Kogu tõde elektriauto akudest ja sellest, kuidas nende kulumine muret ei valmista
Aku on elektriauto olulisim komponent, mida saadavad siiani müüdid ja eksiarusaamad. Neist peamised seotud kiire kulumisega. Kohe selgitame, kuidas elektriauto aku ja selle laadimine toimib ning miks inimene ei peaks selle pärast oma pead vaevama.
Robert Aare
Enefit Volt projektijuht
Elektriautode järjest kasvav tulek tänavapilti on tehnoloogiline revolutsioon. Eriti puudutab see sõiduki kriitilisimat komponenti – akut. Aku olulisus väljendub otseselt auto hinnas. Kui veel 2015. aastal moodustas Bloombergi andmetel keskmisest Ameerika Ühendriikides müüdud elektriauto hinnast 57% aku hind, siis 2019. aastaks oli see määr langenud 33% peale. Suuresti sellel teguril põhinevad analüüsid, et sisepõlemismootoriga autole ekvivalentse elektriauto hind on sama aastaks 2022.
Aku hind on tehnoloogia arenemise tõttu viimase 10 aasta jooksul jõudsalt vähenenud, ent samal ajal on juurde tekkinud hirme, mis ei ole seotud niivõrd elektriautode kuivõrd teiste igapäevaste seadmetega nagu nutitelefonid ja sülearvutid.
Aku eluiga mõjutab nii kasutamine kui keskkond
Nii telefonide kui sülearvutite puhul on akude vastupidavus ajas tuntavalt vähenev. Sama on täheldatud ka mõne esimese elektriauto puhul, mis 2010. aastate alguses autoturule tulid. Näitena saab tuua asjaolu, et mitmed Eesti omavalitsused on müünud 2011.-2012. aastatel elektromobiilsuse programmiga siia jõudnud Mitsubishi i-MiEVid. Kui telefonide ning arvutite puhul on mõeldav iga 3-4 aasta tagant uue seadme ostmine, siis autode puhul säärast trendi täheldatud ei ole. Täna turul olevate uute elektriautode puhul pole õnneks seda vajadustki.
Igal aku peamiseks määravaks tunnuseks on mahtuvus, mis ütleb, kui palju energiat see suudab salvestada. Kui räägime aku vastupidavuse vähenemisest, siis see tähendab aku mahtuvuse vähenemist. Teisisõnu: kasutamise tulemusel aku mahtuvus aja jooksul väheneb. See on tuntud termini all aku aktiivne degradeerumine. Akude passiivne degradeerumine on tingitud temperatuurist ning ajast. Ent sellest hiljem.
Aku on disainitud pööratavaks kasutamiseks ehk seda saab laadida nii täis kui tühjaks, kuid iga täis- või tühjakslaadimise käigus on kaod. Aku sisemuses olevatest ioonidest mõned leiavad endale koha, kust neid enam lahti kangutada ei õnnestu, mis tähendab, et neid ioone enam „laadida“ ei saa.
Mitme täis- ja tühjakslaadimiste tulemusel kadude hulk akumuleerub, päädides aku mahtuvuse vähenemisega. Mingist mahtuvuse vähenemise määrast alates ei suuda aku enda algset eesmärki enam täita. Siit ka mõte, et igal akul on piiratud hulk laadimistsükleid.
Aku heaolu sõltub laadimise kiirusest, arvust ning algus- ja lõpp-punktist
Probleem väitega, et igal akul on piiratud hulk laadimistsükleid, on järgmine: iga laadimistsükkel ei ole ekvivalentne iga teise laadimistsükliga. Aktiivse degradeerumise kiirust mõjutab nii laadimistsüklite arv, laadimistsüklite alg- ja lõpp-punkt kui ka laadimiskiirus. Mida suurem on laadimistsüklite arv, nende ulatus ning täis- või tühjaks laadimise kiirus, seda kiiremini aku kulub. Samuti on aku kulumine kiirem, kui laadimistsükli alg- või lõpp-punkt on lähemal 100% või 0% aku täituvuse määrale. Sellest ka autotootjate soovitus alustada laadimist enne, kui aku täituvus langeb 10-20%-ni ning vaheldada kiiret ja aeglasemat laadimist.
Kui jätta laadimiskiirus alati samasuguseks, siis näeme tüüpilise liitium-ioon aku puhul järgmist sõltuvust laadimistsüklite arvu ja ulatuse vahel:
| Laadimisparameetrid | Laadimistsükleid enne mahtuvuse vähendamist 85%-ni |
|---|---|
| 100% - 25% | 2,010 |
| 100% - 40% | 2,800 |
| 100% - 50% | 2,800 |
| 85% - 25% | 4,500 |
| 75% - 25% | 7,100 |
| 75% - 45% | 10,000 |
| 75% - 65% | 12,000 |
Allikas: BatteryUniversity
Nagu näha, siis tsükli keskel on väiksemate laadimisulatuste kasutamine aku eluea seisukohast hea mõjuga. Nüüd võib küsida: kui laadida enda autot, telefoni või arvutit, siis kas telefoni antud number 100% akutäituvus tähendab päriselt ka aku mahtuvuse 100% kasutamist?
