Sähköautojen akkujen lämmönhallinta vaihtelevissa ulkolämpötiloissa

Abstract

Akun toiminta on yksi eniten sähköautojen suorituskykyyn vaikuttava tekijä. Nykyään sähköautoissa käytettävät litiumioniakut ovat herkkiä lämpötilalle, jonka vuoksi niitä tulisi käyttää oikealla lämpötila-alueella. Akkujen käyttäminen väärässä lämpötilassa heikentää niiden suorituskykyä, lyhentää käyttöikää ja voi aiheuttaa turvallisuusriskejä. Näiden syiden takia akun lämmönhallintajärjestelmä on keskeisessä roolissa sähköauton suorituskyvyn ja käyttöturvallisuuden kannalta. Ulkolämpötilan vaihtelut esimerkiksi vuodenaikojen mukaan aiheuttavat lämmönhallintajärjestelmälle lisävaatimuksia, koska akkua voidaan joutua jäähdyttämisen lisäksi lämmittämään. Tämän työn tavoite on selvittää mikä on sopivin lämmönhallintakeino vaihtelevissa ulkolämpötiloissa. Työssä vertaillaan erilaisia lämmönhallintatekniikoita ja arvioidaan sopivimmat vaihtoehdot lämmönhallintajärjestelmiksi vaihteleviin ulkolämpötiloihin. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Alussa esitellään erilaisia akkutekniikoita ja -kemioita, jonka jälkeen tarkastellaan erilaisia lämmönhallintatekniikoita, ja lopussa tekniikoita vertaillaan lämmönhallintajärjestelmien vaatimuksien mukaan. Viimeiseksi arvioidaan parhaita lämmönhallintatekniikoita tutkimuskysymyksen mukaisesti. Tutkimuksessa havaittiin, että jokaisella lämmönhallintatekniikalla on omat hyvät ja huonot puolensa. Joidenkin tekniikoiden huonot puolet tekevät niistä sopimattomia sähköautojen akkujen lämmönhallintaan. Osa tekniikoista on myös suhteellisen uusia, joten niitä ei ole vielä ole testattu oikeissa sähköautoissa. Sähköautojen kasvavien suorituskykyvaatimusten takia tulevaisuudessa kannattaa yhdistää eri lämmönhallintatekniikoita. Työn lopputuloksena ehdotetaan jatkotutkimuksia passiivisten ja aktiivisten lämmönhallintajärjestelmien yhdistelmille, joissa passiivinen keino pienentäisi lämmönhallintajärjestelmän kuluttamaa energiaa. Passiivisena keinona olisi faasimuutosmateriaali (engl. phase change material, PCM) tai lämpöputki, ja aktiivisena keinona olisi neste- tai ilmajäähdytys. Akun lämmitys voidaan yhdistää näihin keinoihin tai toteuttaa erillisellä resistiivisellä lämmityksellä, jonka toiminta perustuu sähkön muuttumiseen lämmöksi vastuksessa. Akun eristäminen ulkoilmasta vähentäisi lämmitystehon tarvetta, mutta haittaa akun jäähdytystä, joten eristeen käyttö vaatisi myös jatkotutkimusta