Elektrifikacija osebnih in gospodarskih vozil vstopa v novo fazo prodora na trg. Premik od predstavitve izvedljivosti tehnologije k množični proizvodnji vrhunskih vozil je očiten. Komercializacija tehnologije vodi k bolj optimiziranim in cenovno dostopnim vozilom.
Analog Devices, Inc.
Avtorja: Stephan Prüfling, Norbert Bieler,Direktor
Kljub temu večina električnih vozil sedanje generacije še vedno velja za draga ali manj privlačna v primerjavi z običajnimi avtomobili z motorji z notranjim izgorevanjem. Zato sta zmanjšanje stroškov in izboljšanje učinkovitosti ključna za zagotovitev uspešne in trajnostne rasti trga. Zmanjšanje velikosti, teže in stroškov vpliva na konkurenčno prednost baterijskih sistemov v celotnem življenjskem ciklu vozila. Po drugi strani pa bo na njihovo tržno privlačnost in konkurenčnost pomembno vplivalo tudi podaljšanje dosega vožnje. Poleg tega bodo proizvajalci avtomobilov ob koncu življenjske dobe vse večjega števila električnih vozil celo tekmovali za vrednost, ki jo je mogoče pridobiti iz baterij, pridobljenih iz izrabljenih vozil.
Zaradi tega povpraševanja so v novicah o inovacijah na področju baterij običajno poudarjeni novi koncepti pakiranja baterij in novi materiali, ki bodo morda nekega dne lahko shranili več naboja kot današnja litijeva tehnologija. Drug del baterije – sistem za upravljanje baterije (BMS), ki spremlja stanje napolnjenosti (SOC) in zdravstveno stanje (SOH) baterije – običajno ni v fokusu zanimanja, vendar mora slediti inovacijam na področju baterij in jih podpirati.
Nova brezžična tehnologija BMS (wBMS), ki jo je razvilo podjetje Analog Devices in jo je General Motors prvič uporabil v svoji modularni baterijski platformi Ultium, je zdaj na voljo za množično proizvodnjo. Sistem wBMS daje proizvajalcem avtomobilov novo konkurenčno prednost v celotni življenjski dobi baterije – od prve montaže baterijskih modulov do delovanja v električnem vozilu, do odstranitve in po potrebi celo do druge življenjske dobe baterije.
Žične povezave baterij – drag, težak in zapleten pristop
Namen razvoja wBMS tehnologije je temeljil na analizi pomanjkljivosti komunikacijske napeljave v današnjih običajnih baterijskih paketih za električna vozila. Ta analiza je temeljila na strokovnem znanju podjetja ADI, ki dobavlja najnatančnejša BMS integrirana vezja na trgu na področju brezžičnih komunikacij. ADI je razvil tudi najzmogljivejšo “mesh” mrežno tehnologijo na svetu za industrijska okolja.
V običajnem baterijskem paketu električnega vozila vsako celico meri IC za upravljanje baterije. Podatki iz IC za upravljanje akumulatorja se nato prek ožičenja posredujejo nazaj v ECU baterijskega paketa. Ta zahteva po komunikaciji znotraj akumulatorja odraža zapleteno arhitekturo velikega baterijskega paketa: običajno je sestavljen iz modulov, od katerih vsak vsebuje več celic. Naravne proizvodne razlike pomenijo, da ima vsaka celica individualne lastnosti, ki se razlikujejo v določenem tolerančnem območju. Da bi povečali zmogljivost, življenjsko dobo in zmogljivost baterije, je treba ključne parametre delovanja baterije – napetost, tok polnjenja/praznjenja in temperaturo – spremljati in beležiti za vsak modul posebej.
To je razlog, zakaj baterija električnega vozila potrebuje sredstva za prenos podatkov iz vsakega modula ali celice, kjer se merita napetost in temperatura, v ECU procesor (glej sliko 1). Tradicionalno so bile te povezave izvedene z žicami: prednost žičnih povezav je, da so znane in dobro razumljive.
Pomanjkljivost ožičenega BMS sistema
Vendar je na seznamu tudi vrsta slabosti, povezanih z žicami: bakreni kabelski snop povečuje težo in zaseda prostor, ki bi, če bi ga zapolnila baterijska celica, zagotovil dodatno energetsko zmogljivost. Poleg tega je treba ožičenje pritrditi na strukture ohišja baterije, priključki pa se lahko mehansko poškodujejo, zlasti v pogojih, kjer je veliko vibracij in udarcev.
Z drugimi besedami, žice povečujejo razvojni napor, proizvodne stroške in težo, hkrati pa zmanjšujejo mehansko zanesljivost in uporabni prostor. Posledica tega je manjši doseg pri vožnji. Z odstranitvijo kabelskega snopa proizvajalec avtomobila pridobi novo prilagodljivost, da lahko izpolni zahteve zasnove vozila glede oblike baterijskega sklopa.
