Jak produkowane są pakiety baterii do pojazdów elektrycznych?

Pakiet baterii jest krytycznym podzespołem w pojazdach w pełni elektrycznych (EV) i jednym z najbardziej skomplikowanych w montażu elementem. Przed montażem przeprowadzane są próby poszczególnych ogniw bateryjnych. Do następnych czynności, czyli montażu modułów bateryjnych, a następnie do łączenia modułów w gotowe pakiety baterii zawierające szyny zbiorcze, zespoły chłodzące i inne podsystemy, często wykorzystuje się roboty współpracujące (koboty). Ponadto w celu zapewnienia właściwego połączenia wszystkich elementów w zespół potrzebny jest zautomatyzowany system kontroli wizualnej.

W niniejszym artykule pod lupę wzięto złożoność pakietów baterii do pojazdów elektrycznych oraz niektórych powiązanych podzespołów, w tym zapotrzebowanie na wiele modułów ogniw bateryjnych, sprawne elektrycznie i lekkie szyny zbiorcze oraz złącza wiązek przewodów i aktywny układ chłodzenia. W dalszej jego części przedstawiono przykładowe produkty dostępne w katalogu firmy DigiKey, w tym system akwizycji danych firmy National Instruments, który może być wykorzystywany jako część układu do testowania ogniw bateryjnych, kobot firmy Omron Automation, który może być używany do montażu pakietów baterii oraz moduł kamery inteligentnej z wbudowanym oprogramowaniem firmy Banner Engineering, który może posłużyć do zautomatyzowanej kontroli.

Elementy pakietu baterii do pojazdów elektrycznych

Budowa pakietów baterii do pojazdów elektrycznych różni się w zależności od producenta, a czasami także w zależności od modelu pojazdu elektrycznego, co sprawia, że istotną kwestią jest elastyczność montażu. Jedną z rzeczy, które łączą wszystkie pakiety baterii do pojazdów elektrycznych jest to, że są w nich być stosowane tysiące komponentów.

Pakiety baterii do pojazdów elektrycznych składają się z wielu modułów bateryjnych, które są montowane w pakiecie końcowym (Ilustracja1). Architektura modułów i pakietów stale ewoluuje w celu osiągnięcia wyższych napięć dla układu przeniesienia napędu w pojazdach elektrycznych. Standardem jest napięcie 400V=, choć coraz częściej pojawiają się układy z napięciem 900V=. Główną zaletą wyższych napięć jest szybsze ładowanie. Szybsze ładowanie pozwala zmniejszyć obawy kierowców o zasięg ich pojazdu elektrycznego, ale sprawia, że baterie są trudniejsze (i potencjalnie bardziej niebezpieczne) w montażu.

Ilustracja 1: Moduły bateryjne są podstawowymi elementami pakietów baterii do pojazdów elektrycznych. (Źródło ilustracji: National Instruments)

Ogniwa bateryjne w module są często ze sobą zgrzewane, natomiast całe moduły są zazwyczaj przykręcane do dużych szyn zbiorczych w celu utworzenia kompletnego pakietu baterii. Architektura modułów oraz pakietów jest często czynnikiem różniącym projekty pojazdów elektrycznych od siebie. Zawsze jednak, aby zapewnić wydajną pracę baterii, jej układ wymaga regulacji temperatury, głównie chłodzenia, ale czasami także ogrzewania, gdy temperatura otoczenia jest zbyt niska. Układ regulacji temperatury może być pasywny w przypadku małych pakietów, ale duże wymagają już aktywnej regulacji za pomocą urządzeń wykorzystujących materiały zmiennofazowe oraz pomp do cyrkulacji cieczy chłodzącej poszczególne ogniwa.

System zarządzania bateriami (BMS) monitoruje kondycję i poziom naładowania poszczególnych ogniw bateryjnych. W systemie monitorowania baterii (BMS) znajduje się szereg czujników - napięcia, prądu, temperatury i innych, z których część jest zainstalowana na każdym ogniwie bateryjnym. System monitorowania baterii (BMS) komunikuje się z centralnym systemem komputerowym pojazdu elektrycznego.

Czasami na poziomie modułu instalowane są bezpieczniki topikowe, ale zawsze występuje zabezpieczenie przed nadmiernym prądem dla całego pakietu baterii. Aby zapobiec potencjalnie szkodliwym wysokim prądom rozruchowym przy pierwszym uruchomieniu pojazdu elektrycznego, do wstępnego ładowania obwodu napędu silnikowego, stosuje się duży stycznik wysokiego napięcia oraz inne komponenty. Serwisowa odcinająca blokada współzależna izoluje wysokie napięcia w pakiecie baterii i zapewnia bezpieczne środowisko dla techników serwisowych pracujących przy pojeździe elektrycznym. Kompletny montaż wymaga zastosowania setek wkrętów, nakrętek i śrub, złączy i innych elementów mechanicznych.

Konstruowanie pakietów baterii

Testowanie poszczególnych ogniw bateryjnych jest kolejnym kluczowym krokiem. Równoczesnie, jest to zazwyczaj ostatni krok w procesie produkcji ogniw w wyspecjalizowanej gigafabryce. Jednak kiedy ogniwa docierają do fabryki pojazdów elektrycznych, często także poddawane są losowym testom jakościowym w celu monitorowania poziomu jakości przychodzących partii ogniw bateryjnych. Bez wysokiej jakości ogniw bateryjnych wytwarzanie baterii o wysokiej jakości i niezawodności do pojazdów elektrycznych jest niemożliwe.

Następnie ogniwa są montowane w modułach. W każdym module znajduje się zazwyczaj około 12 do 20 ogniw. Moduły układane są piętrowo w metalowej ramie zapewniającej odpowiednie połączenia, ochronę przed wstrząsami i wibracjami, a w niektórych modelach regulację temperatury. Przy montażu pakietów baterii wymagana jest precyzja, a ponadto, budowane pakiety z każdym modułem stają się coraz cięższe, na końcu osiągając wagę kilkuset kilogramów.

Ze względu na potrzebę precyzji i przenoszenia dużych obciążeń, montaż pakietów baterii jest często wykonywany przy użyciu kobotów lub robotów przemysłowych. Kobot potrafi realizować transport bliski dużych obciążeń oraz szybko i dokładnie montować setki wkrętów, złączy i innych elementów potrzebnych do ukończenia pakietu. Na przykład w pakiecie baterii do samochodu Nissan Leaf znajduje się 48 modułów (Ilustracja 2). Ostatnim etapem montażu pakietu baterii jest automatyczne testowanie, w tym wizualna kontrola złożonego pakietu.

Ilustracja 2: Pakiet baterii do auta Nissan Leaf zawiera 48 modułów bateryjnych oraz setki innych komponentów. (Źródło ilustracji: dział NHR firmy National Instruments)