Pildi allikas: https://bit.ly/3jgJtIe
AKUD JA LAADIMINE
Alljärgnevas õppematerjalis vaatleme elektrisõidukitel kasutatavaid elektrienergia salvestusseadmeid- akusid.
Erinevad tootjad kasutavad mitmesuguseid erilahendusi, kuid üldehitus ja akus kasutatav keemia ning seeläbi aku omadused jäävad sarnaseks.
Materjali läbitöötamiseks kulub hinnanguliselt 10 akadeemilist tundi.
Õpiobjekt sisaldab teooria osa ning õpiobjekti lõpus kahte sorti enesekontrolli küsimusi.
Kordamisküsimused on rohkem avatud küsimused ning nendele vastates suudad mõtestada elektrisõiduki üldisemat ehitust.
Rohelisel taustal enesekontrolli testid on rohkem konkreetse õppeteema kohta ning faktipõhised.
Teema võib lugeda omandatuks kui oskad vastata kordamisküsimustele ning enesekontrolli testi õigeid vastuseid on üle 80%
Akumulaator (ladina sõnast accumulator "koguja") ehk aku on energia salvestamise seade. Akudesse akumuleeritakse (salvestatakse, laetakse, kogutakse) energiat eesmärgiga seda hiljem kasutada. Sellisesse seadmesse saab pärast tühjendamist korduvalt uuesti energiat salvestada. Salvestada saab igasugust energiat: soojust, rõhku, inertsmomenti jne.. aga meie vaatame lähemalt elektriakumulaatoreid.
Elektriakumulaator ehk elektriaku on korduvalt laetav ja taaskasutatav keemiline vooluallikas.
Akusse salvestatakse elektrienergiat juhtides akust läbi alalisvoolu, mille suund on vastupidine tühjendusvoolu omale. Laadimise käigus muundub akut läbiv alalisvool keemiliseks energiaks salvestudes aku sees olevatele plaatidele.
Akusid võib ühendada järjestikku ehk jadamisi pinge tõstmiseks, paralleelselt ehk rööbiti tugevama voolutugevuse saamiseks või kombineeritult, kui on tarvis suurendada nii pinget kui voolutugevust. (vt. akude ühendusviisid)
Enne akude peatükki tutvu palun akusid puudutavate põhimõistetega - Ah, kWh
Ajalugu
Keemilisi akusid on leiutatud kogu inimkonna ajaloo vältel. Arvatavasti oli elektrivool olemas juba vanas Egiptuses (Bagdadi patarei). Kas nii ka oli ja milleks taolisi vahendeid kasutati selgub vast tulevikus.
Meie jaoks algab aku, kui elektri energia salvestus seadme, ajalugu aastal 1800, kui Alessandro Volta demonstreeris happega purki, milles olid vask- ja tsinkplaadid. Need olid omavahel traadiga ühendatud. Taoline moodustis andis ühe akuelemendi kohta lühiajalist pinget ca 0,7V.
Järgmine suurem läbimurre akutehnoloogias oli aastal 1859, kui Gastron Planté tutvustas oma leiutist- happeakut.
Kuni seniajani olid kõik leiutatud patareid/akud ühekordsed- kui nad tühjenesid, siis jäädavalt. Tema happeaku võimaldas vastupidises suunas alalisvoolu läbi lastes keemiline reaktsioon tagasi pöörata ja aku viia tagasi algseisusesse.
Tänapäevaks küll juba täiustatud kujul, kuid samaväärsed pliiakud on maailmas hõivanud üle 70% akuturust.
Tänapäeval käib akude pidev edasiarendus. Tundub, et leiutada pole enam midagi, kuid ikka katsetatakse igasugu erinevate materjalide ja tehnoloogiatega.
Autotootja jaoks on 3 põhiprobleemi, millega sõidukile sobiva aku valikul arvestada:
akude kogukaal- akud olenemata kasutuskohast- elektriautos, telefonis- moodustavad seadme kogukaalust väga suure osa (Tesla aku 540 kg)
kasutatavate materjalide saadavus- haruldased muldmetallid on akudes väga head, samas on osad neist (üli)haruldased, ebastabiilsed (tuleohtlikud) ja keskkonda saastavad.
õige suhe aku eluea/laadimisaja/võimsuse/mahtuvuse/hinna/tootmise/ohutuse jne.. suhtes.
Pildi allikas: https://bit.ly/3zY1f9a
Pildi allikas:https://bit.ly/3A8oEoy
Elektri patareide areng. Ajajoonelt tuleb hästi välja, et suur hüpe on toimunud just viimase kümnendi jooksul.
Pildi allikas: http://www.upsbatterycenter.com/blog/wp-content/uploads/2014/06/History.jpg
Akusid iseloomustavad suurused
Erinevaid akusid iseloomustavaid suuruseid on hästi palju. Toome siinkohal välja põhilised, mida teadma peaks.
energiatihedus (Wh/kg või Wh/m3)
Akutootjate ning akutoitel töötavate seadmete tootjate suurim probleem ning väljakutse on võimalikult väikese massi ning ruumala juures salvestada võimalikult suur elektrilaeng. Elektritoiteallikate energiatihedus ja kasutegur on muutunud eriti tähtsaks seoses kaasaskantavate seadmete massilise kasutamisega- samuti akude kasutamisega energiaallikana autodel.
