Тенденции развития электротранспорта и решения Analog Devices для электрификации

25 августа

автомобильная электроникаAnalog Devicesстатьяинтегральные микросхемыисточники питанияLi-IonwBMSэлектромобильLiFePOBWS

Рост числа электромобилей на дорогах ведет не только к постепенному переходу к безуглеродной энергетике, но и поднимает ряд вопросов, связанных со всеобщей электрификацией. Стали более очевидными проблемы рационального применения, переработки и повторного использования электрических источников энергии. Одним из решений этих вопросов является беспроводная система управления батареями wBMS от Analog Devices, которая избавляет от необходимости использовать провода для объединения аккумуляторных элементов. Помимо рационального распределения средств на проектирование и переработку, такой инновационный подход позволяет сэкономить на обслуживании аккумуляторов, а после найти достойное применение батареям, потерявшим первоначальный объем заряда.

Возможности повсеместной электрификации уже долгое время обсуждается ведущими компаниями, производящими электронику, в том числе и Analog Devices. Особенно актуальной эта перспектива стала сейчас, во время пандемии: даже частичное сокращение темпов промышленного производства в странах во время национальных локдаунов позволило увидеть масштабы ущерба экологии, наносимого деятельностью человечества.

Из-за кардинального уменьшения поездок на автотранспорте, приостановки водного сообщения по рекам и морям, а также резкого сокращения ежедневно совершаемых авиарейсов значительно уменьшились объемы выброса веществ, загрязняющих атмосферу. Уже спустя месяц это было зафиксировано не только на снимках, сделанных на околоземной орбите, но даже стало заметно невооруженным глазом: фото и видео в стилистике «до и после» (рисунок 1) превратились в мировую сенсацию эпохи локдаунов.

Рис. 1. Уровень загрязнения, связанный с уменьшением степени использования ископаемого топлива в результате последствий COVID-19: а) 25 марта – 25 апреля 2017-19 гг.; б) 25 марта – 25 апреля 2020 г [1]

Рис. 1. Уровень загрязнения, связанный с уменьшением степени использования ископаемого топлива в результате последствий COVID-19: а) 25 марта – 25 апреля 2017-19 гг.; б) 25 марта – 25 апреля 2020 г [1]

Так, жители Пенджаба (Индия) впервые за несколько десятков лет смогли увидеть Гималаи, расположенные в почти 250 км, прямо из окон своих домов. В Венеции из-за сокращения количества лодок, загрязняющих воды, вернулись считавшиеся еще недавно окончательно исчезнувшими некоторые виды морских обитателей. В крупнейших мегаполисах мира исчез смог. Многие люди впервые в жизни смогли на короткое время увидеть привычные места без дымки благодаря снижению концентрации окиси углерода, углекислого газа и закиси азота, выделяемых сотнями тысяч автомобилей на углеродном топливе.

Таким образом, пандемия оказала не только существенное влияние на здравоохранение и экономику планеты, но и выявила необходимость кардинального изменения влияния человеческой деятельности на экологию. При планировании дальнейшей жизни на планете, уже после пандемии, необходимо ужесточение требований к охране не только нашего здоровья, но и окружающей среды. Как считают специалисты Analog Devices, существенные изменения необходимы и в сфере автотранспорта. Разумеется, отказ от личного и общественного транспорта по имя возобновления экологической устойчивости невозможен – это нанесет серьезный урон мировой экономике. Однако переход на безуглеродный транспорт с помощью всеобщей электрификации позволит реализовать тот самый лучший вариант реальности, в который мы краем глаза смогли заглянуть во время локдаунов.

Электромобили как первопроходцы электрификации

Символом нового экологически благополучного будущего, где главным источником энергии станет электричество, оказались электромобили. Согласно прогнозам экспертов Всемирного экологического форума, к 2030 году количество легковых электромобилей достигнет 215 миллионов: суммарная мощность произведенных аккумуляторных батарей составит 2523 ГВт⋅ч, из которых 2333 ГВт⋅ч необходимы для производства автомобилей. Это значит, что в ближайшие 10 лет продажи легковых электромобилей будут ежегодно увеличиваться на 23%. Разумеется, также будут пользоваться высоким спросом сопутствующие технологии. Курс на электрификацию уже взяло большинство развитых стран, создав льготные условия для использования электромобилей. Сделали ставку на производство электромобилей и крупнейшие мировые автопроизводители.

