Що таке модульний дизайн?

Минулого місяця мені подзвонив менеджер автопарку з Мічигану. Холодильна камера, ричтраки в три зміни. Його акумуляторна батарея на 80 В видала код помилки через 14 місяців-BMS заблоковано, вантажівка не працює. Зателефонував до свого постачальника, отримав 22 000 доларів США на заміну та шість-тижневого очікування.

 

Ми попросили його відкрити обкладинку та надіслати кілька фотографій. Виявилося, комірки були приклеєні структурним клеєм просто до лотка. Немає модулів, немає доступу до сервісу. Вся пачка була одним суцільним блоком. Той, хто його розробив, ймовірно, намагався вичавити кілька додаткових Вт-год/кг для технічного опису, і тепер цей хлопець платить за це рішення.

 

Це контекст, коли хтось запитує нас про модульний дизайн. Насправді мова йде не про визначення,-а про те, що відбувається, коли щось йде не так, а це завжди відбувається.

 

Основна ідея

Модульний дизайн означає організацію комірок в окремі одиниці (модулі), які можна витягувати та працювати окремо. Кожен модуль має свою раму, свої електричні з’єднання, свій термоінтерфейс. Коли пакет потребує обслуговування, ви маєте справу з блоком на 5-10 кВт-год замість моноліту на 60 кВт-год.

Альтернативний підхід-Cell-to-Pack, Cell{3}}to-Chassis, як би ви це не називали-цілком пропускає ці проміжні структури. Клітини потрапляють прямо в корпус рюкзака або навіть на підлогу автомобіля. Ви, напевно, бачили маркетинг: Qilin від CATL досягає 72% використання об’єму, клітини Blade від BYD працюють на всю ширину лотка, Tesla зварює свої 4680s у структурні пакети.

Це справжні інженерні досягнення. Вони мають сенс для пасажирських електромобілів, де всі конкурують за дальність пробігу, а ви штампуєте мільйони ідентичних одиниць. Але промислове застосування – це зовсім інша ситуація.

Де виявляються проблеми

Коли клітини скріплені структурним клеєм, ви не можете розібрати їх, не знищивши нічого. Ті самі матеріали термоінтерфейсу, які покращують теплопередачу, також роблять всю збірку довговічною. Одна клітина псується, зграя псується.

Власники легкових автомобілів орендують на три роки та обмінюють. Навантажувач працює мінімум десять років у розподільчому центрі. Математика виходить інакше.

Ми відслідковували витрати на ремонт у нашій клієнтській базі, і шаблон є незмінним. Обслуговування рівня-модуля коштує 400$-800, включаючи оплату праці. Повна заміна пакета на порівнянну інтегровану конструкцію-коли ви навіть можете отримати одну серію за 15 000–25 000 доларів США плюс тижні часу виконання.

Цифри простоїв погіршують це. Промислове опитування АББ у 2024 році (3200+ респонденти) виявило, що незаплановані простої в середньому становлять 125 000 доларів США за годину в різних секторах-автомобілебудування досягає 2 мільйонів доларів+. Склади скорочуються, але обладнання, яке простоює в очікуванні акумуляторної батареї з Китаю, не приносить грошей.

Страхова сторона цього теж цікава. Ми чуємо, що загальні-порогові значення втрат на обладнанні з-необслуговуваними пакетами коригуються. Має сенс-якщо незначне зіткнення означає заміну батареї на 20 тис. доларів США, математика щодо «загальної суми» змінюється досить швидко.

Керування температурою ускладнюється

Контроль температури – це те, де модульна архітектура справді заслуговує на збереження, хоча про це мало говорять.

Літієві елементи мають підтримувати температуру приблизно від 15 до 35 градусів. Занадто жарко, і вони швидко руйнуються-кожні 10 градусів вище оптимального приблизно вдвічі скорочують термін служби. Якщо занадто холодно, ви втрачаєте ємність, а заряджання при температурі нижче точки замерзання загрожує літієвим покриттям. Погані результати в будь-якому випадку.

Модульні межі створюють природні термічні зони. Ви можете розмістити охолоджуючі пластини між модулями, пропустити рідину через визначені канали, ізолювати проблемні зони. Систему легше моделювати і легше будувати.

Ми випробовували конфігурації з фаз{0}}матеріалами в корпусах модулів. Той самий базовий продукт обслуговує як відкриті двори в Саудівській Аравії, так і холодильні склади в Канаді. Під час тестування холодного зберігання батареї залишалися вище 0 градусів протягом 14+ годин за температури навколишнього середовища -20 градусів після повного циклу розряду. Без керування температурою ви опинитеся нижче точки замерзання протягом кількох годин.

Завдяки інтегрованому пакету, де все з’єднано на одній великій охолоджувальній пластині, ви не зможете адаптувати це. Теплова система - це структура. Різне застосування означає різний дизайн упаковки.

Економіка виробництва-не те, чого ви очікуєте

Інтегровані конструкції завжди стосуються ефективності виробництва. Менше деталей, швидша збірка, менша вартість. Tesla скоротила збірку Model 3 pack із 7 годин до 17 хвилин. Ці цифри реальні.