Happeaku energia tihedus- 40 Wh/kg
Nikkelaku energia tihedus- 60-120 Wh/kg
Liitiumaku energia tihedus- 150-200 Wh/kg
Akude energiatiheduse võrdlus kaalu/suuruse võrdluses:
Pildi allikas: https://www.epectec.com/images/battery-cell-energy-density.jpg
Pildil nähtavad akud:
Happeaku- 210 CCA (cold cranking amps) Kaal: 4 kg
Liitium aku- 210 CCA Kaal: 660 g
Sama võimsus, aga 6x kergem.
Hind happekul 30 EUR, liitiumakul 240 EUR.
Hinnavahe 8 korda.
laadimis-tühjendustsüklite arv
Kuigi ideeliselt võiks igat akut laadida lõpmatuseni, kuid on palju tegureid mis mõjutavad tema laadimiskordade arvu (temperatuur, kasutuskoht, laadimine, tühjenemine jne..).
Happeaku laadimistsüklid ca 100x
Nikkelaku laadimistsükleid- 200-2000x
Liitiumaku laadimistsükleid- 1000-2000x
Oluline 1- laadimistsüklite arv on seotud aku tühjenemise/laadimise protsessiga.
Näitena kõrvalolev tabel Liitium aku kohta.
Liitiumaku pinge on 2,8V kuni 4,2V.
Laadides liitiumaku kogu aeg täiesti täis, väheneb tema laadimistsüklite arv tunduvalt.
Laadides teda igakord ca 4,1V peale (95%), on laadimiskordade arv kohe poole suurem.
Oluline 2- laadimistsüklite arv on mõeldud täitsa tühjast akust täitsa täis laetuni.
Mõtlemiseks: kuidas ja kui tihti te oma telefoni laete? Kui kaua teie telefoni aku vastu peab? Kas teie saaks oma aku eluiga kuidagi pikendada?
Pildi allikas: https://electrek.co/wp-content/uploads/sites/3/2018/05/screen-shot-2018-05-04-at-11-08-35-am.png?w=1000
elektrimahtuvus
Lühidalt öeldes mahtuvus iseloomustab elektrit juhtiva keha või kondensaatori võimet salvestada elektrilaengut.
Autotehnikas on akude mahtuvuse kirjeldamiseks Ah - ampertund ja KWh- kilovattund!
Kuna pinged on eri tootjatel erinevad, kasutatakse elektrisõidukites rohkem Wh ühikut.
Näited:
keskmine autoaku 12,6V ja 70Ah - (12,6 x 70 = 882Wh) ehk 0,8KWh
keskmine elektriratta aku 36V ja 14Ah ehk 504Wh ehk 0,5KWh
Nissan Leaf aku 60KWh 60000Wh/ 360V= 166Ah
Tesla Model S 85KWh aku 85000Wh/400V= 237Ah
Toyota Prius 4,4KWh aku 4400Wh/144V=30Ah
Koenigsegg Agera R 4,5KWh 4500Wh/800V= 5,6Ah
*akusid on mudelitel erinevaid, näitena on välja toodud üks.
Pildi allikas: https://bit.ly/3gU2lLC
sisetakistus
Sisetakistus on elektrienergia allika iseenda takistus laengukandjate liikumisele ehk elektrivoolule.
Tavaolukorras pole see tehnikule väga oluline näitaja, küll aga töötavad sisetakistust mõõtes enamus elektroonilisi aku testreid.
Kui meil on teada aku tüüp, kasutatav keemia, tema mahtuvus ja käivitusvool, siis saame arvutada ka aku eluea.
Pildi allikas: https://bit.ly/35PC9vp
maksimaalne laadimisvool (A)/Laadimiskordaja C reiting
maksimaalne tühjendusvool (A)/tühjenemiskordaja C reiting
Näitab kui kiiresti akut võib tühjaks/täis laadida. Arvutatakse võimsusega (Ah) * C-hinnanguga.
Näiteks:
2000mAh 20C LiPo aku laadimisvool 2C- tähendab, et me peaksime laadima seda akut 2x2000mA=4000mA ehk 4A
sama, 2000mAh tühjenemisvool on 20C, ehk see aku suudab välja anda 20 x 2000 = 40A
Tihtipeale lisatakse andmetesse ka max. tühjenemisvool 4 sek (burst C). See tähendab (eriti li-ion puhul), et akud suudavad väga väikese aja jooksul anda välja ka suuremat voolu kui pidev nimivool.
N: 20C 2Ah, 4 sek 30C - Püsivalt ja ohutult väljundvool 40A, 4 sekundi jooksul 60A. Üle selle tarbimine on ohtlik, kuna aku kuumeneb liialt (sisetakistus tõuseb liiga suureks ja muutub soojuseks).
