LITIUM-IONIAKUN TASAPAINON HALLINTA

Transkriptio

1 Sillanpää Teemu LITIUM-IONIAKUN TASAPAINON HALLINTA Kandidaatintyö, joka on jätetty tarkastettavaksi tekniikan kandidaatin tutkinnon opinnäytteenä Lappeenrannassa 27. huhtikuuta Tarkastaja: Tutkijaopettaja, TkT Lasse Laurila

2 Tiivistelmä Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma Teemu Sillanpää Litium-ioniakun tasapainon hallinta Lappeenranta 2012 Kandidaatintyö 45 sivua, 24 kuvaa ja 1 taulukko. Tarkastaja: TkT Lasse Laurila Nykyaikaisen liikkuvan sähkökäytön energianlähteenä voi toimia jopa sadoista yksittäisistä sarjaankytketyistä litium-ionikennoista muodostuva akusto. Luotettaviin mittauksiin perustuva valvonta ja käytönohjaus on erityisen tärkeää litium-ioniakuissa, jotka ovat herkkiä yli- ja alijännitteille sekä korkeille lämpötiloille. Monipuolinen hallintajärjestelmä auttaa hyödyntämään akun koko kapasiteetin sekä säilyttämään akun suorituskyvyn estämällä väärinkäytön. Tässä työssä keskitytään tarkastelemaan monikennoisten litium-ioniakkujen sovelluksissa ilmeneviä haasteita sekä eri julkaisuissa esitettyjä ratkaisumalleja akun tasapainon hallitsemiseksi. 2

3 Abstract Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Degree Programme in Electrical Engineering Teemu Sillanpää Managing the Stability of Lithium-Ion Battery Lappeenranta 2012 Bachelor s thesis 45 pages, 24 figures and 1 table. Examiner: D.Sc. Lasse Laurila High power density battery packs consisting of even several hundred individual serial connected battery cells are nowadays used in electrical vehicles. The battery management system is an essential part of a modern battery pack. BMS helps to maintain safety by preventing the misuse of the battery and helps to improve overall performance by being able take consider each individual battery cell s state of charge and physical restrictions. In this thesis is presented the principal architecture, features and requirements of a modern management system for a lithium-ion based battery pack. 3

4 Sisältö 1 Johdanto 6 2 Sähköiset energialähteet Sähkökemiallinen paristo Polttokenno Superkondensaattori Yhteenveto Litium-ioniakun perusrakenne Sähkökemiallinen toimintaperiaate Kapasiteetin ja tehonantokyvyn määräytyminen Elektrodimateriaalit Elektrolyytti Turvallisuus ja materiaalivalinnat Kennoista moduuleihin ja akustoihin Litium-ioniakun ominaispiirteet Lataus ja kuormitettavuus Käyttösyklit ja vanheneminen Toimintalämpötila-alue Itsepurkautuminen ja varastointi Litium-ioniakun tasapainon hallinta 25 6 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset Varaustila, terveydentila ja toimintakyky Lämmönhallinta Tasapainoitus

5 6.4 Suojaominaisuudet Tarkkuus ja luotettavuus Kustannukset ja valmistettavuus Tehonkulutus Mallintaminen Lineaarinen malli Theveninin malli Dynaaminen malli Tasapainoitus Häviölliset menetelmät Aktiiviset menetelmät Lataus Vakiovirta-vakiojännitelataus Ylläpitolataus Pikalataus Johtopäätökset ja yhteenveto 41 Lähdeluettelo 42 5

6 Johdanto 6 1 Johdanto Tiukentuneet päästörajoitukset ovat pakottaneet ajoneuvo- ja työkoneteollisuuden etsimään uusia ratkaisuja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Yhtenä ratkaisuvaihtoehtona on siirtyä huippukuormituksen mukaan mitoitetuista, hiilivetypohjaisia polttoaineita käyttävistä polttomoottoreista energiatehokkaampiin sähköisiä akustoja hyödyntäviin hybridi- ja täyssähkökäyttöihin. Liike- ja potentiaalienergian talteenottojärjestelmien sekä itse sähkökäyttöjen energiansyötön kannalta sähköisen energiavaraston merkitys liikkuvissa sähkökäytöissä on kasvanut. Täyssähköisen käytön tapauksessa energiavaraston kapasiteetti ja tehonantokyky määrittelevät suoraan liikkuvan sovelluksen toiminta-ajan ja -kyvyn. Tyypillisen ajoneuvokäytön energialähteenä voi toimia jopa satoja litium-ionikennoja sarjaankytkettynä. Akku muodostaa monimutkaisen sähkökemiallisen järjestelmän, jossa on hyödyllistä ja akkutyypin mukaan jopa välttämätöntä valvoa akun toimintaan liittyviä suureita. Luotettaviin mittauksiin perustuva valvonta ja käytönohjaus on erityisen tärkeää litium-ioniakuissa, jotka ovat herkkiä yli- ja alijännitteille sekä korkeille lämpötiloille. Yksinkertaista olisi valvoa pelkästään akuston kokonaistilaa, mutta tällöin ei voida havaita yksittäisten kennojen tilannetta. Ajoneuvo- ja työkonesovelluksien syklinen käyttö asettaa haastavat vaatimukset akkujen eliniälle. Litium-ionikennojen korkean hinnan vuoksi akku muodostaa usein merkittävän osan liikkuvien sähkökäyttöjen kokonaishinnasta. Monipuolinen hallintajärjestelmä auttaa hyödyntämään akun koko kapasiteetin ja säilyttämään akun suorituskyvyn pidempään. Nämä seikat näkyvät suoraan alentuneina elinkaarikustannuksina akun vaihtovälin pidentyessä. Tässä työssä keskitytään tarkastelemaan monikennoisten litium-ioniakkujen sovelluksissa ilmeneviä haasteita. Alkuosassa tutustutaan litium-ioniakkujen rakenteeseen ja ominaispiirteisiin. Loppuosassa käsitellään eri julkaisuissa esitettyjä ratkaisumalleja akun tasapainon hallitsemiseksi, kun tavoitteina on mahdollisimman pitkä akun elinkaari sekä mahdollisimman suuri hyödynnettävissä oleva kapasiteetti. Käsittely painottuu hallintajärjestelmän ominaisuuksiin, joista tarkemmin kuvataan akun mallintamista, varauksen tasapainottamista kennojen välillä sekä eri latausmenetelmiä.

7 Sähköiset energialähteet 7 2 Sähköiset energialähteet Liikkuvien työkoneiden ja ajoneuvojen energialähteeksi on fossiilisten polttoaineiden rinnalle kohoamassa muutamia käytännön vaihtoehtoja. Seuraavassa esitetään liikkuvien sähkökäyttöjen suorituskyvyn sekä toiminta-ajan vaatimukset täyttäviä sähköenergian tuoton ja varastoinnin toteuttavia ratkaisuja. 2.1 Sähkökemiallinen paristo Paristot ovat laajalti käytetty energian varastointimuoto. Paristot voidaan jakaa primäärisiin ja sekundäärisiin paristoihin. Primääriset paristot ovat kertakäyttöisiä eli niitä ei voi ladata. Sekundääriset paristot ovat sen sijaan ladattavissa kääntämällä ulkoisen sähkövirran suunta. Sekundäärisiä paristoja kutsutaan yleisesti akuiksi. (Cleveland et al. 2004) Tärkeimpiä akulta vaadittavia teknisiä ominaisuuksia ovat akun kapasiteetti suhteessa sen kokoon ja painoon, akun virranantokyky kuormitustilanteessa sekä virran vastaanottokyky lataustilanteessa. Akkujen vertailussa käytetään usein tunnuslukuina energiaa massaa tai tilavuusyksikköä kohti (Wh/kg, Wh/l), tehoa massayksikköä kohti (W/kg) sekä akun käyttöiän kertovaa purkaus-latausjaksojen maksimimäärää. Lisäksi hinnalla on suuri merkitys teknologian hyödynnettävyydessä käytännön ratkaisuissa. (Snellman 2005a, Wikström 2008) Nykyaikana yleisessä käytössä on lähinnä kolmeen eri sähkökemialliseen järjestelmään pohjautuvaa akkuteknologiaa - lyijyakut, nikkelipohjaiset akut sekä litiumpohjaiset akut. Kuvassa 2.1 on vertailtu akkutyypeittäin energiatiheyttä tilavuuteen ja painoon suhteutettuna. Lyijyakku omaa heikon energiatiheyden, mutta on rakenteeltaan yksinkertainen, halpa ja suuren antotehon omaava. Nikkelipohjaiset akut nikkeli-kadmium (NiCd) sekä uudempi nikkeli-metallihydridi (NiMH) omaavat lyijyakkua korkeamman energiatiheyden. (Snellman 2005b) Uusinta teknologiaa edustavat litiumpohjaiset akut, jotka ovat kapasiteettiinsa nähden hyvin keveitä. Litium omaa korkeimman sähkökemiallisen potentiaalin samalla ollen yksi keveimmistä alkuaineista. Nämä ominaisuudet tekevät siitä erinomaisen vaihtoehdon kehittyneen akun raaka-aineeksi. (Riezenman 1995)

