Pikalatauksen tehot kasvavat, vaikka akuista ei enää voi tehdä isompia – Mistä oikein on kyse?
Sähköauton lataus
Pikalatauksen tehot kasvavat, vaikka akuista ei enää voi tehdä isompia – Mistä oikein on kyse?
Sähköautojen akkujen koon kasvu on hyytynyt, mutta lataustehot ovat kasvaneet reippaiksi. Miksi näin?
13.11.2023
 |
Tuulilasi

2010-luvun alun sähköauton akun kapasiteetti oli tyypillisesti reilut 20 kWh ja suurin mahdollinen latausteho 50 kW. Akun lataaminen 80 %:n tuntumaan kesti noin puoli tuntia, minkä jälkeen latausteho alkoi hiipua. Poikkeuksen teki Tesla, jonka Model S -auto latautui tyhjään akkuun peräti 118 kW:n teholla. Latausteho tosin laski melko nopeasti 100 kilowatin alle, kun akun varaus kiipesi muutaman kymmenen prosentin tuntumaan. Eikä suuresta lataustehosta ollut iloa kuin Teslan omilla Supercharger -asemilla: ensimmäinen muun kuin Teslan suurteholatausasema avattiin Lohjalle syksyllä 2018. Tehoa asema tarjosi 150 kW:n verran. Ensimmäinen tätä tehoa hyödyntävä auto Audi e-tron saapui Suomeen seuraavana vuonna.

Nykyään jo halvemmissakin sähköautoissa pikalataustehot pyörivät 100 kilowatin paremmalla puolella. Tällä on merkitystä pitkillä matkoilla: jos pikalatausteho on reilut 200 kW ja auto kuluttaa ajaessa reilut 20 kW tehoa, tarkoittaa se konkreettisesti, että jokainen latausasemalla kökötetty minuutti tuo 10 minuuttia lisää ajoaikaa, eli 2,5 tunnin välein pitää pitää vartin tauko.

2020-luvun sähköautojen akkukapasiteetti on yleensä 60 kWh:n tuntumassa, kalliimman hintaluokan sähköautoissa jopa 100 kWh tuntumassa. Lataustehot ovat kasvaneet roimasti: esimerkiksi Porsche Taycanin suurempiakkuinen malli latautuu peräti 270 kilowatin teholla. Eikä kyse ole hetkellisestä huipputehosta: latausteho putoaa 250 kilowatin alle vasta 50 % varaustason tuntumassa, ja alle 100 kilowattiin vasta 80 % kohdalla. Jos laturille saapuu 10 % varaustasolla, saa akun puolilleen reilussa kymmenessä minuutissa, ja taas ajetaan kolmattasataa kilometriä ilman taukoja. Tämä ei edelleenkään mahdollista samoja kestävyyssuorituksia kuin isotankkinen dieselauto, mutta riittänee suurimmalle osalle ihmisistä.

Monen auton latauskentissä teho voi jäädä pieneksi, jos kaikki latauspisteet ovat käytössä.

Hitain lenkki määrää lataustehon

Pikalatausasemissa on aina kiinteä kaapeli, joten lataajan ei tarvitse murehtia kaapelin ominaisuuksia tai sen vaikutusta lataustehoon. Toteutuvan lataustehon määrää siis se, kuinka paljon auto suostuu ottamaan vastaan ja kuinka paljon latausasemalla on sitä tarjota.

Auton tehon vastaanottokykyyn vaikuttaa karkeasti neljä perusasiaa: akun kapasiteetti, kennotyyppi, lämpötila ja varaustila. Näistä kaksi ensimmäistä on ollut ratkaisevassa osassa lataustehojen kasvussa: mitä isompi akku, sitä suurempi teho sinne on mahdollista syöttää. 2010-luvun alun akkutekniikalla yli 100 kW latausteho 85 kWh:n akulla varustettuun Teslaan ei ollut teknisesti monimutkainen operaatio: olihan latausteho jopa suhteessa pienempi kuin Nissan Leafin 24 kWh:n akun lataaminen vajaalla 50 kW:n teholla. Akkukennojen kehittyminen on tehnyt helpommaksi toteuttaa kolminumeroisia lataustehoja sähköautoihin, joiden akun koko on 60 kWh:n suuruusluokkaa.

Laadukkaasti toteutettu lämmönhallinta on keskeinen elementti pikalatauksen toimivuudessa. Jos akku on liian kylmä, latausteho jää pieneksi, koska kemialliset reaktiot hidastuvat kylmässä. Vastaavasti liian kuuma lämpötila nopeuttaa kennojen heikkenemistä. Jotta autoa voidaan pikaladata niin pakkassään lomareissuilla kuin kesähelteilläkin, tulee akun lämmönhallinnan kyetä sekä jäähdyttämään että lämmittämään akkua. Akun lämmitys löytyy lähes kaikista vanhemmistakin sähköautoista, ja jäähdytys käytännössä kaikista uudemmista autoista harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta. Monessa autossa akun esilämmitys kytkeytyy päälle kylmällä säällä, kun navigaattorista valitaan kohteeksi pikalatausasema.