Kõrgem C-reiting vähendab seadme jaoks, elektri tarbimisel akust, pinge langemise riski. Liiga madala C-reitinguga aku võib kahjustada (üle kuumeneda), kui proovite temast liiga palju voolu korraga tarbida.
Näiteks taskulampides ja kellades on hästi madala C näitajaga patareid (tavalise patarei C näit on 0.01C). Kellal ükskõik kui kiirelt voolu kätte saab, tarbimine on väga aeglane. Sama näitajaga, aga kuskil kiirelt voolu vajavas seadmes tuleb vool akust välja nagu "siirup" ja ei pruugi seadme tööks.
Elektrisõidukites kasutatakse akusid, mille C näitajad on umbkaudu 2-4C juures.
Muidugi on C näitaja seotud ka aku tühjenemise ja elueaga. Pidevalt maksimaalselt koormates aku eluiga tühjeneb tunduvalt. Samamoodi ka kiirelt laadides.
Proovime arvutada Tesla Model S akude C näitajaid:
Tesla Model S kasutab LiNiCoAlO2 akusid. Akupakis olev (7100tk) 18650 element on 3100mAh mahtuvusega.
Soovituslik C näitaja on 2C
Model S P90D võimsus Ludicrous reziimis on 532 hp/1.36 = 391 kW
391kW/400V = 977A 90kWh / 400V = 237Ah 977A / 237Ah = 4.1C
0–100km/h võtab aega ca 3 sekundit, niiet näitaja on lubatud piires (burst C)
Laadimine:
Nissan Leaf: aeglane laadimine 8h ja 6 ampriga.
Kiire laadimine 1h ja 15A.
Võttes ülaltoodud Tesla aku näiteks (3100mAh) oleks Leafi puhul aeglase laadimise C 1,9 ja kiire C 4,8
Kiire laadimine rikuks akut. (päris elus kasutatakse tarku laadijaid, mis jälgivad aku seisukorda)
C näitaja ja laadimis/tühjenemisvoolu suurused polegi tavaoludes nii olulised. Ülaltoodud näidete mõte on ennekõike selline: halvasti juhitud kiire laadimine rikub akusid! Samamoodi kiire ja järsk tühjenemine.
Siinkohal kehtib akude laadimise kohta vana "suitsuliha" põhimõte- mida kauem ja väiksema vooluga laadimine toimub, seda parem aku elueale.
*antud arvutus on umbkaudne
12V happeaku tühjenemisaeg C kordajaga.
N:80Ah aku. Käivitab ottomootoriga sõidukit ca 240A voolutugevusega. Sellisel juhul C=3.
Tabelist näeme, et kolmekordset voolu suudab ta välja anda väga vähest aega (mõni sekund)
Samas laeme me 80Ah akut umbkaudu 8A, ehk laadimis C on 0,1.
Pildi allikas: https://bit.ly/3qqR20t
koormusjoon
Graafik, mis näitab võimsuse sõltuvust tühjendusvoolust: koormusvoolu kasvuga pinge langeb.
Täiselektrilises sõidukis peab akupakk välja andma võimalikult ühtlast voolu võimalikult kaua, et saavutada vajalik sõiduulatus.
(Pistik)hübriidide puhul on olukord aga hoopis teine. Akupakk enamjaolt aitab kiirendustel lühiajaliselt ning peab samamoodi kiirelt voolu vastu võtma regenereeriva pidurduse ajal.
Seetõttu kasutatakse hübriidide puhul lihtsamat ja ülekoormusi kannatavat NiMh (nikkelmetallhüdriid) akusid, mille väljundpinge pole suur, küll aga on suur C näitaja. 10C-15C on täitsa tavaline.
Mõtlemiseks:
Miks ei kasutata (super)kondensaatoreid?
Nad oleks üli kerged, üli odavad ja ülivõimsad?
Pildi allikas: https://bit.ly/2T5WYzU
Pildi allikas: https://bit.ly/2U6t5iT
temperatuuritaluvus, mida väljendab töötemperatuuride vahemik
mahutavuse sõltuvus temperatuurist
Temperatuur mõjutab mahtuvust akudel umbes 1% kraadi kohta. (Madalamal temperatuuril mahutavus langeb)
Kõrvalolevast tabelist on hästi näha Eestis levinud tüüpilised aku probleemid.
Sõidetakse valdavalt lühikesi otsi ca. 10Km. Auto generaator ei jõua selle aja jooksul väga palju akut laadida.
Keskmine aku pinge Eestis on 12,4V ehk 80% täituvusega.
-20C talvel on see veel 40% väiksem ehk 11.9V. Selline pliiaku jõuab vaevaliselt, kui üldse sisepõlemismootorit käivitada.
Temperatuuri ja mahtuvuse graafik.
