Johnson Matthey Battery Systems: текущие и будущие тенденции в области электроники

Аккумулятор является неотъемлемой частью любого электрического велосипеда, помогая определить запас хода, производительность и долговечность. В этой статье мы рассмотрим некоторые текущие и предстоящие тенденции в области аккумуляторов для электронных велосипедов.

Наиболее популярные элементы, используемые в аккумуляторах для электровелосипедов, имеют форм-фактор 18650 и 21700 с химическим составом NMC. Все больше и больше батарей используют элементы большего размера по нескольким важным причинам. Главным из них является тот факт, что для достижения желаемой емкости требуется меньше ячеек. Для достижения емкости около 10 Ач в 18650 необходимы три ячейки, соединенные параллельно, а для 21700 потребуются две ячейки. Разница в массе немалая – вес 18650 в комплектации 10С3П составляет около 1,5 кг, а 21700 в той же комплектации легче примерно на 0,1 кг. В аккумуляторе с более высоким напряжением разница больше.

Кроме того, максимальная теоретическая номинальная емкость для форм-фактора 18650 составляет 3,5 Ач, а для 21700 — 5,0 Ач. В настоящее время максимальная гравиметрическая плотность энергии для химии НМК составляет 250-260 Втч/кг. Анонсированы ячейки большей емкости, но только в размере 21700. Целью является достижение 5,5-5,65 Ач и, возможно, даже до 6 Ач, что позволит увеличить общую емкость батареи или количество циклов после уменьшения диапазона напряжения. В настоящее время поставщики стремятся использовать в элементах новые элементы, такие как кремний для достижения более высокой емкости, а также натрий для оптимизации затрат.

Каждая механическая деталь увеличивает вес и размер батареи. Интегральные аккумуляторы, скрытые в рамке, зачастую имеют блочно-модульную конструкцию. Один блок содержит верхний и нижний держатели ячеек, а также 4-10 ячеек, соединенных в нужной конфигурации, и разъемы с клеммами для подключения к следующей секции. Обычно также имеется дополнительная изоляция, шины или провода, которые вызывают появление горячих точек и падение напряжения.

Для размещения ячеек поперечно самой длинной оси требуется только два держателя ячеек, при этом ток протекает только через разъемы ячеек. Дополнительную систему BMS можно установить на одной стороне корпуса, обеспечивая легкий доступ к каждой точке напряжения, что исключает необходимость использования комплектов проводов. Аккумулятор легче, так как содержит меньше компонентов, а сборка проще и быстрее.

Корпус также оказывает существенное влияние на вес. В настоящее время наиболее популярными используемыми материалами являются алюминий и пластик. Но использование углеродного волокна должно уменьшить массу батареи, хотя это и увеличивает стоимость конструкции.

В настоящее время европейские нормы направлены на то, чтобы сделать аккумуляторы более ремонтопригодными и обеспечить их длительный срок службы, чтобы снизить воздействие на окружающую среду. Поэтому новые батареи, скорее всего, будет легче отремонтировать третьим лицам.

В настоящее время системы управления батареями представляют собой более сложные устройства с различными функциями. Почти каждая BMS в аккумуляторах для электровелосипедов содержит такие функции, как:

Более того, BMS теперь безопаснее, чем когда-либо прежде. Они оснащены двойной защитой, а также содержат такие элементы, как анализ видов и последствий отказов (FMEA) и функциональный анализ безопасности.

В следующем году стандарты безопасности для литий-ионных аккумуляторов будут расширены. Например, на BMS может быть установлен датчик газа для обнаружения потенциального разрыва элемента или акселерометр для отключения выходов батареи в случае аварии.

Более того, мы, вероятно, скоро увидим использование интеллектуальных технологий, таких как соединение Bluetooth, а также сквозное шифрование связи для дополнительной безопасности. Интеллектуальные режимы также можно использовать для продления срока службы аккумулятора, например, путем ограничения SoC и максимальной мощности. Изменения в европейских правилах почти наверняка повлекут за собой и другие изменения, такие как открытый доступ третьих сторон к некоторой информации BMS.

В последние годы производители зарядных устройств добавили новые функции в свои готовые решения. В настоящее время аккумулятор и зарядное устройство общаются через дополнительную шину. Это повышает безопасность, поскольку критические параметры, такие как напряжение и ток, измеряются обеими частями системы и их можно сравнивать друг с другом. Если разница значительна, зарядку прекращают, так как предполагается неисправность. Интеллектуальное зарядное устройство может заряжать до ограниченного напряжения, чтобы продлить срок службы. Если мы хотим хранить батарею в течение длительного времени без использования, можно зарядить ее до 50–60% SoC, чтобы уменьшить естественную деградацию ячеек.