Kun akusto palelee, on suurteholatauskin kohmeista

Autojen akustojen suorituskyky poikkeaa talven kylmässä kesälukemista. Aivan erityisesti suurteholatauksessa saavutettava latausteho jää usein kesän huipuista. Yksi tapa saada autoon edes jonkinmoista lataustehoa, on aloittaa lataus mahdollisimman tyhjään akkuun. 

Miksi juuri mahdollisimman matala akun varaustaso latausta aloitettaessa on talvella niin tärkeää? Ja miksi kesällä ei tunnu olevan niin väliä, onko akku alle 10% varaustasolla tai vaikka kolmanneksen tasolla suurteholataukseen kurvatessa?

Kylmät elektrolyytit, lämpimät elektrolyytit

Ilmiön salaisuus kätkeytyy akkukemiaan. Taustalla on erityisesti akkukennojen elektrolyytin lämpötilaan, resistanssiin ja lataamiseen liittyvät ilmiöt. 

– Elektrolyytti on neste, joka auton akuston akkukennon sisällä siirtää ionivarausta anodin ja katodin välillä. Tämä elektrolyytti toimii hitaammin kylmässä, kertoo Juho Heiska, Vaasan Ammattikorkeakoulun energiatekniikan yliopettaja. Heiska on työurallaan penkonut akkukemiaa laajasti eri suunnista. 

Lue myös: Mikä suurteholataus?

Kerrataan aluksi hieman peruskoulu- ja lukiotasoista sähköoppia: Sähkölaitteen, kuten kahvinkeittimen, leivänpaahtimen tai sähköauton teho (P) määritellään jännitteen (U) ja virran (I) tulona, P = U x I. Jännite mitataan voltteina ja virta ampeereina, näiden kertolaskun tulos on watteja. Automaailmassa teho on aina kilowatteja, siis tuhansia watteja. 

Auton akustot ja siten myös niiden latausjännite on yleensä 400 voltin luokkaa. Yksittäisen akkukennon jännite riippuu kennon varaustasosta: Mitä täydempi kenno on, sitä korkeampi jännite sillä on. Akustojen suurin latausvirta vaihtelee yleensä 150 ja 500 ampeerin välillä. 

Lue myös: Kerron enemmän suurjännitelatauksen tekniikasta, virrasta ja tehosta muun muassa täällä.

Volkswagen ID.4 lataamassa Suvilahden suurteholaturilta.
Volkswagen ID.3 on akku- ja lataustekniikkansa osalta yhtenevä ID.4:n kanssa.

Akkulatauksen kaksi vaihetta

Auton akustossa olevia kennoja ladataan yleensä kahdessa peräkkäisessä vaiheessa. Ne tunnetaan nimellä vakiovirtavaihe (CC, Constant Current) ja vakiojännitevaihe (CV, Constant Voltage). 

Ensimmäisessä vaiheessa tyhjiä akkukennoja ladataan suurella vakiovirralla, jännitteellä joka vähitellen nousee akkukennon täyttyessä. 

Akuston hallintajärjestelmä (Battery Management System, BMS) lopettaa CC-vaiheen, kun yksittäisten akkukennojen jännite on noussut ennalta määritellylle katkaisujännitetasolle, esimerkiksi 4,2 volttiin kennoa kohden. Tässä vaiheessa sekä akuston jännite että latausvirta ovat suurimmillaan, joten myös auton akuston latausteho saavuttaa huippunsa.

Akkukennot eivät kuitenkaan ole vielä täynnä, vaikka katkaisujännite on saavutettu. CV-vaiheessa akkukennon latausta jatketaan vakiojännitteellä, mutta BMS trimmaa latausvirtaa vähitellen alaspäin, pitäen akkukennon jännitteen vakiona. Tällöin latausteho laskee. Vasta kun latausvirta on laskenut hyvin matalalle, tulkitsee BMS akun olevan täynnä.

Autoilija huomaa latausvaiheet selvästi suurteholaturilla: Yleensä kesäkeleillä latausteho tyhjään akkuun nousee nopeasti suurimpaan mahdolliseen lukemaan ja pysyy siinä likimain 30-40 % varaustasolle asti. Latauksen jatkuessa tästä eteenpäin laskee latausteho vähitellen, kunnes se noin 80% varausasteella romahtaa. 

