Sähköauton tekniikkaa osa 2: Akun lataaminen

Nissan Leaf -sähköauto. Kuva: Nissan.

Sähköautotekniikan toisessa osassa paneudutaan akun lataamiseen. Moni muistaa perinteisen auton akun tarjoilevan sähköä 12 voltin järjestelmään. Akkua on yleensä ihmetelty vain talvella auton kieltäytyessä käynnistymään, ja nyt ajatusmaailmaa joutuu muuttamaan. Ison lyijymöhkäleen sijaan sähköauton akku koostuu tuhansista pienemmistä kennoista, joita on akustossa haluttu määrä. Esimerkiksi Teslan akussa on yli 7000 pientä sormipariston kokoista kennoa. Akussa on aktiivinen lämmitys ja jäähdytys, joten talviset ongelmat eivät tule eteen.

Sähköauton akku perustuu eri materiaaleihin. Litiumioniakussa kenno latautuu valmistajasta riippuen reilun 4 V jännitteeseen ja maksimissaan jännite nousee 4,3-4,4 V tasolle. Tyypillisesti voidaan olettaa täyden kennon jännitteen olevan noin 4,0-4,2 volttia. Puhutaan siis jännitteestä, joka saadaan isosta vanhanmallisesta taskulampunparistosta tai kolmesta sarjaan kytketystä sormiparistosta.

Akun lataaminen

Litium-ioniakun lataaminen koostuu kolmesta eri vaiheesta. Latauksen alkuvaiheessa akku ottaa vastaan energiaa maksimitehollaan ja akkukennojen jännite kasvaa tasaisesti. Latausvirta on suuri, ja akun varaus kasvaa nopeasti. Nopean lataamisen vaihe päättyy, kun kennojen jännite saavuttaa neljän voltin tason.


Kennoja on yleensä kytketty sarjaan useampia. Esimerkiksi Nissan Leafin akku koostuu 192 akkukennosta jotka on kytketty 48 moduuliin. Yksi moduuli siis koostuu neljästä akkukennosta, kun kaksi sarjaankytkettyä kennoa on kytketty rinnan. Näin täyteen ladatun (4,1 V per kenno) akun jännitteeksi saadaan 2 x 4,1V x 48 = 393,6 V. Vastaavasti tyhjän kennon jännite on luokkaa 3 volttia, jolloin koko akuston jännite on vajaa 300 volttia.

Akkua ladataan tasavirralla, jolloin normaalilla verkkovirralla (AC) ladatessa käytetään auton omaa latauslaitetta. Pikalataus puolestaan tehdään suoraan tasavirralla, jolloin auton oma latauslaite ohitetaan. Esimerkiksi CHAdeMO -standardissa maksimi latausvirta on määritelty 125 ampeeriin. Siitä nopeasti laskien tyhjän Leafin akku latautuu 300 V x 125 A = 37,5 kW teholla jos Rapidgate ei iske.

Litium-ioniakku latautuu tyhjänä nopeasti. Kun maksimijännite on saavutettu, pienenee latausvirta. Lataus jatkuu hitaana kunnes akku on täynnä. Täyden akun jännite laskee itsekseen, joten haluttaessa pitää akku täynnä sitä pitää aika ajoin ladata uudelleen. Kuvan arvot ovat suuntaa-antavia eivätkä perustu tiettyyn akkuun. KUVA: Joose Luukkanen

Akku latautuu nopeimmin ennen saturaatiovaihetta. Esimerkiksi oma Tesla Model S latautuu Superchargerilla 116 kW teholla akun ollessa tyhjillään, jolloin varttitunnissa saa sähköt ajon reippaudesta riippuen 150-200 km ajoon. Muilla merkeillä lataus on toistaiseksi hitaampaa nopeiden pikalaturien puutteessa, ja latausnopeutta rajoittaa akun sijaan itse latauspiste. Esimerkiksi olemassa olevista CHAdeMO ja CCS-pikalatauspisteistä saa tyypillisesti virtaa maksimissaan 50 kW teholla. Ensimmäisiä 100 kW latauspisteitä ollaan kuitenkin jo rakentamassa myös Suomeenkin.

Tyhjä Teslan akku latautuu todella nopeasti. Tässä sähköä tulee 116 kW teholla, jolloin myös akun jäähdytys on kovilla hukkalämpöä syntyessä pienen sähkökiukaan verran. Esimerkkikuvassa ladataan 85 kWh akkua Superchargerilla. KUVA: Joose Luukkanen

Lataaminen hidastuu akun jännitteen noustua neljän voltin tasolle. Puhutaan saturaatiovaiheesta, jossa kennot ottavat energiaa vastaan yhä hitaammin akun täyttyessä. Latausvirta laskee tasaisesti, kunnes lataus lopetetaan auton pääteltyä akun olevan täynnä. Akun varaustasoa ei siis voida mitata luotettavasti, vaan se on aina arvio.

