Yhä korkeampi sähköauton latausjännite vähentää pikalatauksen lämpöhäviötä – mutta tuo mukanaan uusia ongelmia
Halu kasvattaa pikalataustehoa on johtanut jännitetason nostoon sähköautoissa. Mutkatonta jännitteen kasvattaminen ei ole.
Sähköautojen akuissa käytettiin pitkään 400 voltin arkkitehtuuria, kunnes 2010-luvun lopulla osa valmistajista siirtyi 800 voltin arkkitehtuuriin. Jännitetason korottaminen tuo mukanaan useita etuja nopeammasta latauksesta pienempiin häviöihin.
Perusajatus on tämä: sähköteho on jännitteen ja sähkövirran tulo. Esimerkiksi jos 400 voltin akulta otetaan ulos 400 kW:n teho, täytyy virran olla 1 000 ampeeria. Jos akun jännite onkin 800 volttia, pärjätään 500 ampeerilla. Ero voi kuulostaa pieneltä, mutta virran puolittaminen leikkaa lämpöhäviöistä 75 %, koska tehohäviö johtimissa on verrannollinen virran toiseen potenssiin.
Pienempien lämpöhäviöiden takia esimerkiksi pikalataus on helpompi toteuttaa suurella teholla 800 V -järjestelmälle kuin 400 V -järjestelmälle. Mitä suurempia tehoja halutaan siirtää, sitä korkeampaa jännitettä kannattaa käyttää.
Aivan mutkatonta jännitetason nosto ei kuitenkaan ole: jatkuva korkea tasajännite rasittaa eristemateriaaleja.
Tekniikka ei kehity yhdessä yössä: jotta jännitetasoa voidaan nostaa edelleen esimerkiksi 1 200 volttiin, tulee markkinoilla olla kyseiselle jännitetasolle suunniteltuja elektroniikkakomponentteja ja -moduuleja.
Aivan mutkatonta jännitetason nosto ei kuitenkaan ole: jatkuva korkea tasajännite rasittaa eristemateriaaleja, ja jotta varmistetaan, että komponentit korkeajännitekaapeleista kuusipulssisiltaan kestävät käytössä koko auton eliniän, komponenteille ja koko järjestelmälle tulee suorittaa asianmukaiset ikääntymistestit. Ikääntymistä voidaan jouduttaa esimerkiksi nostamalla toimintalämpötilaa olosuhdekaapissa.
Myös latausinfrastruktuurin tulee pysyä perässä: jos akun jännite on 1 200 volttia ja pikalatausasema kykenee vain 920 volttiin, tulee jännitetasoa nostaa auton sisäisellä muuttajalla, joka taas kasvattaa häviöitä.
Tutkimuksen mukaan akun käyttö varaustilahaarukassa 35 % – 55 % johti parhaaseen tulokseen akun suorituskyvyn säilymisessä.
Varsinaiseen sähköturvallisuuteen ei jännitetason nosto vaikuta: korkeat jännitteet pysyvät akkukotelon ja kaapelien sisällä, eikä käyttäjä joudu niiden kanssa tekemisiin edes kolaritilanteessa.
Kuinka sähköauton akkua sitten tulisi kohdella, jotta se säilyttäisi toimintakuntonsa mahdollisimman pitkään? Alan yleinen konsensus on, että aivan täyteen varaamista ja aivan tyhjäksi purkamista tulisi välttää, samoin kuin tarpeetonta pikalatausta. Siitä, kuinka paljon näillä on vaikutusta, riippuu akusta ja sen kennoista. Etenkin pikalataus voi olla myrkkyä akulle, jos akun lämmönhallinta on suunniteltu huonosti.
Arvostetussa Journal of Energy Storage -tiedelehdessä julkaistussa tutkimuksessa akun heikkenemistä tutkittiin uudesta Tesla Model 3:sta irrotetuilla kennoilla. Tutkimuksen mukaan akun käyttö varaustilahaarukassa 35 % – 55 % johti parhaaseen tulokseen akun suorituskyvyn säilymisessä. Ja jos varausta tarvitsee päivittäiseen ajoon enemmän kuin 20 %, kannattaa tätä sykli-ikkunaa laajentaa mieluummin ylös- kuin alaspäin: on akulle vähemmän vahingollista ladata sitä yli 65 %:iin kuin purkaa alle 25 %:iin.
Lataaminen ja purkaminen ääripäästä toiseen johti noin kolminkertaiseen kapasiteetin heikkenemiseen kuin muutaman kymmenen prosentin syklien käyttö. Tuloksia ei voi sellaisenaan yleistää kaikille kennotyypeille, mutta ne ovat linjassa muiden aiheesta tehtyjen tutkimusten kanssa.
Lähde: Chowdhury, Smith ym. (2024) Influence of state of charge window on the degradation of Tesla lithium-ion battery cells.