Zaradi zapletenosti kabelskega snopa baterije je tudi sestavljanje baterijskega paketa težavno in drago: žične pakete je treba sestaviti, povezave pa je treba zaključiti ročno. To je drag in nevaren postopek, saj se visokonapetostni akumulatorski moduli za električna vozila dobavljajo napolnjeni. Da bi ohranili varnost postopka sestavljanja in zaščitili delavce na proizvodni liniji, se uporabljajo strogi varnostni protokoli.
Zaradi vsega navedenega obstajajo močni razlogi za proizvajalce originalne opreme, da v nove platforme baterijskih sistemov za električna vozila uvedejo zanesljivo brezžično tehnologijo.
wBMS—novi pametni pristop
Sistem wBMS je celovita rešitev, ki jo avtomobilski proizvajalci zlahka vključijo v zasnovo baterijskega paketa. Vključuje enoto za brezžično spremljanje celic (wCMC) za vsak baterijski modul in enoto za brezžično upravljanje za nadzor komunikacijskega omrežja, ki več baterijskih modulov brezžično povezuje z ECU. Poleg brezžičnega dela vsaka wCMC enota vključuje BMS, ki izvaja zelo natančne meritve različnih parametrov baterije, tako da lahko aplikacijska procesna enota analizira SOC in SOH baterij.
Medtem ko je wBMS tehnologija v celoti izkoristila prednosti odprave vprašanja oblikovanja in sestavljanja kabelskega snopa, obstajajo še druga področja v življenjskem ciklu baterije, na katerih bo ustvarjena dodatna vrednost:
- Montaža baterije – edini priključki, ki jih potrebuje baterijski modul, so napajalni priključki, ki jih je mogoče zlahka izdelati v visoko avtomatiziranem postopku. Z odpravo ročnega dela pri sestavljanju in testiranju se izognemo tudi varnostnim tveganjem za delavce na montažni liniji (glejte sliko 2). Poleg tega je mogoče module pred namestitvijo v baterijo tudi preizkusiti in uskladiti.
- Varna brezžična možnost servisiranja pomeni, da je mogoče stanje akumulatorja priročno analizirati z diagnostično opremo v pooblaščenem servisu, ne da bi se dotaknili akumulatorja. Če se ugotovi okvara, je mogoče okvarjeni modul preprosto odstraniti in zamenjati. Brezžična konfiguracija poenostavi namestitev novega modula v akumulatorski sistem.
- Druga življenjska doba – zaradi vse večjega števila vozil nastaja trg za baterije druge življenjske dobe, ki se pridobivajo iz zavrženih električnih vozil in se ponovno uporabljajo za aplikacije, kot so sistemi za shranjevanje energije iz obnovljivih virov in električna orodja. To dodatno ustvarja nov vir vrednosti za proizvajalce električnih vozil, ki so odgovorni za recikliranje ali odstranjevanje baterij v izrabljenih električnih vozilih, saj wBMS omogoča enostavnejšo integracijo modulov za aplikacije druge življenjske dobe.
- Odstranjevanje – kovine, ki jih je mogoče reciklirati, in potencialno nevarni materiali v baterijskem paketu zahtevajo odobrene in predpisane načine odstranjevanja. Zaradi preprostih povezav in odsotnosti komunikacijskega kabelskega snopa je odstranitev baterijskih modulov lažja in hitrejša kot odstranitev ožičene baterije.
- Upravljanje podatkov – wBMS tehnologija omogoča enostavno odčitavanje kritičnih podatkov o baterijah iz vsakega inteligentnega modula: to pomeni, da je stanje baterij mogoče določiti posamično. Ti podatki lahko na primer zagotavljajo informacije o SOC in SOH modula. V kombinaciji s podatki o tem, kdaj je bil modul prvotno proizveden, to omogoča optimalno uporabo v njegovi drugi življenjski dobi in zagotavljanje podrobnega nabora specifikacij za vsak modul v prodaji. Dostopnost teh podatkov povečuje vrednost modulov pri nadaljnji prodaji.
Celovite rešitve za wBMS podjetja ADI
Protokol brezžičnega omrežja, ki ga ADI izvaja v wBMS sistemu, izpolnjuje zahteve avtomobilske industrije glede zanesljivosti, varnosti in zaščite v vseh pogojih delovanja na podlagi tehnologije sinhronizacije časa v celotnem omrežju. Uporaba wBMS sistema v serijskem električnem vozilu družbe General Motors dokazuje njegovo zanesljivost v najtežjih okoljih: baterija, ki temelji na wBMS, je v več kot 100 testnih vozilih prevozila več sto tisoč kilometrov, na cesti in zunaj nje, in sicer v različnih okoljih, od puščave do mrzlega severa, ter v najtežjih razmerah.
