Mitä on akuston lämpötilanhallinta?
Akuston lämpötilanhallinta tarkoittaa järjestelmää, joka pitää akkujärjestelmän toimintalämpötilan optimaalisella alueella sekä latauksen että purkauksen aikana. Käytännössä tämä tarkoittaa aktiivista jäähdytystä, lämmitystä tai näiden yhdistelmää tilanteen mukaan. Sähköisissä työkoneissa ja raskaassa kalustossa akuston lämpötilanhallinta on kriittinen tekijä, joka vaikuttaa suoraan suorituskykyyn, turvallisuuteen ja akkujärjestelmän käyttöikään. Seuraavissa osioissa käymme läpi, miksi lämpötila on niin ratkaiseva tekijä, miten BTMS-järjestelmä toimii ja milloin erillinen ratkaisu on tarpeen.
Miksi akuston lämpötila vaikuttaa suorituskykyyn ja käyttöikään?
Akuston lämpötila vaikuttaa suorituskykyyn ja käyttöikään, koska litiumionikennojen elektrokemialliset prosessit ovat erittäin herkkiä lämpötilamuutoksille. Liian kylmässä akkujen sisäinen resistanssi kasvaa ja teho laskee merkittävästi. Liian kuumassa kennojen hajoaminen kiihtyy, mikä lyhentää käyttöikää ja voi johtaa turvallisuusriskeihin.
Useimmat litiumioniakut toimivat parhaiten noin 15–35 celsiusasteen välillä. Tämän alueen ulkopuolella kapasiteetti heikkenee ja lataustehoa on rajoitettava. Toistuvat lämpötilasyklit, erityisesti kylmä käynnistys ja raskas kuorma heti sen jälkeen, aiheuttavat kumulatiivista vauriota kennorakenteelle.
Sähköisissä työkoneissa, kuten kaivoskoneissa tai satamanostureissa, käyttöympäristö voi vaihdella arktisesta pakkasesta teollisuushallien kuumuuteen saman työpäivän aikana. Tällaisissa olosuhteissa ilman hallittua akkujen lämpötilanhallintaa koneen käytettävyys ja akkupaketin elinikä kärsivät merkittävästi. Hallitsematon lämpötila on yksi yleisimmistä syistä akkujärjestelmien ennenaikaiseen vaihtoon.
Miten akuston lämpötilanhallintajärjestelmä toimii?
Akuston lämpötilanhallintajärjestelmä, eli BTMS (Battery Thermal Management System), toimii valvomalla akkukennojen lämpötilaa jatkuvasti antureilla ja ohjaamalla jäähdytys- tai lämmitystehoa tarpeen mukaan. Järjestelmä pitää akkupaketin lämpötilan ennalta määritetyllä optimaalisella alueella riippumatta ulkoisista olosuhteista tai kuormitusasteesta.
Käytännön tasolla BTMS koostuu useista toisiaan tukevista komponenteista:
- Lämpötila-anturit, jotka mittaavat kennojen ja moduulien lämpötilaa reaaliajassa
- Ohjauselektroniikka, joka prosessoi anturidatan ja ohjaa jäähdytys- tai lämmitystehoa
- Jäähdytyspiiri, joka voi olla neste- tai ilmajäähdytteinen riippuen sovelluksesta ja tilavaatimuksista
- Lämmityselementit kylmäkäynnistystä ja matalan lämpötilan olosuhteita varten
- Integraatio BMS:ään (Battery Management System), jotta lämpöhallinta ja sähköinen ohjaus toimivat koordinoidusti
Nestejäähdytteisissä järjestelmissä kylmäaine tai jäähdytysneste kiertää akkumoduulien läpi tai niiden vieressä olevissa levyissä siirtäen lämpöä tehokkaasti pois kennoilta. Ilmajäähdytteisissä ratkaisuissa puhaltimet ohjaavat ilmavirtaa akkupaketin läpi. Vaativissa mobiilisovelluksissa, joissa lämpökuorma on suuri tai ympäristöolosuhteet vaihtelevat voimakkaasti, nestejäähdytys on tyypillisesti tehokkaampi valinta.
Mitä eroa on aktiivisella ja passiivisella lämmönhallinnalla?
Aktiivinen lämmönhallinta käyttää ulkoista energiaa, kuten kompressoria, pumppua tai puhallinta, siirtääkseen lämpöä aktiivisesti pois akuista tai tuodakseen lämpöä niihin. Passiivinen lämmönhallinta perustuu pelkästään materiaalien lämmönjohtavuuteen, lämpömassan varastoitumiseen tai luonnolliseen konvektioon ilman lisäenergiaa.
Aktiivinen lämmönhallinta
Aktiiviset järjestelmät pystyvät ylläpitämään tarkasti määritellyn lämpötilavälin myös haastavissa olosuhteissa. Ne reagoivat nopeasti kuormitusmuutoksiin ja sopivat parhaiten sovelluksiin, joissa akkujen tehotiheys on korkea, käyttöympäristö vaihtelee tai käyttöaika on pitkä. Raskaassa sähköisessä työkoneessa, kuten sähköisessä kaivosajoneuvossa, aktiivinen BTMS on käytännössä aina tarpeellinen.
