Henri Salonius
Akkumoduulin suunnitteluprosessi
Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK)
Ajoneuvotekniikka Insinöörityö
15.12.2021
Otsikko: Akkumoduulin suunnitteluprosessi
Sivumäärä: 45 sivua
Aika: 15.12.2021
Tutkinto: Insinööri (AMK)
Tutkinto-ohjelma: Ajoneuvotekniikka Ammatillinen pääaine: Ajoneuvosuunnittelu
Ohjaaja: Lehtori Pasi Kovanen
Sähköautojen kehittyminen edellyttää myös akkuteknologian kehittymistä, koska suu- rin hidastava tekijä sähköautojen yleistymisessä on ajoakun kapasiteetti. Insinööri- työn tavoitteena oli suunnitella uusi akkumoduuli Tritium automotiven käyttöön.
Akkumoduuli tulee piensarjassa valmistettavaan superautoon, jolloin sen pitää nou- dattaa piensarjassa vaadittuja turvallisuussäädöksiä ja täyttää UNECE R100:n vaati- mukset. Työn rajattiin asiakasyrityksen kanssa siten, että opinnäytetyöprosessin ai- kana suunnitellaan piensarjatuotannon vaatimukset täyttävän akkumoduulin 3D-malli.
Työtä varten selvitettiin eri kennotyyppien ominaisuudet ja valittiin tarkoitukseen so- veltuva kenno. Akunhallinta, jäähdytysjärjestelmä ja moduulin mekaniikka suunnitel- tiin vaatimusmäärittelyiden mukaisesti.
Työn lopputuotteena syntyi moduuli, joka soveltuu käyttökohteeseensa ja täyttää su- perajoneuvon korkeat laatu- ja tehovaatimukset.
Avainsanat: Kenno, moduuli, UNECE R100
Author: Henri Salonius
Title: Battery Module Design Process
Number of Pages: 45 pages
Date: 15 December 2021
Degree: Bachelor of Engineering
Degree Programme: Automotive Engineering Professional Major: Automotive Design
Supervisors: Pasi Kovanen, Senior Lecturer
The evolution of electric cars also requires the development of battery technology, as the biggest slowing factor in the proliferation of electric cars is the capacity of the driving battery. The objective of this thesis was to design a new battery module for Tritium Automotive.
Because the battery module will be used in a small production series supercar, it must comply with the safety regulations required in the small production series and meet the requirements of UNECE R100. It takes a lot of time to manufacture and test a prototype of the product to achieve the mass production model. Therefore, this the- sis was narrowed down with the commissioner, Tritium Automotive, to focus on de- signing a 3D model of the battery module that meets the requirements of the small production series.
The mechanical requirements of UNECE R100 were taken as the basis for the de- sign of the module. The properties of different cell types were investigated, and a suitable cell was selected. The battery management, cooling system, and module mechanics were designed according to the specifications.
The result of the thesis was a module that is suitable for its application and meets the high quality and performance requirements of a supercar.
Keywords: Cell, Module, UNECE R100
1 Johdanto 1
2 Sähköajoneuvon akun moduulirakenne 2
3 Ajoneuvoissa yleisimmin käytetyt kennot 3
3.1 Akkukennojen historiaa 3
3.2 Lieriömäinen kenno 4
3.3 Prismaattinen kenno 6
3.4 Pussikenno 7
4 Akunhallintajärjestelmä 9
4.1 Kennojännite ja akun käyttöiän pidentäminen 9
4.2 Balansointimenetelmät 11
4.3 Virran mittausmenetelmät 13
4.4 Lämpötilan valvonta 16
4.4.1 Termistorit 16
4.4.2 Nesteen lämpötila 18
5 Akustojen jäähdytysratkaisut 20
5.1 Ilmajäähdytys 21
5.2 Nestejäähdytys 23
5.3 Uppojäähdytys 24
5.3.1 Yksivaiheinen uppojäähdytys 24
5.3.2 Kaksivaiheinen uppojäähdytys 25
6 UN ECE 27
6.1 R100 28
6.2 Tärinä 29
6.3 Lämpöshokki 29
6.4 Mekaaninen isku 30
6.5 Mekaaninen eheys 30
6.6 Tulenkesto 30
6.7 Ulkoinen oikosulku 31
6.8 Ylikuormitussuoja 31
6.9 Ylikuumenemissuoja 32
7 Moduulin suunnittelu 32
7.1 Kennotyyppi 32
7.2 Kennojen asettelu 33
7.3 Virtakiskojen suunnittelu 34
7.4 BMS:n valinta 35
7.5 Sähköliitäntä 36
7.6 Kotelointi 38
7.7 Jäähdytysratkaisun valinta 39
8 Yhteenveto 40
Lähteet 42
BMS: Battery Management System, akunhallintajärjestelmä.
BJT: Bipolar junction transistor, bipolaaritransistori.
Bus Bar: Virtakisko.
CAN: Controller Area Network, ajoneuvotekniikan kommunikaatioväylä.
CID: Current Interrupt Device, kennoa oikosululta suojaava komponentti.
CMU: Cell Monitoring Unit eli kennojen hallinta yksikkö, joka on osa akun- hallintajärjestelmää.
ESS: Energy Storage System, energian varastointijärjestelmä.
EV: Electric Vehicle, sähköajoneuvo.
FET: Field effect transistor, kanavatransistori.
HEV: Hybrid Electric Vehicle, hybridisähköajoneuvo.
MCU: Master Controller Unit, pääohjainyksikkö, joka on osa akunhallinta- järjestelmää.
NTC: Negative Temperature Coefficient, termistori, jonka resistanssin läm- pötilakerroin on negatiivinen.
PTC: Positive Temperature Coefficient, termistori, jonka resistanssin läm- pötilakerroin on positiivinen.
RESS: Rechargeable Energy Storage System, ladattava energian varas- tointijärjestelmä.
RTD: Resistance Temperature Detector, vastuslämpötila-anturi.
SoC: State of Charge, akun varaustila.
SoH: State of Health, akun kunto.
Tritium automotive valmistaa asiakkaan toiveiden mukaan räätälöityjä säh- kösuperautoja. Asiakas saa esimerkiksi valita autonsa akkukapasiteetin itse.