Latausnopeus pienenee akun täyttyessä. Teslan Superchargerin latausnopeus putoaa noin puoleen maksimista akun ollessa liki puolillaan. Esimerkkikuvassa ladataan 85 kWh akkua Superchargerilla. KUVA: Joose Luukkanen

Lataaminen hidastuu saturaatiovaiheessa merkittävästi. Esimerkiksi Tesla latautuu Superchargerilla tyhjästä täyteen noin tunnissa ja vartissa. Tästä viimeinen 20% vie puolet, ja lataus 0-80% vie saman 45 minuuttia kuin 80-100%. Matka-ajossa akkua ei siis missään nimessä kannata ladata täyteen asti, vaan ainoastaan sen verran, että lataus riittää seuraavalle latauspisteelle tai määränpäähän.

Akun täyttyessä viimeiset energianrippeet valuvat todella hitaasta. Latauksen loppuvaiheissa latauspisteen maksimiteholla ei ole mitään merkitystä, koska tyhjään akkuun nähden latausteho on pudonnut alle kymmenesosaan. Matka-ajossa ei siis missään nimessä kannata ladata akkua täyteen, vaan ainoastaan niin paljon, että selviää vaivatta seuraavaan latauspisteeseen. Esimerkkikuvassa ladataan 85 kWh akkua CHAdeMOlla, kuvassa näkyy jännitteen olevan yli 400 volttia, eli akkukennojen jännite on jo maksimissa. KUVA: Joose Luukkanen

Latauksen päätyttyä akun jännite alkaa laskea. Kennojen jännite laskee hitaasti 3,7-3,9 voltin tasolle. Litium-ioniakku siis tyhjenee hitaasti vaikkei akkua käytettäisi, sähköautoissa auton elektroniikka kuluttaa jonkin verran sähköä myös parkissa. Nyrkkisääntönä voi olettaa varauksen laskevan noin 1% päivässä auton ollessa pysäköitynä. Ylläpitovaiheessa jännite nostetaan ylös säännöllisin väliajoin akun pitämiseksi täydessä latingissa.

Akun koon vaikutus latausnopeuteen

Sähköauton akku koostuu lukuisista akkukennoista, joista yksi kykenee säilömään tietyn määrän energiaa. Akkukapasiteetin ja sitä kautta ajomatkan kasvattamiseksi yksinkertaisesti lisätään akkukennojen määrää akustossa. Kukin kenno latautuu saman prosessin mukaan, ja mikäli latausvirtaa on riittävästi saatavilla, ei latausaika riipu rinnan kytkettyjen akkukennojen määrästä.

Jos taas virta ei piisaa, niin latausaika luonnollisesti kasvaa. Esimerkiksi Teslan Superchargereilla kaksi latauspistettä jakavat 120 kW virtalähteen, joten ladattaessa kahta tyhjäakkuista autoa samaan aikaan ei kummassakaan päästä maksimilataustehoon. Latausetiketin mukaista on siis jättää yksi tyhjä paikka väliin, mikäli tilaa on (samaan virtalähteeseen kytketyt laturit on merkitty esim. 2A ja 2B).

Superchargerit on ryhmitelty pareittain, sama 120 kW virtalähde syöttää aina A ja B latureita. Etiketin mukaista on jättää tyhjä paikka väliin mikäli tilaa on, jolloin jokainen auto latautuu maksiminopeudella. Mikäli Superchargerilla on puolet tai enemmän paikoista varattuna, voi viimeisiä kilowattitunteja akkuun valuttava kohteliaasti vinkata tulijaa ajamaan viereensä. KUVA: Joose Luukkanen

Edellä mainitun Teslan latausaika tyhjästä täyteen on 60 kWh, 80 kWh ja 100 kWh akuilla likimain sama, vaikka uudemmissa Tesloissa akkutekniikkaa onkin uudistettu (latausnopeudessa ei synny älytöntä eroa). Kun latausaika on sama, niin ajomatkaa tulee suurempaan akkuun reilusti enemmän samassa ajassa. Rankasti yleistäen samassa ajassa saa siis saman verran prosentteja, joten iso akku ensinnäkin vie pisimmälle lataamatta ja sen jälkeen lyhentää lataustaukoja. Matka-ajoon kannattaa valita myös latausajan puolesta niin iso akku kuin mitä lompakko kestää. Latausta havainnollistaa seuraava video neljän eri Teslan akun täyttymisestä.

Lämpötilan vaikutus lataamiseen

Litium-ioniakku lataamisen optimaalinen lämpötila on 10-30C välillä. Tämän alapuolella kemialliset reaktiot hidastuvat, eikä akku kykene sen vuoksi ottamaan virtaa vastaan. Ladattaessa akkua, jonka lämpötila on muutaman asteen plussan puolella, laskee latausvirta jopa 90%. Jäätyneen akun lataamisessa riskinä on litiumin kerrostuminen anodin pintaan ja sen aiheuttama pysyvä akkuvaurio mikäli virtaa pusketaan sisään vailla järkeä.