Pildi allikas: https://bit.ly/35Z9PXf
Happeaku
Tavaline happeaku on maailmas enamlevinud energia talletuse tüüp. Ta on juba 170a vana, aga oma lihtsuse ja robustsuse tõttu ikka veel kasutuses.
Kõik sõiduautode käivitusakud on happeakud. Samamoodi elektrisõidukite 12V akud (lisaseadmete käitamiseks)
Tööpõhimõte:
12V aku koosneb kuuest laetuna 2,1V välja andvast "purgist" Seega laetuna on 12V pliiaku pinge 12,6V
Aku tühjenemisel plaatide plii või pliidioksiid reageerib väävelhappega H2SO4 ja plaatide pinnale tekib pliisulfaat. Vabanenud hapniku ioon O reageerib happes oleva vesinikuga H ja tekib vesi H2O. Selle käigus vabanevad 2 elektroni, mis kogunevad anoodile (- klemmile) . Seejuures plaatide füüsiline maht suureneb. Aku laadimisel toimub vastupidine protsess ja plaatide suurus väheneb. Selline pidev suuruse muutumine põhjustab plaatidesse pressitud pasta järkjärgulist eraldumist ja aku põhja sadestumist (sulfatiseerumist). Eriti kiirendab seda protsessi aku alla 12V ehk tühi olek. Sellisel juhul rikneb aku 1-2 kuuga. Laetuna seistes ei jutu temaga midagi. Happeaku nagu kõik akud omab ka isetühjenemis võimet. Ja 3-4 kuu tagant tuleks seisvat akut laadida
Aku olulisemad näitajad:
12V- nimipinge
Näitab mis süsteemis akut kasutatakse. Veoautodel on kasutuses 24V süsteem- tavaliselt 2x12,6V akut jadamisi ehk 25,2V
Ampertund (Ah)- on voolutugevus amprites (A) korrutatud ajaga tundides(h). Näiteks kui 100Ah aku tühjaks laadida 5 amprise vooluga nii, et pinge klemmidel langeb 10,5 voldini, kestab tühjakslaadimine 20 tundi. (5A*20h=100Ah). Tühjaks laadimine sõltub ka temperatuurist. Temperatuur mõjutab mahalaadimist umbes 1% kraadi kohta. Madalamal temperatuuril mahutavus langeb.
Külmkäivitusvool on voolutugevus, mida aku peab välja andma -18 c° juures. Ehk aku võime anda tugevat voolu lühikese aja jooksul. Külmkäivitusvoolu mõõdetakse erinevate standardite puhul erinevalt. EN (Euronorm) nõuab 7,5 voldist lõpp pinget 10 sek. pärast ja 6,0 voldist lõpp pinget 90 sek. pärast.
DIN (Saksa standard) nõuab 9,0 voldist lõpp pinget 30 sek pärast ja 6,0 voldist lõpp pinget 150 sek pärast.
SAE Nõuab 7,2 voldist lõpp pinget 30 sek pärast.
Kõige rangemad nõuded esitab DIN. Seepärast on ka näitaja madalam.
Plii ehk happeaku pinge:
Aku üksiku elemendi nimipinge on 2,1V
Pideva laadimisrežiimi pinge on 13,4–13,8 V.
Tavalise laadimisrežiimi pinge on 14,2–14,5 V.
Hapnikku ja vesinikku hakkab laadimisel eralduma intensiivselt 14,4 V juures.
OHTLIK: aku laadimisel eraldub vesinik, mis võib väga kergelt plahvatada!
Energiatihedus 40 Wh/kg,
Pärast laadimist langeb pinge kiiresti 13,2 voldini ja siis aeglaselt lõpliku 12,6 voldini.
Täislaetud aku pinge koormuseta (tarbijata) on 12,6V
Tühjakslaetud aku pinge on 10,5 V. Alla 8-9 voldi ei pruugi ta enam voolu sisse võttagi. Lisaks võivad plaadid olla sulfatiseerunud ning minna lühisesse. Sellisel juhul võib aku lõhkeda (vesinik ehk paukgaas reageerib kuumusega)
Eelised: lihtne, odav, "lollikindel".,
Puudused: raske, energia tihedus väga madal, laadimistsüklite arv väike
Plliakud jagunevad veel omakorda süvatsükliakud, AGM akud ja GEL akud.
Nad erinevad kasutuskoha, akuplaatide paksuse ja kasutatava keemia poolest.
Pildi allikas: https://bit.ly/3qs0ZuT
Pild iallikas: https://bit.ly/3dhnywG
DIN; EN; SAE standartite võrdlus- mis arvate milline tavaliselt aku peal on?
Nikkel- metallhübriidaku (NiMh)
Esimesed NiMH-akud AA- ja AAA patareidena jõudsid turule 1989. aastal.
Tema eelkäija oli Ni Cd - nikkel kaadium aku. Need on aga 2017 Euroopa Liidus keelatud, kuna Cd ehk kaadium on loodusele ohtlik. Neid akusid võib veel kohata vanemates akutrellides ja mänguasjades.
