UUSI AKKUTEKNIIKKA JA SEN VAATIMUKSET SÄHKÖAUTOSOVELLUKSISSA

Tomi Voutilainen UUSI AKKUTEKNIIKKA JA SEN VAATIMUKSET SÄHKÖAUTOSOVELLUKSISSA Opinnäytetyö Auto- ja kuljetustekniikka Huhtikuu 2009

KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä 29.5.2009 Tekijä(t) Tomi Voutilainen Koulutusohjelma ja suuntautuminen Auto- ja kuljetustekniikka Nimeke Uusi akkutekniikka ja sen vaatimukset sähköautosovelluksissa Tiivistelmä Työn tavoitteena oli selvittää uudelle sähköautoissa käytettävälle akkutekniikalle asetetut vaatimukset sekä esittää uusien akkutekniikoiden soveltuvuus näihin vaatimuksiin. Tavoitteena oli löytää tämän hetken akkutekniikoista paras vaihtoehto sähköautokäyttöön. Työssä käsiteltiin akkujen ja sähköautojen historiaa, rakennetta, ominaisuuksia, turvallisuutta, suorituskykyä, ympäristöystävällisyyttä sekä hintoja esimerkein ja laskelmin. Lisäksi työssä oli tavoitteena perehtyä akkujen kanssa käytettäviin akkujen hallintajärjestelmiin tutkimalla saatavilla olevia järjestelmiä ja vertailemalla niiden ominaisuuksia ja toimintaperiaatteita. Uusista akkutekniikoista parhaiten asetettuihin vaatimuksiin soveltui litium-rautafosfaattiakut, joiden etuina olivat hyvä energiatiheys, pitkä elinikä, turvallisuus ja ympäristöystävällisyys. Akkujen käyttöä kuitenkin rajoittaa matala tuotantokapasiteetti ja täten korkea hinta. Uusi akkutekniikka ei mahdollistanut eri laskuesimerkeissä samaa suorituskykyä järkevässä hintaluokassa kuin perinteiset polttomoottorikäyttöiset autot. Lisäksi uuden akkutekniikan mahdollistama käyttösäde ei yltänyt samalle tasolle perinteisten energianlähteiden kanssa. Akkujen kanssa käytettävät hallintajärjestelmät osoittautuivat varsin tarpeellisiksi sähköautokäyttöä silmälläpitäen. Järjestelmien tärkeimmät ominaisuudet ja toimintaperiaatteet osoittautuivat hyvin samankaltaisiksi, tosin kalliimmissa järjestelmissä lisäominaisuuksien määrä oli korkeampi. Asiasanat (avainsanat) Sähköautot, akut, autotekniikka Sivumäärä Kieli URN 44 Suomi URN:NBN:fi:mamkopinn200985014 Huomautus (huomautukset liitteistä) Ei liitteitä Ohjaavan opettajan nimi Jussi Ramu Opinnäytetyön toimeksiantaja Omaan käyttöön

DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis 29.5.2009 Author(s) Tomi Voutilainen Degree programme and option Bachelor s degree in automotive technology Name of the bachelor's thesis New battery technology and its requirements in electric cars Abstract The first purpose of this bachelor s thesis was to discover what requirements are set for today s electric cars and their battery technology, and to find the best solutions to meet these requirements. The topics that were presented in this thesis included history of electric cars and their batteries, their safety, construction, performance, environment friendliness and prices. These topics consisted of theory, examples and calculations. The second purpose was to study battery management systems for the new battery technology by comparing their properties and working principles. The best choice from the field of new battery technology for meeting the requirements was lithiumironphosfate batteries. Their advantages were good energy density, long lifespan, good safety and environment friendliness. At the moment the wide usage of these batteries is limited by small production quantities and therefore high prices. Examples show that at the moment the new battery technology doesn t offer the same performance in sensible price classes compared to normal gasoline powered cars. Also the limited driving range of battery-powered cars can t compete with traditional solutions. The studies of battery management systems showed that they are very important and useful in electric cars. The main properties and working principles of the systems were quite alike even though in more expensive systems the amount of properties was greater. Subject headings, (keywords) Electric car, battery, car technology Pages Language URN 44 Finnish URN:NBN:fi:mamkopinn200985014 Remarks, notes on appendices No notes or remarks Tutor Jussi Ramu Bachelor s thesis assigned by Own usage

SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 1 2 AKKUTEKNIIKAN JA SÄHKÖAUTON HISTORIAA AUTOTEOLLISUUDESSA... 2 2.1 Sähköauton ensimmäinen nousu ja tuho... 2 2.2 Sähköauton toinen nousu ja tuho... 3 2.3 Sähköauton kolmas nousu ja?... 4 3 UUDEN AKKUTEKNIIKAN VAATIMUKSET SÄHKÖAUTOISSA... 6 3.1 Turvallisuus... 6 3.1.1 Sähköturvallisuus... 6 3.1.2 Kemiallinen turvallisuus... 7 3.1.3 Rakenteellinen turvallisuus... 8 3.2 Suorituskyky... 8 3.3 Käyttösäde... 8 3.4 Ympäristöystävällisyys... 9 3.5 Hinta... 9 4 AKKUTEOLLISUUDEN RATKAISU: LITIUM-IONIAKUT... 10 4.1 Litium-ioniakun toiminta ja rakenne... 10 4.1.1 Litium-kobolttioksidiakut (LiCoO 2 )... 11 4.1.2 Litium-rautafosfaattiakut (LiFePO 4 )... 11 4.2 Akkujen energiatiheys... 12 4.3 Akuista saatava jännite... 13 4.4 Akkujen elinikä... 14 4.5 Akkujen hinta... 15 4.6 Akkujen mahdollistama suorituskyky... 16 4.6.1 Teho ja vääntö... 18 4.6.2 Nopeudet eri vaihteilla... 19 4.6.3 Kiihtyvyys... 20 4.6.4 Akkujen mahdollistama käyttösäde... 22 4.7 Akkujen turvallisuus... 23 4.7.1 Sähköturvallisuus... 23 4.7.2 Kemiallinen turvallisuus... 24