Yrityksen kannalta tämä tarkoittaa sitä, että akuston tulee olla hyvin muokatta- vissa. Siksi on päädytty käyttämään erillisiä akkumoduuleita, sen sijaan että akusto olisi paketoitu saman kuoren sisälle.
Tämän insinöörityön tavoitteena on suunnitella asiakasyritys Tritium automoti- ven valmistamaan superautoon soveltuva akkumoduuli. Autossa aikaisemmin käytetty moduuli ei täytä yrityksen tarpeita modulaarisuuden eikä tehon osalta.
Lähtökohtana suunnittelulle on, että moduulista tulisi saada mahdollisimman paljon tehoa ilman, että moduuli ylikuumenee. Lisäksi moduulin tulisi olla mah- dollisimman kevyt, mutta samalla tarpeeksi kestävä, jotta se täyttää siltä vaadi- tut määräykset ja sitä voidaan käyttää turvallisesti. Insinöörityö rajattiin moduu- lin 3D-mallin suunnitteluun.
Insinöörityön alussa tarkastellaan erilaista tekniikkaa, kuten akunhallintajärjes- telmää sekä erilaisia jäähdytysmenetelmiä, joita ajoneuvoissa käytettävien ak- kujen sisältä löytyy. Työssä selvitetään, mitä eroa kennolla, moduulilla ja akku- paketilla on ja mitä mekaanisia vaatimuksia tieliikenteessä sallitulta ajoakulta vaaditaan. Työn lopuksi esitellään asiakasyrityksen superautoon soveltuva ak- kumoduuli, joka on suunniteltu käyttäen hyödyksi työssä läpikäytyjä asioita.
2 Sähköajoneuvon akun moduulirakenne
Akkupaketti koostuu toisiinsa rinnan tai sarjassa kytketyistä moduuleista. Mo- duulien sisällä on samoin toisiinsa kytkettyjä kennoja. Kuva 1 havainnollistaa sähköajoneuvon akun rakennetta. Siinä moduuli on muodostettu kytkemällä kuusi prismaattista kennoa toisiinsa. Kytkemällä kennot rinnan nostetaan mo- duulin kapasiteettia. Vastaavasti sarjaan kytkemällä nousee moduulin jännite.
Kuva 1. Yksittäinen kenno, moduuli ja valmis akkupaketti (1).
Moduulin jännitteen kasvattaminen on hyödyllistä, koska silloin voidaan käyttää ohuempia kaapeleita tai virtakiskoja virran siirtoon johtuen korkeammalla jännit- teellä aikaansaatavasta tehohäviön laskusta. Moduulit pyritään suunnittelemaan siten, että yksittäisen moduulin napajännite on standardin ISO 6469-3 määritte- lemän pienoisjänniterajan < 60 VDC alapuolella. (2)
3 Ajoneuvoissa yleisimmin käytetyt kennot
Energian varastointijärjestelmät (ESS) koostuvat joko primääri- tai sekundääri- kennoista. Ero primääri- ja sekundäärikennojen välillä on uudelleenkäytettä- vyys. Sekundäärikennoja voidaan käyttää uudelleen, kun taas primäärikennoja voidaan käyttää vain kerran. Paristot ovat primäärikennoja, kun taas akut ovat sekundäärikennoja. Tieliikennekäyttöisissä ajoneuvoissa käytetään vain sekun- däärikennoja.
3.1 Akkukennojen historiaa
Euroopassa 1700- ja 1800-luvun alussa kehitetyt paristot olivat pääosin kote- loitu lasipurkkeihin. Paristojen koon kasvaessa purkit siirtyivät suljettuihin puisiin astioihin ja komposiittimateriaaleihin. 1890-luvulla paristojen valmistus levisi Eu- roopasta Yhdysvaltoihin, ja vuonna 1896 National Carbon Company valmisti menestyksekkäästi vakiokennon kuluttajakäyttöön. Se oli - sinkki-hiiliakku Co- lumbia Dry Cell, jonka napajännite oli 1,5 volttia. (3)
Myöhemmin syntyi tarve saada akuista kannettavia. Silloin kehitettiin suljetut lie- riömäiset kennot, jotka johtivat standardikokoihin. Vuonna 1906 perustettu Kan- sainvälinen sähkökemiallinen komissio, kehitti standardeja useimmille ladatta- ville akuille. Noin vuonna 1917 National Institute of Standards and Technology virallisti primäärikennojen aakkosnimikkeistön, jota käytetään edelleen. (3) Menestyneimmäksi standardikooksi voitaisiin nimetä 18650, joka ilmestyi
vuonna 1990. Kennoa käytetään useissa laitteissa kuten sähkötyökaluissa, kan- nettavissa tietokoneissa, sähköpolkupyörissä ja potkulaudoissa. Ajoneuvoval- mistaja Tesla käyttää 18650-kennoa menestyksekkäästi Model S -mallissaan.
(3)
3.2 Lieriömäinen kenno
Lieriömäinen kenno on yksi yleisimmin käytetyistä pakkausmalleista sekä paris- toissa että akkukennoissakin. Tämän pakkausmallin suurimpina etuina ovat val- mistuksen edullisuus ja helppous. Lisäksi putkimaisella sylinterillä on hyvät me- kaaniset ominaisuudet. Sylinteri kestää suuriakin sisäisiä paineita ilman väänty- mistä. (4)
Paineen kertyminen kennon sisälle voi johtaa lieriön kuoren repeämiseen ja si- sällön purkautumiseen ulos pakkauksestaan. Tätä varten lieriömäisissä akku- kennoissa on paineenrajoitusmekanismi. Monissa lieriömäisissä kennoissa on PTC-levyllä toteutettu oikosulkusuojaus. Kuvassa 2 näkyvä PTC-levy on yksin- kertainen sähköä johtava polymeerilevy, joka altistuessaan liialliselle virralle lämpenee ja kasvattaa resistanssiaan. Tämä rajoittaa virtaa, jolloin PTC jäähtyy ja palaa johtavaan tilaan. (5)
Kuva 2. Kahden eri lieriömäisen kennon komponentti piirustukset (5).
tessa liiaksi. Kuvan 3 poikkileikkauksesta nähdään, että turvamekanismit sijoite- taan kennon positiiviseen napaan.
