Akkupaketti ja kokoonpano

Akkupaketin kokoonpano

Sähköajoneuvossa (EV) akkupaketin kokoonpano tarkoittaa yksittäisten akkukennojen sijoittelua akkupaketissa. Tämä kokoonpano vaikuttaa jännitteeseen, kapasiteettiin, tehoon ja ajoneuvon yleiseen suorituskykyyn.

Tavallisin sähköauton akkujen kokoonpano on sarja-parallellihybridikytkentä. Tässä ratkaisussa useat kennot kytketään sarjaan kasvattaen akkupaketin jännitettä, ja useat sarjaan kytketyt kennoryhmät kytketään sitten rinnan kasvattaen akkupaketin kokonaiskapasiteettia.

• Sarjakytkentä: Lisää akkupaketin jännitettä, mikä on välttämätöntä ajoneuvon voiman tuottamiseksi.
• Paralleellikytkentä: Lisää akkupaketin kapasiteettia, oleellista energian varastointiin halutun toimintamatkan saavuttamiseksi.

Bruttokapasiteetin laskemiseksi kerro kokonaisrinnankapasiteetti ampeeritunneissa (Ah) akkupaketin nimellisjännitteellä voltteina (V). Tulos on wattitunteina (Wh).

Esimerkki: Audi Q8 e-tron 55

Alla oleva kaavio näyttää akkumoduulin kokoonpanon Audi Q8 e-tron 55:stä. Tässä moduulissa on 12 akkukennoa, joista neljä on kytketty rinnan, ja näitä rinnakkaisia ryhmiä on kolme sarjakytkennässä.

• Akkukennojen tiedot: Jokaisella kennolla on nimellisjännite 3.6667 volttia ja kapasiteetti 72 Ah.
• Moduulin jännite: Kolmen kennon sarjakytkentä antaa moduulin jännitteeksi 11 volttia.
• Moduulin kapasiteetti: Neljä kertaa 72 Ah rinnakkain antaa moduulin kapasiteetiksi 288 Ah.
• Akkupaketin jännite: Q8 e-tron 55:ssä on yhteensä 36 moduulia sarjassa. 36 x 11 volttia = 396 volttia.
• Bruttokapasiteetti: 396 volttia x 288 Ah = 114,048 Wh eli 114 kWh bruttokapasiteettia.

Esimerkki: Tesla Model Y Long Range

Tesla Model Y Long Range käyttää 4,416 akkukennoa pienessä 21700-muodossa, jossa on 96 riviä ja 46 akkukennoa rinnakkain.

• Akkukennojen tiedot: Jokaisella kennolla on 4.8 Ah ja nimellisjännite 3.7 volttia.
• Rinnakkaiskapasiteetti: 4.8 Ah x 46 = 220.8 Ah.
• Akkupaketin jännite: 96 x 3.7 volttia = akkupaketin nimellisjännite 355 volttia.
• Bruttokapasiteetti: 355 volttia x 220.8 Ah = 78.4 kWh.

Esimerkki: Kia EV6 Long Range

Kia EV6 Long Range -akun kennot on yhteensä 384 kappaletta, kytketty 192 riviin siten, että kahdessa kennossa rinnakkain, ja moduuleissa kussakin 12 kennoa.

• Akkukennojen tiedot: Jokaisen kennon kapasiteetti on 55.6 Ah.
• Rinnakkaiskapasiteetti: 2 x 55.6 Ah = 111.2 Ah.
• Akkupaketin jännite: Nimellisjännite on 3.63 volttia per kenno. 192 x 3.63 volttia = 696.96 volttia akkupaketin nimellisjännite.
• Bruttokapasiteetti: 696.96 volttia x 111.2 Ah = 77.5 kWh.

Lisää esimerkkejä akkupaketeista

Here are some configuration examples:

Sähköajoneuvossa käytettävä akkupaketin kokoonpano riippuu monista tekijöistä, kuten halutusta toimintamatkasta, tehosta ja ajoneuvon painosta.

400 vai 800 volttia?

Valmistajat konfiguroivat tyypillisesti akkupaketit noin 400 voltiksi tai 800 voltiksi. Kummallakin kokoonpanolla on omat hyvät ja huonot puolensa:

400 voltin paketin edut

• Kypsämpi teknologia: 400-volttiset järjestelmät ovat vakiintuneempia ja luotettavampia.
• Edullisempi: Tuotantokustannukset ovat alhaisemmat.
• Laajalti saatavilla oleva latausinfrastruktuuri: Latauspisteiden löytäminen on helpompaa.
• Useammat kennokonfiguraatiot: Tarjoaa enemmän joustavuutta kennovaihtoehdoissa.

400 voltin paketin haitat

• Hitaampi lataus: Vaatii pidemmät latausajat.
• Rajoitettu teho: Ei välttämättä tarjoa samaa tehoa kuin 800-volttiset järjestelmät.
• Raskaampi: Vaatinee paksummat kaapelit saman latausnopeuden saavuttamiseksi.

800 voltin paketin edut

• Nopeampi lataus: Tukee korkeampia latausnopeuksia.
• Korkeampi teho: Voi tarjota enemmän tehoa.
• Kevyempi: Vaatinee ohuemmat kaapelit.

800 voltin paketin haitat

• Rajallinen latausinfrastruktuuri: Vähemmän julkisia latauspisteitä tukee 800-voltista latausta.
• Vaatii pienempiä kennoja: Estää suurempien kennovaihtoehtojen käytön, jotka tarjoavat korkeamman energiatiheyden ja vähemmän kaapelointia.

Akkupakettien suunnittelu

On olemassa useita vakiomalleja akkupakettien rakentamiseen.