8 Sähköiset energialähteet 8 Energia tilavuusyksikköä kohden ( Wh dm 3 ) Pb NiCd NiMH Li ion Energia massayksikköä kohden ( Wh kg 1 ) Kuva 2.1. Energiatiheys ja ominaisenergia akkutyypeittäin (Väyrynen & Salminen 2011, Panasonic 2011a). 2.2 Polttokenno Polttokennon etuna on toiminnan äänettömyys, saasteettomuus ja energiamuunnoksen tehokkuus verrattaessa polttomoottoriin. Reaktiotuotteena syntyy vain vesihöyryä, sähkövirtaa ja lämpöä. Polttokennossa sähköä syntyy kennossa tapahtuvien hapetus-pelkistysreaktioiden seurauksena. Polttoaineena voidaan käyttää puhdasta vetyä tai fossiilisista polttoaineesta kuten maakaasusta tai bensiinistä saatavaa vetyä, alkoholipohjaisia polttoaineita kuten metanolia tai muita vastaavia polttoaineita. Hapettimena toimii yleensä ilmasta saatava happi tai puhdas happi. Polttokennojen käyttö ei suinkaan ole ongelmatonta. Yksi ongelma liittyy polttokennojen kontaminoitumiseen, jossa tietyt molekyylit vaikuttavat haitallisesti kennon toimivuuteen. Polttokennokäyttöä ajatellen esimerkiksi fossiiliset polttoaineet onkin puhdistettava huolellisesti rikkiyhdisteistä. Kukin kennotyyppi soveltuu vain tiettyjen kaasujen tai kaasuyhdisteiden kanssa käytettäväksi ja samoin kullakin kennotyypillä on omat kontaminaattiyhdisteet. (Snellman 2005c)

9 Sähköiset energialähteet 9 Polttokenno terminä kattaa monia eri tyyppisiä ratkaisuja, jotka usein luokitellaan alaryhmiin sen mukaan minkälaista elektrolyyttiä ratkaisussa käytetään tai mikä on järjestelmän toimintalämpötila. Ajoneuvokäytöissä on yleistynyt elektrolyyttinä toimivaan polymeerikalvoon perustuva PEM-kenno. PEM-polttokennon vaatima vety varastoidaan paineistettuna erikoisvalmistettuun säiliöön. Reaktiotuotteena yhdessä ilmakehän hapen kanssa syntyy vettä, joka onkin ainoa päästöyhdiste jota kenno tuottaa. Useimmat ajoneuvokäyttöihin suunnatut kennot tuottavat sähkötehoa hieman yli yhden voltin jännitteellä, jolloin kennoja ladotaan tyypillisesti pinoihin riittävän jännitteen saavuttamiseksi. Polttokennopinon tuottama teho riippuu yksittäisten kennojen koosta ja lukumäärästä sekä PEM-kalvon pinta-alasta. PEM-polttokennon etuja ajoneuvokäytössä muihin polttokennotyyppeihin nähden ovat vähäinen paino ja tilavuus, hyvä tehontuoton ja painon välinen suhde, alhainen toimintalämpötila (noin 80 C) ja käynnistyksen nopeus jolloin täysi teho saavutetaan minuuteissa. Sähköntuoton hyötysuhde yltää noin 50 prosenttiin. (Snellman 2009) Polttokennoihin perustuva tekniikka voisi ratkaista monia ajoneuvojen ympäristöhaittoja ja energiatalouteen liittyviä ongelmia. Polttokennojen yleistymiselle on kuitenkin toistaiseksi ollut muutamia käytännön esteitä. PEM-kennon rakenteessa käytetään platinaa katalyyttinä tehostamaan vedyn elektronien ja protonien erottumista. Platinan kallis hinta lisää kuitenkin tuntuvasti lopullisesta kennon hintaa. Lisäksi kenno vaatii hyvin puhdasta vetyä (99.999%) ja käyttöönotto edellyttäisi kennoissa käytettävän polttoaineen jakeluverkostoa. Kolmas ongelmakohta PEMpolttokennojen yleistymiselle on kennojen eliniän jääminen parhaimmillaankin vain noin 5000 tuntiin. (Pollet 2011, Snellman 2009) 2.3 Superkondensaattori Superkondensaattorien energiatiheys on huomattavasti suurempi kuin tavanomaisten kondensaattorien, mutta vain noin kymmenesosa sähkökemiallisten akkujen energiatiheydestä. Myös superkondensaattorin itsepurkautuminen on oleellisesti nopeampaa kuin akkujen. (Snellman 2005d) Riippuen latauslaitteen antotehosta superkondensaattorin lataus on mahdollista suorittaa sekunneissa. Kondensaattorin lataustilaa ei ole tarvetta mitata, sillä kon-

10 Sähköiset energialähteet 10 densaattori vastaanottaa latausvirtaa, kunnes se on täynnä. Superkondensaattoria voidaan purkaa ja ladata käytännössä ikuisesti. Normaalikäytössä superkondensaattorin varauskapasiteetti pienenee noin 80 prosenttiin alkuperäisestä kymmenen vuoden käytössä. Suuremman ja käytännöllisemmän käyttöjännitteen aikaansaaminen edellyttää superkondensaattorien sarjakytkentää, mutta tällöin on tarve tasata jännitettä kondensaattorien välillä yksittäisten kennojen suojaamiseksi ylijännitteeltä. Sarjaankytkentä pienentää tehollista kapasiteettia ja kasvattaa sisäistä resistanssia, jolloin latauspurkuajat kasvavat sekä häviöt lisääntyvät. (Snellman 2005d) Ajoneuvokäyttöön suunnatut superkondensaattorit ovat tyypillisesti kaksikerroskondensaattoreita, joissa käytetään mikrohuokoista hiiltä elektrodeina. Superkondensaattorien luontaisen akkuja heikomman energiatiheyden vaikutuksesta järkevä kehityssuunta onkin ollut suurtehoakkuja huomattavan paljon suuremman tehonantokyvyn sekä lataus/purku-syklikestoisuuden saavuttaminen. Superkondensaattoreista ei ole liikkuvan sähkökäytön pääasialliseksi energiavarastoksi, mutta ne tarjoavat monipuoliset sovellusmahdollisuudet yhdistettynä muiden sähköenergialähteiden kanssa. Superkondensaattoria voidaan käyttää tehonsyötön rinnalla tasaamaan kuormitusta tilanteissa, joissa akusto ei yksin kykenisi antamaan vaadittavaa hetkellistä huipputehoa esimerkiksi kiihdytystilanteissa tai energian talteenotossa jarrutettaessa. (Burke 2007) 2.4 Yhteenveto Vähittäisvalmistuksena tuotettujen PEM-polttokennojen korkea hinta ei ole toistaiseksi tukenut teknologian yleistymistä laajalti ajoneuvokäytöissä (Pollet 2011). Yhdysvaltain energiaministeriön tutkimuksen (Spendelow & Marcinkoski 2010) mukaan nykyisellä kustannusrakenteella PEM-polttokennojen tuotantokustannukset olisi kuitenkin mahdollista laskea massavalmistuksen myötä noin 40 euroon kilowattia kohden, jos vuosituotantomäärät kasvaisivat kappaleeseen. Litium-ioniakkuja valmistetiin 6.7 gigawattitunnin edestä vuonna IDC Energy Insights -tutkimuslaitos ennustaa valmistuskapasiteetin nousevan lähes nelinkertaiseksi vuoteen 2015 mennessä, jonka odotetaan alentavan myös hintoja. Kysyntää ennustetaan kasvattavan erityisesti ladattavien sähköautojen valmistuksessa tarvittavat akut. (IDC Energy Insights 2012)