4.7.3 Rakenteellinen turvallisuus... 25 4.8 Akkujen ympäristöystävällisyys... 26 5 MODERNIEN AKKUJÄRJESTELMIEN HALLINTA JA MONITOROINTI... 27 5.1 Litium-ioniakkujen asettamat vaatimukset sähköautosovelluksissa... 27 5.2 Yksinkertaiset järjestelmät... 29 5.2.1 Black Sheep Technology Low-end BMS... 29 5.2.2 Agni Motors Lithium-ion Cell Charge and Discharge Controller... 31 5.2.3 Volt Blocher... 32 5.2.4 Yhteenveto... 33 5.3 Hienostuneet järjestelmät... 33 5.3.1 FEVT CCS... 34 5.3.2 Elithion Li-Ion BMS... 37 5.3.3 Yhteenveto... 39 6 POHDINTA... 39 LÄHTEET... 41

1 JOHDANTO 1 Akkukäyttöinen sähköauto on ollut olemassa kauan ennen nykyaikaisia polttomoottorilla varustettuja autoja. Sen historia on täynnä mielenkiintoisia käänteitä aina nykypäivään asti. Mistä syystä sähköautot eivät ole maailmassamme yleistyneet ja onko niiden aika vihdoin tullut? Akkukäyttöisten sähköautojen tuleminen perinteisten otto- ja dieselmoottoreilla varustettujen autojen markkinoille asettaa akuille monia vaatimuksia, joita perinteinen akkutekniikka ei ole voinut ratkaista. Viimeaikojen kehitys akkutekniikan alalla on kuitenkin mahdollistanut sähköautojen uuden tulemisen. Tämän työn tarkoituksena on luoda katsaus akkukäyttöisten sähköautojen historiaan, nykyaikaiseen sähköautoissa käytettävään akkutekniikkaan ja tutkia työn alussa nykypäivän akkutekniikalle asetettuja vaatimuksia käyttäen vertailukohtana perinteistä tekniikkaa. Tavoitteena on selvittää, mikä uusista akkutekniikoista on ominaisuuksiltaan sopivin sähköautoihin ja tehdä sen pohjalta esimerkkilaskelmia vertaillen akkujen mahdollistamaa suorituskykyä perinteisellä polttomoottoritekniikalla varustettuun autoon. Nykyaikaisen akkukäyttöisen sähköauton sisältämä akusto voi koostua jopa tuhansista yksittäisistä akkukennoista, joiden tehtävänä on tuottaa sähköauton tarvitsema energia. Kennojen valmistustoleransseista sekä olosuhteiden erilaisuudesta johtuva kennojen erilainen käyttäytyminen vaatii sähköauton akustolle erillisen hallintajärjestelmän, joka takaa kennojen pitkäikäisyyden ja toimivuuden. Paneudun työssäni täten akkutekniikan lisäksi myös nykyaikaisen akkutekniikan vaatimiin hallintajärjestelmiin, tarkoituksena luoda yleiskatsaus tämän hetken sähköautosovelluksiin tehdyistä akkujen hallintajärjestelmistä vertaillen niiden toimintatapoja sekä muita ominaisuuksia. Tarkoituksena on löytää potentiaaliset järjestelmät esimerkiksi Sähköautot - NYT! yhteisön sähköautokonversiota varten. Opinnäytetyön henkilökohtaisena tavoitteena on päästä sisälle täysin uudenlaiseen tulevaisuuden tekniikkaan, josta ei kouluopetuksessa ole ollut puhetta ja näin saada tulevaisuutta varten tärkeää tietoa itselle.