Kuva 3. Lieriömäisen kennon poikkileikkaus (6).
18650-kenno on edelleen yksi suosituimmista malleista. Numerosarjassa 18650, kaksi ensimmäistä numeroa tarkoittavat halkaisijaa millimetreinä; seu- raavat kolme numeroa ovat pituus millimetreinä. Viimeinen numero nolla, tar- koittaa lieriömäistä rakennetta. (4)
Akkuvalmistajat ovat kokeilleet myös suurempia halkaisijoita, kuten 20700, 21700 ja 22700. Samsungin valmistama 21700-40T on ollut menestyksekäs 30 ampeerin purkuvirtansa ja 4000 mAh:n kapasiteettinsä vuoksi.
21700 on monia kiehtova koko siksi, että se ei ole tilavuudeltaan paljoakaan 18650:tä suurempi, mutta 21700-kennojen kapasiteetti on tyypillisesti 4000–
5000 mAh. Verrattuna tyypillisiin 18650-kennoihin, joiden kapasiteetit liikkuvat 3000 mAh:n molemmin puolin, 21700-kennossa on 35–40 % enemmän ener- giaa. Tämä saattaa olla yksi syy miksi Tesla on korvannut vanhan 18650-ken- non uudemmalla 21700-kennolla Model 3 -mallissaan. (4)
3.3 Prismaattinen kenno
Prismaattiset kennot otettiin käyttöön1990-luvun alussa. Prismaattiset kennot ovat suosittuja, koska ne hyödyntävät tilaa huomattavasti paremmin kuin lie- riömäinen kenno. Prismaattisen kennon ohut, suorakaiteen muotoinen muoto helpottaa niiden kerrostamista ja lisää joustavuutta suunnitteluun. Näitä kennoja löytyy pääasiassa matkapuhelimista, tableteista ja matalan profiilin kannetta- vista tietokoneista. (5) Suurikokoisempia prismaattisia kennoja käytetään hyb- ridi- ja sähköajoneuvoissa. Niiden kapasiteetti vaihtelee yleensä välillä 20–50 Ah. (4)
Kuten lieriömäinen kenno prismaattiset kennot on merkitty samanlaisella nume- rointijärjestelmällä. Esimerkiksi kuvan 4 prismaattisessa kennossa tämä numero on 45173125P, joka tarkoittaa kennon olevan 45 mm paksu, 173 mm leveä ja 125 mm pitkä. P tarkoittaa prismaattista. (4)
Kuva 4 Prismaattisen kennon mittakuva (7).
Prismaattinen kenno vaatii tukevan kotelon puristuksen saavuttamiseksi. Kaa- sun kertymisestä johtuva turvotus on normaalia, joten koon muutos on otettava huomioon. 5 mm:n kenno voi kasvaa 8 mm:ksi 500 syklin jälkeen. (4)
3.4 Pussikenno
Vuonna 1995 esitellyn pussikennon sisäisen pakkauksen reaktiivisen materiaa- lin paketointi saavuttaa 90–95 prosentin tarkkuuden, joka on korkein akkujen joukossa. Metallikotelon poistaminen vähentää painoa, mutta kenno tarvitsee tukea ja varaa laajentua lokerossaan. (8)
Kuva 5 Vasemmalla turvonnut pussikenno (8).
Pienet pussikennot ovat yleensä Li-polymeeriä. Pienet kennot ovat suosittuja kannettavissa sovelluksissa, jotka vaativat suuria kuormitusvirtoja, kuten dronet ja harrastuslaitteet. Vaikka pienet kennot ovat helposti pinottavia, niidenkin laa- jeneminen on huomioitava. Pakkaukset (kuva 5) voivat kasvaa 8–10 prosenttia 500 syklin aikana. Isommat 40 Ah:n kennot toimivat yleensä energian varastoin- tijärjestelmissä (ESS). Niiden laajeneminen tapahtuu pidemmän syklityksen ai- kana kuin pienikokoisemmilla pussikennoilla. (8)
4 Akunhallintajärjestelmä
Litium on kevyin kaikista metalleista ja sillä on suurin sähkökemiallinen potenti- aali. Litiumioniakut tarjoavat parhaan energiatiheyden tilavuutta ja painoa kohti.
Litiumionitekniikalla saattaakin olla ratkaiseva rooli siirtymisessä pois fossiili- sista polttoaineista ja uusiutumattomista energialähteistä liikenteessä, teollisuu- dessa ja asumisessa. (9)
Akkukennot ovat kemiallisen koostumuksensa takia epävakaita, ja niitä on hallit- tava käytön aikana. Jos kuitenkin tiettyjä varotoimenpiteitä noudatetaan latauk- sen ja purkamisen aikana, litiumioni tarjoaa vertaansa vailla olevia etuja muihin kemioihin verrattuna. Siksi akunhallinta on olennainen mahdollistava tekijä li- tiumioniakun kehitykselle. Turvallisuus, suorituskyky ja luotettavuus ovat tär- keimpiä ominaisuuksia, joista akunhallintajärjestelmän (BMS) tulee olla vas- tuussa. (9)
BMS valvoo ja säätelee sisäisiä toimintaparametreja, kuten lämpötilaa, jänni- tettä ja virtaa latauksen sekä purkamisen aikana. Se arvioi akun lataustilaa (SoC) ja terveydentilaa (SoH) parantaakseen turvallisuutta ja suorituskykyä.
(10)
Korkeajännitteissä ajoneuvon akustossa voi olla useiden satojen volttien jän- nite. Esimerkiksi Nissan Leafin ajoakuston jännite on noin 360 V, kun taas Por- sche Taycanin 800 V. Matalajännitteinen ohjausjärjestelmä, sekä BMS:n käyttö- jännite on tyypillisesti 12 V.
