmän kokoa ja painoa pienentä-mään sekä parantamaan valmistettavuutta.(Douglass 2009)

6.7 Tehonkulutus

Hallintajärjestelmä käyttää tyypillisesti myös itse akkua energialähteenään. Mah-dollisimman pieneen akuston itsepurkautumisasteeseen sekä hyvään hyötysuhtee-seen pyrittäessä tulee suunnittelussa ottaa huomioon myös hallintajärjestelmän it-sensä kuluttama teho eri toimintatiloissa. (Douglass 2009)

Mallintaminen 30

7 Mallintaminen

Kaksi merkityksellisintä akusta ilmoitettavaa ominaisuutta ovat sen jännite ja kapa-siteetti. Useimmiten kapasiteetti ilmoitetaan ampeeritunneissa (Ah), jolloin jännit-teen ja kapasiteetin tulona saadaan akun varaama kokonaisenergia.

Ideaalisessa tapauksessa akun kapasiteetti on vakio riippumatta kuormasta ja siten akun käyttöikä L olisi helppo laskea akun kapasiteetin C suhteesta vakiokuormi-tusvirtaanI :

L= C

I . (7.1)

Akun käyttäytyessä kuitenkin epälineaarisesti edellä esitelty suhde ei päde reaali-maailman sovelluksissa. (Jongerden et al. 2009)

Saksalainen tiedemies W. Peukert tutki jo 1897 lyijy-akkujen käyttäytymistä vaihte-levilla kuormitusvirroilla. Hän huomasi, että mitä suuremmalla virralla akkua pu-retaan, sitä pienemmäksi akun käytettävissä oleva kapasiteetti pienenee. Hän esitte-li Peukertin laiksi sittemmin nimetyn yhtälön jolla akun kapasiteetin ja purkuvirran riippuvuus toisistaan saatiin vakioitua :

I^pct= vakio, (7.2)

jossaI on purkuvirran suuruus,t saavutettava toiminta-aika ja pc akkukohtainen Peukertin kerroin. Esimerkin omaisesti kertoimen ollessa 1, ei akun käytettävissä oleva kapasiteetti riipu kuormitusvirran suuruudesta. Tämä ei pidä paikkansa lyijy-akuille, joilla kerroin on yleensä yli yhden.

Peukertin lain mukaisesti sama toiminta-aika saavutetaan, jos vain keskimääräinen kuormitusvirta pidetään vakiona. Käytännössä tämä ei kuitenkaan toteudu, vaan toiminta-aika vaihtelee kuormitusprofiilin mukaan. Lisäksi akkujen ominaispiirtee-nä on palauttaa varaustaan kuormitustilanteen jälkeen, joka sekoittaa yhtälöä en-tisestään. Litium-ioniakkujen kapasiteetti vaihtelee lämpötilan mukaan ja akun si-säinen lämpötila riippuu kuormituksesta sekä ympäristön lämpötilasta. (Doerffel et al. 2006)

Mallintaminen 31 Peukertin laki on käytettävissä, kun akkua puretaan vakiolämpötilassa ja vakio-kuormituksella. Kun käytössä on vaihtelevat olosuhteet vaihtelevalla kuormalla, tarvitaan kehittyneempiä malleja kuvaamaan akun käyttäytymistä.

Akun simuloimiseen löytyy malleja aina mikroskooppiselta tasolta asti, joissa akun käyttäytymistä tarkastellaan elektrokemiallisella tasolla. Mallit ovat tarkkoja, mut-ta monimutkaisia ja työläitä parametrisoida. Esimerkkinä vapaasti saamut-tavilla oleva Fortran-kielinen Dualfoil-ohjelma, jolla voidaan simuloida litium-ioniakkuja. Malli tarvitsee yli 50 parametria liittyen akun sisäiseen rakenteeseen ja vaatii siten syväl-listä tuntemusta akun sisäisestä rakenteesta, materiaaleista ja kemiallisista ominai-suuksista.

Akkujen mallintamiseen löytyy lisäksi puhtaasti matemaattisia ja tilastollisia mal-leja, jotka ovat kuitenkin hyvin sovelluskohtaisia. Useasti ei ole kuitenkaan tar-vetta mallintaa akun sisäistä käyttäytymistä elektrokemiallisella tasolla vaan riit-tää akun sähköisten ominaisuuksien mallintaminen käytettävän elektronisen sovel-luksen kannalta. Tällöin sähköinsinöörin lähtökohdista on luontevinta kuvata ak-ku sähköisistä peruskomponenteista muodostuvana sijaiskytkentänä käyttäen jän-nitelähteitä, hakutauluja ja sähköisiä lineaarisia passiivikomponentteja. (Chen et al.