Kennosta moduuliin (C2M)

Kennosta moduuliin (C2M) -rakenne sisältää useiden akkukennojen kokoamisen yhdeksi itsenäiseksi moduulikokonaisuudeksi, johon on integroitu elektroniikka ja jäähdytysjärjestelmät. Nämä moduulit voidaan sitten helposti yhdistää muodostaen täydellisen akkupaketin.

Jokaisella moduulilla on oma BMS, joka valvoo ja ohjaa kennon latausta ja purkua moduulin sisällä, mahdollistaen tarkemman hallinnan ja valvonnan yksittäisille kennoille.

Kennosta moduuliin (C2M) -rakenteen edut:

• Modulaarisuus: Yksittäiset akkumoduulit voidaan vaihtaa tai huoltaa itsenäisesti. Jos moduuli vioittuu, se voidaan korvata vaikuttamatta koko akkupakettiin.
• Lämpöhallinta: Moduulit tarjoavat tilaa lämpöhallintakomponenteille (kuten jäähdytyslevyille tai nestekiertoradoille), mikä auttaa säätelemään kennon lämpötilaa ja varmistamaan optimaalisen suorituskyvyn.
• Laajennettavuus: C2M-rakenteet tarjoavat joustavuutta akkupakettien kokoonpanossa. Valmistajat voivat säätää moduulien lukumäärää eri ajoneuvovaatimusten mukaan (esim. toimintamatka, teho tai koko).
• Turvallisuus: Moduulien sisäinen kennojen eristäminen parantaa turvallisuutta. Jos kennossa tapahtuu lämpöjuoksu tai muita vikoja, se ei vaikuta suoraan naapurikennoihin.
• Tuotantotehokkuus: Moduulien erillinen valmistus yksinkertaistaa kokoamista ja laadunvalvontaa. Se mahdollistaa myös moduulien rinnakkaistuotannon, mikä virtaviivaistaa valmistusprosessia.

Kennosta pakettiin (CTP)

Kennosta pakettiin (CTP) -rakenteet ovat uudenlainen akkuteknologia, joka poistaa tarpeen akkumoduuleille integroimalla kennot suoraan akkupakettiin. Useat yhtiöt, kuten Tesla, BYD ja CATL, kehittävät tätä teknologiaa.

BYD Blade ja CATL Qilin ovat kaksi esimerkkiä CTP-akuista. Merkittävin ero näiden akkujen välillä on niiden jäähdytysjärjestelmä. BYD Blade käyttää nestekiertoa jäähdytyksessä, kun taas CATL Qilin hyödyntää rakenteellista jäähdytystä, joka on tehokkaampi.

Kennosta pakettiin (CTP) -rakenteen edut:

• Yksinkertaisuus: CTP-rakenteet poistavat välivaiheen moduulit, vähentäen monimutkaisuutta. Akkupaketti integroi kennot suoraan.
• Tilankäyttö: Ilman moduuleja kennot saavat enemmän tilaa, mikä voi lisätä energiatiheyttä.
• Kustannustehokkuus: Vähemmän komponentteja (ei moduuleja) voi johtaa säästöihin tuotannossa ja kokoonpanossa.
• Painon pieneneminen: Moduulikotelointien poistaminen vähentää painoa, parantaen ajoneuvon tehokkuutta.

Rakenteellinen akkupaketti

Rakenteellinen akkupaketti on suunniteltu toimimaan sähköajoneuvon kantavana rakenteena. Tämä lähestymistapa voi keventää ajoneuvon painoa poistamalla kaksoisrakenteet akkupaketin ja ajoneuvon rungon välillä, kun akkupaketti muodostaa osan ajoneuvon rakenteesta.

Tämä rakenne voi parantaa ajoneuvon yleistä suorituskykyä ja tehokkuutta. Rakenteelliset akkupaketit ovat vielä suhteellisen uusia, mutta useat yritykset ja tutkimuslaitokset tutkivat ja kehittävät niitä.

Rakenteelliset akkupaketit ovat mullistus sähköautosuunnittelussa: ne vähentävät painoa ja monimutkaisuutta, parantavat suorituskykyä ja helpottavat akun saumattoman integroinnin eri sovelluksiin.

Tesla Model Y ja Tesla Cybertruck ovat kaksi mallia, joissa on rakenteelliset akkupaketit. Teslan mukaan tämä ratkaisu tarjoaa monia etuja, kuten merkittävästi vähentäen akkupaketissa ja ajoneuvossa tarvittavien osien määrää.

Tärkeämpää on, että yhtiö kertoi uusien kennojen ja rakenteellisen akkupaketin lisäävän Model Y:n toimintamatkaa 16 prosentilla ja vähentävän ajoneuvon kokonaismassaa 10 prosentilla, mikä parantaa kiihtyvyyttä ja ajettavuutta.

Tesla käyttää vaaleanpunaista polyuretaanivaahtoa kapseloidakseen ja lukitakseen komponentit rakenteellisessa akkupaketissa. Tämä vaahto toimii sekä eristeenä että rakenteellisena elementtinä, tarjoten jäykkyyttä ja suojan. Se varmistaa, että akkukennot ja muut kriittiset komponentit pysyvät paikallaan ja toimii palonsuojana paketin eri osien välillä.

Tämä vaahto on yhtä vahvaa kuin tiili, mikä parantaa paketin rakenteellista eheyttä.

Alla oleva video näyttää Munro & Associatesin yksityiskohtaisen analyysin akkupaketista.

Energiatiheys akkupaketin tasolla

Seuraava taulukko näyttää, miten akkupaketin energiatiheys on vaihdellut ajan kuluessa muutamien esimerkkipakettien välillä.

Lisätietoja akkupaketeista saa osoitteesta BatteryDesign.net.