11 Sähköiset energialähteet 11 Arviot akkujen hintakehityksestä vaihtelevat suuresti kuvan 2.2 mukaisesti. Pike Research markkinatutkimusyrityksen laatiman arvion mukaan hintojen odotetaan kuitenkin laskevan kolmanneksella vuoden 2017 loppuun mennessä, jolloin sähköajoneuvoihin asennettavien akkujen hinta alittaisi 400 /kwh rajan. Hintakehitys auttaisi parantamaan oleellisesti akkukäyttöisten sähköajoneuvojen kilpailukykyä markkinoilla. (Pike Research 2012) 845 ESTIMAATIT Korkein Alhaisin Yksittäinen Hinta ( /kwh) Vuosi 20 Kuva 2.2. Arvio sähköajoneuvojen akkujen hintakehityksestä kilowattituntia kohden. Hinta-arvioiden lähteinä: Advanced Automotive Batteries, Boston Consulting Group, Deutsche Bank, Electrification Coalition, National Research Council ja Pike Research. (Fairley 2011) Kuvassa 2.3 on vertailtu eri litium-ionikennoja sekä superkondensaattoreita tehotiheyden ja energiatiheyden suhteen. Litium-ionikennot kykenevät varastoimaan yli 10 kertaisesti energiaa superkondensaattoreihin nähden, superkondensaattorien tehonantokyvyn ollessa kuitenkin hetkellisissä kuormitustilanteissa selkeästi akkuja parempi. Litium-ionikennojen tehonantokyky on kuitenkin parantunut valmistajien siirryttyä käyttämään nanomittakaavan rakenteita sisältäviä materiaaleja akuissaan kaventaen superkondensaattorien etumatkaa. Polttokennot eivät pysty kilpailemaan tehonantokyvyssä massaansa nähden, mutta paineistetun vedyn korkea energiatiheys mahdollistaa pitkän toiminta-ajan polttokennokäyttöisille liikkuville sovelluksille. Toisaalta taas akkuteknologian kehittyessä julkisuudessa on esitelty jo jopa 400 Wh/kg energiatiheyden omaavia litiumionikennoja (Envia Systems 2012).

12 Sähköiset energialähteet (avg.) Energia massayksikköä kohden ( Wh kg 1 ) (avg.) (10s) 6. (10s) 100 (avg.) (10s) (avg.) (10s) (10s) 50 (avg.) (1s) Teho massayksikköä kohden ( W kg 1 ) nro Tuotenimi Kapasiteetti Kemia Pakkaus 1. Panasonic NCR-18650A 3.1Ah 11 Wh LiNiCoAlO 2 sylinteri 2. Altairnano 50Ah 116 Wh nano-li 4 Ti 5 O 12 pussi 3. Altairnano 11Ah 28 Wh nano-li 4 Ti 5 O 12 pussi 4. European Batteries EB 45Ah 144 Wh LiFePO 4 pussi 5. A123 AHR32113M1Ultra-B 4.5 Ah 14.6Wh nano-lifepo 4 sylinteri 6. A123 AMP20M1HD-A 20Ah 65 Wh nano-lifepo 4 pussi 7. Maxwell BCAP 3000F 3 Wh superkondensaattori sylinteri 8. Nesscap ESHSR 3000F 3 Wh superkondensaattori sylinteri Kuva 2.3. Litium-ioniakkujen sekä superkondensaattorien vertailua ominaistehon ja nimellisen ominaisenergian suhteen niin jatkuvalla kuormituksella (avg.) kuin hetkittäisillä kuormituksilla (10s/1s). Tiedot pohjautuvat valmistajien tuotteidensa datalehdissä ilmoittamiin arvoihin.

13 Litium-ioniakun perusrakenne 13 3 Litium-ioniakun perusrakenne Akkujen kehitystyön tavoitteena on ollut varastoida kemiallisessa muodossa mahdollisimman suuri määrä energiaa mahdollisimman pitkän ajan. Lisäksi akun tulisi kestää mahdollisimman monta purkaus-latausjaksoa elinkaarensa aikana. Tavoitteiden saavuttaminen on mahdollista parantamalla akun kemiallista tehokkuutta, sähkökemialliseen reaktioon osallistumattomia osia keventämällä sekä kokonaistilavuutta pienentämällä.(snellman 2005a) Tässä luvussa tutustumme tarkemmin litium-ioniakkujen sisäiseen rakenteeseen. Lisäksi tarkastelemme mitä vaikutusta materiaalivalinnoilla ja niissä tapahtuneella kehitystyöllä on ollut litium-ioniakun ominaisuuksiin ja turvallisuuteen. 3.1 Sähkökemiallinen toimintaperiaate Akku on perusrakenteeltaan sähkökemiallinen kenno, jossa kaksi elektrodia on upotettu elektrolyyttiliuokseen. Kun varausta sisältävä litium-ioniakku kytketään ulkoiseen kuormaan, muodostuu elektronivirta negatiiviselta virrankeräyslevyltä positiiviselle kuvan 3.1 mukaisesti. Virta saa syntynsä litium-atomien luovuttaessa elektroneitaan grafiittianodille, josta elektronit siirtyvät negatiivisen virrankeräyslevyn sekä kuorman kautta edelleen akun katodille. Anodilla sijaitsevat litium-atomit ovat nyt muuttuneet positiivisiksi ioneiksi menetettyään elektroneitansa ja ne siirtyvät varauksensa saattelemana elektrolyytin välityksellä kohti metallioksidikatodia. Katodilla litium-ionit vastaanottavat elektronin ja asettuvat huokoisen katodimateriaalin väleihin. Akku varataan sähkövirran avulla uudelleen reaktion tapahtuessa käänteisesti. (Snellman 2005b, Snellman 2005a) 3.2 Kapasiteetin ja tehonantokyvyn määräytyminen Akun nimellisjännite ja energiatiheys määräytyy ensisijaisesti sähkökemiallisten ominaisuuksien mukaisesti. Mitä pienemmäksi akun paino saadaan, ja mitä enemmän akun kokonaispainosta on suhteellisesti litiumia, sitä korkeammaksi energiatiheys saadaan. Akun tehonantokyky määräytyy pääasiassa elektrodien pinta-alan mukaan, kun taas kapasiteetti aktiivisen materiaalin massan ja tilavuuden mukaan. Tällöin korkean tehonantokyvyn saavuttamiseksi elektrodien ja elektrolyytin raja-

