Litiumioniakut akut ovat nousseet yhdeksi maailman suosituimmista sähköenergian varastointiteknologioista, joita hyödynnetään jo laaja-alaisesti eri liikenne- ja energia-sektoreiden sovelluksissa. Kaikissa litiumioniakuilla toimivissa sovelluksissa on lisänä akun hallintajärjestelmä (battery management system - BMS), joka on akkupaketin aivot. Se monitoroi akun tiloja ja olosuhteita estääkseen akun altistumisen äärimmäisille olosuhteille, sekä kommunikoidakseen niitä sovelluksen käyttäjälle. BMS on yksi kriittisin yksittäinen osa akun toiminnallisuuksista, ja sen toiminta pitkälti määrittää akun suorituskyvyn, turvallisuuden ja käyttöiän.
Yksi BMS:n toiminnan haasteista pitkällä aikavälillä liittyy akun kuntotilan (state of health - SOH) ja jäljellä olevaan käyttöiän (remaining useful life - RUL) tarkkaan estimointiin. Kun akku vanhenee, sen sisäiset ikääntymismekanismit aiheuttavat akun kapasiteetin ja tehontuottokyvyn heikkenemisen, vaikuttaen kuntotilaan ja jäljellä olevaan käyttöikään, jotka taas vaikuttaa muiden tilaparametrien, kuten varaus- tai tehotilan estimoinnin luotettavuuteen. Akun ikääntymismekanismit eivät ole tämän hetkisillä BMS:n kyvykkyyksillä helposti mitattavissa, mikä tekee kuntotilan ja jäljellä olevaan käyttöiän luotettavan määrittämisen vaikeaksi nykysovelluksissa. SOH:n ja RUL:n estimoinnin epätarkkuuteen linkittyvät ongelmat kasaantuvat varsinkin akun elinkaaren jälkimmäisellä puoliskolla, aiheuttaen pahimmassa tapauksessa joko akun ennenaikaisen rikkoutumisen, tai toisaalta täysin toiminnallisen akun ennenaikaisen käytöstä poiston. Tarkka ja luotettava kunnon seuranta BMS:ssä onkin yksi keskeisistä ominaisuuksista, johon seuraavan sukupolven BMS-teknologioiden täytyy kyetä, jotta litiumioniakkujen ja sovellusten suorituskyky, käyttöikä, sekä kustannustehokkuus voidaan maksimoida.
Tämän akatemiatutkijaprojektin tavoitteena on maksimoida litiumioniakkujen ja niiden sovellusten käyttöikä hyödyntämällä impedanssipohjaisia tilaestimointialgoritmeja akun BMS:ssä. Nämä menetelmät tarjoavat perinteisiin algoritmeihin verrattuna potentiaalisesti paremman tarkkuuden ja luotettavuuden, mahdollistaen akun käytön tehokkaamman optimoinnin ja siten käyttöiän maksimoimisen ensisijaisissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa. Lisäksi nämä menetelmät varmistavat tarkan tiedon akun kunnosta sen poistuessa sähköajoneuvojen käytöstä. Tämä puolestaan mahdollistaa akun hyödyntämisen uusiokäyttösovelluksissa, jotka voivat merkittävästi pidentää litiumioniakkujen käyttöikää ja parantaa niiden kestävää kehitystä. Tämä erittäin innovatiivinen hanke omaa merkittävää tieteellistä, taloudellista ja yhteiskunnallista potentiaalia, ja onnistuessaan se voi tuottaa uraauurtavia tutkimustuloksia, jotka ovat hyödynnettävissä kaupallisissa käytännönsovelluksissa.
Projektissa kehitetään keinoja reaaliaikaisen elektrokemiallisen impedanssispektroskopian (EIS) hyödyntämiseksi akun BMS:ssä, sekä ratkaisemaan kyseiseen teknologiaan liittyviä käytännöntoteutuksen haasteita. Teknologian BMS-ympäristöön integroinnin lisäksi projektin tärkeisiin tutkimustoimiin kuuluvat impedanssidatan tuottaminen todellisista kokeista, impedanssidatan piirrekartoitus/mallinnus, sekä impedanssipohjaisten tilaestimointialgoritmien kehittäminen. Kehitetyt menetelmät on lopulta myös tarkoitus validoida oikeissa akkujärjestelmissä tai niiden prototyypeissä, jotta niiden tuomat hyödyt akkujen turvallisuuden, kustannustehokkuuden ja eliniän parantamiseen voidaan todentaa.
Projektia suoritetaan Tampereen yliopistossa (TAU), jossa hankkeen vastuullisena johtajana toimii Akatemiatutkija Jussi Sihvo. Hankkeen yhteistyökumppaneina toimivat professori Daniel Stroe (AAU, Tanska) sekä professori Vaclav Knap (CTU, Tšekki). Hanketta rahoittaa Suomen Akatemia, ja sen kesto on neljä vuotta vuosina 2025–2029.
Tutkimusrahoitus
Yhteyshenkilöt
Akatemiatutkija, Jussi Sihvo, jussi.sihvo [at] tuni.fi