Latauskäyrä vertailee autojen latauskykyä kesällä

Eri autojen lataustehot vaihtelevat. Paras tapa vertailla automallien latauskäyttäytymistä on verrata niiden latauskäyriä. Mainittu käppyrä kuvaa lataustehoa suhteessa akun täyttymiseen. Mitä korkeammalla latauskäyrä pysyttelee varaustason edetessä, sitä paremmin auton voidaan ajatella lataavan suurteholataurista. Mitä korkeammalla käppyrän huippukohta käy, sitä suurempi on auton suurin, hetkellinen latausteho.

Muutamia latauskäyriä vertailussa.
Kesäkelien latauskäyrä Volkswagen ID.4:llä näyttää likimain tältä.

Kylmän kangistama elektrolyytti

Talvella on kuitenkin kylmä. Auton akkukennojen kylmät elektrolyytit eivät päästä varauksia lävitseen yhtä notkeasti kuin kesällä. Sähköteknisesti ilmaistuna akuston sisäinen resistanssi (R) on kylmässä suurempi kuin lämpimässä. 

Akkukenno korkealla sisäisellä resistanssilla toimii samaan tapaan kuin vastuslanka leivänpaahtimen sisällä: Se lämpenee sähkövirran vaikutuksesta. Niinpä CC-vaiheessa kylmän akkukennon läpi kulkee kesäkeleihin verrattuna matala virta, mutta se lämmittää akkua hyvällä teholla. Kennon nouseva lämpötila laskee sisäistä resistanssia, mikä mahdollistaa yhä suuremman latausvirran, mikä taas entisestään lämmittää akkua. Syntyy lumipalloefekti, jossa akkukenno lämpenee läpi koko CC-vaiheen. 

Sähköopin teorian näkökulmasta lämmitysteho on akuston sisäisen resistanssin tulo virran neliön kanssa (P = R x I^2). Eli vaikka sisäinen resistanssi latauksen edetessä laskee, pysyy lämmitysteho korkealla koska virran lineaarinen kasvu nostaa lämmitystehoa eksponentiaalisesti.

Volkkarin latauskäyrä ja CC/CV -vaiheet kylmässä, kun lataus aloitetaan tyhjällä akustolla.

Mitä pidempi CC-latausvaihe kylmässä on mahdollista tehdä, sitä enemmän akkukenno lämpenee ja sitä korkeammalle akun latausteho pääsee nousemaan. Tällöin CV-vaiheen alussa voidaan jatkaa lataamista korkealla teholla ja koko lataustapahtuma kärsii vähemmän kylmästä.

– Jos akuston lataus aloitetaan liian täydelle akulle, saatetaan akkukennon katkaisujännite saavuttaa ennenaikaisesti jolloin CC-vaihe lyhyeksi tai kokonaan välistä, Heiska selvittää.

Akustojen lämmönhallintajärjestelmät osaavat kyllä lämmittää akkua, mutta jos suuren latausvirran tuottama lämmitys jää puuttumaan, ei kylmäksi jäävä akusto pääse nostamaan lataustehoja lähellekään kesälukemia.

– Akun elinkaaren pidentämisen näkökulmasta olisi nimenomaan parempi lämmittää akkua ulkoisesti esimerkiksi sähkövastuksella, kuin antaa sisäisen resistanssin lämmittää sitä, Heiska jatkaa.

Lue myös: Engineering.com on avannut akkukennojen lataustekniikkaa vielä syvemmälle.

Latauskäyrän muutokset kylmässä. Latausteho jää selvästi kesäkelejä matalammaksi.

Eristeistä apua?

Sähköautojen viimeaikainen kehitys näyttää yhdistävän hissuksiin laskevat hinnat, nousevat akkukapasiteetit ja erityisesti yhä tehokkaamman suurteholatauksen. Ja mitä kovempaa auto lataa kesällä, sitä isompi ero talvilataukseen voi olla.

Miten sähköautojen talvilatausta voisi parantaa?

– Tällä hetkellä akuston lämmönhallinta näyttää olevan paras ja järkevin tapa parantaa autojen talvisuorituskykyä, Heiska pohtii.