Вони також засновані на створенні мільйонів ідентичних пакетів зі спеціалізованою автоматизацією, налаштування якої коштує десятки мільйонів.

Промислове виробництво акумуляторів виглядає не так. Типовому OEM-виробнику вилкового навантажувача потрібні пакети від 24 В до 80 В, можливо, з дюжиною варіантів ємності, що підходять для різних шасі від обладнання різних марок. Ми говоримо про десятки тисяч одиниць усієї лінійки продуктів, а не про мільйони одиниць SKU.

Модульна архітектура справляється з такою різноманітністю. Ви перевіряєте конструкцію одного модуля, а потім комбінуєте різні кількості, щоб досягти будь-якої напруги та ємності, які потрібні клієнту. Структура рівня pack-загалом є стійкою. Нові конфігурації можуть бути надіслані за кілька тижнів, тому що найважча частина-модуль-уже готова.

Масштаби нещодавніх промислових розгортань розповідають історію краще, ніж теорія:

Розгортання парку промислових батарей (2023-2025)

Що виділяється: кожне велике розгортання в складних середовищах-видобутку корисних копалин, холодильному складі, роботі в аеропортах-було з модульними конструкціями. Інтегрований підхід домінує в легкових електромобілях. Різні операційні реалії, різні архітектурні рішення.

Спробуйте зробити це за допомогою інтегрованих пакетів. Кожен варіант потребує власного інструментарію, власної перевірки, власного налаштування виробництва. Перевага ефективності в автомобільному масштабі перетворюється на недолік гнучкості, коли ви обслуговуєте фрагментовані промислові ринки.

Вартість позиції

Дані про галузеві ціни (BloombergNEF публікує опитування щороку) стверджують, що пакет LFP коштує приблизно 81 дол. США/кВт-год у всьому світі, із значними регіональними коливаннями-Китай – близько 84 дол. США/кВт-год, Північна Америка – приблизно 121 дол. США/кВт-год. Ці 44% премії відображають витрати на оплату праці, зрілість ланцюжка поставок і масштаб виробництва.

Це закупівельні ціни. Вони не вловлюють, що відбувається за десять років роботи.

Для багато-змінного вилкового навантажувача, який працює 3000 годин на рік, акумулятор колись потребуватиме ремонту. Можливо двічі за своє життя, можливо тричі.

На модульних пакетах це загальна сума становить 1500-2500 доларів США, включаючи витрати на простої. На інтегровані пакети ви очікуєте 40 доларів США, 000+ якщо вам доведеться замінити весь блок навіть один раз.

Опубліковані дослідження TCO від операторів автопарків показують закономірність:

Аналіз літію та свинцевої-кислоти TCO (багатозмінна робота)

*Джерела: аналіз автопарку UgoWork (50 вантажівок Texas 3PL), порівняльні дані Raymond Corporation, розгортання холодильних систем OneCharge*

Попередня премія за модульну архітектуру-назвіть її 15-20%-зазвичай окупається протягом 24-36 місяців за багатозмінної роботи. Навіть заявки на одну зміну досягають цього протягом п’яти років.

Регуляторний напрямок

І Китай, і ЄС рухаються до правил, які сприяють експлуатації.

GB 38031-2020 (стандарт безпеки батареї для електромобілів у Китаї) вимагає бар’єрів для розповсюдження тепла – якщо одна клітина починає витікати, сусідні клітини мають витримати принаймні п’ять хвилин, або пакет має подати попередження. Межі модулів є природним місцем для встановлення цих бар’єрів.

Регламент ЄС щодо акумуляторів, який поширюється до 2027 року, додає вимоги щодо відстеження вуглецевого сліду, переробленого вмісту та відстеження життєвого циклу за допомогою систем «Паспорт акумулятора». Усе це простіше, коли батареї призначені для розбирання. Модулі можна витягувати, класифікувати, відправляти до програм другого-життя або переробляти. Інтегровані пакети потрібно розривати.

Напрям політики досить зрозумілий: батареї є товарами тривалого користування, а не одноразовими. Конструкції, оптимізовані виключно для зручності виробництва, з часом стикаються з більшими труднощами.

Що це означає для рішень щодо пошуку

Інтегровані архітектури не помиляються-вони просто оптимізовані для інших цілей, ніж ті, які вимагають промислові програми. CATL і BYD будують для автовиробників, яким потрібна максимальна щільність енергії при максимальному обсязі виробництва. Це законна інженерна проблема з законним рішенням.

Промислове обладнання буває різне. Десяти-річний життєвий цикл. Обслуговування на місцях техніками клієнта. Робочі середовища від морозильних камер до пустель. Десятки варіантів напруги та потужності для різних марок обладнання.

Якщо це ваша ситуація, питання, які варто поставити будь-якому постачальнику акумуляторів:

Відповіді покажуть вам, чи купуєте ви щось, розроблене для реальних умов експлуатації, чи щось, що випадково було в наявності.

Ми роками створювали модульні пакети для промислового застосування, саме тому, що це те, чого потребують програми. Цифри в технічних характеристиках не такі вражаючі, як ті, які ви бачите від великих постачальників автомобільних акумуляторів. Вартість-років володіння зазвичай дорівнює.