2 2 AKKUTEKNIIKAN JA SÄHKÖAUTON HISTORIAA AUTOTEOLLISUUDESSA Autoteollisuuden syntypäivistä tulee varmasti monelle mieleen ensimmäisenä nimet Nikolaus Otto, Carl Benz, Gottlieb Daimler sekä Henry Ford. Kaikki edellä mainitut olivat osaltaan polttomoottorikäyttöisten autojen pioneereja. Harva kuitenkaan tietää, että puoli vuosisataa ennen kyseisiä henkilöitä nimet, kuten Thomas Davenport ja Charles Page huristelivat ensimmäisillä akkukäyttöisillä sähköautoilla. (Leitman & Brant 2009, 35.) 2.1 Sähköauton ensimmäinen nousu ja tuho Alessandro Voltan vuonna 1800 esittelemä Voltan patsas oli ensimmäinen askel akkutekniikan ja sähkökäyttöisten ajoneuvojen tiellä. Voltan patsas oli sinkki- ja kuparilevyistä sekä suolaveteen kastetuista papereista muodostettu sähköpari. Yksinkertaisen hapettumis-pelkistymisreaktion seurauksena saatiin aikaiseksi ionien liikkeestä johtuvaa sähköenergiaa, joka synnytti sinkki- ja kuparilevyjen välille jännitteen. (Leitman & Brant 2009, 35.) Keksityn sähköparin käyttöä ajoneuvoissa edesauttoivat tasavirtamoottorin (DCmoottori) keksiminen 1830-luvulla. Ensimmäisen sähkökäyttöisen ajoneuvon toteutti yhdysvaltalainen seppä Thomas Davenport vuonna 1834. Voimanlähteenä se käytti sähköpareja, joita ei voitu ladata uudelleen. Muutama vuosi myöhemmin vuonna 1851 Charles Page esitteli sähkökäyttöisen auton, jonka huippunopeus oli 20 mailia tunnissa (Leitman & Brant 2009, 35). Sähköautojen yleistyminen vauhdittui kuitenkin vasta akkutekniikan läpimurron myötä vuonna 1859, kun Gaston Plante kehitti ladattavan lyijyakun (Leitman & Brant 2009, 35). Lyijyakun keksimisen jälkeen akuilla toimivat sähköautot saivat tuulta alleen ympäri maailmaa. Ensimmäiset maalla toteutetut nopeusennätykset ovat sähköautoilla toteutettuja, vuonna 1899 ranskalainen sähköauto La Jamais Contente oli ensimmäinen auto, joka rikkoi yli 100km/h nopeuden. Autossa oli kaksi 12 hevosvoiman sähkömoottoria ja 200 voltin akusto. (Leitman & Brant 2009, 37.)

3 Sähköautojen kulta-aikana vuonna 1912 Yhdysvalloissa oli rekisteröitynä 34 000 sähköautoa. Sähkökäyttöiset henkilöautot, taksit ja raskaammat jakeluautot olivat yleinen näky New Yorkin ja Pariisiin kaltaisissa kaupungeissa. Vaikka vuonna 1908 esitelty Ford T-malli oli jo markkinoilla, sähköautojen etuina olivat luotettavuus ja riittävä toimintasäde kaupunkiolosuhteissa. (Leitman & Brant 2009, 36.) Henry Fordin vuonna 1908 esittelemä Ford Model T oli ensimmäinen naula sähköautojen arkkuun. Yhdysvaltain öljyvallankumouksen jälkeen öljystä oli tullut maan suurin vaurauden lähde ja se haluttiin luonnollisesti hyödyntää autoteollisuuden parissa. Henry Fordin kehittämä liukuhihnaan perustuva autojen kokoonpano oli merkittävä keksintö kustannustehokkaiden polttomoottorikäyttöisten autojen tuomiseksi markkinoille. Viimeinen naula sähköautojen arkkuun oli polttomoottoriautojen käyttömukavuutta huomattavasti parantanut starttimoottori. Ironisesti sähköautot tuhonnut starttimoottori pohjautui täsmälleen samaan tekniikkaan, jota sähköautot käyttivät liikkuakseen. (Leitman & Brant 2009, 36.) 2.2 Sähköauton toinen nousu ja tuho Kalifornian alueen erittäin huono ilmanlaatu sai vuonna 1990 California Air Resources Boardin (CARB) säätämään Zero Emission Vehicle Mandaten (ZEV), jonka tarkoituksena oli vähentää alueen huonon ilmanlaadun aiheuttamia vakavia terveyshaittoja. Mandaatin tarkoituksena oli vähentää ajoneuvojen päästöjä niin, että vuoteen 1998 mennessä Kalifornian alueella myytävien automerkkien valikoimasta tulisi olla täysin päästöttömiä autoja 2%. Vuoteen 2001 mennessä määrän tuli olla 5% ja vuoteen 2003 mennessä 10%. Säädös oli hyvin rohkea veto yhdysvaltalaisessa öljy-yhtiöiden hallitsemassa autoteollisuudessa. Autonvalmistajat olivat hyvin käärmeissään uusista säädöksistä, mutta pakon edessä niiden oli kehiteltävä markkinoille täysin päästöttömiä malleja. (Paine 2006.) Vuonna 1996 General Motors toi markkinoille täysin sähkökäyttöisen auton. EV1 oli rakennettu alusta asti täysin sähköiseksi autoksi uusinta elektroniikan ja akkutekniikan tuntemusta hyväksikäyttäen. Lopputuloksena oli hyvin viimeistelty ajoneuvo, jonka käyttösäde oli alkuvaiheessa perinteisillä lyijyakuilla 120km ja myöhemmässä vaiheessa NiMH-akuilla jopa 240km yhdellä 8 tunnin kertalatauksella. Maksiminopeus