Onneksi autojen elektroniikka huolehtii akun turvallisuudesta. TeslaBjörnin testissä Tesla Model X:n -17C lämpöinen akku otti virtaa aluksi alle kilowatin teholla eikä latausteho meinannut nousta akun lämmetessä hitaasti. Lataus nopeutui kummasti ajamalla pikku lenkin ja kiihdyttämällä pariin kertaan voimakkaasti. Akun lämmettyä lataus jatkuikin 60 kW teholla. Kannattaa huomata, että akku olisi pysynyt lämpimämpänä, ellei sitä olisi erikseen range mode -valinnalla otettu pois käytöstä yön ajaksi.

Joitain sähköautoja, suosituimpana Nissan Leafeja, on tuotu maahan myös ilman akun lämmitystä. Ajaessa akku pysyy lämpimänä, joten lämpimässä tallissa säilytettävä sähköauto toimii ongelmitta Suomen talvessakin. Samoin jos akku ladataan heti ajon päätyttyä sen ollessa vielä lämmin, pitää lataus sen lämpimänä eikä ongelmia synny, vaikka auto seisoisi ulkosalla kylmässä katoksessa.

Kuumuus on akkujen pahin vihollinen. Litium-ioniakku sinänsä toimii hyvin kuumassakin, mutta korkea lämpötila lyhentää akun elinikää. Yli 50-asteisen akun lataaminen ei ole järkevää, koska kuumassa alkaa syntyä kaasua, joka pahimmillaan nostaa kennon sisäistä painetta ja rikkoo akun. Käytännössä autojen latauselektroniikka estää akun lataamisen liian kuumassa tai kylmässä.

Useimmissa sähköautoissa on jäähdytetyt akut, jotka mahdollistavat lataamisen kuumissakin olosuhteissa. Uudesta Nissan Leafista jäähdytys kuitenkin puuttuu, mikä näkyy akuston kuumenemisena jo normaalissa moottoritieajossa. Niin sanotun Rapidgaten vuoksi pikalataus hidastuu oleellisesti jo 100 km ajon jälkeen, joten auton käyttökelpoisuus matka-ajossa kärsii merkittävästi.

Lämpötilan vaikutus ajamiseen

Pakkasilla akusta ei saa virtaa ulos yhtä hyvin, joten tehoa on käytössä rajoitetusti. Samoin regenerointi eli jarrutusenergian talteenotto toimii kevyemmin, koska kylmä akku ei ota virtaa vastaan yhtä hyvin (vrt. kylmän akun lataaminen). Pakkanen voi aiheuttaa myös muita, sähköauton voimanlähteestä riippumattomia ongelmia, kuten oheinen TeslaBjörnin pakkasvideo osoittaa.

Polttomoottorista poiketen sähkömoottori ei synnytä hukkalämpöä, joka voitaisiin käyttää matkustamon lämmittämiseen. Niinpä kylmällä ilmalla matkustamon lämmittäminen pienentää käyttösädettä jonkin verran. Mikäli auto lämmitetään valmiiksi verkkovirralla ennen ajoon lähtöä, säästetään tällä akun energiaa. Turbodieseleistä poiketen matkustamon lämpimänä pitäminen ei ole sähköautoissa ongelma, ja tarvittaessa kajuutasta saa vaikka kylmän saunan pakkasillakin.

Talvella pakkasta suurempi vaikutus syntyy loskasta ja sateesta. Paukkupakkanenkaan ei pudota ajomatkaa niin kuin nollakeli ja 10 sentin kerros auraamatonta loskaa yhdistettynä kunnon tuiskuun. Talvikulutusta arvioitaessa voi melko turvallisesti sanoa, että ajomatka putoaa pahimmissa olosuhteissa maksimissaan kolmanneksen hyvästä kesäkelistä. Talvisessa matka-ajossa on siis syytä varautua reilusti tiheämpiin lataustaukoihin.

Käytännössä Suomen talvi ei haittaa lainkaan sähköautoilua, kunhan autoa ei seisota viikkotolkulla 30 asteen pakkasessa. (Lue lisää Nordkappin testistä täältä.) Eikä edes se viikkotolkulla seisottaminen haittaa, kunhan auto on kytkettynä sähköön, koska tällöin auton elektroniikka kyllä pitää paikat riittävän lämpöisinä. Pakkaset on huomioitu jo suunnitteluvaiheessa, esimerkiksi Hyundai Ioniqin nesteet kestävät huollon mukaan -47 asteen pakkaset, joihin harvemmin Suomessa törmää. Käytännön vaivattomuudesta kertoo useampikin Lapissa ympärivuotisessa ajossa oleva sähköauto. Pikemminkin sähköauto on käyttäjäkokemusten perusteella erittäin luotettava talviauto, toisin kuin huonosti pakkasessa käyntiin lähtevä polttomoottoriauto.