4.1 Kennojännite ja akun käyttöiän pidentäminen
Akun kennojännitteen seuranta on välttämätöntä sen yleisen kunnon määrittä- miseksi. Kaikille kennoille määritellään käyttöjännitealue, jossa lataus sekä pur- kaminen tulisi suorittaa asianmukaisen toiminnan ja akun keston
varmistamiseksi. Jos sovellus käyttää akkua, jossa on litiumkemia, käyttöjännite vaihtelee tyypillisesti välillä 2,5–4,2 V. Jännitealue on kemiasta riippuvainen.
Akun käyttö jännitealueen ulkopuolella lyhentää merkittävästi kennon käyt- töikää. Kun kennoja ladataan ja puretaan, kunkin kennon varaus- ja purkausno- peudet muuttuvat. Tämä johtaa jännite eroon kennojen välillä. (11)
Yksinkertainen tapa määrittää, onko akku ladattu, on seurata jokaisen kennon jännitettä. Ensimmäinen kennojännite, joka saavuttaa ylemmän jänniterajan, laukaisee akun latausrajan (kuva 6). Keskimääräistä heikompi akkukenno saa- vuttaa rajan ensimmäisenä, jolloin muut kennot eivät lataudu täyteen. (11)
Kuva 6. Heikommat kennot, jotka ovat saavuttaneet latausrajan ja aktivoivat ken- notasoituksen (12).
Purkausjaksossa heikompi kenno saavuttaa minimijännitteen muita kennoja no- peammin, joka laukaisee purkurajan (kuva 7). Tämä johtaa siihen, että vahvem- piin kennoihin jää vielä käyttämätöntä varausta. (11)
Kuva 7 Heikoimmat kennot, jotka ovat saavuttaneet minimijännitteen ja aktivoivat purkurajan (12).
4.2 Balansointimenetelmät
On kaksi tapaa maksimoida akun käytettävää kapasiteettia. Ensimmäinen on hi- dastaa varausta heikoimpaan kennoon latausjakson aikana. Tämä saavutetaan kytkemällä ohitus kanavatransistori (FET) virranrajoitusvastuksella kennon na- poihin. (Kuva 8.) FET ottaa virran kennosta, jolla on suurin jännite, mikä hidas- taa kyseisen kennon varautumista, jolloin muilla kennoille jää aikaa latautua.
Tätä kutsutaan passiiviseksi kennotasapainotukseksi. (11)
Kuva 8 Passiivinen kennotasoitus. Kanavatransistorit (FET) auttavat hidasta- maan kennon varausnopeutta latausjakson aikana (11).
Toinen tapa balansoida kennojännitteet on toteuttamalla hallittu energian siirto kennojen välillä. Se saavutetaan ottamalla jännite suuremman potentiaalin omaavasta kennosta ja siirtämällä se pienemmän potentiaalin omaavaan ken- noon (kuva 9). Tätä kutsutaan aktiiviseksi tasapainotukseksi. (11)
Kuva 9 Aktiivinen tasapainotus, jota käytetään purkujakson aikana varastamaan varaus vahvalta Alpha-kennolta ja antamaan varaus heikolle kennolle (11).
Lopullinen tavoite on maksimoida akun latauskapasiteetti siten, että kaikki ken- not saavuttavat samanaikaisesti maksimi kennojännitteensä.
4.3 Virran mittausmenetelmät
Jotta voitaisiin hallita energiankulutusta ja optimoida tehokkuutta hybridi- ja säh- köajoneuvoissa, korkeajännitejärjestelmien, kuten invertterien, sisäisen laturin (OBC), DC/DC-muuntimen ja akunhallintajärjestelmän (BMS), tarkka virranmit- taus on välttämätöntä. Korkeajännitejärjestelmästä on mitattava suuria virtoja suurilla jännitteillä, tyypillisesti > 400 V. Siksi näiden virranmittauskomponent- tien tulee olla hyvin eristettyjä ja niiden tulee toimia myös ankarissa olosuh- teissa. (13)
Jokaisella HEV/EV-sovelluksella on erilaiset kustannus- ja pakkauskokovaati- mukset. Mittausmenetelmiä on useita. HEV/EV-osajärjestelmissä käytetyt
ensisijaiset menetelmät ovat kuitenkin joko shunt-pohjaisia (kuva 10) käyttäen eristettyjä vahvistimia tai eristettyjä modulaattoreita tai hall-pohjaisia avoimen kierron tai suljetun kierron Hall-antureita (kuva 11) käyttäen. (13)
Kuva 10 Vasemmalla eristetyllä vahvistimella- ja oikealla eristetyllä modulaatto- rilla olevat shuntit (13).
Kuva 11. Vasemmalla avoimen kierron ja oikealla suljetun kierron Hall- anturit (13).
Historiallisesti suunnittelijat pitivät parempana shunt-pohjaisia ratkaisuja pienvir- taisiin (< 50 A) ja Hall-pohjaisia ratkaisuja suurvirtaisiin (> 50 A) mittauksiin. Kui- tenkin kasvavien virtamittauksen tarkkuusvaatimusten vuoksi ajoneuvovalmista- jat ovat siirtymässä Hall-pohjaisista shunt-pohjaisiin menetelmiin suurvirtaisissa- kin mittauksissa. Autoteollisuuden toimittajien keskuudessa esiintyy jopa uutta
Shunt- ja Hall-pohjaisten menetelmien analyysi
• Hall-anturit ovat luonnostaan eristettyjä, mikä mahdollistaa yhden mo- duulin lähestymistavan. Toisaalta shunt-ratkaisut vaativat erillisen vahvis- timen tai modulaattorin ja eristetyn virtalähteen. (13)
• Shunt-pohjaisilla ratkaisuilla on erittäin pieni alkupoikkeama, niillä on pie- nempi poikkeaman siirtymä lämpötilan suhteen ja ovat vähemmän alttiita ulkoisille magneettikentille (13).
• Shunt-pohjaiset ratkaisut ovat lineaarisia kaikilla jännitealueilla verrattuna Hall-pohjaisiin ratkaisuihin, jotka ovat epälineaarisia etenkin nollapis- teessä ja lähellä magneettisen ytimen kyllästymisaluetta (13).