Впрочем, на пути к созданию единой экосистемы электрификации придется преодолеть еще много препятствий. Так, существующая инфраструктура энергоснабжения пока не готова к настолько большим нагрузкам, а цены на электромобили, их характеристики и особенности эксплуатации уступают по потребительской привлекательности автомобилям с бензиновым двигателем. Перед производителями стоит задача найти эффективный способ переноса технологий на все производство, а перед экологами – вопрос утилизации отработанных аккумуляторов, которые без вторичной переработки могут нанести окружающий среде немалый вред.

Инфраструктура – залог успешной глобальной электрификации

Потребление электричества на планете увеличивается с каждым годом, и существующие энергосистемы испытывают серьезные нагрузки. По этой причине все большее распространение получают системы накопления энергии, в том числе и из-за предполагаемых темпов увеличения числа электромобилей и развитием других технологий, связанных с электричеством.

Такие системы привлекательны возможностью использовать аккумуляторные батареи большой емкости и тем самым стабилизировать действующие электросети. Их используют как буфер для хранения внепиковой энергии, получаемой от возобновляемых источников питания, а выдавать накопленную энергию они способы в любой момент, сглаживая работу электросети во время высокого уровня потребления. Таким образом, энергия в любое время доступна всем пользователям и энергосистемам, в том числе системам зарядки автомобилей. При этом подобные буферы можно использовать в большом количестве и располагать их около точки нагрузки. Это значит, что существующая сеть может поставлять больше энергии без использования дополнительных линий электропередач или электростанций. Такой формат энергосистемы гораздо дешевле полной модернизации всей инфраструктуры.

Возобновляемые источники энергии уже сейчас активно интегрируются в электросети. По данным компании Bloomberg New Energy Finance, в 2030 году около 65% дополнительной емкости аккумуляторных батарей будет применяться в качестве именно накопителей энергии, полученной от таких источников. При этом изменится и разнообразие предоставляемых энергетических услуг: по прогнозам, уже через десятилетние 30% энергии, накопленной от возобновляемых источников, будет использовано для обеспечения электроэнергией жилых домов, промышленных и коммерческих объектов, и только 5% – для станций зарядки электромобилей и всего, что с ними связано.

Новый подход к выбору аккумуляторных батарей

Батареи с большой энергоемкостью необходимы и самим электромобилям для обеспечения максимального пробега на одной зарядке. При этом важными этапами при производстве автомобильных батарей являются их электрохимическая формовка и надлежащее проведение испытаний. Правильная формовка обеспечивает необходимую энергоемкость батареи, влияет на эффективность ее заряда/разряда и на срок службы в целом. При испытании проверяется соответствие требованиям к критически важным рабочим параметрам и уровню безопасности батареи, ведь в противном случае аккумулятор бесполезен.

Все это касается и повторного использования батареи. Формовка и тестирование заключаются в организации сверхточного управления током и напряжением в течение приблизительно 24…36 часов: выполняются несколько циклов заряда/разряда и активизируется химическая структура аккумулятора. Нельзя допустить повреждения структуры с активным химическим веществом, так как в этом случае снизится КПД батареи и, соответственно, уменьшится срок ее службы.

Новые разработки и технологии в сфере производства аккумуляторных батарей ставят перед производителями новые задачи. На данный момент до 40% цены электромобиля составляет стоимость аккумулятора (рисунок 2). Появление новых вариантов химического состава батарей усложняет и без того энергозатратные и дорогостоящие процессы формовки и проверки соответствия требованиям. Для использования новых типов батарей нужна еще более точная организация процессов в сложных производственных условиях, и при этом важно оптимизировать затраты.

Рис. 2. Система энергопитания электромобиля

Рис. 2. Система энергопитания электромобиля

Тенденции к уменьшению габаритных размеров источников питания при адаптации технологий для различных сфер использования стимулируют производителей уменьшить размеры оборудования для формовки и тестирования аккумуляторных батарей.

Немаловажным становится и вопрос безопасности при их производстве и использовании. Так, по удельной энергоемкости лидируют кобальтосодержащие батареи, которые обеспечивают плотность энергии на 10-20% больше литий-железофосфатных аккумуляторов, однако такие аккумуляторы взрывоопасны и токсичны для окружающей среды. К тому же это вещество внесено в список «конфликтных» материалов, чья добыча связана с военными действиями и нарушением прав человека. В данный момент многие предприятия используют стандарты, запрещающие использование подобного сырья. Даже если объемы использования кобальта останутся прежними, его запасы будут исчерпаны к 2030 году.