Passiivinen lämmönhallinta
Passiiviset ratkaisut ovat yksinkertaisempia ja energiatehokkaita, mutta niiden kapasiteetti on rajoitettu. Ne soveltuvat parhaiten pienempiin akkujärjestelmiin, joissa lämpökuorma on maltillinen ja ympäristöolosuhteet pysyvät suhteellisen vakaina. Passiivisena elementtinä voidaan käyttää esimerkiksi vaiheenmuutosmateriaaleja (PCM) tai lämpöä johtavia levyjä, mutta ne eivät yksin riitä vaativiin mobiilisovelluksiin.
Milloin sähköinen työkone tarvitsee erillisen BTMS-järjestelmän?
Sähköinen työkone tarvitsee erillisen BTMS-järjestelmän aina, kun akkujärjestelmän lämpökuorma ylittää sen, mitä yksinkertainen passiivinen ratkaisu tai koneen oma rakenne voi hallita. Käytännössä tämä tarkoittaa suuritehoisia koneita, vaativia käyttöympäristöjä tai pitkiä yhtäjaksoisia käyttöjaksoja.
Erillinen BTMS on erityisen tarpeellinen seuraavissa tilanteissa:
- Kone toimii ääriolosuhteissa, kuten arktisessa pakkasessa tai kuumissa teollisuusympäristöissä
- Akkupaketti on suuri ja sen lataus- tai purkausnopeus on korkea
- Koneen käyttöaste on korkea eikä akkujen anneta jäähtyä luonnollisesti käyttöjaksojen välillä
- Sovellus on turvallisuuskriittinen, kuten puolustus- tai kaivoskalusto, jossa järjestelmäviat eivät ole hyväksyttäviä
- Konemalli on uusi sähköistetty versio aiemmin polttomoottorilla toimineesta laitteesta, jossa ei ole alun perin suunniteltu tilaa lämpöhallinnalle
Esimerkiksi Sandvikin sähköisissä kaivoskoneissa akkujärjestelmä altistuu jatkuvasti suurelle mekaaniselle rasitukselle, pölylle ja lämpötilavaihteluille. Tällaisessa ympäristössä räätälöity BTMS on edellytys luotettavalle toiminnalle, ei valinnainen lisävaruste.
Mitä standardeja ja vaatimuksia BTMS-suunnittelussa on otettava huomioon?
BTMS-suunnittelussa on otettava huomioon sekä kansainväliset turvallisuus- ja sähköstandardit että sovelluksen toimintaympäristön asettamat erityisvaatimukset. Keskeisiä standardeja ovat muun muassa IEC 62619 akkujärjestelmien turvallisuudesta sekä toimialakohtaiset vaatimukset puolustus-, raide- tai kaivoskalustossa.
Suunnittelussa huomioitavia vaatimuksia ovat tyypillisesti:
- Lämpötila-alueet: Järjestelmän on toimittava luotettavasti koko käyttölämpötila-alueella, joka voi mobiilisovelluksissa ulottua pakkasesta yli 50 celsiusasteeseen
- Tärinänkestävyys: Komponenttien ja liitosten on kestettävä koneen käytöstä aiheutuva mekaaninen rasitus standardien, kuten MIL-STD-810:n tai EN 61373:n, mukaisesti
- Suojausluokka: Pölyn ja kosteuden suojaus (IP-luokitus) on määriteltävä käyttöympäristön mukaan
- Sähköturvallisuus: Korkeavolttiset osat on erotettava ja suojattava asianmukaisesti, erityisesti huolto- ja vikatilanteita silmällä pitäen
- Integraatio järjestelmätasolla: BTMS:n on kommunikoitava luotettavasti koneen BMS:n ja muun ohjauselektroniikan kanssa
Puolustussovelluksissa vaatimukset voivat olla vielä tiukemmat: STANAG-standardit ja kansalliset puolustushankintavaatimukset asettavat erityisehtoja niin komponenttivalinnoille kuin dokumentaatiollekin. Räätälöidyssä suunnittelussa nämä vaatimukset otetaan huomioon jo projektin alkuvaiheessa, jolloin vältytään kalliilta jälkikäteismuutoksilta.
Lumikko suunnittelee ja valmistaa BTMS-järjestelmiä vaativiin mobiilisovelluksiin Suomessa kattaen koko elinkaaren tuotekehityksestä valmistukseen ja pitkäaikaiseen huoltopalveluun. Haluatko lisätietoa sopivasta ratkaisusta? Ota yhteyttä asiantuntijoihimme, ja rakennetaan yhdessä juuri teidän käyttöympäristöönne sopiva ratkaisu. Löydä sinulle oikea ratkaisu.