طراحی مدولار چیست؟

ماه گذشته از یک مدیر ناوگان در میشیگان تماس گرفتم. مرکز ذخیره سازی سرد، کامیون های دسترسی سه شیفت. بسته باتری 80 ولتی او پس از 14 ماه کد خطا را نشان داد-BMS قفل شد، کامیون مرد. با تامین‌کننده‌اش تماس گرفت، 22,000 دلار برای جایگزینی و شش هفته صبر کرد.

 

از او خواستیم کاور را ببندد و چند عکس بفرستد. معلوم شد که سلول ها مستقیماً با چسب ساختاری به سینی چسبانده شده اند. بدون ماژول، بدون دسترسی به خدمات. کل بسته یک بلوک جامد بود. هر کسی که آن را طراحی کرده بود احتمالاً سعی می کرد چند Wh/kg اضافی را برای برگه مشخصات جمع کند، و اکنون این شخص هزینه این تصمیم را می پردازد.

 

زمانی که شخصی از ما در مورد طراحی مدولار می پرسد، این شرایط است. این واقعاً در مورد تعاریف نیست-درباره این است که وقتی همه چیز اشتباه می‌شود چه اتفاقی می‌افتد، که همیشه در نهایت انجام می‌دهند.

 

ایده اصلی

طراحی مدولار به معنای سازماندهی سلول ها در واحدهای جداگانه (ماژول) است که می توانید آنها را بیرون بکشید و به صورت جداگانه روی آنها کار کنید. هر ماژول قاب مخصوص به خود، اتصالات الکتریکی خود، رابط حرارتی خود را دارد. هنگامی که بسته نیاز به سرویس دارد، شما با یک قطعه 5-10 کیلووات ساعتی به جای یکپارچه 60 کیلووات ساعتی سروکار دارید.

رویکرد جایگزین-Cell-به-بسته‌بندی، سلول-به-شاسی، هر چه می‌خواهید آن را بنامید-به طور کامل از آن ساختارهای میانی صرف نظر می‌کند. سلول ها مستقیماً به محفظه بسته یا حتی کف خودرو می روند. احتمالاً بازاریابی را دیده‌اید: Qilin CATL به 72 درصد حجم استفاده می‌شود، سلول‌های Blade BYD در تمام عرض سینی کار می‌کنند، تسلا 4680s خود را در بسته‌های ساختاری جوش می‌دهد.

اینها دستاوردهای مهندسی واقعی هستند. آنها برای خودروهای برقی مسافربری که در آن همه بر سر شماره برد رقابت می کنند و شما میلیون ها واحد یکسان را حذف می کنید، منطقی است. اما کاربردهای صنعتی وضعیت کاملاً متفاوتی دارند.

جایی که مشکلات ظاهر می شوند

وقتی سلول ها با چسب ساختاری به هم متصل می شوند، نمی توانید آنها را بدون تخریب چیزی جدا کنید. همان مواد رابط حرارتی که انتقال حرارت را بهبود می بخشد، کل مجموعه را دائمی می کند. یک سلول خراب می شود، بسته خراب می شود.

دارندگان خودروهای سواری به مدت سه سال اجاره می دهند و معامله می کنند. یک لیفتراک حداقل ده سال در یک مرکز توزیع کار می کند. ریاضیات به گونه ای دیگر عمل می کند.

ما هزینه های تعمیر را در سراسر پایگاه مشتریان خود ردیابی کرده ایم و این الگوی ثابت است. سرویس سطح ماژول-400{4}}800 دلار شامل نیروی کار است. جایگزینی پک کامل با طراحی یکپارچه قابل مقایسه-درصورتی‌که حتی می‌توانید 15000-25000 دلار یک بار اجرا کنید، به اضافه هفته‌ها زمان تحویل.

اعداد خرابی این وضعیت را بدتر می کند. نظرسنجی صنعتی ABB در سال 2024 (3،200+ پاسخ‌دهندگان) نشان داد که زمان خاموشی برنامه‌ریزی نشده به طور متوسط ​​125000 دلار در ساعت در بخش‌ها-تولید خودرو به 2 میلیون دلار رسیده است{8}} انبارها کمتر کار می‌کنند، اما تجهیزاتی که در حالت بیکار نشسته اند و منتظر یک بسته باتری از چین هستند، درآمدی ندارند.

جنبه بیمه این نیز جالب است. ما می شنویم که مجموع{1}}آستانه ضرر در تجهیزات دارای بسته های غیرقابل سرویس دهی در حال تنظیم است. منطقی است-اگر یک برخورد جزئی به معنای تعویض باتری 20 هزار دلاری باشد، محاسبات "مجموع" خیلی سریع تغییر می کند.