14 Litium-ioniakun perusrakenne 14 Positiivinen virrankeräyslevy (Al) Katodi Li+ Lataus Purku Negatiivinen virrankeräyslevy (Cu) Anodi Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ + e- e- - A Metalli Litium Happi Grafiitti-kerrokset Elektroni Kuva 3.1. Litium-ionikennon toimintaperiaate. Anodi on litiumilla seostettua grafiittia, katodi metallioksidia (Co, Mn,...), negatiivinen virrankeräyslevy kuparia ja positiivinen virrankeräyslevy alumiinia. (Snellman 2005b) pinta pyritään valmistamaan pinta-alaltaan mahdollisimman suureksi esimerkiksi elektrodimateriaalien huokoisuutta lisäämällä. Edellä mainittujen ominaisuuksien seurauksena akkujen valmistuksessa joudutaan tekemään kompromisseja kapasiteetin ja virranantokyvyn välillä. Akkujen jakautuminen niin sanottuihin teho- ja energia-akkuihin on nähtävissä myös kuvasta 2.3. Mitä suuremmaksi akun energiatiheys halutaan, sitä pienemmäksi tehotiheys tyypillisesti muodostuu. Vastaavasti suuren tehotiheyden omaavat tehoakut jäävät yleisesti energiatiheydeltään energia-akuista, joiden suunnittelun lähtökohtana on ollut mahdollisimman korkea energiatiheys. (Wikström 2008) Käytettävissä on kolme perusmenetelmää, joiden avulla kyetään vaikuttamaan ladattavan akun varauskapasiteettiin ja ominaisuuksiin. Ensimmäinen liittyy akun napajännitteen suurentamiseen. Suurempijännitteiseen akkuun voidaan varastoida enemmän energiaa kuin muilta osin samanlaiseen akkuun. Suurempi jännite tuo mukanaan kuitenkin omat haasteensa, sillä esimerkiksi sopivan elektrolyyttimateriaalin löytäminen voi olla vaikeaa. Toinen parannusmenetelmä on käyttää valmistuksessa uusia materiaaleja, jotka mahdollistavat ionien tiheämmän pakkaamisen. Akun energiatiheys saadaan näin suuremmaksi.

15 Litium-ioniakun perusrakenne 15 Kolmas toimenpide liittyy siirtyvien ionien varaustilaan. Jos akun jännite ja ionien lukumäärä pysyvät samoina, kaksiarvoisen kationin kuten magnesiumin avulla saadaan kaksinkertainen määrä energiaa esimerkiksi yksiarvoiseen litiumiin verrattuna. Muuten käyttökelpoisten uusien materiaalien ongelmana ovat usein muut ongelmat, kuten myrkyllisyys sekä räjähdys- tai paloherkkyys. (Snellman 2008) 3.3 Elektrodimateriaalit Elektronivirran kuljettamisen lisäksi elektrodit varastoivat ja vapauttavat kemiallista energiaa. Kaiken tämän tulisi tapahtua isotermisesti sekä mahdollisimman pienin kemiallisin ja mekaanisin rasituksin. Uusia elektrodimateriaaleja kehitetään jatkuvasti pyrkimyksenä parantaa akun suorituskykyä, elinikää, lämpötilojen kestoisuutta, tehonantokykyä, energiatiheyttä ja latausaikoja. (Väyrynen & Salminen 2011) Litium-akkuja tutkittiin jo 1970-luvun loppupuolella. Metalliseen litiumiin perustuneet ensimmäiset versiot kärsivät huonosta uudelleenvarauskyvystä luvulle siirryttäessä ryhdyttiin tutkimaan hiilipohjaisia elektrodeja, jolloin päädyttiin litiumioni -tekniikkaan. Sony esitteli vuonna 1991 maailman ensimmäisen kaupallisen litium-ioniakun. Sonyn alkuperäisessä litium-ionikennossa anodina toimi hiilestä valmistettu koksi, mutta sittemmin materiaalina on koksin sijasta käytetty grafiittia. Grafiitin avulla saavutetaan selvästi tasaisempi purkausjännitekäyrä ja jyrkempi notkahdus purkausjakson lopussa. Grafiitti-pohjaisessa kennossa kennojännite vähenee ainoastaan kolmeen volttiin, kun se koksilla pienenee 2,5 volttiin. Lisäetuna saadaan suurempi purkausvirta ja vähäisempi lämpeneminen kuormituksen aikana. Litiumilla seostettua huokoista grafiittia käytetään edelleenkin yleisesti litium-ioniakkujen anodina. Alkalimetallien ionit ovat kooltaan niin pieniä, että ne mahtuvat grafiittikiteiden väleihin. (Snellman 2005b). Uusia anodimateriaaleja on kehitetty pyrittäessä parantamaan akun ominaisuuksia. Toshiban ja Altairnanon tuotteissa on käytössä litium-titanaattiiin (Li 4 Ti 5 O 12 ) perustuva anodi, jonka ominaisuuksien avulla on onnistuttu kasvattamaan akun syklinkestoisuutta ja turvallisuutta sekä parantamaan tehonantokykyä ja alhaisten lämpötilojen suorituskykyä. Panasonic on tuomassa pii-anodiin perustuvat akut markkinoille vuoden 2013 aikana. Piin käytöllä akun energiatiheys on tarkoitus onnistua kasvattamaan 800 Wh/l tasolle. (Panasonic 2009, Misback 2010)

16 Litium-ioniakun perusrakenne 16 Katodina akuissa toimii huokoinen metallioksidi. Sonyn ensimmäinen kaupallistettu litium-ioniakku käytti litiumkobolttioksidia (LiCoO 2 ) katodinaan. Muita perinteisesti käytettyjä metallioksideja ovat litiummangaanioksidi (LiMn 2 O 4 ) sekä litiumnikkelioksidi (LiNiO 2 ). Panasonic on saavuttanut nykyiset energiantiheystasot akuissaan siirtymällä käyttämään nikkelipohjaista LiNiCoAlO 2 -yhdistettä katodina perinteisen kobolttioksidin sijaan. (Panasonic 2011b) Litiumrautafosfaattiin (LiFePO 4 ) perustuva katodi on myös laajalti yleisessä käytössä. Rautafosfaatin nimellisjännite ja siten energiatiheys eivät yllä kobolttioksidin tasolle, mutta pidempi elinikä, nopeampi lataus ja erityisesti kobolttioksidiin verrattuna parantunut stabiilisuus ovat tehneet rautafosfaatista suositun erityisesti ajoneuvokäyttöjen isojen akkujen katodimateriaalina. (Väyrynen & Salminen 2011) Akun materiaalivalinnoilla on merkittävä vaikutus akun ominaisuuksiin, kuten jännitetasoon, energiatiheyteen ja elinikään. Taulukossa 3.3 on vertailtu muutaman yleisesti käytetyn katodimateriaalin ominaisuuksia. Taulukko 3.1. Eri katodimateriaalien ominaisuuksia (Väyrynen & Salminen 2011). Materiaali Ominaisenergia Energiatiheys Suhteellinen Jännite (Wh kg 1 ) (Wh dm 3 ) elinikä (V) LiCoO LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O LiFePo >4 3.2 LiMn 2 O Elektrolyytti Koska litium reagoi hyvin voimakkaasti veden kanssa, on litium-ioniakuissa käytettävä elektrolyyttejä, jotka perustuvat vedettömiin seoksiin. Lisäksi elektrolyytin on kyettävä johtamaan ioneja ja sen tulee säilyttää nestemäinen olomuoto koko toimintalämpöalueella. Nestemäisen elektrolyyttinsä takia litium-ioniakut on pakattava hermeettisesti suljettuihin kannuihin. Metallinen pakkaus lisää painoa ja hukkaa tilaa varsinkin käytettäessä useita sylinterinmuotoisia kennoja. (Pietikäinen 1999, Snellman 2008)

