Yksikin heikentynyt kenno voi rajoittaa sähköauton koko akun kapasiteettia, vaikka muut kennot olisivat edelleen hyvässä kunnossa. Chalmersin teknillisen korkeakoulun tutkijat ovat selvittäneet, miten elektronisilla kytkimillä voidaan ohittaa heikentyneet kennot ja pidentää näin akun käyttöikää. Parhaimmillaan käyttöikä voi kasvaa yli 20 prosenttia.
Nykyisissä sähköautojen akuissa suuri määrä kennoja on kytketty sarjaan. Ongelmana on, että kennot vanhenevat eri tahtiin. Kun heikoin kenno saavuttaa toimintakykynsä rajan, koko akkupaketin käyttöä on rajoitettava, vaikka muissa kennoissa olisi vielä runsaasti kapasiteettia jäljellä.
Chalmersin tutkijat ovat selvittäneet yhdessä muun muassa Scanian ja Phinia Swedenin kanssa vaihtoehtoista akkuarkkitehtuuria. Niin sanotuissa uudelleenkonfiguroitavissa akkupaketeissa käytetään elektronisia kytkimiä ja ohjausjärjestelmää, jotka voivat muuttaa kennojen välisiä kytkentöjä dynaamisesti.
Kun yksittäinen kenno heikkenee, ohjausjärjestelmä voi ohittaa sen ja antaa muiden kennojen jatkaa energian syöttämistä.
– Koska kennot ovat sidoksissa toisiinsa, kaikkien on edettävä hitaimman kennon tahdissa. Tutkimuksemme ratkaisussa akku voi sen sijaan ohittaa ongelmia aiheuttavan kennon ja jatkaa toimintaansa, selittää tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, Chalmersin väitöskirjatutkija Albert Škegro.
Tutkijat analysoivat, miten eritasoiset uudelleenkonfiguroitavat akkurakenteet vaikuttavat akkujen käyttöikään ja kokonaiskustannuksiin. Kehittyneimmässä arkkitehtuurissa jokaista kennoa voidaan ohjata erikseen. Mallinnusten perusteella tällainen ratkaisu voi pidentää akun käyttöikää yli 20 prosenttia tietyissä korkeajännitteisissä sähköajoneuvoissa.
Hyöty on suurin erityisesti sähkökäyttöisissä kuorma-autoissa ja pitkän toimintamatkan henkilöautoissa, joiden akuissa on suuri määrä sarjaan kytkettyjä kennoja.
Yli 20 prosentin parannus on kuitenkin teoreettinen yläraja. Jokaisen kennon erillinen ohjaaminen edellyttää huomattavaa määrää lisäelektroniikkaa. Käytännön akkupaketeissa onkin todennäköisempää, että kennoja ohjataan ryhmittäin.
Konkreettisemmassa laskentaesimerkissä tutkijat tarkastelivat 80 kilowattitunnin akkupakettia autossa, jolla ajetaan 12 000 kilometriä vuodessa. Jos perinteinen akku oletetaan vaihdettavaksi kymmenen vuoden kuluttua, uudelleenkonfiguroitava akku voisi mallin mukaan kestää noin 14 kuukautta pidempään.
Lisäelektroniikka nostaa akun valmistuskustannuksia. Tutkijoiden mukaan pidempi käyttöikä ja korkeampi jäännösarvo voivat kuitenkin monissa realistisissa käyttöolosuhteissa kompensoida lisäkustannukset.
Uudelleenkonfiguroitavia akkuja on jo demonstroitu tutkimus- ja teollisuusprototyypeissä, mutta tekniikkaa ei vielä käytetä sarjatuotannossa olevissa ajoneuvoissa.
Tutkimus System-level assessment of dynamic reconfiguration for lifetime and cost outcomes in electric vehicle battery packs on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä. Tutkimukseen osallistuivat Chalmersin teknillisen korkeakoulun, Scania CV ja Phinia Swedenin tutkijat.