ADI s sistemom wBMS podpira tudi programe avtomobilskih proizvajalcev v skladu s standardom funkcionalne varnosti ISO 26262. Radijska tehnologija in omrežni protokol sta bila razvita tako, da je sistem odporen v okoljih, kjer je veliko šuma in zagotavlja varno komunikacijo med nadzornimi enotami in upraviteljem z uporabo izpopolnjene tehnologije šifriranja. Varnostni ukrepi preprečujejo, da bi nenamerni prejemnik, na primer kriminalec ali heker, ponaredil podatke, ki se prenašajo po brezžičnem omrežju. Poleg tega so preneseni podatki prejeti brez kakršne koli spremembe vsebine, predvideni prejemnik pa natančno ve, kateri vir je poslal sporočilo.
Upravljanje vrednosti baterije v celotni življenjski dobi
V celotni življenjski dobi baterijskega sklopa, od začetne montaže do zavrženjav drugo življenjskoobdobje, wBMS zmogljivost vgrajena v baterijski sklop zagotavlja, da lahko proizvajalec vozila in njegov lastnik enostavno spremljata stanje baterije, vzdržujeta njeno zmogljivost in varnost ter povečujeta njeno vrednost. Celoten sistem, vključno z interakcijami med enotami za spremljanje celic baterijskih modulov in ECU, upravlja tehnologija podjetja ADI, konfiguracijske nastavitve pa določi proizvajalec.
Tehnologijo wBMS podpira tudi ADI-jeva storitev vpogleda v življenjski cikel baterije (BLIS). Ta zagotavlja podatkovno programsko opremo na robu in v oblaku za podporo sledljivosti, optimizacijo proizvodnje, spremljanje pri skladiščenju in prevozu, zgodnje odkrivanje okvar in podaljšanje življenjske dobe. Tehnologiji wBMS in BLIS skupaj omogočata avtomobilskim proizvajalcem večjo donosnost naložb v razvoj in proizvodnjo baterijskih sklopov, izboljšujeta ekonomičnost poslovnih strategij za električna vozila in pomagata pospešiti prehod trga na nizkoogljično, trajnostno prihodnost osebne mobilnosti.
Ključnega pomena za načrtovanje in omogočanje takšnih baterijskih rešitev z wBMS so razumevanje sistema ter metode in orodja, ki podpirajo načrtovanje in tehnologije, kot je opisano zgoraj. AVL ponuja celoten nabor simulacij, testiranj, inženirskih zmogljivosti in izkušenj, da bi skupaj s svojimi strankami uspešno spodbujal te inovacije in jih uvedel na trg tako, da bi bile pripravljene za serijsko proizvodnjo. AVL se trenutno intenzivno ukvarja z rešitvami baterijskega ekosistema z razvojem metodologij za analizo podatkov, napovednimi funkcijami, podprtimi z uporabo virtualnega razvoja, ter podatki o vozilih in baterijah, da bi povečal življenjsko dobo in zmogljivost baterij.
Podjetje AVL si skupaj z družbo ADI prizadeva svojim strankam po vsem svetu zagotoviti pametnejše BMS rešitve z združevanjem moči obeh podjetij.
O avtorjih
Stephan Prüfling, magister znanosti, je študiral industrijsko inženirstvo in elektrotehniko s poudarkom na e-mobilnosti in energetskih omrežjih. Družbi AVL se je pridružil leta 2016 in je produktni vodja za rešitve komponent e-pogona, kot so e-motorji in močnostna elektronika. Trenutno se osredotoča predvsem na upravljanje izdelkov za rešitve za upravljanje baterij in vodenje inovacijskih projektov na tem področju.
Norbert Bieler je elektroinženir s poudarkom na mikroelektroniki in 25-letnimi izkušnjami na področju upravljanja avtomobilske industrije v podjetjih Siemens VDO, Continental Automotive in Analog Devices. Norbertovo strokovno znanje in izkušnje se nanašajo na sisteme, arhitekture in funkcije vozil ter elektroniko za notranjost, podvozje in pogonski sklop. V zadnjih 15 letih se je osredotočil na hibridizacijo in elektrifikacijo celotnega pogonskega sklopa vozila. Vodi poslovni razvoj in strategijo ter razvoj projektov e-mobilnosti, ki opredeljujejo nove tehnologije in inovacije za proizvajalce avtomobilov, podjetja prvega reda in mreže strateških partnerjev.