2006, Jongerden et al. 2009)

Tarkastelemme seuraavaksi tarkemmin muutamaa akuille esitettyä yksinkertaista sähköistä sijaiskytkentää edeten kohti monipuolisempaa mallia, joka kuvaisi totuu-denmukaisesti akun parametrit eri käyttötilanteissa epälineaarisuudet huomioiden.

7.1 Lineaarinen malli

Yksinkertainen lineaarinen malli perustuu kuvan 7.1 mukaiseen kytkentään. Malli pohjautuu sarjaresistanssiinResr sekä ideaaliseen jännitelähteeseen, jonka avoimen piirin lähdejännite onE_o.V_o kuvaa akun napajännitettä.

R^esr

E^o V^o

-Kuva 7.1.Yksinkertainen lineaarinen akkumalli (González-Longatt 2006).

Mallintaminen 32 Yksinkertaisuudessaan malli ei ota huomioon akun epälineaarisuuksia, kuten elekt-rodien välisen kapasitanssin vaikutusta. Sekä lähdejännite että sarjaresistanssi ovat todellisuudessa varaustilan ja lämpötilan funktioita. Lisäksi sarjaresistanssin suu-ruuteen vaikuttaa virran suuruus, akun ikä, käyttöhistoria sekä ladataanko vai pu-retaanko akkua. (Lukic 2008, González-Longatt 2006)

Jotta kyseisiä ilmiöitä kyetään ottamaan akkua mallinnettaessa huomioon, pitää käyttää monimutkaisempia malleja.

7.2 Theveninin malli

Pidemmälle viety Theveninin malliksi kutsuttu sijaiskytkentä on esitetty kuvas-sa 7.2. Malli koostuu avoimen piirin lähdejännitteestä Eo, sisäisestä resistanssista R_esr, elektrodien välistä kapasitanssia kuvaavasta kapasitanssista C₀ sekä elektro-dien ja elektrolyytin välistä epälineaarista resistanssia kuvaavasta resistanssistaR0. RC-piiri auttaa mallintamaan akun transienttivastetta lataus- ja purkutilanteissa.

R^esr

+ E^o V^o

-R^o

C^o

Kuva 7.2.Theveninin mallin mukainen akun sijaiskytkentä (González-Longatt 2006).

Pääasiallinen puute Theveninin mallissa on, että edelleen eri komponenttien ar-vot oletetaan vakioiksi, vaikka todellisuudessa ne riippuvat käyttöolosuhteista ja akun varaustilasta. Mallista on julkaistu jatkokehiteltyjä versioita, kuten kuvan 7.3 mukainen kytkentä. Kytkentään on tuotu diodit sekä niiden kanssa sarjassa ole-vat vastuksetR_d jaR_ckuvaamaan lataus- ja purkutilanteessa eroavaa akun sisäistä resistanssia. KapasitanssiC kuvaa polarisaatioilmiötä.

Lisäyksistä huolimatta yksinkertaisuudessaan mallit eivät pysty kattavasti mallin-tamaan akun dynaamisia ominaisuuksia.

Mallintaminen 33

R^c

+ E^o V^o

-R^d

R^b

Kuva 7.3. Theveninin mallista jatkokehitelty sijaiskytkentä, joka pyrkii ottamaan huo-mioon akun sisäisen vastuksen muutoksen riippuen kuormitusvirran suunnasta (González-Longatt 2006).

7.3 Dynaaminen malli

Kuvassa 7.4 on esitetty lähtökohta geneeriselle akkumallille, joka ottaa huomioon akun käytössä muuttuvat parametrit, kuten käytettävissä olevan varauksen suh-teessa kuormitusvirtaan I ja ympäristön lämpötilaanTymparisto. Mallista lähteviksi parametreiksi saadaan akun napajänniteV, käytettävissä oleva varausQja elektro-lyytin lämpötilaTelektrolyytti. (González-Longatt 2006)

Akkumalli Parametrit

I(t)

T^ympäristö(t)

V(t) Q(t) Telektrolyytti(t)

Kuva 7.4.Geneerinen dynaaminen akkumalli (González-Longatt 2006).

