Анализируя затраты на электромобильные батареи в течение всего их жизненного цикла - от разработки и производства до повторного использования и переработки, - мы приходим к выводу о перспективах беспроводных систем управления батареями (wireless Battery Management Systems, wBMS).
На первый взгляд беспроводное управление батареей выглядит как бездумная погоня за высокотехнологичной модой. Однако тем инженерам, которые на деле знакомы со сложностями проектирования, сборки и разборки проводных систем управления, не нужно ничего доказывать.
В электромобилях следующих поколений можно сэкономить до 90% проводной обвязки батарей, сократив их объём на величину до 15%. Это достигается устранением всех электрических соединений за исключением силовых шин и применением интеллектуальных аккумуляторных модулей со встроенными беспроводными интерфейсами.
ЗАРЯДНАЯ ИЕРАРХИЯ
Электромобильные батареи имеют сложную структуру. Они построены из аккумуляторных модулей со множеством электрохимических ячеек. Например, седан Tesla Model S 7104 содержит шестнадцать 25-вольтных модулей. Из-за разброса параметров ячеек, возникающего ещё на этапе их производства, необходимо следить за состоянием каждой из них.
Чтобы наилучшим образом использовать суммарную ёмкость и мощность батареи, максимально продлевая срок её жизни, необходимо для каждого модуля отдельно регистрировать и контролировать напряжение, токи заряда и разряда, а также температуру. Эти задачи решаются контроллерами аккумуляторных модулей.
В аккумуляторный модуль встроены один или два термодатчика, микропроцессорный контроллер и силовые ключи. Они балансируют токи между последовательно и параллельно соединёнными ячейками, защищая их от перенапряжений, чрезмерного заряда, избыточного нагрева и т. д.
Данные от каждой ячейки через контроллер модуля доходят до системы управления всей батареей (BMS), которая задаёт общие параметры заряда и разряда батареи так, чтобы ни один аккумуляторный модуль не оказался перегружен. Контроллеры модулей соединяются с BMS проводами через интерфейс CAN или SPI.
ПРОИЗВОДСТВО
Как показывает опыт автомобильной компании Tesla, между полностью и частично роботизированным производством есть огромная разница. Как только на какой-либо операции в производственном процессе появляется человек (а проложить многочисленные кабели между блоком управления и модулями без человеческого участия сегодня технически невозможно), производство тут же тормозится. Не говоря уже о необходимости предпринимать меры безопасности для людей, окружённых роботами.
Промышленные роботы способны быстро собирать батареи из одинаковых элементов, у которых есть только две клеммы для подсоединения силовых шин. Ошибки в разводке контрольно-управляющих цепей становятся невозможны, а тестирование батарейного блока на правильность соединений заменяется программированием и контролем по беспроводному интерфейсу.
ГИБКОСТЬ
После перехода на wBMS изменять конструкцию батареи становится проще. Благодаря унификации аккумуляторных модулей эффект масштаба на производстве сохраняется даже при выпуске множества разных вариантов батарей. Стоимость разработки каждой новой модификации невелика, и крупный автопроизводитель может на одной элементной базе обеспечить тяговыми батареями сразу несколько классов авто.
Беспроводные системы управления, стандартизированные на уровне аккумуляторных модулей, позволяют ремонтным предприятиям держать меньше запасных частей. Упрощаются замена и ремонт неисправных батарейных блоков, а также их использование по иному назначению (например, на солнечных или ветровых электростанциях, в домах потребителей электроэнергии), что конечно же более предпочтительно, нежели отправка в переработку или на свалку.
Сегодня контроллеры модулей не накапливают информацию, и чтобы принять решение о повторном использовании батареи, нужно протестировать каждый её элемент, что крайне трудоёмко. Если же в интеллектуальном аккумуляторном модуле будет сохраняться информация о его характеристиках («здоровье»), тестирование не потребуется - достаточно будет считать данные.
Удачная конструкция предусматривает простую и быструю разборку батареи (читай: применение разъёмных соединений для цепей контроля и управления), что плохо совмещается с требованиями прочности, виброустойчивости и долговечности. Поскольку разработчикам батарей с wBMS об этом особо заботиться не нужно, они могут сосредоточиться на основных характеристиках и требованиях, таких как энергоёмкость и тепловые режимы.
Имея микроконтроллер с долговременной памятью в каждом аккумуляторном модуле, можно реализовать алгоритмы раннего предсказания отказов, не доводя ситуацию до массового отзыва эксплуатируемых автомобилей. Кроме того, благодаря предиктивной диагностике технического состояния аккумуляторов владельцы электромобилей будут чувствовать себя увереннее на местности, где мало автозарядных станций.
ДЕНЕЖНЫЙ ВОПРОС
Потенциальные преимущества беспроводных систем управления батареями невозможно реализовать без крупных капиталовложений в производственную инфраструктуру, разработку и валидацию инновационных решений. Более того, к беспроводным системам предъявляются особые требования по информационной безопасности, которые следует учитывать на всех этапах жизненного цикла.
Микроэлектронная компания Analog Devices уже сделала инвестиции, разработав наборы микросхем для wBMS. Первой их применила автомобильная компания General Motors в своих модульных батареях Ultium.
Автоиндустрия построена на кооперации сборочных предприятий с многочисленными поставщиками комплектующих. Поставщики аккумуляторов заинтересованы в том, чтобы максимально продлить срок продуктивной эксплуатации своих изделий. Ведь сейчас переработка одной электромобильной батареи стоит примерно тысячу американских долларов, в то время как прибыль от продажи новой может оказаться даже ниже этой величины.
По достижении уровня «здоровья», непригодного для эксплуатации на борту электромобиля, батарея должна попасть на солнечную или ветровую электростанцию. Значит, системами wBMS должны заняться и предприятия возобновляемой энергетики.
Об авторе: Шейн О'МАХОНИ, - менеджер компании Analog Devices.
__________________________________
Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.