4 oli elektronisesti rajoitettu 130km/h. Autoa ei saanut kuitenkaan ostettua itselleen, vaan EV1 oli leasing-sopimuksella toimitettava ajoneuvo. General Motorsin EV1:en aikaan ilmaantui markkinoille myös Toyotan, Hondan, sekä Fordin täysin sähköisiä akkukäyttöisiä autoja. (Paine 2006.) Nopeasti kävi kuitenkin selväksi, että sähköautojen yleistymistä vastaan olevat voimat olivat liian suuret. Yhdysvaltain öljyteollisuus, yhdessä autoteollisuuden ja jopa George W. Bushin johtaman liittovaltion kanssa haastoivat CARB:n oikeuteen Zero Emission Vehicle Mandaten johdosta. Autoteollisuuden rintamassa keskeisenä yrityksenä oli General Motors, joka muutama vuosi sitten oli tuonut markkinoille oman EV1 sähköautonsa. Autoteollisuus yhdessä öljyteollisuuden kanssa vakuuttivat CARB:n sähköautojen kysynnän olevan olematon ja, että tulevaisuus olisi vetykäyttöisten polttokennojen parissa. CARB myöntyi painostuksen alla ja hylkäsi Zero Emission Vehicle Mandaten. (Paine 2006.) Muutama kuukausi CARB:n päätöksen jälkeen General Motors yhdessä muiden autovalmistajien kanssa alkoivat kerätä asiakkailtaan pois leasing-sopimuksilla olleet sähköautot. Asiakkaiden vaatimuksista huolimatta leasing-sopimuksia ei jatkettu, vaan autot pakotettiin luovuttamaan takaisin autovalmistajille rikosvastuun uhalla. Sähköautojen omistajat järjestäytyivät ja protestoivat autovalmistajien järjettömiä päätöksiä vastaan, mutta tuloksetta. Sähköautojen toisen tuhon hetkenä voidaan pitää tapahtumaa kun General Motors kuljetti keräämänsä EV1-sähköautot suljetulle testialueelleen, jossa ne romutettiin täysin. Samalla tavalla toimivat mm. Ford ja Honda omien sähköautojensa kanssa. (Paine 2006.) 2.3 Sähköauton kolmas nousu ja? Viime aikojen maailmanpoliittisesti merkittävät päätökset yhdessä huimasti nousseen polttoaineiden hintojen, taloudellisen taantuman sekä ilmaston lämpenemisen kanssa ovat pedanneet tien sähköautojen kolmannelle tulemiselle. Yhdysvaltojen päätös vähentää miehitystään Lähi-idässä ja keskittää voimavaransa öljyriippuvuuden vähentämiseksi on suorastaan vallankumouksellinen päätös sähköautojen ja akkutekniikan osalta. Barack Obaman juuri amerikkalaiselle autoteollisuudelle myöntämät 2,4 miljardin dollarin avustukset akkutekniikan, sähköautojen sekä latausinfrastruktuurin ja

asiaan liittyvän koulutuksen kehittämiseksi antaa osviittaa tulevaisuudesta. (Yhdysvaltain energiavirasto 2009.) 5 Autoteollisuus ympäri maailman painii taantuman alla autojen myyntilukujen laskiessa. Moni suuri autonvalmistaja onkin jo tässä vaiheessa päättänyt lähteä aktiivisesti sähköautojen sekä akkutekniikoiden pariin. Nissan-Renault allianssi on julkistanut rakentavansa suuren akkutehtaan Portugaliin ja keskittyvänsä tulevaisuudessa pääasiassa sähköautojen kehitykseen (Reuters 2009). General Motors tuo markkinoille Yhdysvalloissa Chervolet Volt sähköautonsa. Eurooppaan kyseinen auto tulee Opel Amperan nimellä 2011. Toyota on ollut pitkään hybriditeknologian puolestapuhuja ja onkin nyt julkistanut verkkovirrasta ladattavan uuden Prius-mallin. Sähköautojen uuden tulemisen aallonharjalla ratsastaa tällä hetkellä kuitenkin markkinoille uutena autovalmistajana rynninyt, Piilaaksossa päämajaansa pitävä Tesla Motors. Teslan menestystarinan takana on ehdottomasti uusimpien sähköautoihin liittyvien innovaatioiden hyödyntäminen, niin akkutekniikassa kuin moottoreissakin. Tesla julkaisi vuonna 2006 urheiluauton nimeltään Tesla Roadster. Kunnioitettavalla 393km käyttösäteellä ja räjähtävällä kiihtyvyydellä varustettu urheilullinen sähköauto oli täysin uutta citymaastureiden aikakaudella. Tesla Roadsterin 100 000 dollarin hinta tosin rajaa ostajakunnan varsin pieneksi. Tesla Motors ei kuitenkaan lepää laakereillaan, vaan on juuri julkistanut uuden Tesla Model S-mallin. Model S on täysiverinen neliovinen sedanmallinen perheauto jopa 480km käyttösäteellä ja 50 000 dollarin hintalapulla. Lisäksi Tesla on kovaa vauhtia kehittelemässä sähköautoa kilpailemaan 25 000 dollarin hintaluokassa. Kaupallisten autovalmistajien lisäksi sähköautojen uudesta noususta kertoo lukuisat pienempien yhteisöjen, yritysten sekä yksityishenkilöiden suorittamat sähköautokonversiot. Konversion tarkoituksena on muuntaa otto- tai dieselmoottorilla varustettu henkilöauto täysin sähkökäyttöiseksi. Konversion teko on ideana varsin viisas, valmiin auton käyttäminen on ympäristölle huomattavasti parempi vaihtoehto kuin kokonaan uuden auton valmistus. Akkukäyttöinen sähköauto on tällä hetkellä kaikkien huulilla autoteollisuudessa. Sen läpimurto voi tapahtua aikaisemmin, kuin monet kuvittelevatkaan. Paljon riippuu meistä kuluttajista, haluammeko tulevaisuudessa ajaa päästöttömästi sähköautoilla vai jatkammeko fossiilisten polttoaineiden kulutusta surutta?