• Shunt-pohjaisilla ratkaisuilla saavutetaan parempi DC-tarkkuus verrat- tuna Hall-pohjaisiin ratkaisuihin, joissa on kertaluonteinen peruskalib- rointi. Shunt-pohjaisten ratkaisujen tarkkuus on paljon parempi erityisesti pienillä virroilla. (13)
• Jännitehäviö shuntin yli johtaa tehohäviöön lämmön muodossa. Kuiten- kin shunt-tekniikan parantuessa, shuntit muuttuvat kevyemmiksi, vastus- arvot alenevat ja tarkkuus parantuu. (13)
• Hall-pohjaisilla antureilla on yleensä rajoitettu käyttölämpötila-alue (tyypil- lisesti –40 °C…+85 °C), kun taas shunt-pohjaiset ratkaisut voivat tukea korkeampia käyttölämpötila-alueita (tyypillisesti –40 °C…+125 °C) (13).
Tässä insinöörityössä suunnitellun moduulin tapauksessa, ei shunt- ja Hall-po- jaisten menetelmien analyysille ollut tarvetta, sillä kaikki BMS-järjestelmät, joi- den käyttöä harkittiin, suosivat shunt-pohjaista ratkaisua.
4.4 Lämpötilan valvonta
Lämpötilan valvonta liittyy kiinteästi akkujen valvontaprosesseihin. Kuluttajavaa- timuksien kasvaessa esimerkiksi lataustehojen osalta lämmönhallinta ja valvon- tajärjestelmän merkitys korostuu. Latausteho saattaa olla kymmenistä kilowa- teista satoihin kilowatteihin. Tämä voi johtaa latausprosessiin osallistuvien kom- ponenttien kuumenemiseen tai jopa ylikuumenemiseen. Siksi latausaseman, lii- tinjärjestelmän, virtakiskojen, tehoelektroniikan ja suurjänniteakun asianmukai- nen lämpötilan valvonta on perusedellytys latausprosessin turvallisen ja tehok- kaan suorittamisen varmistamiseksi. Riittämätön lämpötilan valvonta voi johtaa järjestelmän osien kulumiseen, käyttöiän lyhenemiseen tai jopa osien vikaantu- miseen. Pahimmassa tapauksessa suuri ja pitkäkestoinen ylikuumeneminen voi aiheuttaa akun syttymisen. (14)
Lämpötilan mittaus suoritetaan lukemalla jännite laitteesta, jolla on lämpötilasta riippuvat, esimerkiksi resistiiviset ominaisuudet, kuten termistoreilla tai RTD-lait- teilla. Muut tekniikat, kuten termoparit, edellyttävät kylmän liitoksen kompen- sointia, kun taas diodi-/BJT-pohjaiset anturit tarvitsevat jatkuvaa virran säätöä.
NTC-termistorien käytön tärkeimmät edut ovat niiden korkea herkkyys, hyvä tarkkuus, hinta-laatusuhde ja monipuolisuus. Ne tarjoavat helpon kosketusmit- tauksen ja parhaan lämpötilan tunnistamisvaihtoehdon jokaiselle valvotulle pai- kalle tai alueelle. (15)
4.4.1 Termistorit
Termistori on vastuselementti, joka on yleensä valmistettu polymeeristä tai puo- lijohteesta ja jonka vastus vaihtelee lämpötilan suhteen. Tämän yyppistä laitetta ei pidä sekoittaa vastuslämpötilan ilmaisimeen (RTD). Yleensä RTD:t ovat pal- jon tarkempia, kalliimpia ja kattavat laajemman lämpötila-alueen. (16)
kyseessä negatiivisen lämpötilakertoimen NTC-termistori. Jos vastus kasvaa lämpötilan noustessa on kyseessä positiivisen lämpötilakertoimen PTC-termis- tori. (16)
Kuva 12 esittää Panasonic ERTJZET472 -NTC-termistorin lämpötilan ja vastuk- sen kuvaajan. Tämä kaavio osoittaa, että lineaarisessa mittakaavassa vastus–
lämpötila-suhde on hyvin epälineaarinen. (16)
Kuva 12 Panasonic-NTC-termistorin vastus vs. lämpötila (16).
Tyypillisesti termistorit luokitellaan parametrilla, joka tunnetaan nimellä R25.
Tämä on tyypillinen termistorin resistanssi 25 celsiusasteessa. Kuvan 12 termis- torin R25-arvo on 4700 ohmia. (16)
NTC-kokoonpano on yksi akunvalmistajien haasteista. Normaalisti NTC:n tulisi olla hyvin lähellä kennoa ja energian tiheyden maksimoimiseksi moduulissa on vähän ylimääräistä tilavuutta. Kuvassa 13 on esimerkkimalli 0603-kokoisesta termistorista, joka on asennettu joustopiiriin. Kokoonpano edustaa uusinta
tekniikkaa kustannusten, suorituskyvyn ja testattujen kokoonpanotekniikoiden kannalta. (17)
Kuva 13 Kennon pintaa asennettava termistori (17).
4.4.2 Nesteen lämpötila
Jäähdytysnesteen lämpötilaa voidaan käyttää akun käyttötilan määrittämiseen.
Tämä lämpötila voidaan mitata luotettavasti putkiasennettavilla antureilla. Nämä
miseksi jäähdytysnesteen vuodolta. Tämä tarkoittaa myös sitä, että putkiston suunnittelussa ja anturin paikan määrittelyssä on enemmän joustavuutta verrat- tuna ratkaisuun, jossa anturin asennuspaikka on ennalta määrätty. (14)
Näistä hiljattain kehitetyistä putkiasennettavista NTC-antureista (kuva 14) tekee erityistä anturin ja kiinnityselementin yhdistelmä. Tämä tarkoittaa, että anturi voidaan asentaa putkeen tavalla, joka varmistaa erinomaisen lämmön mittauk- sen ja samalla anturi on turvallinen ja tärinää kestävä. Anturin asennus ja irrot- taminen jäähdytysputkesta on nopeaa ja vaatii vain vähän vaivaa. Anturin mo- dulaarisen rakenteen ansiosta se voidaan asentaa halkaisijaltaan eri putkiin.