Именно поэтому одними из самых современных надежных аккумуляторов считаются литий-железофосфатные (LiFePO). Они более безопасны при любых условиях эксплуатации, служат гораздо дольше, не перегреваются при зарядке (отсутствует проблема теплового разгона) и проще в производстве. Ведущие производители используют этот состав в качестве основного материала для аккумуляторов, тем более что он применяется в промышленности уже более 10 лет.

Проблемы эксплуатации аккумулятора для электромобиля

Последние модели электромобилей способны преодолеть расстояние 96,5…643,7 км, а время их заряда составляет 0,5…12 часов. Они очень удобны для тех, кто много ездит по городу и имеет возможность заряжать машину дома. Если в такой машине установлена батарея с большой емкостью, то можно съездить за город и даже в другой населенный пункт, который находится в пределах дальности хода.

Два таких параметра как время заряда и емкость аккумулятора учитываются при прогнозировании развития автомобильного рынка. По оценке экспертов рынка накопителей энергии, к 2035 году прогнозируется увеличение общего объема рынка до $546 млрд в год. При ожидаемом расширении данного сектора рынка возрастает и необходимость в эффективных системах управления аккумуляторными батареями (рисунок 3).

Рис. 3. Аккумуляторная батарея электромобиля

Рис. 3. Аккумуляторная батарея электромобиля

Системы мониторинга аккумуляторной батареи (BMS) используются для отслеживания показателей, управления и обслуживания высококачественных источников питания большого количества электромобилей. Точность измерений в системах BMS в любых условиях и в течение всего срока службы критически важна, поскольку обеспечивает максимальный пробег машины между перезарядками.

Сложность в том, что аккумулятор электромобиля представляет собой систему, состоящую из отдельных секций, работающих совместно, при этом количество секций варьируется от нескольких сотен до тысяч, поэтому высокая точность управления всеми секциями одновременно обеспечивает максимальный пробег автомобиля на одном заряде.

Еще один немаловажный момент – электронные компоненты для аккумулятора. Именно от них зависят расстояние, которое автомобиль может преодолеть, и его безопасность. Чтобы максимально использовать ресурс аккумуляторной батареи в течение всего срока службы, необходимо обеспечить точность работы электроники в любых условиях эксплуатации и при любых, даже экстремальных температурах. Электромагнитные излучения и электрические помехи не должны приводить к отказу системы управления.

Максимальная точность, которой на данный момент удалось достичь инженерам – 2 мВ. Такое значение должно поддерживаться в каждом элементе аккумулятора с напряжением 400…800 В.

Электроника должна отвечать строгим мировым стандартам безопасности, которые постоянно обновляются. Например, недостаточно соответствия только уровню целостности автомобильной безопасности ASIL (батареи относятся к уровню ASIL-D, это самая высокая степень опасности, а значит, необходим высокий уровень защиты). Для обеспечения безопасности аккумуляторов нужна разработка новых, усовершенствованных функциональных архитектур.

Для решения всех указанных проблем компания Analog Devices, совместно с General Motors, недавно разработала беспроводную систему управления батареями – wBMS на основе уже имеющихся компонентов проводной системы управления (BMS). Теперь для обеспечения связи между секциями провода не нужны. Такая технология позволяет экономить ресурсы, которые были бы потрачены на проектно-конструкторские работы, а также усилия, потраченные на преодоление трудностей и сложных моментов при трассировке проводов.

Дизайн аккумуляторного блока в этом случае будет модульным, а значит, его можно будет легко модифицировать для разных автомобилей. Беспроводная связь модулей позволяет собирать данные с момента формирования секции и после, во время хранения, сборки и эксплуатации. Это снизит стоимость аккумулятора и повысит шансы на эффективное повторное применение: упростит хранение, переработку и обеспечит новые сферы применения. В результате уменьшатся общие расходы как производителя, так и владельца автомобиля, а также, что немаловажно, негативные последствия для окружающей среды.