3 UUDEN AKKUTEKNIIKAN VAATIMUKSET SÄHKÖAUTOISSA 6 Öljy-yhtiöiden hallitsemassa automaailmassa sähköauton yleistyminen vaatii akkuteollisuudelta erittäin suurta panosta tuotekehitykseen sekä markkinointiin. Autotehtaiden asiakkaat ovat tottuneet jo äidinmaidossaan polttomoottoriin perustuvaan tekniikkaan sekä siihen liittyvään käyttökokemukseen. Sähköautoista puhuttaessa kuluttajien suusta kuultavat sähköautoja koskevat kysymykset ovatkin yleensä: ovatko ne turvallisia?, kuinka pitkälle niillä pääsee?, ovatko ne tarpeeksi tehokkaita? sekä kuinka paljon ne maksaa?. Nämä yksinkertaiset kysymykset luovat tärkeimmät vaatimukset sähköautoissa käytettävälle akkutekniikalle. Tässä osiossa tutkin mitä vaatimuksia perinteinen polttomoottoritekniikka asettaa sähköautojen akkutekniikalle. 3.1 Turvallisuus Autoteollisuuden yksi tärkeimmistä lähtökohdissa nykyisessä autosuunnittelussa on kuljettajan, matkustajien sekä muiden tielläliikkujien turvallisuus kaikissa ajotilanteissa. Tähän syvälle juurtuneeseen turvallisuusajatteluun myös uuden akkutekniikan on sovittava saumattomasti. 3.1.1 Sähköturvallisuus Perinteisen polttomoottorikäyttöisen henkilöauton sähköjärjestelmä toimii 12V nimellisjännitteellä. Virran järjestelmään tuottaa kolmivaiheperiaatteella toimiva kampiakselin pyörittämä generaattori, kansankielisesti laturi. Laturin tuottama energia tallennetaan perinteiseen lyijyakkuun. Sähköjärjestelmä osallistuu pääasiassa vain oheislaitteiden sekä sytytyksen hoitoon bensiinikäyttöisissä järjestelmissä. Varsinaista liikeenergiaa se ei tuota normaalissa ajotilanteessa. Järjestelmä on yleensä maadoitettu auton metallisiin runkorakenteisiin. 12 voltin tasajännitteellä toimiva järjestelmä on varsin turvallinen myös vikatilanteessa sähköturvallisuuden kannalta. Alle 50 voltin tasajännitteellä toimivat järjestelmät luovat harvoin hengenvaaran esimerkiksi sydänpysähdyksen muodossa, mutta voivat aiheuttaa soluvaurioita ja vakavia palovammoja suuren oikosulkuvirran ansiosta. (Tukes 2009.)

7 Sähköauton kohdalla auton pääasialliset sähköjärjestelmät koostuvat kahdesta erillisestä järjestelmästä: korkea- ja matalajännitejärjestelmistä. Matalajännitejärjestelmänä voi toimia esimerkiksi perinteinen 12 voltin käyttöjännitteeseen pohjautuva järjestelmä, jonka tehtävänä on apulaitteiden, kuten valojen ja sähköisen ohjaustehostimen hoitaminen. Korkeajännitejärjestelmän tehtävänä on tuottaa auton liikuttamiseen saatava energia. Korkeajännitejärjestelmän nimellisjännite voi sähköautosta ja haluttavasta suorituskyvystä riippuen olla esimerkiksi Tesla Roadsterin 375 volttia. Järjestelmässä esiintyvä jännite on täten yli kolmekymmentä kertaa suurempi, kuin perinteisen polttomoottorikäyttöisen auton kohdalla. Kun lisätään yhtälöön järjestelmässä kiihdytyksessä esiintyvät suuret virrat on ensiarvoisen tärkeää, että auton sähköturvallisuus olisi riittävä. 3.1.2 Kemiallinen turvallisuus Polttomoottorikäyttöisten ajoneuvojen energianlähteenä on perinteisesti olleet maaöljystä tislatut eri bensiini- sekä diesellaadut. Kyseisten energianlähteiden toimivuuden kannalta niiden itsesyttymislämpötila on bensiinillä n. 300 celsius astetta ja dieselillä n. 250 astetta (Bauer ym. 2002). Tämän vuoksi niiden höyryt ovat tilanteesta riippuen erittäin palamis- ja räjähdysherkkiä. Moottoribensiini luokitellaan virallisesti erittäin helpoksi syttyväksi, myrkylliseksi sekä ympäristölle vaaralliseksi nesteeksi (Työterveyslaitos 2006). Moottoribensiinin syttymisherkkyys onkin hyvin yleinen syy autopaloihin esimerkiksi kolaritilanteessa. Sähköauton akkujärjestelmän turvallisuus riippuu suurelta osalta akun reagoinnista vikatilanteissa, kuten oikosulkutilanteessa tai kolaritilanteessa akun saadessa fyysisiä vaurioita. Akun täytyisikin olla myös kemialliselta rakenteeltaan sellainen, että oikosulut tai fyysiset vauriot eivät aiheuta akun kemiallisten aineiden reagoidessa palamis- tai räjähdysreaktiota ajoneuvossa.

