Што е модуларен дизајн?

Минатиот месец добив повик од менаџер на возниот парк во Мичиген. Ладно складиште, камиони за дофат кои работат во три смени. Неговиот батериски пакет од 80V исфрли шифра на грешка по 14 месеци-БМС беше заклучен, камионот мртов. Се јавил во неговиот добавувач, добил понуда од 22.000 долари за замена и шест-неделно чекање.

 

Го замоливме да ја пушти корицата и да испрати неколку фотографии. Се испостави дека ќелиите биле залепени директно на фиоката со структурно лепило. Нема модули, нема пристап до услугата. Целиот пакет беше еден цврст блок. Кој и да го дизајнирал веројатно се обидувал да исцеди неколку дополнителни Wh/kg за листот со спецификации, а сега овој човек плаќа за таа одлука.

 

Тоа е контекстот кога некој не прашува за модуларен дизајн. Не се работи навистина за дефиниции-тоа е за тоа што се случува кога работите ќе тргнат наопаку, што тие секогаш на крајот го прават.

 

Основната идеја

Модуларен дизајн значи организирање на ќелии во посебни единици (модули) кои можете да ги извадите и да работите поединечно. Секој модул има своја рамка, свои електрични врски, свој термички интерфејс. Кога на пакетот му е потребна услуга, имате работа со парче од 5-10 kWh наместо со монолит од 60 kWh.

Алтернативниот пристап-Cell-to-Pack, Cell-to-Chassis, како што сакате наречете го-целосно ги прескокнува тие средни структури. Клетките одат директно во куќиштето на пакувањето или дури и во подот на возилото. Веројатно сте го виделе маркетингот: Qilin на CATL достигнува 72% искористеност на волуменот, Блејд ќелиите на BYD работат по целата ширина на фиоката, Тесла ги заварува нивните 4680-ти во структурни пакувања.

Ова се вистински инженерски достигнувања. Имаат смисла за патнички ЕВ каде што сите се натпреваруваат со броеви на опсег, а вие исфрлате милиони идентични единици. Но, индустриските апликации се сосема поинаква ситуација.

Каде што се појавуваат проблемите

Кога ќелиите се врзуваат со структурно лепило, не можете да ги расклопите без да уништите нешто. Истите материјали за термички интерфејс кои го подобруваат преносот на топлина, исто така, го прават целото склопување трајно. Една ќелија оди лошо, чопорот оди лошо.

Сопствениците на патнички автомобили изнајмуваат на три години и тргуваат. Виљушкар работи најмалку десет години во дистрибутивен центар. Математиката функционира поинаку.

Ги следевме трошоците за поправка низ нашата база на клиенти и моделот е конзистентен. Услугата на ниво на модул- чини 400-800 $, вклучувајќи работна сила. Замена на целото пакување со споредлив интегриран дизајн-кога можете дури и да добиете 15.000-25.000 долари за еднократно возење, плус недели време на испорака.

Бројките за застој го влошуваат ова. Индустриското истражување на ABB од 2024 година (3,200+ испитаници) покажа дека непланираното застој во просек од 125.000 долари/час низ секторите-производството на автомобили достигнува 2 милиони долари+. Магацините се пониски, но опремата неактивен чекајќи батерии од Кина не заработува.

Интересна е и осигурителната страна на ова. Слушаме дека се приспособуваат вкупните-прагови на загуба на опрема со не-употребливи пакети. Има смисла-ако помал судир значи замена на батеријата од 20 илјади долари, математиката за „вкупно“ се менува прилично брзо.

Термичкиот менаџмент станува комплициран

Контролата на температурата е местото каде што модуларната архитектура навистина заработува, иако за ова не се зборува многу.

Литиумските клетки сакаат да останат помеѓу околу 15 степени и 35 степени. Премногу жешки и брзо се деградираат- на секои 10 степени над оптималната грубо го намалува животниот век на циклусот на половина. Премногу ладно и го губите капацитетот, плус полнењето под нулата ризикува литиумско обложување. Лоши резултати во секој случај.

Модуларните граници ви даваат природни термални зони. Можете да ставите ладилни плочи помеѓу модулите, да поминете течност низ дефинираните канали, да ги изолирате проблематичните области. Системот е полесен за моделирање и полесен за изградба.

Тестиравме конфигурации со материјали за промена на фаза-во куќиштето на модулите. Истиот основен производ служи и за надворешни дворови во Саудиска Арабија и за ладилници во Канада. При тестирањето за складирање во ладилници, батериите останаа над 0 степени 14+ часа во околината од -20 степени по целосен циклус на празнење. Без термичко управување, за неколку часа сте под нула.

Со интегрирано пакување каде што сè е врзано за една голема плоча за ладење, тоа навистина не можете да го прилагодите. Термичкиот систем е структурата. Различна апликација значи различен дизајн на пакетот.

Производствена економија-Не она што би го очекувале

Теренот за интегрирани дизајни е секогаш за ефикасноста на производството. Помалку делови, побрзо склопување, пониска цена. Тесла го намали склопувањето на пакетот Model 3 од 7 часа на 17 минути. Тие бројки се реални.