NIMH Tööpõhimõte:
NiMh on aku, milles kannavad elektrilaengut ühelt elektroodilt teisele vesiniku H ioonid.
Nad kaaluvad rohkem kui Li-Ion akud, aga on odavamad valmistada.
NiMH akusid kasutavad põhiliselt Toyota ja Hyundai oma hübriididel. Seda ennekõike oma lihtsuse ja töökindluse pärast.
Nikkel-metall hüdriid akud, nagu kõik akud ei talu väga kõrgeid ja madalaid temperatuure.
NiMH akudele ei meeldi hoiustamine, eriti kui seda tehakse laadimata kujul. Nende eluiga lüheneb siis märgatavalt.
NiMH akudest saad pikemalt lugeda siit
Nimipinge 1,2 V; kohe täislaadimise järel 1,4 V. Tühjendamise kestel püsib pinge 1,2 voldi tasemel ja langeb tühjaks saamisel järsult. Tühjendamise lõpp-pinge 1,0‒1,1 V; edasine koormamine võib aku rikkuda.
Energiatihedus 60‒120 Wh/kg,
Nimimahutavus AA-suurusel elemendil kuni 3100 mAh
Laadimis-tühjendustsüklite arv 1000‒1500.
Kasutatav temperatuurivahemikus ‒25 ... +55 °C.
NiMH-aku laadimine toimub pingevahemikus 1,4–1,6 V.
Laadimise korral on soovitatav kasutada tarka akulaadijat, et vältida üle laadimist/üle kuumenemist. See võib elemente kahjustada ja võib olla isegi ohtlik. Niisugustes laadimisseadmetes rakendatakse üldiselt impulssvooluga laadimismeetodit.
Liitium- ioonaku (Li-Ion)
Li-ion plussid:
Liitiumioonakut nimetatakse lühemalt liitiumakuks (ioonid on elektrilaengukandjaks ka teistes keemilistes vooluallikates).
Liitiumaku on üldnimetus erinevat tüüpi liitiumakudele, nagu liitiumpolümeeraku, liitiummangaanaku, liitiumtitanaataku, liitium-raudfosfaataku jne...
Li ion aku eelised:
Usaldusväärne: nende isetühjenemise määr on oluliselt madalam kui NiMH akul.
Väike suurus- oma suuruse ja kaalu kohta omavad nad kõige suuremat energiatihedust.
Kõrgem üksikelemendi pinge - 4,1 V
Kiirem laadimine
Li-ion puudused:
Mahtuvus on väiksem kui NiMh
Ohtlikud- liitium reageerib kõigega ja aku purunedes on nad seetõttu tuleohtlikud.
Täielikult täis/täielikult tühi olukorrad mõjutavad mahtuvust ja eluiga palju. Samuti temperatuur ja kiirlaadimised.
Põhiandmed:
nimipinge on 3,6 V, laadimise lõpp-pinge kuni 4,2 V, tühjenduse lõpp-pinge 2,5 V.
erienergiatihedus on akudest suurim- sõltuvalt elektroodimaterjalidest 110–190 Wh/kg
Laadimise kasutegur – vähemalt 90%.
Isetühjenemine on alla 5% kuus ja tingitud peamiselt energiast, mida tarbib akusse sisse ehitatud kaitselülitus ebanormaalsete töörežiimide puhuks.
Laadimis-tühjendustsüklite arv – 1000–2000.
Aku kestvuseks loeti 1. põlvkonna akudel 2–3 aastat ja seda sõltumatult töötsüklite arvust, sest mahutavusvõime vähenes ka lihtsalt säilitamisel. Täiustatud akutüüpide eluiga on oluliselt pikem ja määravaks osutub laadimis-tühjendustsüklite arv.
N: Tesla Model S läbib ühe laadimisega ca 450km, niiet läbisõit aku eluea lõpuks 450 000km. Samaväärne SPM sõidukile.
Kasutatav temperatuurivahemikus 0–50 °C (miinustemperatuuridel pole laadimine võimalik).
Pildi allikas: https://bit.ly/3j3DGE2
Kõige levinum LiIon aku kuju on 18650 (18mm läbimõõt ja 65mm pikk)
Viimasel ajal on hakatud tegema ka 2170 elemente, aga nende kasutamisel tekib üks probleem. Milline?
Liitium ioon akusid on väga erineva keemiaga. Igaühel neist on oma miinused ja plussid.
Näiteks Tesla kasutab oma akudes praegu Liitium nikkel koobalt alumiinium akusid (Li-NCA)
Samas Jaapani autotootjad kasutavad NMC ja LFP akusid.
Veoaku temperatuuri kontroll
Üks väga oluline süsteem elektrisõidukite juures on veoaku temperatuuri reguleerimine. Aku kuumeneb palju (kiir)laadimisel ja suurel koormusel. Liiga kõrge või madal temperatuur mõjutab aku eluiga päris märkimisväärselt.