17 Litium-ioniakun perusrakenne 17 Perinteisesti litium-ioniakuissa käytettävät elektrolyytit ovat herkästi syttyviä. Kehitystyön tavoitteena onkin ollut kehittää akuille vaihtoehtoisia elektrolyyttiaineita tavoitteena täysin palamaton elektrolyytti turvallisuuden lisäämiseksi esimerkiksi ylikuormitus ja oikosulkutilanteissa. (Snellman 2008) 1990-luvun loppupuolella kehitettiin litium-ioniakkuteknologia, joka perustui samoihin perinteisiin elektrodikemioihin, mutta jossa perinteinen nestemäinen elektrolyytti korvattiin kiinteän olomuodon omaavalla polymeerillä. Polymeeriin perustuvalla kuivalla elektrolyytillä pystytään korvaamaan perinteisen akun nestemäinen elektrolyytti ja siihen kostutettu huokoinen eristemateriaali. Kuivat polymeerielektrolyytit omaavat kuitenkin huonon sähkönjohtavuuden. Kompromissina akun ominaisuuksien parantamiseksi käytetäänkin litium-ioni-polymeeriakuissa yleisesti geelimäisen elektrolyytin ja polymeeriteknologian yhdistelmää. Litium-ioni-polymeeriakut on mahdollista valmistaa suljetuksi pussimaiseksi rakenteeksi laminoimalla elektrolyyttinä sekä eristeenä toimiva polymeerimateriaali elektrodina toimivien kalvojen väliin. Tällöin perinteisen metallisen koteloinnin puuttuessa saavutetaan erittäin ohut ja kevyt rakenne. (Aifantis et al. 2010) 3.5 Turvallisuus ja materiaalivalinnat Yhdysvalloissa kulutustuotteiden turvallisuudesta vastaava virasto Consumer Products Safety Commission tilastoi 2000-luvun puolessa välissä toistasataa litiumioniakkuihin liittyvää onnettomuutta vuosittain. Useissa tapauksissa seurauksena on ollut myös henkilövahinkoja. (Capozzo et al. 2006) Yhdysvaltain lentoliikenteestä vastaavan ilmailuhallinnon tietoon on vuoden 2012 alkuun mennessä tullut yli 50 savuun, tuleen, korkeisiin lämpötiloihin tai räjähdykseen liittyvää onnettomuutta, joissa litium-ioniakku tai litiumiin perustuva paristo oli ollut osallisena. (FAA 2012) Nähtyjen ongelmien taustalla on useasti litium-ioniakuissa katodimateriaalina käytettävä koboltti- tai muu vastaava oksidi, joka muuttuu epävakaaksi ylilataamisen tai muusta aiheutuvan ylikuumentumisen seurauksena. Epävakaat materiaalit vapauttavat happea, joka taas hapettaa akun muita materiaaleja. Hapettuminen puolestaan tuottaa yhä lisää lämpöenergiaa, jonka seurauksena on reaktion terminen karkaaminen. Valmistusvirhe tai akun mekaaninen vahingoittuminen voivat aiheuttaa oikosulun, jonka seurauksena on tulipalo tai jopa räjähdys. Litium-ioniakkujen

18 Litium-ioniakun perusrakenne 18 turvallisuutta kyetään merkittävästi parantamaan materiaalinvalinnoilla, esimerkiksi korvaamalla katodimateriaalina käytetty kobolttioksidi huomattavasti vakaammalla rautafosfaatilla. (Snellman 2008) Apple- ja Dell-yhtiöiden 2000-luvulla kokemat ongelmat litium-ioniakkuja käyttävissä tuotteissaan aiheutuivat akkujen valmistusvaiheessa kennoihin joutuneista metallihiukkasista. Metallihiukkaset pystyivät joissakin tapauksissa läpäisemään positiivisen ja negatiivisen elektrodin välisen muovieristekalvon. Tämä aiheutti oikosulun ja ylikuumentumisen, joka edelleen hajotti eristettä, mistä seurasi entistäkin voimakkaampi ylikuumentuminen ja lopulta terminen karkaaminen. (Snellman 2008, Capozzo et al. 2006) Elektrodien välissä sähköisenä eristeenä toimiva huokoinen materiaali mahdollistaa litium-ionien virtaamisen kalvon lävitse elektrodilta toiselle. Eristemateriaalien kehitystyössä on tähdätty materiaaleihin, jotka pyrkisivät estämään tämänkaltaisen termisen karkaamisen. Materiaali valmistetaan siten, että lämpötilan noustessa tietyn turvallisen pisteen yläpuolelle materiaalin aukot sulkeutuvat jolloin virrankulku estyy. Monissa tapauksissa tämä pysäyttääkin ylikuumenemisen, mutta jos kuumeneminen jatkuu ylittäen materiaalin sulamisrajan, seurauksena on oikosulku ja räjähdysvaara. Lämpötilankestoa voidaan entisestään lisätä yhdistelemällä useampaa polymeerikalvoa, joista toinen kestää huomattavasti suurempia lämpötiloja suojaten oikosululta, toisen rajoittaessa virtaa tietyn alhaisemman lämpötilan ylityttyä. Myös keraamisten eristemateriaalien käyttöä on tutkittu. (Snellman 2008) Kulutuselektroniikassa käytössä olevat akut noudattavat yleensä kolmiportaista suojausrakennetta. Ensimmäisenä suojauksena toimii akun yhteydessä sijaitseva suojauselektroniikka, joka on suunniteltu estämään akun ylikuormittaminen ulkoisen oikosulun sattuessa. Jos ulkoinen elektroniikka pettää, on akut varustettu PTCvastuksella, jonka resistanssi nousee huomattavasti lämpötilan kohotessa rajoittaen virtaa. Jos PTC-vastuskaan ei kykene pysäyttämään ylikuormitustilannetta, on viimeisenä turvauduttava akun eristeiden ominaisuuksiin, jotka pyrkivät katkaisemaan virran kulun lämpötilojen kohotessa estäen termisen karkaamisen. Kytkettäessä PTC-vastuksella suojattuja kennoja useampia sarjaan voidaan saavuttaa tilanne, jossa yhden kennon suojauksen toimiessa jännite elementin ylitse ylittää PTC-rakenteen jännitekestoisuuden (n. 30 V) johtaen suojauksen pettämiseen.

19 Litium-ioniakun perusrakenne 19 PTC-vastuksen hajoaminen voi ilmetä kipinöintinä tai jopa liekkeinä. Ratkaisuna on varustaa esimerkiksi jokainen kuuden kennon sarja omalla riittävän tehonkeston omaavalla ohitusdiodilla. Tällöin ensimmäisenä ylikuormitustilanteeseen reagoivan kennon rinnalla oleva diodi ohjaa virtaa myös muille kennoille mahdollistaen PTC-elementtien tasapainoisen reagoinnin tilanteeseen, elementtien ylitse olevan jännitteen jakautuessa tasaisesti kennojen kesken. (Darcy 2003) Litium-ioniakkuja hyödynnettäessä tulisikin olla selvillä akkuihin mahdollisesti sisäänrakennetuista suojausrakenteista sekä niiden vaikutuksista ja mahdollisesti asettamista rajoitteista sovelluksessa. 3.6 Kennoista moduuleihin ja akustoihin Kuvassa 3.2 on esitetty lieriön muotoisen alumiinikannuun pakatun litium-ionikennon sisäinen rakenne sekä ohuen alumiinifoliopakkaukseen laminoidun litiumioni-polymeerikennon rakenne. Lieriömäiset akut on varustettu tyypillisesti turvallisuutta lisäävillä ylipaineventtiilillä sekä PTC-vastuksella. Kuvassa 3.3 on esitetty vastaavat valmiit kaupalliset tuotteet, joita voidaan käyttää kasatessa isompijännitteisiä ja tehoisia akustoja. Kennoja valmistetaan hyvin eri kokoisina ja muotoisina sekä eri materiaaleilla koteloituina. Esimerkiksi kiinalainen Winston Battery valmistaa yksittäisiä muovikoteloituja litium-ionikennoja aina 30 kah kokoluokkaan asti. Tiiviste Eriste Positiivinen napa Katodi johde Ylipaineventtiili PTC Separaattori Positiivinen napa Negatiivinen napa Negatiivinen napa (akun kuori) Anodi johde Separaattori Anodi Separaattori Katodi Pakkaus (Al folio) Eriste Katodi Anodi Kuva 3.2. Litium-ionikennon sekä litium-ioni-polymeerikennon sisäinen rakenne. (Sony 2001, Exa Energy 2012)