(14)
Kuva 14 Putkiasennettu anturi. Ne soveltuvat eri putkien halkaisijoille, ne on helppo asentaa, ja niiden vasteajat ovat lyhyet (14).
5 Akustojen jäähdytysratkaisut
Akuissa sekä lataus että purkuvirta tuottaa lämpöä kennojen sisällä ja niiden lii- täntäjärjestelmissä. Tämä lämpö on verrannollinen akusta purettavan tai ladat- tavan virran neliöön kerrottuna kennojen ja liitäntäjärjestelmien sisäisellä vas- tuksella. Mitä suurempi virta, sitä enemmän lämpöä tuotetaan. (18)
Lämpöä voidaan tuottaa useista lähteistä, mukaan lukien joulelämmityksen si- säiset häviöt ja paikalliset elektrodien ylipotentiaalit, kennoreaktion entropia, se- koituslämpö ja sivureaktiot. (18)
Akkukemiasta riippuen on neljä tärkeää lämpötila-aluetta otettava huomioon suunnitellessa litiumioniakkuja:
• Alle 0 °C:n lämpötiloissa akut menettävät latausta, koska kennoissa ta- pahtuu hitaampia kemiallisia reaktioita. Tuloksena on huomattava ajo- neuvon tehon, kiihdytyksen ja ajomatkan menetys sekä suurempi akun vaurioitumisen mahdollisuus latauksen aikana. (18)
• Optimaalisen suorituskyvyn ja käyttöiän lämpötila-alue on noin 20 °C (19).
• Yli 30 °C lämpötiloissa akun suorituskyky heikkenee noin 20 % (19).
• Mikäli akkua ladataan ja puretaan yli 45 °C:n lämpötilassa, putoaa akun suorituskyky puoleen siitä, jos sitä käytettäisiin 20 °C:n lämpötilassa (19).
Nykyään käytetään erilaisia jäähdytysaineita ja -menetelmiä osana akkujen läm- mönhallintaa. Näitä ovat ilmajäähdytys, virtaavien nestemäisten jäähdytysnes- teiden käyttö tai suora upotus. (18)
Edullisin menetelmä sähköakun jäähdytykseen on ilma. Passiivinen ilmajäähdy- tysjärjestelmä käyttää akun jäähdyttämiseen ulkoilmaa ja ajoneuvon liikettä.
Tällainen ratkaisu on hyvä varsinkin ajoneuvoissa kuten Nissan Leaf, joissa akku ei joudu kovalle rasitukselle suuren tehontarpeen vuoksi (kuva 15). Aktiivi- set ilmajäähdytysjärjestelmät parantavat jäähdytystehoa puhaltimilla (kuva 16).
Ilmajäähdytystä käytettäessä ei ole riskiä nestevuodoista akun sisällä. Järjes- telmä on myös kevyempi ilman nesteiden, pumppujen ja letkujen tuomaa lisä- painoa. (18)
Kuva 15 Nissan Leafin akun jäähdyttämiseen riittää ilma (20).
Ilmajäähdytyksen huonona puolena kuitenkin on, ettei se edes suuritehoisilla puhaltimilla kuljeta samaa lämpöä kuin nestejärjestelmä. Tämä on johtanut on- gelmiin kuumassa ilmastossa. (18)
Kuva 16 Turbiinityyppinen puhallin, joka kierrättää tehokkaasti ilmaa akuston si- sällä. Tällaista käytetään muun muassa Toyota Priuksessa (21).
Silti ilmajäähdytysratkaisuilla on roolinsa ja arvonsa. Esimerkki on mittatilaus- työnä valmistettu Volkswagen EV -kilpa-auto, joka sijoittui ensimmäisenä Pikes Peak International Hill Climbissä Colorado Springsissä (kuva 17). Volkswagen käytti ilmajäähdytysjärjestelmiä painon vähentämiseksi. (22)
Kuva 17 Volkswagenin sähköauto, joka voitti kilpailun ilmajäähdytteisillä akuilla (22).
5.2 Nestejäähdytys
Putkitetut nestejäähdytysjärjestelmät tarjoavat paremman akun lämmönhallin- nan, koska ne johtavat paremmin lämpöä pois kuin ilmajäähdytysjärjestelmät.
Haittapuolena kuitenkin on rajoitettu nesteen virtaus järjestelmän läpi verrattuna ilmaan, joka voi virrata kennoston läpi. (18)
Teslan samoin kuin monen muun valmistajan lämmönhallintajärjestelmä käyttää glykolia jäähdytysaineena. Nämä järjestelmät siirtävät lämpöä jäähdytyskierron kautta. Jäähdytysnestettä jaetaan koko akkuun jäähdyttämään kennoja. Ottaen huomioon, että akussa voi olla yli 7000 kennoa jäähdytettävänä, on haaste. (23) Tesla Model S:n akunjäähdytysjärjestelmä koostuu patentoidusta serpentii- nijäähdytysputkesta (kuva 18), joka kiertyy akun läpi ja kuljettaa vesi-glykoli- jäähdytysnestettä; lämpökontakti kennojen kanssa tapahtuu niiden sivujen kautta lämmönsiirtomateriaalilla (18).
Kuva 18 Teslan käyttämää metallista jäähdytysputkea, joka kiertää akun sisällä (23).
5.3 Uppojäähdytys
Uppojäähdytyksessä jäähdytettävät komponentit nimensä mukaisesti upotetaan säiliöön, jossa on jäähdytysnestettä. Sähkökomponenttien uppojäähdytyksessä, nesteen tulee siis olla dielektristä eli sähköä eristävää.
Tätä jäähdytystekniikkaa on usein käytetty sähkömuuntajien sekä tietoliikenne- keskusten jäähdyttämiseen. Myös autovalmistaja Rimac ja akkuvalmistaja Xing- mobility käyttävät tätä tekniikkaa akustojensa jäähdytyksessä. Yleisesti uppo- jäähdytyksessä käytetään kahta erilaista tekniikkaa: yksi- ja kaksivaiheista.