Autotootja peab akut valides arvestama ka selle kasutustingimustega, aku elementide keemilise koostise ja kasutuskohaga - Hispaania või Eesti
Li ion aku temperatuuril alla 5C pole enam kiirlaadimine võimalik ning alla 0 C hakkab juba vähenema aku võimsus.
Üle 30 C temperatuur hakkab juba mõjutama aku väljundvõimsust ning üle 40 C võib juba olla väga ohtlik. Seetõttu hoitakse LiIon akusi 20-30 C vahel.
Näiteks kasutavad Toyota ja Hyundai NiMh akusi. Need ei ole nii energiatihedad ja akumaailmas mõnevõrra vananenud tehnoloogia, küll aga on need akud väga vastupidavad, kannatavad ebakorrapärast laadimist ja ülekoormuseid.
Akude jahutussüsteemi ülesanne on hoida kõik üksikud elemendid maksimaalselt 2-3 C temperatuuri erinevusega. Nagu juba teame, siis mida kuumem on aku, seda lühem on tema eluiga. Akupakis hakkab erinev elementide temperatuur mõjutama ka üksiku elemendi väljundvoolu ja pinget.
Li Ion aku laadimistsüklite arv sõltuvus koormusest ja temperatuurist.
Pildi allikas: https://bit.ly/3xbblku
Akude jahutussüsteem jaguneb kaheks
aktiivne süsteem - kasutatakse õhku, ventilaatoreid ja vedelikjahutust
passivne süsteem- akupaki disain, kasutatavad soojust hajutavad materjalid, termopastad
AKTIIVNE SÜSTEEM
Aktiivne süsteem jaguneb omakorda kaheks- õhkjahutus ja vedelikjahutus
Õhkjahutus on kõige enamlevinud aku temperatuurikontrolli süsteeme.
Õhkjahutus on ehituselt kõige lihtsam kuna ta ei vaja mingisuguseid lisa kanaleid ja torusi akupaku sees. Õhkjahutus reageerib kõige kiiremini kuna õhk liigub igale poole ja ühtlaselt. Õhkjahutuse puhul kasutatakse ventilaatorit ja välisõhku. Väga nõudlikes tingimustes sõiduk käivitab ka oma kliimaseadme süsteemi ning kasutab jahutamiseks selle poolt jahutatud õhku.
Õhkjahutusel on ka oma puudused. Ta ei ole nii effektiivne võrreldes vedelikjahutusega. Olenevalt akupaki ehitusest võivad eesmised elemendid ja moodulid saada paremat jahutust kui tagapool olevad (tuleta meelde võrdlust väikse ümara ja suure kandilise elemendi vahel)
Lisaks sisaldab välisõhk alati ka õhuniiskust, mis võib tekitada korrosiooni ja lühiseid. Selle vältimiseks kasutatakse niiskuse eraldajaid.
Vedelikjahutus on palju effektiivsem kui õhkjahutus. Kuna vedeliku torud on hajutatud täpselt akupakis laiali, on jahutus väga ühtlane. Samuti saab vedelikjahutusega vajadusel ka akut soojendada. Oma õigel töötemperatuuril on aku mahtuvus ja väljundvool kõige paremad.
Samas on vedelikjahutus ehituselt väga keeruline. See nõuab lisa torusi ja pumpasi ning akupaki sees olev peab väga lekkekindel ja isoleeritud olema.
Tesla Model 3 vedelikjahutuse "torud"
Pildi allikas: https://bit.ly/3zP5Idi
Õhkjahutus ventilaatoriga:
Pildi allikas: https://bit.ly/2V4HQUe
Üldine õhkjahutuse ülesehitus:
Passiivne süsteem
Passivseks jahutussüsteemiks nimetatakse akupaki koostamisel kasutatavate materjalide ja tehnoloogia valikut, millega saavutatakse akus sees temperatuuri parem ja ühtlasem hajumine.
Akuelemendid paigutatakse nii, et nad ei puutuks kokku. Väliskest ehitatakse nii, et see võimaldab loomulikku õhu ringlust. Lisaks kasutatakse ehitusel palju alumiiniumi, mis on hea soojusjuht.
Erinevate elementide või akuosade vahel kasutatakse termopastasi ja masse, mis võimaldavad liigkuumusel hajuda kiirelt laiali.
Hoolikalt kavandatud akupaki ehitus on kõige odavam ja lihtsam aku temperatuurikontrolli viis. Miinusena võib välja tuua asjaolu, et see on väga aeglase reageerimisega ning elektrisõidukites ainult kavalast ehitusest ei piisa. Läbimõeldud akupaki ehitus muudab aga ka õhk - ja vedelikjahutuse tunduvalt effektiivsemaks.
Veoaku kest on tehtud tavaliselt alumiiniumis ja plastikust ning väga kõrge tolmu ja veekindlusega. Näiteks Audi e-tron akupakk vastab IP69 klassile IP69
Termopasta kasutamine akuelementide all:
Pildi allikas: https://bit.ly/3xap8rp
Aku kontrollsüsteem BMS
Nagu juba teame koosneb elektrisõiduki veoaku moodulitest, mis omakorda koosnevad üksikutest aku elementidest. Näiteks Tesla Model S P85 akul üle 7100 elemendi.