Тие, исто така, се засноваат на изградба на милиони идентични пакети со специјализирана автоматизација што чини десетици милиони за поставување.

Индустриското производство на батерии не изгледа ништо така. На типичен виљушкар OEM му требаат пакети кои се движат од 24V до 80V низ можеби десетина варијанти на капацитет, кои се вклопуваат во различни шасии од различни брендови на опрема. Зборуваме за десетици илјади единици низ целата производна линија, а не за милиони еден SKU.

Модуларната архитектура се справува со таа разновидност. Вие го потврдувате дизајнот на еден модул, а потоа комбинирате различни количини за да го достигнете напонот и капацитетот што му треба на клиентот. Структурата на ниво на пакет- во основа е багажник. Новите конфигурации може да се испорачаат за неколку недели бидејќи тешкиот дел-модулот- е веќе завршен.

Скалата на неодамнешните индустриски распоредувања ја кажува приказната подобро од теоријата:

Распоредување на флота на индустриски батерии (2023-2025)

Она што се издвојува: секое големо распоредување во тешки средини-рударство, ладилници, аеродромски операции- помина со модуларни дизајни. Интегрираниот пристап доминира во патничките ЕВ. Различни оперативни реалности, различни избори на архитектура.

Обидете се да го направите тоа со интегрирани пакувања. Секоја варијанта има потреба од сопствена алатка, своја валидација, сопствена поставка за производство. Предноста на ефикасноста на автомобилски размери се претвора во казна за флексибилност кога им служите на фрагментирани индустриски пазари.

Позиција на трошоци

Податоците за цените на индустријата (BloombergNEF објавува анкети годишно) ги ставаат трошоците на пакетот LFP околу 81 $/kWh на глобално ниво, со значителни регионални варијации-Кина околу 84 $/kWh, Северна Америка повеќе од 121 $/kWh. Таа премија од 44% ги одразува трошоците за работна сила, зрелоста на синџирот на снабдување и обемот на производството.

Тоа се набавните цени. Тие не доловуваат што се случува во текот на десет години работење.

За повеќе{0}}виљушкар што работи 3.000 часа годишно, на батеријата во одреден момент ќе и треба сервис. Можеби двапати во текот на својот животен век, можеби три пати.

На модуларни пакувања тоа е вкупно 1.500-2.500 долари, вклучувајќи ги и трошоците за застој. На интегрираните пакувања барате 40 долари,000+ ако треба да го замените целиот уред дури и еднаш.

Објавените TCO студии од операторите на возниот парк покажуваат шема:

Литиум против олово-Анализа TCO на киселина (Операции со повеќе- смени)

*Извори: анализа на флота UgoWork (50 камиони Texas 3PL), репер податоци на корпорацијата Raymond, распоредувања на ладилникот OneCharge*

Првичната премија за модуларна архитектура-наречете ја 15-20%-обично се враќа во рок од 24-36 месеци при операции со повеќе смени. Дури и апликациите со една смена стигнуваат таму во рок од пет години.

Регулаторна насока

И Кина и ЕУ се движат кон регулативи кои фаворизираат услужливи дизајни.

GB 38031-2020 (кинески стандард за безбедност на батериите за EV) бара термички бариери за ширење - ако една ќелија оди во бегство, соседните ќелии треба да преживеат најмалку пет минути или пакувањето треба да обезбеди предупредување. Границите на модулите се природно место за поставување на тие бариери.

Регулативата на ЕУ за батерии што ќе се појави до 2027 година додава барања за следење на јаглеродниот отпечаток, рециклирана содржина и следливост на животниот циклус преку системите „Battery Passport“. Сето ова е полесно кога батериите се дизајнирани за расклопување. Модулите може да се влечат, оценат, да се испратат до втора-примена за живот или да се рециклираат. Интегрираните пакувања треба да се раскинат.

Насоката на политиката е прилично јасна: батериите се трајни производи, а не за еднократна употреба. Дизајните оптимизирани чисто за удобност во производството ќе се соочат со повеќе триење со текот на времето.

Што значи ова за одлуки за извори

Интегрираните архитектури не се погрешни-тие се само оптимизирани за различни цели од она што го бараат индустриските апликации. CATL и BYD градат за производители на автомобили на кои им е потребна максимална густина на енергија при максимален обем на производство. Тоа е легитимен инженерски проблем со легитимно решение.

Индустриската опрема е различна. Десет-годишен животен циклус. Теренска услуга од страна на клиентите техничари. Работни средини од замрзнувачи до пустини. Десетици варијанти на напон и капацитет низ брендовите на опрема.

Ако тоа е вашата ситуација, прашањата што вреди да се прашаат кој било добавувач на батерии:

Одговорите ви кажуваат дали купувате нешто дизајнирано за вашата оперативна реалност или нешто што се случило да биде достапно.

Со години градевме модуларни пакувања за индустриски апликации, особено затоа што тоа го бараат апликациите. Броевите на спецификацискиот лист не се толку импресивни како она што го гледате од големите добавувачи на автомобилски батерии. Десетте-годишните трошоци за сопственост обично се.