5.3.1 Yksivaiheinen uppojäähdytys
Yksivaiheinen jäähdytys toimii hyvin samalla tavalla kuin perinteisen polttomoot- tori auton nestejäähdytys. Yksivaiheisessa jäähdytyksessä neste pumpataan
kaikkein yleisimmin sen helppouden vuoksi. Se ei vaadi erityisen paljon ylimää- räistä tilaa, ja valmiita komponentteja on tarjolla markkinoilla (kuva 19), mikä te- kee siitä myös kustannustehokkaamman mallin. Huonona puolena todettakoon, että järjestelmä on herkkä epäpuhtauksille ja vuodoille. Epäpuhtaudet nes- teessä heikentävän sen dielektristä ominaisuutta ja saattavat pahimmillaan joh- taa sähköjärjestelmän oikosulkuun.
Kuva 19 XING Mobility tarjoaa täydellisiä voimansiirtoratkaisuja, jotka on raken- nettu niiden upotusjäähdytteisten akkuyksiköiden ympärille ja jotka ovat modu- laarisia, jotta ne voidaan sovittaa haluttuun geometriaan (24).
5.3.2 Kaksivaiheinen uppojäähdytys
Kaksivaiheisessa uppojäähdytyksessä käytetään nesteenä sellaista nestettä, jonka kiehumispiste on jäähdytettävien komponenttien maksimilämpötilan ta- solla. Kuumentunut neste kiehuu ja poistaa näin ollen erittäin tehokkaasti
lämpöä komponenteista. Kiehumisesta aikaansaatu höyry lauhdutetaan säiliön yläosassa, jossa se kondensoituu takaisin nesteeksi ja palautuu takaisin kier- toon.
Tämän jäähdytysratkaisun käytön hankaluuksia ovat muun muassa tarvittavan säiliön suuri koko, koska nesteen on mahduttava höyrystymään ja lauhtumaan samassa säiliössä. Lisäksi säiliössä tapahtuva paineenvaihtelu aiheuttaa hävik- kiä nesteen määrässä, sillä liian korkea paine järjestelmässä on laskettava ulos.
Tämän seurauksena häviää myös osa nesteestä höyryn muodossa.
Kaksivaiheista uppojäähdytystä ei ajoneuvokäytössä yleisesti käytetä, sillä tar- vittavaan jäähdytystehoon päästään yleensä helpommilla ratkaisuilla. Sitä käy- tetään kuitenkin paljon esimerkiksi palvelimien ja muuntajien jäähdytykseen, koska sillä on mahdollista saavuttaa suuria jäähdytystehoja, tyypillisten läm- mönsiirtokertoimien ollessa väliltä 0,4–9 W/cm²-K verrattuna yksivaiheisen up- pojäähdytyksen lämmönsiirtokertoimiin väliltä 0,05–0,8 W/cm²-K.
Kuva 20 Kaksivaiheisen jäähdytyksen toimintaperiaate (25).
6 UN ECE
UNECE:n sääntö nro 100 (jota kutsutaan myös nimellä R100) määrittelee useita testejä sähköajoneuvoissa olevien ladattavien akkujärjestelmien valmistajille.
Testit on tarkoitettu varmistamaan ladattavien akkujen turvallinen toiminta odo- tettavissa olevissa käyttöolosuhteissa ja parantamaan ajoneuvojen kuljettajien ja matkustajien turvallisuutta. (26)
Moottoriajoneuvojen ja sähköajoneuvojen maailmanlaajuisista standardeista vastaa YK:n Euroopan talouskomission (UNECE) alainen työryhmä (WP 29), joka on ajoneuvojen harmonisoinnin maailmanlaajuinen foorumi. Foorumin ta- voitteena on laatia maailmanlaajuisesti yhdenmukaistetut säännöt moottoriajo- neuvoille kansainvälisen kaupan esteiden poistamiseksi, liikenneturvallisuuden edistämiseksi ja ympäristön suojelemiseksi. Foorumin toimet perustuvat niin
sanottuun vuoden 1958 sopimukseen, jonka mukaan Euroopan unioni ja lähes 60 muuta allekirjoittajamaata sopivat soveltavansa yhteisiä teknisiä eritelmiä maassaan valmistettuihin tai myytyihin moottoriajoneuvoihin ja mahdollistavan pääsyn muissa maissa valmistetut moottoriajoneuvot, jotka täyttävät nämä vaa- timukset. (27)
Erityisiä teknisiä vaatimuksia on noin 130 erillisessä määräyksessä, jotka kos- kevat ajoneuvon osia, kuten valaistusta ja laitteistoa, toimintaominaisuuksia, ku- ten törmäyskestävyyttä tai ympäristön yhteensopivuutta. Voidakseen osoittaa soveltuvien määräysten noudattamisen valmistajat toimittavat ajoneuvot ja kom- ponentit valtuutetulle kolmannelle osapuolelle (”tekninen palvelu”) tyyppihyväk- syntäarviointia varten. Vuoden 1958 sopimuksen ehtojen mukaan moottoriajo- neuvot ja komponentit, jotka saavat tyyppihyväksynnän yhdessä allekirjoittaja- maassa, on hyväksyttävä tuontia, myyntiä tai käyttöä varten kaikissa muissa al- lekirjoittaneissa maissa (vaikka useat EU:n ulkopuoliset allekirjoittaneet maat vaativat kuulemma uudelleen testaamista laboratorioissa) sijaitsevat omissa maissaan). (27)
6.1 R100
YK:n Euroopan talouskomission säännössä nro 100 käsitellään maantieajoneu- vojen, mukaan lukien ladattavat akkujärjestelmät, sähkövoimansiirtoa koskevia turvallisuusvaatimuksia. Alun perin vuonna 1996 julkaistu asetus uudistettiin vuonna 2011 vastaamaan uutta teknologiaa. R100-tyyppihyväksyntähakemuk- set koskivat kuitenkin vain kokonaisia ajoneuvokokoonpanoja, ja ajoneuvon osien turvallisuuden arvioinnit tehtiin osana ajoneuvon kokonaisarviointia ja nii- den soveltamisala oli rajallinen. Tämän seurauksena ajoneuvovalmistajat eivät voineet vaihtaa yksittäisiä järjestelmiä tai komponentteja tai korvata yhden ali- valmistajan osia toisella, ilman että vaadittiin uutta tyyppihyväksyntähakemusta koko suurjännitevoimansiirrolle. (27)