Liitium ioon akud on väga tundlikud temperatuuri ja pinge erinevuste suhtes ning vajavad pidevat jälgimist ja kontrolli. Selleks on välja mõeldud BMS- aku kontrollsüsteem.
BMS(Battery managment system) jälgib iga üksiku akuelemendi (mõnel puhul ka mooduli) pinget ja temperatuuri. Sellega tagatakse veoaku maksimaalne jõudlus. Vastavalt erinevale sisendinfole juhib ta laadimist, jahutust ning aku üldist väljundvõimsust.
BMS ülesanded:
kontrollib aku laetust
arvutab juhile vajaliku info- läbisõit, aku olukord
kontrollib aku jahutust
lülitab akupaki peareleed
piirab vajadusel võimsust
balanseerib elemente- juhib laadimist (laeb mõnda rohkem, mõnda vähem, et iga elemendi pinge oleks sama
avarii korral eraldab aku moodulid
jälgib isolatsioonitakistusi ning pingekadusi
BMS kaudu saab teada ka kaks olulist näitajat aku olukorra kohta:
SOC - aku laetuse tase (state of charge). Samaväärne SPM aku kütusepaagi näidikule. N: Mobiiltelefoni peal 78%.
SOH - aku hinnanguline olukord (state of health). Samaväärne SPM sõiduki läbisõidule. SOH väärtuse arvutamiseks BMS arvestab laadimiskordade arvu, kiirlaadimisi, töötemperatuure. Müügikuulutustes tuuakse tihtipeale välja SOH näitaja. Uuel sõidukil on see üle 95%, vananenud akudel juba alla 70%. Alla 60% SOH näitajaga aku vajab elektrisõidukis juba vahetust.
Pildi allikas: https://bit.ly/3BQkLFw
Laadimine
Elektriauto arendamisega tegeletakse pidevalt ning kuna paljud lahendused on uued ning taristut alles luuakse, on ka lahendused mõneti erinevad.
Hea näide on laadimispistikud, kus esialgu iga tootja kasutas omaette lahendust.
Tänapäeval on siiski akutüübid standardiseeritud ning tekkinud on sisuliselt 4 varianti.
Põhinäitaja, mis kontrollib laadijaga laadimise kiirust, on kW (kilovatt). Iga laadija suudab anda välja kindla maksimumi kilovattides: mida rohkem, tähendab kiiremat laadimist. Kuid iga elektrisõiduk ja selle aku suudab vastu võtta ka teatud maksimaalset võimsust kilovattides. Laadijas reguleeritakse neid automaatselt maksimaalse võimaliku laadimiskiiruse saavutamiseks (BMS- battery monitoring system kontrollib aku olekut ja temperatuuri pidevalt)
Elektrisõiduki laadima panemisel ja ostmisel tasub kindlasti tutvuda tehniliste andmetega: laadimiskiiruse erinevus näiteks 50 kW ja 350 kW võimsusega EV vahel on tohutu.
Samuti võib Eestis külmaga olla kiirlaadimine aeglasem. Esialgne aeg kulub aku soojendamisele.
Omaette teemaks on laadijate kasutusel üldine infrastruktuur. Paljudes majades ei olegi piisavat võimsust, et kasutada kiiremaid laadijaid. Kui bensiinijaamasi oleme harjunud nägema iga väikse maa tagant, siis laadimisjaamade leviala on siiamaani väga piiratud. Kindlasti tulevikus see kõik muutub kättesaadavamaks, kuid kindel on, et laadimisjaamad ja vastava elektrivõrgu väljaehitamine on Eestis ja maailmas tuleviku suur väljakutse.
Pildi allikas: https://electrek.co/wp-content/uploads/sites/3/2021/03/EV-Charging-Connectors.jpg?quality=82&strip=all&w=1000
Elektrisõidukite laadijad jagunevad kaheks: AC laadija ja DC laadija
AC laadija kasutab laadimiseks ühefaasilist vahelduvvoolu elektrivõrku (tavaline seinapistik).
Vahelduvvoolu akule sobivaks alalisvooluks muudab autos sisseehitatud laadija.
Laadimisvõimsused jäävad kuni 8kW. Tavamõistes tähendab see aku laadimist 10h (oleneb aku mahutavusest)
Selliseid laadijaid kasutatakse kodudes ning hädaolukordades teedel. Kõikidel elektrilistel sõiduautodel on AC pardalaadija olemas.
DC laadija kasutab laadimiseks juba kõrgepinge alalisvoolu. Selline laadimine on üpris kiire 1-2h. Laadija asub autost väljas ning nõuab omaette väljaminekut. Kodused kiirlaadijad maksavad ca 4000-5000 eur!
Laadimisvõimsus on üle 50kW.