مدیریت حرارتی پیچیده می شود

کنترل دما جایی است که معماری ماژولار واقعاً حفظ می شود، اگرچه در مورد آن زیاد صحبت نمی شود.

سلول های لیتیومی می خواهند بین 15 تا 35 درجه باقی بمانند. خیلی داغ هستند و به سرعت تخریب می شوند-هر 10 درجه بالاتر از حد مطلوب تقریباً عمر چرخه را به نصف کاهش می دهد. خیلی سرد است و ظرفیت خود را از دست می‌دهید، به‌علاوه شارژ کردن در دمای زیر صفر خطر آبکاری لیتیوم را به همراه دارد. نتایج بد در هر صورت.

مرزهای مدولار به شما مناطق حرارتی طبیعی می دهد. می توانید صفحات خنک کننده را بین ماژول ها قرار دهید، مایع را از طریق کانال های تعریف شده عبور دهید، مناطق مشکل را جدا کنید. مدل سازی سیستم آسان تر و ساختن آن آسان تر است.

ما در حال آزمایش پیکربندی‌ها با مواد تغییر فاز-در محفظه‌های ماژول بوده‌ایم. همان محصول اصلی هم در حیاط های بیرونی در عربستان سعودی و هم در مراکز سردخانه در کانادا خدمت می کند. در آزمایش ذخیره‌سازی سرد، باتری‌ها پس از یک چرخه دشارژ کامل، به مدت 14+ ساعت در محیط 20- درجه بالای 0 درجه باقی ماندند. بدون مدیریت حرارتی، در عرض چند ساعت به زیر صفر خواهید رسید.

با یک بسته یکپارچه که در آن همه چیز به یک صفحه خنک کننده بزرگ متصل است، واقعاً نمی توانید آن را تطبیق دهید. سیستم حرارتی ساختار است. کاربرد متفاوت به معنای طراحی بسته متفاوت است.

اقتصاد تولید{0}آن چیزی نیست که شما انتظار دارید

زمین برای طرح های یکپارچه همیشه در مورد بهره وری تولید است. قطعات کمتر، مونتاژ سریعتر، هزینه کمتر. تسلا مونتاژ بسته مدل 3 را از 7 ساعت به 17 دقیقه کاهش داد. آن اعداد واقعی هستند.

آنها همچنین بر اساس ساخت میلیون‌ها بسته یکسان با اتوماسیون تخصصی هستند که راه‌اندازی آن ده‌ها میلیون هزینه دارد.

تولید باتری های صنعتی به هیچ وجه شبیه آن نیست. یک لیفتراک OEM معمولی به بسته هایی از 24 ولت تا 80 ولت در چندین نوع ظرفیت نیاز دارد که شاسی های مختلف را از مارک های تجهیزات مختلف نصب می کنند. ما در مورد ده ها هزار واحد در سراسر خط تولید صحبت می کنیم، نه میلیون ها یک SKU.

معماری مدولار این نوع تنوع را مدیریت می کند. شما طراحی یک ماژول را تأیید می کنید، سپس مقادیر مختلف را ترکیب می کنید تا به ولتاژ و ظرفیت مورد نیاز مشتری دست پیدا کنید. ساختار سطح بسته- اساساً یک قفسه است. پیکربندی‌های جدید می‌توانند ظرف چند هفته ارسال شوند زیرا قسمت سخت-ماژول-از قبل انجام شده است.

مقیاس استقرارهای صنعتی اخیر داستان را بهتر از تئوری بیان می کند:

استقرار ناوگان باتری صنعتی (2023-2025)

آنچه برجسته است: هر استقرار عمده در محیط‌های پرتقاضا-معدن، ذخیره‌سازی سرد، عملیات فرودگاه-با طرح‌های مدولار انجام شد. رویکرد یکپارچه بر خودروهای برقی مسافربری غالب است. واقعیت های عملیاتی مختلف، انتخاب های مختلف معماری.

سعی کنید این کار را با بسته های یکپارچه انجام دهید. هر گونه ای به ابزار خاص خود، اعتبارسنجی خاص خود، تنظیم تولید خاص خود نیاز دارد. مزیت بهره وری در مقیاس خودرو به جریمه انعطاف پذیری تبدیل می شود زمانی که شما در حال خدمت به بازارهای صنعتی پراکنده هستید.

