モジュラーデザインとは何ですか?

先月、ミシガン州のフリート管理者から電話がありました。冷蔵倉庫、リーチトラックが3交代で運行。彼の 80V バッテリー パックは 14 か月後に故障コードを発行しました-BMS がロックアウトされ、トラックが死亡しました。サプライヤーに電話したところ、交換には 22,000 ドルかかり、6 週間待つという見積もりを得ました。-

 

私たちは彼に表紙を開いて写真を送ってほしいと頼みました。セルは構造用接着剤でトレイに直接接着されていたことが判明しました。モジュールもサービスもアクセスできません。パック全体は 1 つの固体のブロックでした。それを設計した人はおそらく仕様書のために数Wh/kgを余分に絞り出そうとしたでしょう、そして今、この人はその決定の代償を払っています。

 

誰かがモジュール設計について私たちに尋ねるとき、それが文脈です。これは実際には定義に関するものではなく、-物事がうまくいかなかったときに何が起こるかについてであり、最終的には常にそうなります。

 

基本的な考え方

モジュラー設計とは、セルを個別のユニット (モジュール) に編成し、個別に取り出して作業できることを意味します。各モジュールには独自のフレーム、独自の電気接続、独自の熱インターフェイスがあります。パックのサービスが必要な場合、60 kWh のモノリスではなく、5 ～ 10 kWh のチャンクを扱うことになります。

別のアプローチ-セル-から-パック、セル-から-シャーシ、どのように呼んでもいい-）では、これらの中間構造を完全にスキップします。細胞はパックのハウジングや車両の床にまで直接入ります。 CATL の Qilin は体積利用率 72% に達し、BYD の Blade セルはトレイの全幅で動作し、Tesla の 4680 は構造パックに溶接されています。

これらは真のエンジニアリングの成果です。これらは、誰もが航続距離を競い合い、何百万台もの同一のユニットを駆逐する乗用車の EV にとっては理にかなっています。しかし、産業用途ではまったく状況が異なります。

問題が現れる場所

細胞が構造用接着剤で接着されている場合、何かを破壊せずに細胞を分解することはできません。熱伝達を改善する同じサーマルインターフェイス素材により、アセンブリ全体が永久的になります。 1 つのセルが不良になると、パックも不良になります。

乗用車の所有者は 3 年間リースし、下取りに出します。フォークリフトは配送センターで最低 10 年間稼働します。数学の計算は異なります。

当社は顧客ベース全体の修理費用を追跡しており、そのパターンは一貫しています。モジュール レベルのサービスは、工賃込みで 400 ドル -800 ドルかかります。-同等の統合設計でのフルパック交換-は、1 回の実行でも $15,000～25,000 で、さらに数週間のリードタイムがかかります。

ダウンタイムの数字がこれをさらに悪化させます。 ABB の 2024 年の産業調査 (回答者 3、200+ 人) によると、計画外のダウンタイムは全部門で平均 125,000 ドル/時間であることがわかりました。-自動車製造が 200 万ドルに達する+. 倉庫の在庫は減っていますが、中国からのバッテリー パックを待ってアイドル状態にある機器は儲かっていません。

この保険の側面も興味深いです。サービス不可能なパックを備えた機器の総損失しきい値が調整されつつあると聞いています。-当然です。-軽い衝突で 2 万ドルのバッテリー交換が必要な場合、「合計」の計算は急速に変化します。

複雑化する熱管理

温度制御はモジュラー アーキテクチャが真価を発揮する部分ですが、これについてはあまり話題になりません。

リチウム電池は、約 15 度から 35 度の間に保たれる必要があります。熱すぎると、劣化が早くなります。-最適温度を 10 度上回るごとに、サイクル寿命がおよそ半分になります。寒すぎると容量が失われ、さらに氷点下で充電するとリチウムメッキの危険があります。どちらにせよ悪い結果。

モジュール式の境界により、自然な温熱ゾーンが得られます。モジュール間に冷却プレートを置き、定義されたチャネルに液体を流し、問題のある領域を隔離できます。システムのモデル化と構築が容易になります。

私たちはモジュール ハウジングに相変化材料を使用した構成をテストしてきました。{0}同じ基本製品が、サウジアラビアの屋外ヤードとカナダの冷蔵施設の両方で使用されています。冷蔵保存テストでは、完全放電サイクル後、バッテリーは周囲 -20 度で 14+ 時間にわたって 0 度以上に維持されました。温度管理をしなければ、数時間以内に氷点下になってしまいます。

すべてが 1 つの大きな冷却プレートに接着されている統合パックでは、これを実際に適応させることはできません。熱システムは構造です。用途が異なればパックデザインも異なります。

製造業の経済学-予想外

統合設計の売り文句は常に製造効率に関するものです。部品点数が少なく、組み立てが早く、コストが低くなります。テスラは、モデル 3 パックの組み立て時間を 7 時間から 17 分に短縮しました。これらの数字は実際のものです。

