БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАТАРЕЙНЫМ ПИТАНИЕМ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ

03.06.2023 |

Электромобили в связи с резким повышением цен на углеводороды получили в настоящее время широкое распространение. Тем не менее, большинство электромобилей текущего поколения по-прежнему считаются дорогими или менее привлекательными по сравнению с обычными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

Следовательно, снижение затрат на производство электромобилей  и повышение их производительности являются ключом к обеспечению успешного и устойчивого роста этого сегмента рынка.

Уменьшение размера, веса и стоимости влияет на конкурентоспособность аккумуляторных систем на протяжении всего жизненного цикла электромобиля.

С другой стороны, увеличение дальности пробе- га также оказывает существенное влияние на

конкурентоспособность электромобилей. Кроме того, с ростом числа электромобилей с завершенным жизненным циклом, зарождается рынок  аккумуляторов второго срока службы, т.е. аккумуляторов, извлеченных из электромобилей, выведенных из эксплуатации.

Эта новая тенденция рынка уже привела к инновациям в области аккумуляторных батарей. Осуществляется разработка новых материалов, которые в будущем смогут прийти на смену литиевым

технологиям. То же самое происходит и с система- ми  управления батарейным питанием  (Battery Management System – BMS), которые следят за уровнем заряд и работоспособностью батареи в целом.

Отметим, что в настоящее время в массовое производство запущена беспроводная технология wireless BMS или WBMS, которая разработана компанией Analog Devices и впервые применена концерном General Motors в модульной аккумуляторной платформе Ultium. WBMS технология дает производителям электромобилей новое конкурентное пре- имущество на протяжении всего срока службы батареи, начиная с момента сборки аккумуляторных модулей вплоть до их утилизации, а при необходимости, до второго срока службы батареи.

Проводная сборка аккумуляторной батареи – дорогой и трудоемкий процесс. Переход на новую беспроводную технологию WBMS основан на анализе недостатков коммуникационной проводки в стандартных аккумуляторных батареях современных электромобилей. Этот анализ базируется на опыте компании Analog Devices, которая поставляет на рынок одни из лучших электронных компонентов для беспроводных технологий и, кроме того, разработала одну из самых надежных технологий ячеистых сетей для промышленного применения.

В обычном аккумуляторном блоке электромобиля данные измеренного напряжения каждого аккумуляторного модуля поступают по проводной сети в электронный блок управления.

Блок аккумуляторной батареи состоит из от- дельных модулей, в составе которых может быть несколько аккумуляторных элементов. Чтобы максимально увеличить емкость, срок службы и производительность батареи, ключевые параметры работы батареи  –   напряжение, ток заряда/разряда и температура – необходимо отслеживать и регистрировать отдельно для каждого модуля. Поэтому бата- рея электромобиля обеспечена проводными

средствами передачи данных от каждого модуля или элемента, где измеряются напряжение и температура, к процессору блока управления, как показано на рис. 1.  Традиционно такая сеть выполнена в про- водном исполнении, причем проводная сеть аккумуляторной батареи имеет достаточно сложную структуру.

Недостатки проводной технологии Жгут, из которого состоит проводная сеть аккумуляторной батареи,  добавляет дополнительный вес и занимает существенное пространство в корпусе батареи, которое при заполнении аккумуляторными элементами, может обеспечить дополни- тельную энергоемкость.

Кроме того, жгут должен быть закреплен на конструкциях корпуса батареи, а разъемы могут потенциально выйти из строя от механического повреждения в условиях вибрации и ударов. Другими словами, жгут проводов  увеличивает сложность разработки, стоимость производства и вес аккумуляторной батарей, снижает ее механическую надежность и уменьшает полезное пространство. Это, как следствие, приводит к уменьшению дальности пробега электромобиля.