20 Litium-ioniakun perusrakenne 20 Kuva 3.3. A123 Systemsin tuotteita. Pienin APR18650-kenno (18mm x 65mm) varastoi 3,6Wh energiaa. Isoin ohut särmiön muotoinen AMP20 (n. 160 x 230 x 7 mm) on kooltaan 65Wh. (A123 Systems 2012) Pienistä sylinterimäisistä kennoista kasattuja akkuja on käytetty paljon kuluttajaelektroniikassa. Sähköautovalmistaja Tesla Motors on kuitenkin päätynyt käyttämään tyyppisiä AA-sormipariston kokoisia (18mm x 65mm) kennoja myös sähköautojensa energianlähteenä. Päätöksen takana on sanottu olevan turvallisuusnäkökohdat. Tesla Roadsterin akusto koostuu 6800 kappaleesta kennoja. Akuston kokonaispaino on 450 kilogrammaa ja akusto varastoi 56 kilowattitunnin edestä energiaa tarjoten lisäksi 215 kilowatin huipputehon. Akuston ominaisenergiakapasiteetiksi muodostuu tällöin noin 120 Wh/kg. Pienen kennokoon takia energiamäärä, joka on varastoituna yhteen kennoon on pieni. Tällöin yksittäisen kennon vikaantuessa seuraamukset jäävät huomattavasti pienemmiksi kuin energiamäärältään monta kertaa suuremman kennon vikaantuessa. Tesla Motorsin käyttämät kennot sisältävät myös PTC-elementin rajaamassa virtoja lämpötilojen noustessa. Lisäksi kennojen ylipaineventtiili on suunniteltu lauetessaan katkaisemaan myös virtatie. Kennojen teräskannut parantavat akun kohtaamien fyysisten rasituksien kestoa, ja hyvin lämpöä johtavana auttavat akun jäähdytyksessä. (Tesla Motors 2007, Tesla Motors 2012) Toista ääripäätä edustaa kasata akku yhdestä sarjasta isoja yksittäisiä kennoja. Tällöin kuitenkin yhden kennon vikaantuessa menetetään koko akun toimintakyky ja kapasiteetti. Lisäksi vikatilanteessa mahdollisesti purkautuvat energiamäärät ovat isoja. Toisaalta muutaman kymmenen yksittäisen kennon valvonta ja hallinta on

21 Litium-ioniakun perusrakenne 21 huomattavasti yksinkertaisempaa sekä edullisempaa kuin tuhansista yksittäisistä kennoista koostuvan akun hallintajärjestelmän toteutus. Kuvassa 3.4 on esitetty European Batteries -yrityksen tuoteratkaisuja. Tuotantolinjalla valmistetaan yhtä vakiokokoista 144 Wh ohutta laminoimalla valmistettua litium-ionikennoa. Tästä kennosta kootaan sarjaan tai rinnankytkemällä 8, 16, 24 tai 32 kennon valvonta- ja hallintaelektroniikalla varustettuja koteloituja akkuja. Yksittäisen akun jännite on korkeimmillaan 76,8 volttia ja kokoluokka vaihtelee noin 1-5 kwh välillä. Akkuja voidaan vielä tarpeen mukaan sarjaan tai rinnankytkeä sovelluksissa tarvittaviksi akustoiksi aina 1000 V jännite- ja 316 kwh energiatasoihin asti. (European Batteries 2011) Kuva 3.4. Yksittäisiä kennoja (1.) sarjaankytkemällä saadaan muodostettua valmis akku (2.). Akkuja voidaan käyttökohteen mukaan vielä sarjaan tai rinnankytkeä akustoiksi (3.) halutun jännitteen ja energiatason saavuttamiseksi. (European Batteries 2011)

22 Litium-ioniakun ominaispiirteet 22 4 Litium-ioniakun ominaispiirteet Litium-ioniakun purkausominaisuudet ovat verrattavissa nikkeliakkujen vastaaviin ominaisuuksiin. Sen sijaan käyttöjännite on kolminkertainen nikkeliakkuihin verrattuna, joten litium-ionirakenteella voidaan helposti toteuttaa myös yksikennoisia akkuja, joiden toteuttaminen nikkelipohjaisena vaatisi useampia kennoa. Litiumioniakkujen jännite laskee purettaessa hyvin maltillisesti, eivätkä akut kärsi nikkeliakkujen kaltaisesta muisti-ilmiöstä. (Snellman 2005b, Panasonic 2007) Tässä luvussa keskitymme käsittelemään litium-ioniakun sähköisiä ominaispiirteitä, jotka tulisi akkuja hyödynnettäessä sekä hallintajärjestelmää laatiessa ottaa huomioon. 4.1 Lataus ja kuormitettavuus Perinteisten kobolttioksidikatodiin perustuvien litium-ioniakkujen kennojännite on noin 4,20 volttia ja sen toleranssi on hyvin pieni (±0,05V). Litiumkennossa aiheutuu litium-metallin muodostumista anodille kennojännitteen ylittäessä 4,3 volttia. Metallina litium on erittäin syttymisherkkää. Samalla katodimateriaali muuttuu oksidoivaksi ja siitä alkaa vapautua happea. Kenno alkaa kuumentua ja tilanteen jatkuessa saattaa kennoon muodostuva kasvava paine purkautua jopa liekkien kera. Litiumakku ei siedä myöskään syväpurkausta ollen siten kriittisin alijännitteen suhteen perinteisistä akkutyypeistä. Jännitteen laskiessa perinteisessä kobolttioksidikemiaan perustuvassa kennossa alle 2,5 voltin kennossa muodostuu kuparia, mikä voi aiheuttaa sisäisiä oikosulkuja sekä kapasiteetin vähenemistä. (Snellman 2010, Snellman 2005b) Kennojen jännitteen ala- ja ylärajat vaihtelevat akun sähkökemiallisten ominaisuuksien mukaisesti. Esimerkiksi rautafosfaattikemiaan perustuvan akun tyypillinen jännitealue 2,5 3,65V eroaa selkeästi kobolttioksidiakun vastaavasta. Kuormitettaessa akkua tulisikin noudattaa akun valmistajan antamia ohjeistuksia, jotta luvattu suorituskyky sekä elinikä saavutettaisiin. Akun jännitetaso alenee akun purkautuessa ja lopussa se sukeltaa nopeasti. Purkauskäyrä kuitenkin muuttuu akun purkauslatausjaksojen myötä akun vanhentuessa sekä lisäksi käyrään vaikuttaa virran suuruus ja akun lämpötila kuvan 4.1 mukaisesti.

23 Litium-ioniakun ominaispiirteet 23 Varsinkin rautafosfaattiakuissa jännitekäyrä on hyvinkin tasainen laajalla varaustasoalueella kuvan 4.2 mukaisesti. Siten pelkkä jännitteenmittaukseen perustuva varaustasonilmaisin on hyvinkin epätarkka, kun lisäksi tulisi vielä huomioida akun iän, käyttöhistorian, lämpötilan sekä kuormitusvirran muutoksien vaikutus. (Snellman 2010, Väyrynen & Salminen 2011) Jännite (V) 3 Jännite (V) 3 5A C 0 C C 6 0 C Purkaustaso (%) 10A A 50A 2 100A 250A Purkaustaso (%) Kuva 4.1. Tyypillinen 5Ah litium-ionikennon jännitekäyrä purettaessa kennoa eri lämpötiloissa 5 A virralla sekä eri kuormitusvirroilla. (Kultgen 2009) Voltage ( V ) % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Discharge Capacity ( % ) C-rate Capacity (Ah) C (8.4A) 0.5C (21 A) 1C (42A) 2C (84 A) 3C (126 A) Average discharge voltage (V) Max. temp (ºC) Kuva Ah rautafosfaattiakun jännite suhteessa suhteelliseen varaustilaan eri purkausvirroilla (Väyrynen & Salminen 2011). 4.2 Käyttösyklit ja vanheneminen Kun lataus ja purkausjaksoja toistetaan alenee akun kapasiteetti käytön seurauksena ennen pitkää pysyvästi. Erityisen tärkeää pyrittäessä mahdollisimman pitkään elinikään on toimia valmistajan asettamien rajojen puitteissa. Litium-ioniakkujen elinikä riippuu paljolti akussa käytettävistä materiaaleista. Lisäksi mitä korkeammaksi lämpötilat nousevat kuormituksen aikana, sitä nopeammin akku menettää kapasiteettiaan. (Sony 2001, Väyrynen & Salminen 2011)