Viimeinen tekijä on varaustaso: lähes tyhjää akkua voi ladata suuremmalla teholla kuin lähes täyttä. Akun viimeiset 20 % joudutaan lataamaan yleensä melko pienellä teholla. Tämä johtuu litiumioniakun sähkökemiallisista ominaisuuksista: suuren lataustehon käyttö viimeisten prosenttien tiristämisessä vaurioittaisi akkukennoja.

Latausasemassa tehoon vaikuttaa sähköliittymän koko sekä luonnollisesti se, mille teholle latausasema on suunniteltu. Suurteholatausasemia valmistetaan muun muassa 150, 200 ja 350 kW:n tehoisena. Suurteholatauspaikoissa on tyypillisesti useita liitäntäpisteitä, ja taloudellisista syistä sähköliittymää ei ole mitoitettu mahdollistamaan sitä, että kaikista liitäntäpisteistä voisi ladata samaan aikaan niiden maksimiteholla. Latausasemalla voi olla esimerkiksi 6 kappaletta 200 kW liitäntäpisteitä, jotka jakavat keskenään yhteensä 400 kW tehon. Tällöin kaksi suurteholataukseen kykenevää autoa pääsee nauttimaan täydestä 200 kW lataustehosta, mutta jos autoja on latauksessa neljä, jokaiselle riittää 100 kW. Tehonjako on toki mahdollista ohjelmoida muutenkin, esimerkiksi niin, että ensimmäisenä paikalle tulleen tehoa ei rajoiteta, vaan jäljellä oleva latausteho jaetaan myöhemmin saapuvien kesken.

800 V ja 400 V akkuja – ja latureita

Kokonaisuuden toimintaan vaikuttaa myös latausaseman lähtöjännite. Pikalatausasemia on kahta tyyppiä: 920 V ja 500 V latausasemia. Jos autossa on 400 voltin ajoakku, se latautuu yhtä nopeasti, olipa kyseessä 920 V tai 500 V latausasema. Jos autossa on 800 V akku ja sen kytkee 500 V latausasemaan, auton oma tehoelektroninen muuttaja joutuu suorittamaan latausjännitteen nostamisen 500 V:sta 800 V:iin. Ilman muuttajaa lataus ei onnistuisi lainkaan, vaan tilanne olisi kuin yrittäisi täyttää 5 baarin kompressorilla 8 baarin paineen renkaaseen.

Muuttajan kanssa ei myöskään päästä samoihin lataustehoihin: esimerkiksi edellä mainittu Porsche Taycan latautuu "vain" 150 kW teholla 500 V latausasemasta. Tehokkaamman muuttajan asentaminen autoon ei ole tarkoituksenmukaista – onhan DC-pikalatauksen kantava ajatuskin se, että muunnokset tehdään kiinteän asennuksen puolella, jolloin autoon ei tarvitse asentaa kallista, painavaa ja jäähdytystä vaativaa elektroniikkaa.

800 voltin järjestelmät ovat yleistyneet, koska jännitetason kasvattaminen pienentää virtoja, ja suurten jännitteiden hallitseminen on sähköteknisesti helpompaa kuin suurten virtojen. Tulevaisuudessa nähtäneen suurempiakin jännitteitä – tällä hetkellä pullonkaulana on, että moni ajoneuvokäyttöön suunniteltu ja testattu komponentti on mitoitettu korkeintaan 1000 voltin jännitteelle.

Pikalatauksen hinta

Jos jo 50 kW "pikalaturin" hinta on muutaman kymmenen tuhannen euron suuruusluokkaa, on useita liitäntäpisteitä sisältävän suurteholatausaseman investointikustannus jo kuusinumeroinen: pelkän latauslaitteiston lisäksi tarvitaan järeä sähköliittymä ja mahdollisesti oma muuntaja, joka voi maksaa kymmeniä tuhansia. Korkea investointikustannus näkyy luonnollisesti pikalatauksen hinnoittelussa.

Edullisilla pörssisähkötunneilla kotona lataamalla sähköä voi saada akkuunsa reilusti alle 10 sentillä kilowattitunti. Pikalataaminen taas maksaa yleensä halvimmillaankin 30 sentin suuruusluokkaa kilowattitunnilta. Erilaiset aikaan perustuvat laskutustavat voivat nostaa sähkön hinnan tätä korkeammaksikin, jos auto ei ota vastaan energiaa suurella teholla. Jos sähköauto kuluttaa 20 kWh energiaa 100 km matkalla, ovat "polttoainekulut" kotisähköllä ajettaessa parhaimmillaan alle kaksi euroa satasella. Yleinen 0,35 € / kWh pikalataussähkö nostaa kulut jo 7 euroon satasella, eli samaan suuruusluokkaan pieniruokaisen polttomoottoriauton kanssa.