Tämänkaltaiseen lähtökohtaan perustuva malli on esitetty kuvassa 7.5. Malli ot-taa huomioon kuvassa 7.6 esitetyt tyypillisen litium-ioniakun epälineaarisuudet ja kykenee simuloimaan reaaliaikaisesti akun käytettävissä olevan kapasiteetin sekä avoimen piirin jännitteen tarkasti niin jatkuvassa kuormituksessa kuin transienttiti-lanteissakin. (Chen et al. 2006)

Kytkennässä on käytetty kondensaattoriaCCapacityja lataus-/purkuvirran ohjaamaa virtalähdettäI_Batt kuvaamaan akun varaustilaa ja toiminta-aikaa. Kondensaattorin C_Capacity kapasitanssi määräytyy akun purkusyklien ja lämpötilan funktiona. Näi-den rinnalla oleva vastusRSelf−Dischargevastaa akun itsepurkautumisesta.

Mallintaminen 34

Kuva 7.5.Dynaaminen akkumalli (Chen et al. 2006).

Akun varaustila on sidottu avoimen piirin jännitteeseen jänniteohjatulla jänniteläh-teelläV_OC(V_SOC). Määrittelyssä on huomioitu avoimen piirin jännitteen epälineaa-rinen käyttäytyminen suhteessa akun varaustilaan. Sarjassa olevat kaksi RC-piiriä kuvaavat akun polarisaatioilmiöistä aiheutuvaa napajännitteen transienttikäyttäy-tymistä kahdella eri aikavakiolla (kuvan 7.6 kohta f).

Kuva 7.6. Tyypilliset käyrät akun käytettävissä olevasta varauksesta suhteessa (a) käyttö-sykleihin, (b) lämpötilaan, (c) virtaan, ja (d) varastointi aikaan, kuin myös (e) avoimen pii-rin jännite suhteessa varausasteeseen, että (f) akun napajännitteen käyttäytyminen askel-maiseen kuormituksen muutokseen (Chen et al. 2006).

Tutkimuksessa Chen et al. (2006) tehtiin käytännön testejä esitetyllä mallilla ja saa-vutettiin jännitteen 2% suorituksenaikainen vaihtelu ja 30 mV enimmäisvirhe 10% – 100% varaustilan välillä yli kymmenen litium-polymeeriakun kokoonpanolla vaih-televilla kuormitus- sekä latausprofiileilla. Tarkan mallin perustana on kuitenkin kyky mitata käytettävän litium-ioniakun yksilölliset epälineaarisuudet ja paramet-risoida ne käytettävään malliin.

Tasapainoitus 35

8 Tasapainoitus

Tasapainoitus on akun hallintajärjestelmän yksi tärkeimpiä tehtäviä. Akuston tehol-lista käyttöikää voidaan merkittävästi lisätä kennojen välistä tasapainoitusta käyttä-mällä. Tasapainoituksen merkitys korostuu korkeajännitteisissä useita sarjaan kyt-kettyjä kennoja käsittävissä akustoissa, joissa on käytössä säännöllinen regeneroiva jarrutus latausvirran kulkiessa läpi koko akuston.

Kennojen väliseen epätasapainoon vaikuttavat syyt voidaan jaotella sisäisiin ja ul-koisiin lähteisiin. Sisäiset lähteet epätasapainolle käsittävät valmistusteknillisistä syistä aiheutuvat vaihtelut akun fyysisessä tilavuudessa, sisäisessä impedanssissa ja itsepurkautumisnopeudessa.

Ulkoisiin syihin voidaan luetella akkujen välinen eroava terminen kuormitus ja käyttöolosuhteet, jotka näkyvät epätasapainossa akkujen itsepurkautumisnopeu-den suhteen. Lisäksi akkuja saattavat kuormittaa epätasapainoisesti akun hallin-taan, suojaukseen sekä valvontaan liittyvät elektroniset kytkennät. (Cao et al. 2008) Tasapainoitusjärjestelmä valvoo ja tasapainottaa kennoja joko napajännitteen tai es-timoidun varausasteen perusteella. Tasapainoitusjärjestelmät voidaan jakaa häviöl-lisiin sekä aktiivisiin energiansiirtoon perustuviin menetelmiin. Häviöllisissä mene-telmissä tasapaino kennojen välille saavutetaan purkamalla korkeamman varausas-teen omaavien kennojen varausta häviöllisesti lämmöksi huonontaen kokonaishyö-tysuhdetta.

