Litiumioniakun fysikaaliset käyttäytymismallit ja akkukemian valinta

Abstract

Insinöörityössä selvitettiin, miten litiumioniakkuja ladataan, puretaan ja säilytetään siten, että niiden suorituskyky ja turvallisuus ovat optimaalisella tasolla. Tavoitteena oli saada eheä ja ymmärrettävä selvitys siitä, mitä tulee ottaa huomioon litiumioniakun sähköisestä ja fyysisestä käyttäytymisestä akkua ja akunhallintajärjestelemiä suunniteltaessa.

Kirjallisiin lähteisiin perustuvassa työssä kuvataan akkujen perusperiaatteet ja keskitytään nykyaikaisiin litiumioniakkuihin. Erilaisten litiumioniakkukemioiden ja kennorekanteiden ominaisuudet ja niiden soveltuvuuskäyttökohteisiin selvitetään sekä tarkastellaan sitä, miten akut käyttäytyvät erilaisissa lämpötiloissa ja erilaisia sähkövirtoja ja -jännitteitä käytettäessä. Lisäksi kuvataan, miten akut voivat vioittua, mitä siitä seuraa, ja kuinka nämä tilanteet voidaan välttää ja maksimoida akun elinikä. Lopuksi luodaan katsaus akunhallintajärjestelmiin ja -parametreihin, joiden perusteella järjestelmät voivat arvioida akun suorituskykyä ja -tilaa.

Työn tulos on selvitys siitä, mitä pitää ottaa huomioon akkuja ja akunhallintajärjestelmien algoritmeja suunniteltaessa. Esimerkiksi äärimmäiset lämpötilat heikentävät akun elinikää ja suorituskykyä. Akun jännitteen on oltava määrätyllä välillä, tai akku voi vaurioitua ja jopa syttyä tuleen. Liian suuret virrat kuumentavat akkua ja lyhentävät akun elinikää. Akun toimintatilan arviointi ei ole yksinkertaista, ja siihen vaikuttavat monet tekijät, kuten akun käyttöhistoria, lämpötila, sisäinen resistanssi ja jännite. Tilaa ei pysty arvioida luotettavasti suorilla mittauksilla, vaan se on suoritettava epäsuorin havainnoin ja arvioin.

Havaintojen perusteella muodostettiin liitteiksi myös kaksi taulukkoa, joita pystyy käyttämään akkukemian valinnan tukena akkua suunniteltaessa. Ensimmäinen taulukko listaa kunkin akkukemian keskeiset sähköiset ja fysikaaliset ominaisuudet. Toinen taulukko esittää kunkin akkukemian turvallisuusriskit.

This thesis examined how lithium-ion batteries are charged, discharged, and maintained in such a way that their performance and safety are at optimum level. The goal was to achieve a well-structured and easy-to-understand report of what to take into account about the electrical and physical lithium-ion batteries when designing batteries and battery management systems.

This literature review thesis examines the basic principles of batteries and focuses on modern lithium-ion batteries. Properties of different lithium-ion chemistries and their suitability in applications are studied together with how batteries behave when exposed to various electric currents and voltages at various temperatures. Furthermore, how batteries can fail, what the consequences of failure are, and how these situations can be avoided, maximizing the lifespan of the battery are discussed. Finally, different battery management systems and parameters are reviewed, which will give an ability for management systems to evaluate the performance and state of a battery.

The result of the thesis is a clarification of what to consider when designing batteries and algorithms for battery management systems. For example, extreme temperatures lower the service life of a battery. Battery voltage must lie in certain tolerance, or otherwise the battery might get damaged or even catch a fire. Too great electric currents heat the battery up and shorten the lifespan of the battery. Evaluating the operating status of a battery is not simple, and there is a lot to take into consideration, such as the usage history, temperature, internal resistance, and voltage of the battery. Battery state cannot be reliably measured directly but must instead be done via indirect observations and estimations.

Based on the findings made during this thesis two tables were created, and they are attached as appendices in this thesis to help one to choose a battery chemistry when designing a battery. The first table lists the key physical and electric properties of each battery chemistry. The other table presents the safety risks of each battery chemistry.