3.1.3 Rakenteellinen turvallisuus 8 Nykyaikainen auto on suunniteltu hyvin pitkälle siinä käytettävän otto- tai dieselmoottoriteknologian vaatimusten mukaan. Perinteistä teknologiaa käytettäessä iso polttomoottori toimilaitteineen on sijoitettu yleensä auton etuosaan ja polttoainevarastona toimiva polttoainetankki auton takaosaan. Sähköauton tapauksessa varsinainen moottori on huomattavasti pienempi fyysiseltä kooltaan ja voi täten sijaita perinteisellä paikalla auton etuosassa tai napamoottorina suoraan pyörässä. Haasteen sähköautolle asettaakin ison akuston sijoittaminen korirakenteisiin. Akuston suuri fyysinen koko sekä paino tulee ottaa huomioon auton suunnittelussa, koska se vaikuttaa auton ajettavuuteen sekä käyttäytymiseen kolaritilanteissa. 3.2 Suorituskyky Viime aikojen kehityksen trendinä polttomoottoritekniikassa on ollut käsikädessä kulkeva moottoritehojen kasvu kulutuksen pienentyessä. Ahdintekniikan kehittyminen ja yleistyminen litratilavuudeltaan pienien moottorien kanssa ovat mahdollistaneet kulutukseltaan varsin maltilliset, mutta tehokkaat moottorit. Perinteisen moottoritekniikan avulla liikennevirran mukana pysyminen sekä tarvittavien nopeuksien saavuttaminen toteutuu jokaisessa tilanteessa edullisillakin autoilla. Menestyvältä sähköautolta tulisi täten odottaa samanlaista suorituskykyä. 3.3 Käyttösäde Nykyisten otto- ja diesel-moottorilla varustettujen henkilöautojen kulutuslukemat ovat laskeneet viime aikoina hyvin maltilliselle tasolle erityisesti ahdintekniikan kehittymisen vuoksi. Ford Fiesta 1,6TDCi ECOnetic mallin yhdistetyksi EU-kulutukseksi valmistaja ilmoittaa 3,7l/100km ja polttoainetankin kooksi 45 litraa (Ahonen, Hannu 2009). Käyttösäde olisi tällöin varsin huima n. 1215km yhdellä tankillisella. Sähköauton akkutekniikalla on täten suuret saappaat täytettäväksi voidakseen mahdollistaa bensiini- sekä dieselmoottoristen autojen tuottaman käyttösäteen.

3.4 Ympäristöystävällisyys 9 Polttomoottorilla varustettujen autojen päästöt ovat olleet puheenaiheena jo kymmeniä vuosia. Haitallisia päästöjä on rajoitettu ajan saatossa katalysaattoreilla sekä hiukkassuodattimilla. Kasvihuonekaasuksi luokitellun hiilidioksidin tupruamista pakoputkesta ei kuitenkaan voida millään suodattimella estää, niin kauan kuin moottori tuottaa liikeenergiansa palamisen seurauksena. Lisäksi polttomoottorilla varustetut autot tuottavat moottoria koskevien huoltojen sivutuotteina huiman määrän jätettä, jota ei sähköauton tapauksessa synny. Sähköautojen tärkeimpänä asiana markkinoinnissa aikojen saatossa on ollut sähköauton ekologisuus ja ympäristöystävällisyys. Täysin päästöttömän ja ylivertaisella moottorin hyötysuhteella varustetun sähköauton tulisi olla akkutekniikankin osalta mahdollisimman ympäristöystävällinen hyvän kokonaisuuden kannalta. Lisäksi sähköautoon valittavien akkutekniikoiden kohdalla kierrätys tulee olemaan tulevaisuudessa hyvin tärkeä asia. Sähköautojen vallatessa markkinat akkujen tuotanto kasvaa räjähdysmäisesti. Samalla akuista syntyvän jätteen määrä kasvaa huimasti. Ekologisesti hyväksyttävän akun tulisi olla materiaaleiltaan, sekä kierrätettävyydeltään mahdollisimman ympäristöystävällinen. 3.5 Hinta Suomen suosituin auto Toyota Corolla kuuluu hinnaltaan n. 20 000 euron luokkaan. Tällä kertasijoituksella saa toimivan käyttöauton pienellä ja taloudellisella 1,4 litraisella bensiinikoneella. Jotta akkukäyttöisestä sähköautosta saadaan jokaisen perussuomalaisen kulkuväline, sen hankintahinnan täytyy olla kilpailukykyinen perinteisiin vaihtoehtoihin verrattuna. Sähköautojen suurin menoerä kautta aikojen on ollut akuston hankinta. Juuri akkujen korkea hankintahinta on rajoittanut sähköautotekniikan yleistymistä normaalissa hintaluokassa. Akkuteollisuudella on näin ollen suuri haaste saadakseen markkinoille kilpailukykyisesti hinnoiteltuja akkuja.