Kehittyneemmät aktiiviset menetelmät siirtävät varausta kennosta toiseen mahdol-lisimman pienin häviöin mm. hakkuriteholähteissä käytetyin periaattein käyttämäl-lä keloja ja kondensaattoreita energian välivarastoina sekä kytkintransistoreja virto-jen ja jännitteiden ohjaamiseen. Aktiivisia tasapainoitusmenetelmiä voidaan jaotella vielä lisäksi energiansiirron suuntien perusteella.

Yksittäisen kennon varausta voidaan vähentää siirtämällä energiaa takaisin koko akkuun tai vastaavasti yksittäisen kennon varausta voidaan kasvattaa koko akun varausta purkamalla. Lisäksi varausta voidaan siirtää yksittäisten kennojen välillä.

Balansoinnissa käytettävä vertailutaso voi perustua joko viereisten akkujen tasoon tai globaaliin referenssiin jolloin kaikki kennot tulevat tasatuksi yhteiseen vertailu-tasoon. (Annavajjula 2007)

Tasapainoitus 36 8.1 Häviölliset menetelmät

Yksinkertaisin tasapainoitus saadaan aikaiseksi purkamalla varausta kennojen rin-nalle kytkettyihin vastuksiin kuvan 8.1 mukaisesti. Ilman kytkimiä passiivisesti toi-mittaessa vastukset tasapainottavat varausta kennojen välillä pienellä virralla suh-teessa kennon jännitteeseen, jolloin kennot ajautuvat kohti tasapainotilannetta. Jat-kuva tasapainoitusvirta heikentää kuitenkin akuston toiminta-aikaa.

Ohjaamalla kytkimiä yhtäaikaisesti voidaan tasapainoitus kytkeä päälle, kun akus-toa ladataan. Tällöin tasapainoitusvirta voi olla suurempi, eikä tasapainoituksella ole heikentävää vaikutusta toiminta-aikaan. Kehittyneempi menetelmä on valvoa erikseen jokaisen kennon jännite tai varaustasoa ja ohjata tämän perusteella kytki-miä kennokohtaisesti tasapainoitustarpeen mukaisesti. (Cadar 2010)

+ + + Laturi

Jännitteen valvonta

Kuva 8.1.Esimerkki kytkimin varustetusta häviöllisestä tasapainoitusmenetelmästä (Cadar 2010).

8.2 Aktiiviset menetelmät

Yksinkertainen menetelmä aktiivisesti hallittuun energiansiirtoon kennojen välillä on kuvassa 8.2 esitetty kapasitanssiin perustuva kytkentämalli. Kapasitanssi vara-taan korkeamman potentiaalin omaavasta kennosta, jonka jälkeen kytkimien asen-toa vaihtamalla varaus siirtyy jännite-eroon perustuen matalamman potentiaalin omaavaan kennoon.

+ + +

Kuva 8.2.Kondensaattoreihin perustuva aktiivinen tasapainoituskytkentä (Cadar 2010).

Tasapainoitus 37 Kytkennän heikkoutena on kondensaattorin varaamisen yhteydessä esiintyvät hä-viöt. Lisäksi kytkennän tasapainoituskykyyn ja -nopeuteen vaikuttaa kennojen vä-lisen jännite-eron suuruus. (Cadar 2010)

Vastaavankaltainen induktanssia energiavarastona käyttävä buck-boost-muuntimen toimintaperiaatteeseen pohjautuva kytkentä on esitetty kuvassa 8.3. Kytkennässä varausta siirretään vierekkäisten kennojen välillä. Kytkennän etuna on kondensaat-toriin perustuvaan malliin nähden mahdollisuus siirtää varausta kennojen välillä kaksisuuntaisesti, minkä lisäksi kennojen välisellä jännite-erolla ei ole vaikutusta kytkennän toimintaan. (Annavajjula 2007)

+ +

Ohjaus

Kuva 8.3.Induktanssiin perustuva tasapainoituskytkentä. Kun ylempi kytkin suljetaan, va-rautuu induktanssi ylemmän kennon jännitteestä virran kulkiessa reittiä 1. Kun kytkin ava-taan, induktanssiin varautunut energia virtaa reittiä 2. diodin lävitse ladaten alempaa ken-noa. (Annavajjula 2007)