Pildi allikas: https://bit.ly/376VrwL
Tüüp 1 (tuntud ka nimedega J-plug, SAE J1772) on ühefaasiline pistik ja on standard USA-s ja seal müüdavate Aasia päritolu elektriautodel. Samuti vanematel Nissan Leafidel, mis on ka Eestis kasutusel. Tüüp1 võimaldab laadida kiirusel kuni 7kW sõltuvalt auto ja võrgu võimekusest.
Selline laadija on kaasas peaaegu iga müüdava elektrisõidukiga ning ennekõike mõeldud koduseks kasutamiseks.
Pinge: 240V (USA 120/240)
Voolutugevus: 12-16A - sõltub maja enda vooluvõrgust
Laadimiskiirus: sõltub vooluvõrgust, aga tavapärane 3-4 kW (16A)
Sõiduulatuse kasv laadides: ca 10 km sõiduulatust tunnis
Laadija: sõiduki sisse ehitatud
Tüüp 2 (tuntud ka nimega Mennekes- originaaltootja nimi) pistikud on ühe või kolmefaasilised. Tüüp 2 võimaldab seega kiiremat vahelduvvoolu laadimist: kuni 22kW. Kuna laadimisvool on suur, sõltub aku laadimisaeg juba konkreetse sõiduki aku tehnoloogiast.
Pinge: 240/400V
Voolutugevus: 12-60A - sõltub maja enda vooluvõrgust, Eestis tavaliselt 32A
Laadimiskiirus: sõltub vooluvõrgust, aga tavapärane 13 kW (32A)
Sõiduulatuse kasv laadides: ca 50 km sõiduulatust tunnis
Laadija: sõiduki sisse ehitatud
Pildi allikas: https://bit.ly/3dl5VfF
CHAdeMO- “Charge de Move” laadimispistiku kasutavad paljud Jaapani ja Euroopa autotootjad kui ka Tesla.
Laadija võimaldab (üli)kiiret laadimist, ning sobib sõidukitele mille aku seda võimaldab. Tavaliselt on see sõiduki lisavarustuses ning on mõttekas osta, kui plaanite koju kiirlaadijat osta, või plaanite laadida avalikes laadimisjaamades.
Pinge: 400-500V
Voolutugevus: ca 150A - sõltub laadimisjaamast
Laadimiskiirus: sõltub laadimisjaamast, kuni 150 kW (Enefit Volt võrgus kuni 62,5kW)
Sõiduulatuse kasv laadides: ca 100 km 10-20 minutiga (80% akut 30 minutiga)
Laadija: välises keskkonnas. Sõidukini jõuab juba DC.
Pildi allikas: https://bit.ly/3yixz59
CCS pistik on täiustatud versioon Tüüp 2 pistikust. Sellel on on kaks täiendavat voolukontakti kiire laadimise pakkumiseks. CCS toetab nii alalis- kui vahelduvvoolu laadimist ja võimaldab laadimiskiirust kuni 350kW. Viimast muidugi juhul, kui laadija suudab seda pakkuda ja auto vastu võtta. CCS laadimisstandardit kasutavad uuemad, kiirlaadimist võimaldavad Euroopa, USA ja Lõuna-Korea autotootjad.
Pinge: 400-1000V
Voolutugevus: kuni 150A - sõltub laadimisjaamast
Laadimiskiirus: sõltub laadimisjaamast, kuni 150 kW (Enefit Volt võrgus kuni 22kW)
Sõiduulatuse kasv laadides: ca 100 km 35 minutiga
Laadija: välises keskkonnas. Sõidukini jõuab juba DC.
Pildi allikas: https://bit.ly/3BXrmya
Tesla Supercharger
Tesla autoomanikel on omaette eelis- nad saavad kasutada ülikiiret laadijat. Kahjuks veel Eestis ühtegi sellist pole- Pärnusse peaks tulema.
Pinge: 480V
Voolutugevus: kuni 150A - sõltub laadimisjaamast
Laadimiskiirus: sõltub laadimisjaamast 72kW, 150kW või 240kW
Sõiduulatuse kasv laadides: 20 min/50%, 40 min/80%, 75 min/ 100% - 85 kWh Model S
Laadija: välises keskkonnas. Sõidukini jõuab juba DC.
Pole kasutatav teistel autodel
Laadimine on seal tasuta*
*sõltub paketist, kas eluaegselt tasuta, aastane pakett või ühekordne.
Pildi allikas: Tesla
Kordamisküsimused:
Too näide soojuse, rõhu ja inertsjõu salvestamise aku kohta?
Nimeta kolm erinevat aku tüüpi, mida võib kohata elektrisõidukitel?
Kas oskad nimetada happe-, nikkel- ning liitium aku eelised ja puudused?
Millised on happe-, nikkel- ning liitium aku üksiku elemendi pinged?
Kirjelda, mida näitab C reiting? Kuidas mõjutab laadimis/mahalaadimis vool aku eluiga?
Kui pikk on aku eluiga?