Рис. 1. Типовая многокомпонентная проводная сеть (слева) и беспроводная сеть (справа) для управления аккумуляторной батареей электромобиля

Убрав жгут проводов, производитель электромобилей получает преимущество, связанное со снижением требований к конструкции  батареи. Наличие жгута медных проводов батареи усложняет и удорожает сборку батарейного блока: жгуты и их соединения подлежат, как правило, ручной сборке.

Это дорогостоящий и опасный процесс, поскольку высоковольтные аккумуляторные батареи электромобилей поставляются заряженными на сборочную линию.

Для обеспечения безопасности процесса сборки и защиты работников производственной линии применяются специальные протоколы безопасности. Таким образом, у производителей электромобилей есть веские причины внедрять беспроводную технологию в новые платформы аккумуляторных систем.

WBMS или беспроводную технологию достаточно легко интегрировать в систему управления аккумуляторной батареи. Она включает блок контроллера для беспроводного мониторинга состояния аккумуляторных элементов каждого аккумуляторного модуля и блок управления беспроводной сетью в целом, как показано на рис. 1.

Таким образом, WBMS технология в полной мере позволяет устранить проблемы, связанные с проектированием и сборкой проводных жгутовых соединений. Кроме того, эта технология имеет дополнительные преимущества, а именно:

  1. Аккумуляторная сборка – это единственный производственный процесс, который требуется для батарейного модуля. Он выполняется с помощью силовых клемм и может быть легко автоматизирован. За счет исключения ручного труда при сборке аккумуляторной батареи обеспечивается безопасность ее сборки, которая осуществляется на автоматизированной сборочной линии, как показано на рис. 2, причем отдельные модули могут быть протестированы и согласованы перед установкой в батарее.
  2. Обслуживание — безопасная беспроводная сеть позволяет проанализировать состояние аккумуляторной батарей при сборке без угрозы для персонала. При обнаружении неисправности аккумуляторный модуль можно легко заменить. Беспроводная конфигурация упрощает установку нового модуля в аккумуляторную систему.
  3. Второй срок службы — в связи с увеличением количества транспортных средств, выведенных из эксплуатации, появился рынок восстановленных аккумуляторов второго срока службы, перепрофилированных, например, для систем хранения воз- обновляемой энергии. Таким образом, WBMS технология позволяет упростить интеграцию модулей для вторичного использования.
  4. Утилизация — пригодный для повторного использования металл и потенциально опасные материалы внутри аккумуляторной батареи требуют применения специальных мер по утилизации. Простые соединения и отсутствие жгута проводов упрощают разборку и утилизацию аккумуляторных модулей.
  5. Управление данными — WBMS технология позволяет легко считывать данные о состоянии батареи отдельно с каждого интеллектуального модуля. Это позволяет оптимально использовать конкретный аккумуляторный модуль после окончания его эксплуатации в составе аккумуляторной батареи.

Рис. 2. Фрагмент сборочной линии для аккумуляторной батареи

Использование технологии WBMS в серийном электромобиле концерна General Motors является доказательством ее надежности в самых тяжелых условиях эксплуатации: батарея на основе этой технологии прошла сотни тысяч километров в более чем 100 тестовых автомобилях, как на дороге, так и вне ее,  в условиях пустыни и крайнего севера.

Управление сроком службы батареи. На протяжении всего срока службы аккумуляторной батареи, начиная от сборки и заканчивая утилизацией или повторным использованием, встроенные в аккумуляторную батарею функции WBMS технологии гарантируют пользователю постоянный мониторинг состояния аккумуляторной батареи, поддерживают ее производительность и безопасность эксплуатации.

ВЫВОДЫ

Замена проводных технологий управления в аккумуляторных батареях для электромобилей на беспроводные технологии позволяет упростить процессы сборки и тестирования отдельных модулей и батареи в целом. Кроме того, обеспечивается безопасность сборки и обслуживания батареи, поддерживается максимальная производительность и увеличивается срок ее службы. Впервые беспроводная технология управления аккумуляторной батареей электромобиля была применена концерном General Monors с использованием сетевых технологий на основе электронных компонентов компании Analog Devices.