موقعیت هزینه

داده‌های قیمت‌گذاری صنعت (BloombergNEF نظرسنجی‌ها را سالانه منتشر می‌کند) هزینه بسته LFP را در حدود 81 دلار/کیلووات ساعت در سطح جهانی، با تغییرات منطقه‌ای قابل توجه-چین حدود 84 دلار/کیلووات ساعت، آمریکای شمالی بیش از 121 دلار در کیلووات ساعت تعیین می‌کند. این حق بیمه 44% منعکس کننده هزینه های نیروی کار، بلوغ زنجیره تامین و مقیاس تولید است.

اینها قیمت های خرید هستند. آنها آنچه را که در طول ده سال عملیات اتفاق می‌افتد، ثبت نمی‌کنند.

برای لیفتراک چند شیفتی که 3000 ساعت در سال کار می کند، باتری در برخی مواقع نیاز به سرویس دارد. شاید دو بار در طول عمرش، شاید سه بار.

در بسته‌های مدولار، مجموعاً 1500-2500 دلار شامل هزینه‌های خرابی است. اگر مجبور باشید کل واحد را حتی یک بار تعویض کنید، در بسته های یکپارچه، 40 دلار قیمت دارید000+.

مطالعات TCO منتشر شده از اپراتورهای ناوگان یک الگو را نشان می دهد:

لیتیوم در مقابل سرب-تحلیل TCO اسید (عملیات چند-شیفت)

*منابع: تجزیه و تحلیل ناوگان UgoWork (50 کامیون تگزاس 3PL)، داده های معیار شرکت Raymond، استقرار ذخیره سازی سرد OneCharge*

حق بیمه اولیه برای معماری مدولار-آن را 15-20%-معمولاً در طی 24-36 ماه در عملیات چند شیفتی بازپرداخت می‌کند. حتی برنامه های تک شیفت در عرض پنج سال به آنجا می رسند.

دستورالعمل نظارتی

هم چین و هم اتحادیه اروپا به سمت مقرراتی حرکت کرده اند که به نفع طرح های قابل استفاده باشد.

GB 38031-2020 (استاندارد ایمنی باتری EV چین) به موانع انتشار حرارتی نیاز دارد - اگر یکی از سلول‌ها خارج شود، سلول‌های مجاور باید حداقل پنج دقیقه زنده بمانند یا بسته باید هشدار بدهد. مرزهای ماژول ها مکانی طبیعی برای قرار دادن این موانع هستند.

مقررات باتری اتحادیه اروپا که تا سال 2027 اجرا می شود، الزاماتی را برای ردیابی ردپای کربن، محتوای بازیافتی و قابلیت ردیابی چرخه عمر از طریق سیستم های "گذرنامه باتری" اضافه می کند. همه اینها زمانی که باتری ها برای جداسازی طراحی شده اند آسان تر است. ماژول‌ها را می‌توان کشید، درجه‌بندی کرد، به برنامه‌های زندگی دوم-یا بازیافت فرستاد. بسته های یکپارچه باید از هم جدا شوند.

جهت سیاست کاملاً واضح است: باتری ها کالاهای بادوام هستند، نه یکبار مصرف. طرح هایی که صرفاً برای راحتی تولید بهینه شده اند، در طول زمان با اصطکاک بیشتری مواجه خواهند شد.

این به چه معناست برای تصمیم گیری منبع

معماری های یکپارچه اشتباه نیستند-آنها فقط برای اهداف متفاوتی نسبت به آنچه برنامه های کاربردی صنعتی نیاز دارند بهینه شده اند. CATL و BYD در حال ساخت خودروسازانی هستند که به حداکثر چگالی انرژی در حداکثر حجم تولید نیاز دارند. این یک مشکل مهندسی مشروع با یک راه حل قانونی است.

تجهیزات صنعتی متفاوت است. چرخه عمر ده-ساله. خدمات میدانی توسط تکنسین های مشتری. محیط های عملیاتی از فریزر تا صحرا. ده ها نوع ولتاژ و ظرفیت در برندهای تجهیزات.

اگر وضعیت شما اینطور است، سوالاتی که ارزش پرسیدن از هر تامین کننده باتری را دارد:

پاسخ ها به شما می گویند که آیا چیزی را می خرید که برای واقعیت عملیاتی خود طراحی شده است یا چیزی که اتفاقاً در دسترس بوده است.

ما سال‌ها است که بسته‌های مدولار را برای کاربردهای صنعتی می‌سازیم، زیرا این همان چیزی است که برنامه‌ها به آن نیاز دارند. اعداد برگه مشخصات به اندازه آنچه از تامین کنندگان بزرگ باتری خودرو می بینید چشمگیر نیستند. هزینه ده-سال مالکیت معمولاً است.