24 Litium-ioniakun ominaispiirteet 24 Esimerkiksi rautafosfaattikatodiin perustuvilla akuilla on mahdollista saavuttaa jopa 4000 syklin elinikä 20% kapasiteetin alenemalla, kun nikkelipohjaiseen katodiin perustuvilla akuilla vastaava alenema saavutetaan jo 650 syklin jälkeen. Litiumtitanaattianodiin perustuville akuille luvataan jopa yli syklin elinikää. (Väyrynen & Salminen 2011, Panasonic 2011b, Altairnano 2009) 4.3 Toimintalämpötila-alue Tyypillinen toimintalämpötila-alue nykyaikaiselle litium-ioniakulle on -20 C 60 C. Litium-ioniakun hyvästä hyötysuhteesta huolimatta kennojen lämpeneminen akkua kuormittaessa saattaa muodostua suorituskykyä rajoittavaksi tekijäksi, varsinkin lämpimissä olosuhteissa toimittaessa. Korkeissa lämpötiloissa akku vanhenee nopeammin ja liian kuumat olosuhteet saattavat johtaa jopa akun stabiilisuuden vaarantamiseen. Siksi varsinkin useampikennoisten akkujen terminen suunnittelu tulisi tehdä huolellisesti riittävän jäähdytyksen takaamiseksi. Vastaavasti alhaisissa lämpötiloissa voi ilmetä tarvetta lämmittää akkua riittävän toimintalämpötilan aikaansaamiseksi. Kylmissä olosuhteissa kennojen kapasiteetti sekä jännite pienenevät ja akun kyky vastaanottaa varausta heikkenee, joka vaikeuttaa lataamista. Kehitystyön haasteena onkin ollut parantaa akkujen suorituskykyä äärilämpötiloissa sekä pidentää akun elinikää korkeissa lämpötiloissa toimittaessa. (Väyrynen & Salminen 2011, Kim et al. 2008) 4.4 Itsepurkautuminen ja varastointi Litium-ioniakun itsepurkautuminen on vähäistä nikkeliakkujen purkautuessa jopa 10x nopeammin. Varauksen purkautumisnopeus varastoinnin aikana riippuu ympäristön lämpötilasta sekä akun varausasteesta. Mitä suurempi varausaste ja korkeammat lämpötilat, sitä suurempaa on itsepurkautuminen. Akku menettää pysyvästi kapasiteettiaan varastoinnin aikana sitä nopeammin mitä korkeampi on akun varaustaso sekä varastointilämpötila. Litium-ioniakut tulisikin varastoida viileässä ja niin alhaisella varaustasolla, joka kuitenkin vielä riittää pitämään akun jännitetason käyttörajojen sisällä itsepurkautumisesta huolimatta. Pitkän varastoinnin aikana tulisi huolehtia riittävän varaustason ylläpitämisestä tarvittaessa lataamalla akkua. (Sony 2001, Snellman 2005b, Panasonic 2007)

25 Litium-ioniakun tasapainon hallinta 25 5 Litium-ioniakun tasapainon hallinta Yksittäisen akkukennon jännite ja tehonantokyky on riittämätön esimerkiksi ajoneuvokäytöissä energialähteeltä vaadittaviin ominaisuuksiin nähden. Tällöin käytännön sovelluksessa tarvittava suorituskyky voidaan saavuttaa muodostamalla akustot useasta sarjaan ja rinnan kytketystä yksittäisestä kennosta. Monessa suhteessa erinomainen litiumakku on kaikkein herkin alijännitteelle ja ylilataukselle. Litium-ionikennojen muodostama akusto on varustettava erityisellä suojapiirillä, joka latauksen yhteydessä estää ylijännitteen. Suojapiirin tulee myös estää kennon tyhjentyminen alle kriittisen varaustason purkamisen aikana. Lisäksi kennon lämpötilaa on tarkkailtava ylikuumenemisen varalta. Yksilöllisistä eroavaisuuksista johtuen on kennojen sähköisissä parametreissa hajontaa kennojen välillä. Tällöin kennojen sisäisen impedanssin vaihdellessa aiheutuu lataus- ja purkuvirran vaikutuksesta kuormituseroja sarjaan ja rinnankytkettyjen kennojen välille. Tämä johtaa ennen pitkää eri varaustiloihin kennoissa. Yksinkertaista olisi valvoa pelkästään koko akuston kokonaisjännitettä ja virtaa, mutta tällöin ei voida havaita yksittäisten kennojen tilannetta. Tällöin jos lataustai purkutilanteessa varaustilannetta tarkastellaan koko akun kannalta, päädytään väistämättä ali- tai ylivaraukseen yksittäisten kennojen kohdalla. Akuston purku ja lataus joudutaan mitoittamaan heikoimman kennon perusteella, jolloin parhaissa kennoissa jää osa kapasiteetista ja eliniästä käyttämättä. Tämän seikan merkitys korostuu erityisesti ajoneuvokäytöissä käytetyissä suurissa ja kalliissa akuissa. (Snellman 2005b, Snellman 2010) Yli- ja alivaraukselle herkkien litiumioni-akkujen kohdalla onkin tarvetta monipuoliselle hallintajärjestelmälle, joka valvoo akun käyttöä yksittäisen kennon varaustilanteen sekä käyttöolosuhteet huomioiden. Seuraavissa kappaleissa esitellään eri ratkaisumalleja akun tasapainon hallitsemiseksi, kun tavoitteina on mahdollisimman pitkä akun elinkaari sekä mahdollisimman suuri hyödynnettävissä oleva kapasiteetti. Käsittely painottuu hallintajärjestelmän ominaisuuksiin, joista tarkemmin käydään lävitse akun mallintamista, varauksen tasapainottamista kennojen välillä sekä eri latausmenetelmiä.

26 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 26 6 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset Litium-ioniakkujen turvallinen käyttö voidaan taata varustamalla akusto hallintajärjestelmällä, joka valvoo akun käyttöä ja latausta sekä sisältää turvaominaisuuksia väärinkäyttötilanteiden varalta. Akun sähkökemiallinen suorituskyky heikkenee akun altistuessa vaativille käyttöolosuhteille, kuten suurille lämpötilavaihteluille ja usein toistuville lataus-purkausjaksoille. Haluttaessa turvata akun mahdollisimman suuri kapasiteetti ja pitkä elinikä tulee käyttöolosuhteita valvoa ja hallinnoida pysymään akun rajoitusten sisällä kuvan 6.1 mukaisesti. (Cheng et al. 2011) Vaurioitumisvaara (ylijänniteraja) Salli-u toiminta- alue (alijänniteraja) Vaurioitumisvaara Kuva 6.1. Litium-ioniakut ovat hyvin herkkiä vahingoittumaan ellei kennon jännitettä hallita pysymään turvallisten toimintarajojen sisällä. Näiden vaatimusten täyttämiseksi litium-ioniakkuja on alettu varustamaan erillisellä hallintajärjestelmällä. Esimerkiksi ajoneuvosovelluksissa haluttaessa hyödyntää akun koko kapasiteetti turvallisesti on akun hallintajärjestelmän ja ajoneuvon kyettävä viestimään luotettavasti keskenään akun toimintatilasta. Tavallisia hallintajärjestelmän akusta tarjoamia tietoja ovat jäljellä oleva toiminta-aika, varaustila (State of Charge, SoC), toimintakyky (State of Function, SoF), akun käyttöhistoria (lataus-purkausjaksojen määrä), kokonaiskapasiteetti sekä akun terveydentila (State of Health, SoH). (de Melo et al. 2011) 6.1 Varaustila, terveydentila ja toimintakyky Akun varaustilan (State of Charge, SoC) määrittäminen on oleellista, kun halutaan tietää akun jäljellä oleva kapasiteetti sekä pysyä toimintarajojen sisällä. Kun SoC tiedetään tarkasti, voidaan akkua ladata ja purkaa turvallisesti optimaalisissa rajoissa parantaen akun odotettua elinikää. Terveydentilan (State of Health, SoH) määrit-