Новая жизнь старых аккумуляторов 

Электродвигатели активно продвигаются как экологичная альтернатива бензиновым двигателям, а электричество считается более чистым источником энергии, чем ископаемые виды топлива, но у этой технологии есть уязвимые места. Нерешенным остается вопрос, что делать с аккумулятором весом 500 кг, когда его энергоемкости (или мощности) не будет хватать для обеспечения автомобиля, ведь с течением времени она снижается.

Самое распространенное решение проблем с утилизацией аккумуляторных батарей – вторичная переработка, в процессе которой можно извлечь такое сырье, как кобальт и литий. Но переработать компоненты аккумулятора полностью не получается (рисунок 4). Вторичная переработка все еще остается дорогостоящей, ее процессы не стандартизированы, отсутствует отлаженная логистика. Исследования в области энергетики говорят о том, что к 2025 году количество аккумуляторов, уже непригодных к использованию в электромобилях, превысит 3,4 млн, то есть в год будет накапливаться 680 тысяч батарей. В прошлом году подсчеты показали 55 тысяч.

Рис. 4. Аккумуляторная батарея электромобиля весит до полутонны

Рис. 4. Аккумуляторная батарея электромобиля весит до полутонны

Грамотная программа повторного использования и переработки становится острой необходимостью, иначе аккумуляторные батареи будут накапливаться на свалках, и в контексте влияния их на окружающую среду использование электроэнергии ничем не будет отличаться от использования нефтепродуктов.

Вторичное использование аккумуляторов не решает проблему полностью, но помогает продлить им жизнь и создает новые экономические возможности. Например, когда литий-ионный аккумулятор теряет 70…80% от первоначальной емкости, он становится непригоден для того, для чего был изначально создан. Применение аккумуляторов электромобилей в других сферах деятельности человека называют «второй жизнью» аккумуляторов.

В этом случае аккумуляторные батареи могут проработать еще приблизительно 5…10 лет. Продолжительность «второй жизни» будет зависеть от того, как обращались с батареей при первом ее использовании. Система wBMS представляет собой инновационную технологию, которая упрощает вторичное использование аккумулятора, давая доступ к экологичному будущему. Это инструмент хранит исчерпывающую историю каждой батареи, непрерывно накапливая все данные о ней с момента создания. Архив этих данных хранится в облаке.

Кроме того, во время эксплуатации система сама анализирует состояние батареи, выполняя необходимые расчеты. Когда меняются условия вождения и эксплуатации, информация обновляется. Изучение данных о состоянии батареи на протяжении всего срока ее работы в электромобиле дает возможность понять, каков ее остаточный ресурс, определить ее стоимость на вторичном рынке и выбрать новую область ее применения (рисунок 5). Все данные анализируются продавцом при подготовке аккумулятора к продаже именно по этой причине. Важно отметить, что покупатель тоже имеет возможность получить информацию в том виде, в котором система wBMS их сохранила в облаке, и таким образом оценить стоимость товара.

Рис. 5. Система wBMS фиксирует данные с момента производства аккумулятора, что упрощает его вторичное использование

Рис. 5. Система wBMS фиксирует данные с момента производства аккумулятора, что упрощает его вторичное использование

По данным консалтинговой компании McKinsey & Company, повторное использование электромобильных аккумуляторов для других нужд может повысить их значимость и, как следствие, поспособствовать снижению цен на системы накопления энергии. Это в свою очередь ускорит интеграцию других возобновляемых источников энергии, ведь оборудование станет доступнее. Все еще рабочие, хотя и не такие емкие, уже не соответствующие стандартам автомобильной промышленности аккумуляторы для электромобилей вполне подойдут для вторичного применения в системах накопления энергии.

Экосистема электрификации 

По мнению экспертов Analog Devices, сосредотачиваться лишь на одной области экологичной электрификации не стоит. Необходимо учитывать каждый аспект перехода в безуглеродное будущее, от создания инфраструктуры и использования аккумуляторных батарей до их повторного использования, а также учесть препятствия перехода на более экологичные источники энергии и предусмотреть все возможные последствия создания новой экосистемы.