また、セットアップに数千万ドルかかる特殊な自動化機能を備えた何百万もの同一のパックの構築にも基づいています。

産業用バッテリーの生産はそのようなものではありません。一般的なフォークリフト OEM は、さまざまな機器ブランドのさまざまなシャーシに適合する、おそらく 12 種類の容量バリエーションにわたる 24 V から 80 V の範囲のパックを必要とします。ここで話しているのは、1 つの SKU の数百万ではなく、全製品ライン全体で数万ユニットのことです。

モジュラー アーキテクチャはそのような多様性に対応します。 1 つのモジュール設計を検証し、さまざまな数量を組み合わせて、顧客が必要とする電圧と容量を実現します。パック-レベルの構造は基本的にラックです。新しい構成は、難しい部分-モジュール-がすでに完了しているため、数週間で出荷できます。

最近の産業展開の規模は理論よりもよく物語っています。

産業用バッテリー群の展開 (2023 ～ 2025 年)

際立っているのは、{0}鉱山、冷蔵倉庫、空港運営-の要求の厳しい環境におけるすべての主要な導入がモジュール設計で行われていることです。統合されたアプローチは乗用車 EV の主流となっています。異なる運用現実、異なるアーキテクチャの選択。

統合パックを使用してそれを試してください。すべてのバリアントには、独自のツール、独自の検証、独自の運用セットアップが必要です。自動車規模での効率の利点は、細分化された産業市場にサービスを提供する場合、柔軟性のペナルティに変わります。

コストポジション

業界の価格データ (ブルームバーグ NEF が毎年調査を発表) では、LFP パックのコストは世界中で約 81 ドル/kWh ですが、地域ごとに大きなばらつきがあります。-中国は約 84 ドル/kWh、北米は約 121 ドル/kWh です。この 44% のプレミアムは、人件費、サプライチェーンの成熟度、生産規模を反映しています。

それらは購入価格です。彼らは10年間の運用の間に何が起こったかを捉えていません。

年間 3,000 時間稼働する多シフト フォークリフトの場合、いつかはバッテリーの修理が必要になります。おそらくその生涯の2倍、あるいは3倍かもしれません。

モジュラー パックの場合、ダウンタイム費用を含めて総額 1,500 ～ 2,500 ドルになります。統合パックでは、ユニット全体を一度でも交換する必要がある場合、$40 かかります。000+。

フリート事業者から発表された TCO 調査では、次のようなパターンが示されています。

リチウムと鉛-酸の TCO 分析（複数シフト操作）-

*出典: UgoWork フリート分析 (50 台のトラック テキサス 3PL)、Raymond Corporation ベンチマーク データ、OneCharge 冷蔵倉庫導入*

モジュラー アーキテクチャの前払い料金は、-15-20% と呼ばれます-）で、通常、複数シフトのオペレーションでは 24{6}}36 か月以内に返済されます。単一シフトの申請でも 5 年以内に到達します。

規制の方向性

中国と EU はどちらも、実用的な設計を優先する規制に向けて動いています。

GB 38031-2020 (中国の EV バッテリー安全基準) では、熱伝播バリアが必要です。1 つのセルが暴走した場合、隣接するセルは少なくとも 5 分間生き残る必要があり、そうでない場合はパックが警告を発する必要があります。モジュール境界は、これらの障壁を置く自然な場所です。

2027 年まで展開される EU バッテリー規制では、二酸化炭素排出量の追跡、リサイクルされた内容、「バッテリーパスポート」システムによるライフサイクルトレーサビリティの要件が追加されています。バッテリーが分解できるように設計されていると、これらすべてが簡単になります。モジュールはプル、グレーディング、セカンドライフ アプリケーションやリサイクルに送信できます。-統合されたパックは分解する必要があります。

政策の方向性は非常に明確です。バッテリーは使い捨てではなく耐久財です。純粋に製造上の利便性だけを目的として最適化された設計は、時間の経過とともにより多くの摩擦に直面することになります。

これが調達の決定に何を意味するか

統合アーキテクチャは間違っているわけではありません。{0}産業用アプリケーションが必要とするものとは異なる目的に合わせて最適化されているだけです。 CATL と BYD は、最大生産量で最大のエネルギー密度を必要とする自動車メーカー向けに構築しています。これは、正当な解決策を備えた正当なエンジニアリングの問題です。

産業機器は違います。 10- 年のライフサイクル。顧客技術者によるフィールドサービス。冷凍庫から砂漠までの動作環境。機器ブランド全体で数十もの電圧と容量のバリエーション。

そのような状況であれば、バッテリーのサプライヤーに尋ねる価値のある質問は次のとおりです。

答えによって、実際の運用状況に合わせて設計されたものを購入しているのか、それともたまたま入手可能なものを購入しているのかがわかります。

当社は、特にアプリケーションが必要とするものであるため、産業用アプリケーション向けのモジュラー パックを何年も構築してきました。スペックシートの数値は、大手自動車用バッテリーサプライヤーから得られるものほど印象的なものではありません。通常、10 年間の所有コストは次のとおりです。-