4 AKKUTEOLLISUUDEN RATKAISU: LITIUM-IONIAKUT 10 Litium-ioniakut ovat vallanneet viime vuosina akkumarkkinat niin kännyköissä, ladattavissa paristoissa kuin kannettavien tietokoneiden akkuinakin. Niiden keveyden sekä muiden hyvien ominaisuuksien ansiosta ne ovat selkeä valinta myös sähköautosovelluksiin. Tällä hetkellä sähköautosovelluksissa suosituimmat ja lupaavimmat litiumioniakkutekniikat ovat litium-kobolttioksidi- (LiCoO 2 ) sekä litium-rautafosfaattiakut (LiFePO 4 ) ja näiden eri variaatiot. Keskitynkin tutkimaan etenkin näiden kahden akkutekniikan ominaisuuksia ja mahdollisuuksia sähköautosovelluksissa verraten niitä perinteisiin akkutekniikoihin. 4.1 Litium-ioniakun toiminta ja rakenne Litium-ioniakku on uudelleen ladattavissa oleva sähkökemiallinen pari joka koostuu yhdestä tai useammasta katodin, anodin sekä elektrolyytin muodostamasta kennosta. Nämä yksittäiset kennot muodostavat sähköauton akuston. KUVA 1. Litium-kobolttioksidiakun rakenne ja toiminta (Panasonic 2007)

11 Litium-ioniakku varastoi kemiallista energiaa litium-ionien muodossa akkukennon elektrolyyttiin sekä anodille. Tämä kemiallinen litium-ionien sisältämä energia voidaan muuntaa sähkövirraksi hapetus- ja pelkistysreaktioiden avulla. Varattua litiumioniakkua purettaessa akun napojen välille syntyvä jännite johtuu anodiin ja elektrolyyttiin varastoituneiden litium-ionien liikkeestä katodille. Akun napojen välille syntyvä potentiaalieron suuruus riippuu anodi- ja katodimateriaaleista, niiden rakenteesta sekä käytettävästä elektrolyytistä. Ladatessa litium-ioniakkua, ulkoiselta virtalähteeltä saadut elektronit aiheuttavat litiumionien kulkeutumisen katodilta takaisin anodille ja elektrolyyttiin. (Dhameja 2002) 4.1.1 Litium-kobolttioksidiakut (LiCoO 2 ) Litium-kobolttioksidia katodina käyttävät akut ovat tällä hetkellä markkinoiden tehokkaimmat litium-ionisovellukset akkutekniikan saralla. LiCoO 2 kenno muodostuu normaalisti litium-kobolttioksidilla päällystetystä katodista sekä grafiitilla päällystetystä anodista. LiCoO 2 -akun pitkän kehitystyön tuloksena 1990-luvun alusta lähtien sen energiatiheys on tällä hetkellä saatavista litium-ioniakuista paras. LiCoO 2 -akun suurena haittapuolena on kuitenkin sen epästabiilius korkeissa lämpötiloissa sekä koboltin myrkyllisyys. Oikosulun aiheuttaman ylikuumenemisen tai liian korkean latausjännitteen seurauksena voi olla metallisen litiumin reagoiminen hapen kanssa, joka aiheuttaa vakavan räjähdysvaaran. LiCoO 2 -akkujen käyttö sähköautosovelluksissa vaatiikin erittäin tarkkaa akkujen valvonta- ja hallintalaitteistoa turvallisuuden takaamiseksi. LiCoO 2 -akkujen mahdolliset turvallisuushaitat ovat pakottaneet kehittelemään stabiilimpia rakenteita. 4.1.2 Litium-rautafosfaattiakut (LiFePO 4 ) Litium-rautafosfaattia katodipinnoitteena käyttävät akkurakenteet ovat tällä hetkellä akkuteollisuuden suurimman mielenkiinnon kohteina. LiFePO 4 -kenno koostuu esimerkiksi litium-rautafosfaatilla päällystetystä katodista sekä grafiittipäällysteisestä anodista. LiFePO 4 -akkujen suurimpana etuna on niiden hyvä stabiliteetti verrattuna muihin litium-ioniakkuihin. Raudan ja hapen väliset sidokset ovat paljon vahvemmat kuin esimerkiksi koboltin ja hapen. Näin LiFePO 4 -akuissa tarvitaan huomattavasti

suurempi lämpötila näiden sidoksien hajottamiseen. Sähköautosovelluksia ajatellen turvallisuus on kunnossa. 12 4.2 Akkujen energiatiheys Akkujen paino verrattuna niistä saatavaan energiamäärään on ollut aina yksi suurimmista ongelmista sähköautoissa. Akkutekniikoiden energiatiheys on merkittävin tekijä sähköauton käyttösäteelle. KUVIO 1. Akkutekniikoiden erot energiatiheydessä (Leino 2009) Moottoribensiinin energiatiheys eli ominaislämpöarvo on 42,7MJ/kg (Bauer ym. 2002, 280), tämä muutettuna akkujen kanssa käytettävään wattituntia per kilogramma on n. 11 800Wh/kg. Voidaankin huomata, että bensiini on monikymmenkertaisesti parempi polttoaine energiatiheydeltään kuin yksikään nykypäivän akkutekniikan sovellus. Akkutekniikan kehityksessä paneudutaankin tällä hetkellä voimakkaasti juuri energiatiheyden kasvattamiseen esimerkiksi nanoteknologian avulla. Tämän hetken litiumakkutekniikoista parhaan energiatiheyden omaa vielä LiCoO 2. LiFePO 4 akut kurovat kuitenkin jatkuvasti välimatkaa kiinni. Molemmat akkutekniikat omaavat jo tällä hetkellä huomattavasti paremman energiatiheyden, kuin sähköautoissa perinteisesti käytetyt lyijy- tai nikkelimetallihybridiakut.