Tämä tarkoittaa käytännössä lähestymistapaa, jota muun muassa Volvo ja Tesla jo harjoittavat: Autolle kerrotaan navigaattorin avulla, että matkan kohteena on suurteholataus ja auton lämmitysautomatiikka lämmittää akustoa tarvittaessa suurteholatausta varten. Lämmitys lisää energiankulutusta muutaman kilowatin ja siten lyhentää auton ajokantamaa kun osa akuston energiasta käytetäänkin lämmitykseen eikä renkaiden pyörittämiseen. Tämä kompensoidaan kuitenkin tehokkaampana suurteholatauksena, jolloin kokonaismatka-aika lataustaukoneen lyhenee.

Lue myös Volvo C40:n ja Polestar 2:n talvitestistä.

Akustojen lämmönhallintaa voitaisiin tehdä myös lisäeristämisellä. Auton pohjassa olevaa akustoa voitaisiin suojata nykyistä paremmin kylmää ajoviimaa vastaan.

– Tällöin ongelmaksi tulisi kuitenkin jäähdytys kesäkuumalla, jota ylimääräinen lämpöeristys voisi vaikeuttaa. Liiallinen kuumuus on akustolle haitallisempaa kuin kylmyys, Heiska kertoo.

Tuo kumma Audi

Yksi kiinnostava poikkeus yleisessä CC-CV -lataustavassa on Audi e-tron 55. Tamperelainen Jari Sulkanen on perehtynyt autonsa talvisuorituskykyyn, ja vaikuttaa siltä että CC-vaihe jatkuu auton latauskäyrässä jopa 80% varaustasolle asti.

Audi e-tron 55 hyötyy merkittävästi suurteholatauksesta.
Audi e-tron 55 lataa täysin poikkeuksellisesti verrattuna likimain kaikkiin muihin autoihin.
Kesällä Audi e-tron lataa käytännössä maksimiteholla (148 kW), vaikka akku on jo 70% varaustasolla ja lataus on aloitettu vasta 6 minuuttia aiemmin!

Audi ei varsinaisesti osaa lämmittää akkua ennakkoon kylmässä, mutta tällainen hyvin laaja CC-vaiheen lataus parantaa talvikäytettävyyttä selvästi.

Lue myös: Ajelin Audi e-tronilla 1900 kilometrin kesäreissun.

Miksi ihmeessä akuston kunnollinen ennakkolämmitys puuttuu niin monesta autosta? Kyseessä on lopulta ohjelmistollinen toiminto, jonka luulisi olevan kohtuullisen helposti toteutettavissa.

– Ennakkolämmitys navigaattoridatan pohjalta vaatii hyvää paikkatietoa suurteholatureista. Voi olla, että puutteet juuri tässä tiedossa vaikeuttavat ominaisuuden tuontia laajasti, Sulkanen pohtii.

Sähköautomiehet-podcastista tuttu Janne Tapio latasi Nordkapin reissullaan Tesla Model 3:sta Norjan Karasjoen V3 Superchargerilla. Vaikka pakkasta oli -30 astetta, nousi latausteho melkein 200 kilowattiin, joka on tämän latauspaikan maksimiteho. Kuusi kilowattia käytettiin lämmitykseen. Model 3 on esimerkki autosta, joka oikeasti osaa lämmittää akuston myös kylmässä. Janne teki reissusta videonkin, tsekkaa se Youtubesta.

Esimerkiksi ennakkolämmityksen osaava Volvo ja Polestar nojaavat suurteholatausdatassa Googlen tietokantoihin. Tesla on jo pitkään osannut lämmittää akustonsa Supercharger-suurteholatureille ajettaessa, mutta lämmitystuki joillekin muille latureille ajettaessa on esitelty vasta äskettäin.

Tesla eroaa autona muutenkin valtavirrasta. Model 3 lämmittää akustoa jopa 50 asteen lämpötilaan suurteholatauksessa. Ero Audin akuston lämpöön on suuri, joten akustoissa ja niiden lämmönhallinnoissa on selvästi eroja eri valmistajien välillä. 

Kylmän kelin akkukemioita ei kannata odotella heti saapuvaksi

Myös akustojen kemiaa voitaneen optimoida parempaa kylmää säätä varten, mutta akkukemiat ovat yleensä aina jonkinlainen kompromissi. Niinpä paremmin kylmää sietävä elektrolyytti saattaisi heikentää jotain muuta akkukennon ominaisuutta, ainakin kustannustehokkuutta.