Pidemmälle viety versio edellisistä on toteuttaa kennokohtaiset tasavirtamuunti-met. Tasavirtamuuntimet mahdollistavat varauksensiirron joko yksi tai kaksisuun-taisesti sekä kennokohkaksisuun-taisesti varustettuna luovat monipuoliset mahdollisuudet ta-sapainon hallinnalle. Vastaavasti kytkentä monimutkaistuu ja siten kustannukset nousevat. (Annavajjula 2007)

Kuvassa 8.4 on esitetty flyback-muuntimen toimintaperiaatteeseen perustuvilla ken-nokohtaisilla tasavirtamuuntimilla toteutettu kytkentä. Kytkennässä akkujen tasa-painoitus tapahtuu kaksisuuntaisesti siirtämällä varausta muuntajan lävitse yksit-täisen kennon ja koko akuston potentiaalin välillä. (Kutkut et al. 1996)

Kuvassa 8.5 on esitetty vaihtoehtoisia tapoja toteuttaa muuntajalla varustettu ta-sapainoituskytkentä. Oikean puoleisessa kytkennässä käytetään kennokohtaisten muuntajien sijaan yhtä keskitettyä muuntajaa, ja kytkinkomponenttien avulla vali-taan tasapainoitettava kenno. Vasemman puoleisessa kytkennässä on taas käytössä yhteisellä ensiöllä varustettu muuntaja.

Tasapainoitus 38

DC/DC+ DC/DC+

Kuva 8.4.Flyback-muuntimen toimintaperiaatteeseen pohjautuva tasapainoituskytkentä jo-ka mahdollistaa varauksen siirtämisen jo-kaksisuuntaisesti yksittäisen kennon ja koko akuston potentiaalin välillä (Kutkut et al. 1996).

Tasapainoituskytkennän suunnittelulähtökohdista riippuen erilaisilla vaihtoehtoi-silla toteutustavoilla voidaan tarvittavien komponenttien määrää vähentää ja esi-merkiksi kalliiden induktiivisten komponenttien rakennetta yksinkertaistaa saavut-taen kustannussäästöjä. (Moore et al. 2001)

S_n+1

B₃ B₂

B₁ B_n

Ohjaus

S₁ S₂ S₃ S₄

I T n:1 I D

B₃ B₂

B₁ B_n

Ohjaus

I₁ I₂ I₃ I_n

Kuva 8.5.Vaihtoehtoisia tapoja toteuttaa tasapainoituskytkentä käyttämällä useamman ken-non kesken jaettua muuntajaa (Moore et al. 2001).

Lataus 39

9 Lataus

Lataustekniikka vaikuttaa suuresti akun elinikään. Litiumakun ollessa herkkä yli-lataukselle on välttämätöntä valvoa kennojen jännitteitä ja akun lämpötilaa sekä ra-joittaa virtaa akun suojaamiseksi ylikuumenemiselta. Akut lämpenevät ladattaessa virran kulkiessa akun sisäisen resistanssin kautta. Latausvirta on puolestaan suu-ri pikalatauksessa, jota tarvitaan esuu-rityisesti sähkökäyttöisissä ajoneuvoissa, joissa akustot ovat suuria ja latausajat halutaan lyhyiksi. (Snellman 2010)

Lataamisessa on kuitenkin oltava tarkkana, sillä litium-ioniakku muuttuu huolimat-tomasti ladattaessa helposti epävakaaksi. Latausjärjestelmän tulee tunnistaa eri tilat virheettömästi ja hyvin tarkasti, sillä jo yhden prosentin ylilataus saattaa vioittaa akkua. Toisaalta sadan millivoltin alijännitteeseen lataaminen aiheuttaa noin kym-menen prosentin häviön kapasiteettiin ja lyhentää siten latauksen jälkeistä käyttö-aikaa. Näiden vaatimusten vuoksi latauspiirin kaikkien osakomponenttien yhteen-lasketun tarkkuuden tulee olla alle yhden prosentin. (Snellman 2005b, Snellman 2006)

9.1 Vakiovirta-vakiojännitelataus

Perusmenetelmä litium-ioniakkujen lataukseen on vakiovirta-vakiojännitelataus. Ku-vassa 9.1 on esitetty litium-ioniakun tyypillinen latauskäyrä. Akkua ladataan

In document Litium-ioniakun tasapainon hallinta (sivua 24-0)