4.3 Akuista saatava jännite 13 Akuissa tapahtuvat kemialliset reaktiot määräävät syntyvän potentiaalieron suuruuden ja täten kennosta saatavan jännitteen. Sähköautosovelluksissa suorituskyky on riippuvainen yksittäisten kennojen muodostamasta kokonaisjännitteestä sekä niiden virranantokyvystä. Onkin edullista, että yhdestä kennosta saatava jännite olisi tarpeeksi suuri. KUVIO 2. Akkutekniikoiden erot kennojännitteissä (Leino 2009) Lyijyakussa yksittäisen kennon elektrodien välille syntyvä jännite on lepotilassa 2V. Auton 12V käynnistysakussa on täten kuusi tällaista kennoa sarjaankytkettynä. Käytettäessä esimerkiksi LiCoO 2 -pohjaisia kennoja sama jännite saataisiin teoriassa 3,33 kennolla. Esimerkiksi Toyota Prius hybridiautossa käytettävien NiMH-akkujen akilleenkantapää on kennoista saatava matala jännite. Priuksen 168 NiMH-kennoa tuottaa yhteensä n. 201V jännitteen, sama jännite saadaan käytännössä 56:lla LiCoO 2 - kennolla tai 63:lla LiFePO 4 -kennolla. Sähköautokäyttöä silmälläpitäen suurin jännite saadaan LiCoO 2 -kennoista. Myös LiFePO 4 -kennoista saatava jännite on varsin kelvollinen verrattuna perinteisiin vaihtoehtoihin.

4.4 Akkujen elinikä 14 Perinteisellä bensiini- tai dieselmoottorilla varustetun auton kohdalla ei ole kertakäyttöisen energianlähteen vuoksi varsinaista tankkauskertojen maksimimäärää. Auto kulkee niin pitkään kun moottori sekä apulaitteet toimivat ja polttoainetankki pysyy vuotamattomana. Sähköauton kohdalla akkutekniikan kemiallisen luonteen vuoksi kennot kuluvat hieman jokaisen lataus-purkusyklin aikana. Pidemmällä aikavälillä tämä näkyy kennoista saatavan energiakapasiteetin vähenemisenä. Näin ollen on tärkeää, että akkujen elinikä on riittävä auton elinikään nähden. KUVIO 3. Akkutekniikoiden erot eliniässä (Leino 2009) Nykyisillä LiFePO 4 -kennoilla voidaan saavuttaa jopa 3000 latauksen lukemia vanhojen lyijyakkujen latauskertojen jäädessä 300 kertaan. Jos kuvitellaan sähköauton akkujärjestelmän pystyvän tuottamaan yhdellä latauksella energiaa esimerkiksi 100km matkaa varten, voidaan LiFePO 4 kemialla varustetuilla kennoilla saada teoriassa jopa 300 000km kestävyys. Käytännössä latauskertojen lukumäärään ja akkujen kulumiseen vaikuttaa huomattavasti muuttuvat olosuhteet sekä akkujen hallinta ja ajotapa, joten todellinen kestävyys on riippuvainen monesta asiasta. Akkutekniikoiden elinikää verrattaessa litium-rautafosfaattiakut ovat ylivertaisia muihin tekniikoihin verrattuna ja täten ne ovat paras vaihtoehto pidempiaikaiseen käyttöön sähköautoissa.

4.5 Akkujen hinta 15 Sähköautojen ja niissä käytettävän uuden litium-ioniakkutekniikan yleistymistä rajoittaa tällä hetkellä niiden matala tuotantokapasiteetti ja täten erittäin korkea hinta. Joidenkin akkutyyppien kohdalla hintaa nostaa myös käytettävien materiaalien korkea maailmanmarkkinahinta. KUVIO 4. Akkutekniikoiden erot hinnoissa (Taskinen 2008) Sähköautosovelluksissa tämän hetken edullisin akkuvaihtoehto on vieläkin ehdottomasti perinteinen lyijyakku. Sen valtaisa tuotantokapasiteetti sekä yksinkertainen rakenne mahdollistavat edullisen hinnan. Lisäksi lyijyakkujen tuotanto painottuu sähköautokäyttöä ajatellen suuriin kokoihin. NiMH-akuissa hintaan vaikuttaa nikkelin korkea maailmanmarkkinahinta. Sama koskee LiCoO 2 -akuissa käytettävää kobolttia. Lisäksi molempien akkujen rasitteena on se, että tuotantolaitokset ovat keskittyneet tuottamaan pääasiassa pieniä akkuja matkapuhelimiin ja muuhun elektroniikkaan. Tulevaisuuden litium-ioniakuista LiFePO 4 omaa parhaat mahdollisuudet kasvaa kustannustehokkaaksi ratkaisuksi. LiFePO 4 -akkujen hinnat ovatkin tulleet muutaman viime vuoden aikana alas lehmän hännän lailla tuotantokapasiteetin kasvaessa. LiFe- PO 4 omaa lisäksi huomattavan edun edullisen raudan käytössä raaka-aineena. LiFe-