27 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 27 tämisessä pyritään selvittämään akun ikääntymisen vaikutukset kapasiteettiin ja kuormitettavuuteen. Varaustila ilmoitetaan yleensä prosentteina kuvaten akussa jäljellä olevaa varausta suhteessa akun nimelliseen kapasiteettiin. Akun terveydentila ilmaisee paljonko akun kapasiteetti ja kuormitettavuus on pienentynyt alkuperäisistä lukemista. Akun toimintakyky (State of Function, SoF) pohjautuu kuormitettavuuden määrittämiseen käyttöhetkellä perustuen akun varaustilaan, terveydentilaan, ja lämpöolosuhteisiin. Jotta pysytään turvallisten käyttörajojen sisällä, on akun hallintajärjestelmän oleellista kertoa ulkopuolisille akkua kuormittaville järjestelmille suurimmat sallitut kuormitus- sekä latausvirrat riippuen akun toimintatilasta ja lämpötilasta. (Cheng et al. 2011, Hussein & Bataresh 2011, Kim & Cho 2011) 6.2 Lämmönhallinta Akun lämpötilan määrittäminen voi perustua yksinkertaisesti yksittäisten akkujen sekä ympäristön lämpötilojen mittaamiseen. Haluttaessa selvittää lämpökuormituksen jakautuminen tarkemmin voidaan ottaa käyttöön monimutkaisemmat lämpötilamallit, joissa otetaan huomioon pelkkien mittauksien lisäksi akun fysikaaliset lämmönsiirron ominaisuudet sekä akun kuormitushistoria. (Muratori 2009) Akuston lämpötila on hallittava pysymään sallituissa rajoissa. Akun kuumenemista voidaan rajoittaa kuormitustilanteissa rajoittamalla virtaa sekä ohjaamalla mahdollisia jäähdytysjärjestelmiä. Vastaavasti erittäin kylmissä olosuhteissa voidaan ohjata akuston lämmitysjärjestelmää. (Cheng et al. 2011) 6.3 Tasapainoitus Valmistusprosessin epäideaalisuuksien takia jokainen litium-ionikenno on yksilönsä. Eroavaisuudet sähköisissä arvoissa johtavat epätasaiseen kuorman jakautumiseen sarjaan- ja rinnankytkettyjen kennojen välillä, josta seuraa kennojen varaustasojen epätasapaino kuormituksen loputtua. Epätasapainon seurauksena akuston hyödynnettävissä oleva kapasiteetti pienenee ja elinikä lyhenee. (Cheng et al. 2011) Jotta pystyttäisiin hyödyntämään koko akuston kapasiteetti, eikä vain toimimaan heikoimman kennon ehdoilla, tulee akuston varaus tasapainottaa jakautuneeksi tasaisesti kaikille kennoille kuvan 6.2 mukaisesti. Jotta akusto pystytään lataamaan täyteen kapasiteettiinsa välttyen ylilataukselta, pitää eniten varausta sisältävien ken-

28 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 28 nojen varausta saada puretuksi. Vastaavasti purettaessa akkua pitää huolehtia, etteivät akuston heikoimmin varatut kennot tule alipuretuksi siirtämällä niihin varausta korkeammin varautuneista kennoista. (Cheng et al. 2011) Ylijännitekatkaisu Suurin hyödynne,ävissä oleva kapasitee,i Tasapainoinen lähtötilanne Alijännitekatkaisu Ylijännitekatkaisu Suurin hyödynne,ävissä oleva kapasitee,i Hyödyntämätön kapasitee,i purun jälkeen Alijännitekatkaisu Ylijännitekatkaisu Suurin hyödynne,ävissä oleva kapasitee,i Hyödyntämätön kapasitee,i latauksen jälkeen Alijännitekatkaisu Kuva 6.2. Sarjaankytketyissä kennoissa esiintyvän epätasapainon vaikutukset kuormitus- ja latausjaksojen jälkeen (Borne and Wen 2009). 6.4 Suojaominaisuudet Akustot muodostavat selkeän turvallisuusriskin altistuessaan korkeassa varaustilassa liialliselle lämmölle. Akun suositellut toimintalämpötilat ylittävät olosuhteet saattavat aiheutua ylilataamisen, ylikuormittamisen tai oikosulun seurauksena. Akun hallintajärjestelmän tulisikin hallita kyseiset tilanteet turvallisuuden takaamiseksi. Ylilataaminen voidaan estää aktiivisella hallinnalla sekä ehkäisevillä toimilla. Tasapainoitus huolehtii kennojen jännitteen pysymisestä käyttörajojen sisäpuolella, kun taas viimekädessä kytkinten avulla voidaan kennoja irrottaa latausvirrasta yksitellen mahdollistaen kuitenkin kennon purkamisen. Ylikuumeneminen on estettävissä ohjaamalla jäähdytysjärjestelmää ja rajoittamalla kuormitusta. Jos jäähdytysjärjestelmän päälle kytkeminen ei riitä pitämään lämpötiloja käyttörajojen sisällä, hallintajärjestelmä voi katkaista lataus- tai kuormitusvirran estääkseen virran aiheuttaman lämpenemisen.

29 Hallintajärjestelmän ominaisuudet ja vaatimukset 29 Oikosulkutilanteet johtavat helposti hyvin korkeisiin lämpötiloihin. Ulkoinen oikosulku voidaan hallita palautuvalla akustoa suojaavalla oikosulkuvirran katkaisijalla, kuten puolijohdekytkimillä tai tarkoitukseen suunnitelluilla katkaisijoilla. Palautumatonta sulaketta voidaan käyttää varatoimenpiteenä, jos ensisijainen suojaus pettää. (McDowall et al. 2007) Hallintajärjestelmän tulisi sisältää kennoja suojaavina ominaisuuksina ainakin ali- ja ylijännitesuojauksen, oikosulkutilanteista selviytyvän ylivirtasuojauksen sekä lämpötilasuojauksen (Lukic et al. 2008b). 6.5 Tarkkuus ja luotettavuus Hallintajärjestelmän mittauksien pitää olla tarkkoja sekä luotettavia, jotta akuston varaustila kyetään määrittämään tarkasti ja siten hyödyntämään akun koko kapasiteetti ilman, että ylitetään turvarajoja. Hallintajärjestelmän epätarkkuus ja heikko sähkömagneettisten häiriöiden sietokyky vaikuttaa suoraan akun hyödynnettävissä olevaan suorituskykyyn ja elinikään käytössä. (Douglass 2009) Akuston korkean energiatiheyden ja luonnollisen epästabiilisuuden seurauksena hallintajärjestelmältä edellytetään korkeaa luotettavuutta. Järjestelmän tulee selviytyä vakaana häiriötilanteissakin. Vikojen ilmaisu, vikamoodien vähyys sekä luotettavat viestintäyhteydet muodostavat hyvin suunnitellun hallintajärjestelmän perustan. (Douglass 2009) 6.6 Kustannukset ja valmistettavuus Kustannuksilla ja valmistettavuudella on suuri merkitys, jos järjestelmää on tarkoitus sarjavalmistaa. Kokonaiskustannukset riippuvat komponenttien kokonaismäärästä sekä valmistettavuudesta. Kalliiden komponenttien sekä johtimellisten kytkentöjen määrän minimoimisella pystytään järjestelmän kokoa ja painoa pienentämään sekä parantamaan valmistettavuutta.(douglass 2009) 6.7 Tehonkulutus Hallintajärjestelmä käyttää tyypillisesti myös itse akkua energialähteenään. Mahdollisimman pieneen akuston itsepurkautumisasteeseen sekä hyvään hyötysuhteeseen pyrittäessä tulee suunnittelussa ottaa huomioon myös hallintajärjestelmän itsensä kuluttama teho eri toimintatiloissa. (Douglass 2009)