Kaiken kaikkiaan näyttää siltä, että autoteollisuus on täydellä pöhinällä nostamassa akkutuotantoa ylös, vastaamaan jyrkästi kasvavaa kysyntää. Tuotannon ylösajo tehtäneen nyt parhaiten tunnetuilla kemioilla, eikä uusilla, kokeellisilla talviseoksilla. Ja lopulta kylmä talvikeli koskee vain hyvin pientä osaa koko automarkkinasta, jossa kesän kuumuuden hallinta lienee valmistajille paljon suurempi tekninen haaste.

Onkin syytä toivoa, että valmistajat saisivat ohjelmistonsa ja lämmönhallintansa yhteensopivaksi talvea silmällä pitäen, se on paras toivomme täällä arktisessa talvessa.

Teksti, kuvat ja kuvitukset: Tuomas Sauliala (paitsi kuva Tesla Model 3:n kojelaudasta: Janne Tapio).


Kirjoittaja on sähkötekniikan, viestinnän ja markkinoinnin ammattilainen, joka on kirjoittanut sähköautoista ja niiden latausjärjestelmistä sekä ajoneuvojen ohjelmistoista vuodesta 2013 alkaen.

8 Comments

  • Jennak says:

    Vetyauto on paras Suomen olosuhteisiin.
    Vetyauton tankkaa 3-4 minuutissa ja sillä ajaa noin 700 km ja uusimmilla malleilla jo yli 800 km yhdellä vetytankillisella.

    Vetyauton hyviin puoliin kuuluu myös ettei sisätilojen lämmitys lyhennä talvella toimintamatkaa eikä toimintamatka iän myötä lyhene kuten käy akkusähköautoille.
    Pakkanen ei myöskään vaikuta juurikaan vetyauton toimintamatkaan eikä se vaikuta vedyn tankkausnopeuteen.

    • Tuomas Sauliala says:

      Kiitos kommentistasi! Ikävä kyllä uskon Sinun olevan väärässä. Perustelu on ehkä liian pitkä tässä kirjoitettavaksi, mutta totean lyhyesti, että mitään tutkimusta, joka puoltaisi vetyautoja ja etuja joita listaat, ei oikein ole löytynyt. Voit ehkä aloittaa taustoittamisen esimerkiksi kuuntelemalla tämän podcastin: https://youtu.be/4D8Tw4npFvw

  • Mika says:

    Kiitos todella kiinnostavasta ja sivistävästä artikkelista. Tämä oli niin hyvin rautalangasta väännetty kuin se mahdollista lienee. Innostun tässä melkein enemmän siitä miten hyvin tämä artikkeli oli kirjoitettu. Johtunee siitä, että kirjoittaja hallitsee asiansa 🙂 En haluaisi TM:ää mollata, mutta sen lehden jutut ovat välillä jotenkin hankalasti kirjoitettu ja olenkin miettinyt ettei se välttämättä aina johdu siitä, että pelkästään lukija ei osaa/ymmärrä.

  • Tapio says:

    Aika hankalalta tuntuu tuo lataus.Jos menee illalla kotiin ja akussa virtaa puolet niin pitääkö sitä lähtee huvikseen ajelee että voi ladata akun?

  • Tuomas Sauliala says:

    Lähtökohtaisesti ei tarvitse lähteä ajelemaan. Lähtökohtaisesti kotonahan on erillinen matalatehoisempi (eli hitaampi) laturi, joka toimii aivan yhtä hyvin kesät talvet.

    Yleisesti ottaen nimenomaan suurteholataus ja kylmä akku eivät siis sovi kovin hyvin yhteen, mutta akuston hitaampi lataus ei hätkähdä kylmästä. Vain aivan matalatehoisen (alle 2 kW) lataustehon kanssa voi tulla ongelmia, jos akku on aivan jääkylmä, sillä noin matala teho ei ehkä riitä akun lämmittämiseen latausta varten.

  • Jukka Mäntylä says:

    Fat e-Tronin akkutekniikkaa kyllä mietityttää. Miksi pitkää CC-vaihetta ei ole kuin Audissa, jos se on kerran parantaa latausnopeutta kylmällä merkittävästi? Kuluttaako se akkua vai vaatiiko se tietynlaista akkukemiaa?

    • Tuomas Sauliala says:

      Oikein hyvä on kysymyksesi, paljon olen miettinyt samaa itsekin. Veikkaisin, että kyseessä on jokin erityinen akkukemia, joka on ehkä niin kallis tai muuten vaikea, että sitä ei sitten ole muihin autoihin haluttu tuoda.

Leave a Reply