Поэтому аспектами внимания Analog Devices стали:

  • Максимизация рабочих характеристик на этапе производства. Высокоточная интегрированная система тестирования помогает добиться максимальных рабочих характеристик аккумулятора, а благодаря беспроводной передаче данных размеры системы тестирования могут быть уменьшены на 50%.
  • Длительный срок службы. Данные о батарее собираются с момента ее производства. Параметры каждого блока измеряются в течение пребывания на складе, что позволяет увеличить срок службы аккумуляторов на 30%.
  • Безопасность и надежность. Высокоточная система контроля и мониторинга состояния аккумуляторной батареи разработана для обеспечения соответствия самому высокому уровню целостности автомобильной безопасности (ASIL D) и не только.
  • Модульность и универсальность. Беспроводная система контроля аккумуляторных батарей (w-BMS) дает возможность автопроизводителям создавать модульные, легко адаптируемые и универсальные аккумуляторы без дополнительного проектирования и трудоемкой сборки кабельной проводки.
  • Увеличение дальности хода автомобиля. Постоянное и точное измерение параметров аккумулятора способствует увеличению энергоемкости батареи и позволяет увеличить расстояние, которое автомобиль может преодолеть между перезарядками, на 15%.
  • Упрощение обслуживания. Получение и накопление данных от системы мониторинга об отдельных элементах аккумулятора с момента ее выхода с конвейера упрощает его обслуживание и помогает принимать решения при возникновении гарантийных случаев.
  • Повышение значимости и снижение затрат. Беспроводная система мониторинга аккумуляторных батарей производства Analog Devices упрощает процесс оценки остаточной стоимости благодаря облачным данным. Затраты на сборку батареи для вторичного использования сокращаются на 15%.
  • Электрификация объектов, не имеющих возможности подключения к электросети. Система также помогает определить остаточную емкость и решить, какую «вторую жизнь» может получить батарея, например, использоваться в обеспечении электроэнергией удаленных от электросетей населенных пунктов.

На пути к экологически чистому и здоровому будущему

Представить жизнь современного общества без электричества уже невозможно, поскольку электроэнергия стала основополагающим фактором, влияющим на все сферы нашей жизни. Однако спустя век после появления первых систем электроснабжения в городах настало время для новой революции в энергетике. Теперь перед нами стоит задача не только соблюсти новый баланс энергосистемы, используя различные источники электроэнергии, но и перейти к децентрализованной системе распределения электричества.

Именно такой подход позволит вернуть чистоту окружающей среде и здоровье нам и нашим детям. По подсчетам ученых, загрязнение атмосферы нашей планеты твердыми частицами, попавшими в воздух при сжигании углеродного топлива, уменьшает продолжительность жизни современного человека почти на два года и является одной из главных причин глобального потепления. Со временем снизить уровень загрязнения воздуха в городах на как минимум 50%, а возможно и на 90%, возможно благодаря переходу на более экологичную альтернативу автомобилям на ископаемом топливе – электромобилям. А повторное использование аккумуляторов этого вида транспорта в других сферах, например, для накопления ветряной или солнечной энергии, позволит не только снизить ущерб, наносимый планете при производстве электроэнергии или тепла, но и приостановить процесс истощения ископаемых ресурсов планеты.

Именно таким образом мы получаем все шансы прийти к новому чистому и здоровому будущему без отказа от повсеместной электрификации.

Литература

  1. Патрик Морган. Ускорит ли COVID-19 процесс электрификации во всем мире?
  2. Роб Пичета. Люди в Индии могут увидеть Гималаи впервые за десятилетия, так как режим самоизоляции привел к уменьшению уровня загрязнение воздуха. CNN, 9 апреля 2020 г.
  3. Мелисса Локер. Медузы, плывущие по каналам Венеции, пока Италия находится в режиме самоизоляции. Time, 22 апреля 2020 г.
  4. Вторичное использование аккумуляторных батарей для электромобилей: новейший ресурс для хранения энергии, McKinsey & Company, 30 апреля 2020 г.
  5. Дэвид Бьелло. Как решить проблему глобального потепления: ответ заключается в системе энергоснабжения. Scientific American, 14 апреля 2014 г.
•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
ADBMS1818ASWZ (AD)
ADBMS1818ASWZ-R7 (AD)
ADBMS1818ASWZ-RL (AD)
LTC6813HLWE-1#3ZZPBF (AD)
LTC6813HLWE-1#3ZZTRPBF (AD)
LTC2949ILXE#3ZZPBF (AD)
LT8301IS5#WTRMPBF (AD)
LT8301JS5#TRMPBF (AD)
LT8301ES5#TRPBF (AD)
LT8301JS5#WTRMPBF (AD)
LT8301HS5#TRPBF (AD)