Pelko pois – et voi saada sähköautostasi sähköiskua

Sähköhenkilöautoissa on yleensä 400 voltin, joissain malleissa jopa 800 voltin korkeajänniteakku ja vastaavalla jännitteellä toimiva sähköjärjestelmä. Vertailun vuoksi: tavallisessa pistorasiassa on 230 voltin jännite ja sekin on hengenvaarallinen. Kansainvälisistä uutislähteistä ei kuitenkaan löydy yhtäkään sähköautoista johtuvaa sähköiskukuolemaa – eikä myöskään alan tutkimusartikkeleista tai ammattikirjallisuudesta. Yhtään mekaanikkoa, käyttäjistä puhumattakaan, ei siis ole kuollut sähköautotapaturmissa ainakaan niin, että tapahtumasta olisi uutisoitu englanninkielisissä uutislähteissä, vaikka sähköautoja on maailmalla jo kymmeniä miljoonia.

Jännite on aina kahden pisteen välinen suure, jota voi verrata vaikkapa paine-eroon kahden säiliön välillä. 230 voltin pistorasiasta tai viallisesta kodin sähkölaitteesta voi saada sähköiskun myös yhdellä kädellä koskemalla, koska maa on osa sähkönjakelujärjestelmää: yksi muuntajan navoista on kirjaimellisesti maadoitettu, eli kytketty maahan. Myös rakennusten alla on perusmaadoitus-elektrodi ja rakennuksen johtavat osat, kuten vesiputket ja betoninraudoitukset, on kytketty maahan. Näin ollen lattialla seisten on mahdollista saada sähköisku, jos työntää rautanaulan pistorasian siihen reikään, joka on eri potentiaalissa kuin maa. Autojen 12 V sähköjärjestelmä toimii samanhenkisesti: miinusnapa on yhdistetty auton runkoon. Tämä ei tietenkään aiheuta sähköiskuvaaraa, koska 12 voltin jännite on niin pieni, ettei se saa vaarallista sähkövirtaa kulkemaan ihmisen läpi.

Sähköauton ja hybridiauton korkeajännitejärjestelmä on puolestaan täysin erotettu ajoneuvon sähköä johtavista, kosketeltavista osista: auton koria ei käytetä sähkön siirtoon vaan sekä plus- että miinusnavoille on omat johtimensa. Tätä eristystä valvoo eristysresistanssin valvontajärjestelmä, joka avaa akun kontaktorit, jos eristysresistanssi laskee alle tietyn tason. Korkeajännite ei siis missään olosuhteissa pääse ajoneuvon runkoon. Ja vaikka pääsisi, se ei vielä aiheuta välitöntä vaaraa: koska jännite on kahden pisteen välinen suure, käyttäjän pitäisi koskea sekä auton koriin että akun toiseen napaan tai sen johdotuksiin – jotka ovat visusti eristeaineiden alla ja niihin koskeminen vaatisi työkalun tai teräaseen käyttöä.

Tiesitkö, että...

  • Vaikka satojen volttien jännitteet ovat kaikki vaarallisia, tasasähkö on hieman vaarattomampaa sydämelle: sähköisku 230 voltin tasajännitteestä ei aiheuta yhtä nopeasti sydänkammiovärinää kuin 230 voltin vaihtojännite.
  • Sähköautoissa käytetty kelluva korkeajännitejärjestelmä on tärkeä myös toiminnallisen turvallisuuden kannalta: eristevika ei johda välittömään oikosulkuun, vaan auto voidaan pysäyttää turvallisesti. Jos toinen navoista olisi maadoitettu koriin, eristevika ja oikosulku johtaisi välittömään tehojen menetykseen, mikä voi olla hengenvaarallista esimerkiksi ohitustilanteessa.

Sähköistä liikennettä numeroina

  • 150 – Pikaladattaessa latausteho voi olla 150-kertainen verrattuna sukopistorasiasta lataamiseen. Pikalatauksen tiedetään kuluttavan akkua enemmän kuin hitaan ja keskinopean lataamisen, mutta kuinka paljon – tästä on tarjolla varsin vähän systemaattista tietoa.
  • 250 – Kun 400 voltin akusta otetaan 100 kW:n teho, sähkövirta on 250 ampeeria – samaa suuruusluokkaa kuin henkilöauton käynnistinmoottorin virta. Tuplaamalla jännitetaso virta puolittuu ja lämpöhäviöt pienenevät, ja voidaan käyttää ohuempia johtimia ja virtakiskoja.
  • 400 – Tehokkaimmat 800 voltin pika-latausasemat Suomessa ovat 400 kW:n tehoisia.
Kommentoi »