12 voltin akkutekniikka

24 / 08 / 2020

Marketing

Jo vuodesta 1859 lähtien lyijyakku on ollut olennainen osa lähes kaikkia autotyyppejä hybridi- ja sähköautot mukaan lukien. Vaikka hybridi- ja sähköajoneuvoissa käytetäänkin litiumioni- ja nikkelimetallihybridiakkuja energian varastointiin ja ajoneuvon liikuttamiseen, luotettavaa 12 voltin akkua käytetään yhä syöttämään virtaa ajoneuvon 12 voltin sähköjärjestelmään.

Tarkastelemme seuraavassa Autodatan teknisten asiantuntijoiden avustuksella 12 voltin akkutekniikkaa ja sen tulevaisuudennäkymiä.

12 voltin lyijyakussa ei ole lainkaan liikkuvia osia, vaan se sisältää kuusi galvaanista kennoa, joista kunkin kapasiteetti on 2,1 volttia. Kussakin kennossa on positiivinen lyijydioksidipinnoitteinen levy ja negatiivinen lyijylevy, jotka on erotettu toisistaan ristikolla sekä eristysmateriaalilla (erotin). Koko rakenne on suljettu kovasta muovista valmistettuun säiliöön, joka sisältää elektrolyyttiä eli rikkihapon vesiliuosta. Kun kuhunkin kennoon kohdistetaan yli 2,1 voltin varaus, akun sisällä käynnistyy kemiallinen reaktio, joka synnyttää käyttövalmista sähköenergiaa.

12V battery diagram

1. Galvaaninen kenno. 2. Positiivinen lyijydioksidipinnoitteinen levy. 3. Negatiivinen lyijylevy. 4. Ristikko. 5. Erotin. 6. Lyijylevy

Lyijyakku on keksimisestään lähtien pysynyt rakenteeltaan lähes muuttumattomana, mutta 1970-luvun puolivälissä onnistuttiin kehittämään ”huoltovapaa” tai ”suljettu” lyijyakku. Akkujen kutsuminen suljetuiksi on kuitenkin hieman harhaanjohtavaa, sillä huoltovapaissa tai suljetuissa akuissa on silti ylipaineventtiilit, jotka ylilatauksen tai kennon vioittumisen yhteydessä vapauttavat akun sisäisen paineen. Juuri tästä syystä tällaisia akkuja kutsutaan myös VRLA (valve regulated lead acid) -akuiksi.

Suljetun lyijyakun tekee huoltovapaaksi (eli siihen ei tarvitse lisätä tislattua vettä) kemiallinen reaktio, joka tapahtuu, kun positiivisella levyllä muodostunut happi yhdistyy negatiivisen levyn luovuttamaan vetyyn. Näiden kahden yhdisteen synteesi tuottaa vettä, jota akku kierrättää, minkä takia sitä ei ole tarpeen huoltaa.

Suljettujen akkujen kemiallista konseptia käytetään myös geeli- ja imeytetyissä lasivilla-akuissa (AGM-akut). Geeli- ja AGM-akut luokitellaan molemmat suljetuiksi akuiksi, mutta ne eroavat toisistaan huomattavasti. Geeliakun happo on hyytelöity piigeelin kanssa niin, että tuloksena on paksu nestemassa, kun taas AGM-elektrolyytti on kyllästetty lasivillaiseen verkkomaiseen erottimeen.

Tämä innovatiivinen tekninen harppaus tuo mukanaan monia etuja: kummatkaan akut eivät käytännössä tarvitse lainkaan huoltotoimia, ne kestävät tärinää, niissä ei ole vapaana kelluvaa nestettä, joka saattaisi vuotaa, ja niitä on turvallista käyttää paikoissa, joissa ei ole tehokasta ilmanvaihtoa. AGM-akku voi kuitenkin vastata suureen virrankysyntään, ja se purkautuu hyvin hitaasti, joten se on autoteollisuuden suosima vaihtoehto ja esiintyy usein stop-start-teknologiaa käyttävissä ajoneuvoissa.

Tässä vaiheessa on huomautettava, että ajoneuvot, joissa on akun valvontajärjestelmä, on kalibroitava uudelleen aina akun vaihdon yhteydessä. Akun valvontajärjestelmä antaa tarkat tiedot akun tilasta akun ikääntymisen vaikutukset huomioiden. Sähkövirran ja akkutietojen kaltaiset arvot on nollattava vianmäärityslaitteistolla. Jos näin ei tehdä, akku voi ylilatautua ja vioittua ennenaikaisesti.

Ulkoisia akkulatureita käytettäessä on oltava varovainen, sillä suljetut lyijyakut on suunniteltu ladattavaksi hitaasti alhaisella latausnopeudella. Akun vioittumisen ehkäisemiseksi tulee käyttää älykkäitä akkulatureita, jotka säätelevät jännitettä ja sähkövirtaa automaattisesti. Jos olet epävarma akun yhteensopivuudesta tai käytöstä, noudata valmistajan suosituksia.

Tulevaisuus

Autoteollisuus pyrkii jatkuvasti saavuttamaan akkutekniikan seuraavan kehitysvaiheen. Lopullisena päämääränä on kehittää akku, joka voi varastoida suuria sähköenergiamääriä mutta jonka lataaminen täyteen vie vain vähän aikaa. Seuraavat esimerkit antavat nopean yleiskuvan joistakin uusista strategioista ja elementeistä, joiden käyttömahdollisuuksia parhaillaan selvitetään:

• Kiinteäelektrolyyttiset akut korvaavat nykyisissä akuissa olevan elektrolyytin kiinteällä aineella energiakapasiteetin lisäämiseksi. Käyttölämpötilat ovat matalia, mikä vähentää tulipalojen tai räjähdyksen riskiä. Näillä akuilla uskotaan olevan nykyisiä akkuja pidempi käyttöikä, ja myös niiden tuotantokustannuksia pidetään alhaisempina.

• Piipohjaiset akut ovat litiumioniakkuja, joissa käytetään piitä. Tällöin akun varauskapasiteetti lisääntyy, minkä ansiosta akku kestää huomattavasti pidempään latausten välillä. Piitä on runsaasti saatavilla, mikä tekee tästä vaihtoehdosta erittäin varteenotettavan.

• Fluoridi-ioniakkutekniikan sanotaan varastoivan jopa kymmenen kertaa enemmän energiaa nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna. Nykyiset fluoridi-ioniakut toimivat kuitenkin vain korkeissa lämpötiloissa, mikä seikka on korjattava ennen kuin tämä ratkaisu voidaan ottaa käyttöön.

12 voltin akun saavuttamasta kypsästä iästä huolimatta sitä voidaan aina parannella, ja historia osoittaa, että akun täydellisyyteen hiominen saattaa olla hidas ja monivaiheinen prosessi. Tulevaisuuden akkutekniikassa ei todennäköisesti saavuteta merkittäviä edistysaskeleita käden käänteessä, vaan siihen saattaa kulua useita vuosia tai jopa vuosikymmeniä.

Autodatan erillinen akun irtikytkentä ja takaisinkytkentä -moduuli tarjoaa mekaanikoille kaikki tiedot, joita tarvitaan modernien akkujen nopeaan ja onnistuneeseen käsittelyyn. Näihin tietoihin sisältyvät kaaviot, joissa näkyvät irtikytkettävien akkujen sijainnit ja menetelmät, ohjeet akun valmisteluun irtikytkemistä varten ja luettelo sähkökomponenteista, jotka on nollattava akun takaisinkytkennän jälkeen.