Vastuseks on enamasti ei. Akudel põhinevate seadmete tootjad on tavaliselt huvitatud pikemast kasutusajast, mistõttu võimaldatakse akust esialgu väiksem vahemik kasutamiseks ning ülejäänud osa akust reserveeritakse. On suhteliselt laialt teada, et Nissan Leafide akudes kasutatakse ca 80% mahtuvusest. Samuti säilitatakse tavaliselt akusse väike kogus energiat, et vältida suuremat kahju akule. Kui auto näitab, et täituvus on 0% siis reaalsuses ei tähenda see, et aku oleks tegelikult täiesti tühi.
Elektriauto aku kulumine ei ole võrreldav nutitelefoni aku kulumisega
Kui aku aja jooksul degradeerub, vabastatakse akule kasutamiseks reserveeritud osa üha enam, et säilitada aku võimekust nii kaua kui võimalik. Selle tulemusena ei ole aku degradeerumist uuel seadmel pikka aega üldse tajuda. Degradeerumine muutub tuntavaks siis, kui alguses reserveeritud tsoon on juba täielikult kasutamiseks vabastatud.
| Reserveeritud | Virtual Battery From 0% - 100%, Range 100m | Reserveeritud | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% |
| Reserveeritud | Virtual Battery From 0% - 100%, Range 100m | Reserveeritud | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% |
| Reserveeritud | Virtual Battery From 0% - 100%, Range 100m | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% | 100% |
Allikas: BatteryUniversity
Teine aku degradeerumise tüüp on passiivne ehk aku kulumine tingituna temperatuurist ning ajast. Temperatuuri mõju on kus juures kahetine. Külmad temperatuurid vähendavad märgatavalt, ent ajutiselt aku mahtuvust. Seega on külma ilmaga akust kättesaadav osa väiksem. Seevastu kõrged temperatuurid kahjustavad akut jäädavalt.
Kõrgematel temperatuuridel on suurem tõenäosus, et ioonid leiavad juhuslikult soojusliikumise tõttu endale „sooja koha“, kust neid on keeruline kätte saada. Seejuures on täiendavaks mureks see, et akud soojenevad laadimise mõjul ja mida kiiremini akut laadida, seda kiiremini nad ka soojenevad. Soojusliikumine on aga pidevalt toimuv protsess, mis tingib vältimatult ajast tingitud aku passiivne degradeerumise. Kõrgematel temperatuuridel on see lihtsalt kiirem.
Kõik eelmainitud degradeerumisprotsessid toimuvad liitium-ioon akudes üleüldiselt, ka telefonides, sülearvutites ja muudes seadmetes. Samas ei ole elektriauto aku kulumine täna hästi võrreldav näiteks nutitelefoni aku kulumisega. Elektriautodel nagu BMW i3 ning Tesla on kõrgete temperatuuride mõju vastu kaitseks akude vedelikjahutussüsteemid, mis telefonidesse põhimõtteliselt ei mahu. Samuti avaldab positiivset mõju üleüldiselt akude optimeerimistarkvara areng, millega on Eestist maailma läinud ettevõte Comodule.
Tänasele elektriauto ostjale ei ole aku kulumine murekohaks
Kui 2010ndate algusaastate elektriautode akud näisid kuluvat kiiresti, siis vahepealse ajaga on elektriautode akude mahtuvused oluliselt kasvanud, mistõttu aku kulumise mõju on vähem märgatav. Esimesed Nissan Leaf mudelid olid 24kWh mahtuvusega akudega (sõiduulatus ca 170 km), praegused aga juba mahtuvustega 40kWh ning 62kWh. Samuti on Tesla Model 3 aku mahtuvusevahemik 54-75kWh, sõiduulatustega vastavalt 354-481km.
Akude mahtuvuste kasvamine ei tähenda üheselt, et passiivne degradeerumine oleks aeglasem või kiirem. Küll aga tähendab see igapäevakasutuse kontekstis, et keskmine sõit nõuab väiksemat osa akust ehk väiksemat tühjakslaadimistsüklit. See omakorda, et akude aktiivse degradeerumise määr väheneb. Suuresti just sel põhjusel oli esimeste Mitsubishi i-MiEVide puhul (aku 16-20kWh, sõiduulatus 130-160 km) kulumine nii märgatav kui kiire tekkima. Teslade puhul ei ole sellist probleemi eriti täheldatud. Sellest annab tunnistust ka järgmine graafik:
Allikas: Greencarreports.com
Kokkuvõttes saab järeldada, et nutikate lahenduste ning areneva tehnoloogia taustal muutuvad elektriautode akud suuremaks, odavamaks ning nende vastupidavus suureneb. Elektriautode omanike rahulolu kindlustamiseks pakuvad autotootjad nagu Renault (Zoe 2018, 8a või 160 000 km läbisõit) ja Nissan (Leaf 2019: 96 kuud või 160 000 miili läbisõit) akudele garantiisid. Seega ei tohiks tänasele elektriauto ostjale aku kulumine murekohaks olla.