Vuonna 2013 julkaistussa R100:n toisessa versiossa tehtiin merkittäviä muutok- sia moottoriajoneuvojen ja ladattavien energian varastointijärjestelmien (RESS)
testejä, jotka koskevat yksinomaan näitä järjestelmiä. Kun nämä uudet testaus- vaatimukset otettiin käyttöön heinäkuussa 2014 ja tulivat pakollisiksi heinä- kuussa 2016, vastuu ladattavan akun tyyppihyväksynnän saamisesta siirtyi myös RESS-valmistajalle. (27)
R100:n olennaiset vaatimukset, jotka on luokiteltu osan II vaatimuksiksi, löytyvät asetuksen osasta 6, jonka liitteessä 8 on yksityiskohtaisia tietoja RESS-testejä koskevista testausmenettelyistä. Niihin kuuluvat tärinä, lämpöshokki, mekaani- nen isku, mekaaninen eheys, tulenkesto, ulkoinen oikosulkusuoja sekä ylikuor- mitus- ja ylikuumenemissuoja. (27)
Joissakin tapauksissa voidaan käyttää testausarvoja, jotka poikkeavat asetuk- sen liitteessä 8 esitetyistä arvoista, esimerkiksi silloin, kun moottoriajoneuvon valmistaja esittää simulaatioita ja tuloksia, jotka osoittavat vaihtoehtoisen lähes- tymistavan tarkoituksenmukaisuuden tai suositeltavuuden. (27)
6.2 Tärinä
Tärinätesti tarkistaa RESS: n turvallisuustason tärinäolosuhteissa, jotka ovat sa- manlaisia kuin ajoneuvon normaalissa käytössä. Testattava laite altistuu tä- rinälle, jolla on sinimuotoinen aaltomuoto ja logaritminen pyyhkäisy välillä 7 Hz – 50 Hz ja takaisin 7 Hz:iin 15 minuutin kuluessa. Tämä pyyhkäisy toistetaan 12 kertaa yhteensä kolmen tunnin aikana. (27)
6.3 Lämpöshokki
Lämpöshokkitesti arvioi RESS:n kestävyyden äkillisille lämpötilanmuutoksille, jotka ovat samanlaisia kuin todellisissa ympäristöolosuhteissa. Testattavaa lai- tetta säilytetään vähintään kuusi tuntia 60 °C:ssa ja sen jälkeen kuusi tuntia –40
°C:ssa. Tämä sykli toistetaan viisi kertaa, minkä jälkeen laitetta säilytetään ym- päristön lämpötilassa 24 tuntia. (27)
6.4 Mekaaninen isku
Testi tarkistaa RESS:n turvallisuustason inertiakuormituksissa, joita voi esiintyä ajoneuvon törmäysolosuhteissa. Testattavaa laitetta kiihdytetään tai hidastetaan säännön mukana olevissa taulukoissa määritetyillä nopeuksilla, ja todellista pai- novoimaa verrataan taulukoissa esitettyihin arvoihin. (27)
6.5 Mekaaninen eheys
Testi Arvioi RESS:n turvallisuustason kosketuskuormituksissa, joita saattaa esiintyä ajoneuvon törmäysolosuhteissa. Testattava laite murskataan vastusle- vyn ja murskauslevyn väliin määrätyllä voimalla, alkamisajalla ja pitoajalla.
Kuva 21 Testauksessa käytettävä murskauslevy (28).
6.6 Tulenkesto
Testi arvioi RESS: n kestävyyden ajoneuvon ulkopuolelta peräisin olevan tulipa- lon altistumiselle määrittääkseen, onko kuljettajalla ja matkustajilla riittävästi pa- kenemisaikaa. Testattava laite altistuu sekä suoralle että epäsuoralle liekille (kuva 22), joka on syntynyt polttamalla kaupallista polttoainetta. (27)
Kuva 22 Havainnekuva tulenkeston testauksesta (29).
6.7 Ulkoinen oikosulku
Testi tarkistaa laitteen oikosulkusuojajärjestelmän suorituskyvyn rajoittaakseen oikosulkuun liittyviä seurauksia. Testattava laite altistuu tahalliselle oikosululle kytkemällä laitteen positiiviset ja negatiiviset liittimet käyttämällä tietyn vastuk- sen liitäntää. Oikosulkuehtoa jatketaan, kunnes oikosulkusuojan toiminta voi- daan vahvistaa, tai vähintään tunnin ajan sen jälkeen, kun laitteen kotelossa mi- tattu lämpötila on vakiintunut. (27)
6.8 Ylikuormitussuoja
Ylikuormitussuoja lataustilanteessa, arvioi laitteen ylikuormitussuojajärjestelmän suorituskykyä. Testattavaa laitetta ladataan, kunnes laite keskeyttää tai rajoittaa latausta automaattisesti tai kunnes laite on ladattu kaksinkertaiseksi nimelliska- pasiteettiinsa nähden. (27)
Ylikuormitussuoja purkutilanteessa, arvioi laitteen ylikuormitussuojajärjestelmän suorituskykyä. Testattava laite purkautuu, kunnes se keskeyttää tai rajoittaa purkausta tai kun laite purkautuu 25 %:iin nimellisjännitetasostaan. (27)
6.9 Ylikuumenemissuoja
Testi tarkistaa laitteen suorituskyvyn sisäistä ylikuumenemista vastaan käytön aikana, vaikka laitteen jäähdytystoiminto epäonnistuu. Testattavaa laitetta lada- taan ja puretaan toistuvasti tasaisella virralla kennojen lämpötilan nostamiseksi.
Laite asetetaan sitten kiertoilmauuniin tai ilmastointikammioon ja uunin tai kam- mion lämpötila nostetaan vähitellen ennalta määrätylle tasolle. (27)
7 Moduulin suunnittelu
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 liitin.
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 kanaviin, 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 lieriömäisiä. 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 onnettomuustilanteetkin 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://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.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://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://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.gigabyte.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://lithiumbalance.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.
