Pakiet akumulatorowy i jego konfiguracja

Pakiet akumulatorowy EV łączy ogniwa, połączenia elektryczne, układ chłodzenia, elektronikę sterującą i struktury ochronne w wysokonapięciowy system magazynowania energii.

Jego konfiguracja elektryczna określa napięcie, pojemność i obciążalność prądową, natomiast integracja fizyczna wpływa na masę, chłodzenie, ochronę zderzeniową, wykorzystanie przestrzeni, obsługę serwisową i gęstość energii na poziomie pakietu.

Co znajduje się wewnątrz pakietu akumulatorowego?

Ogniwa magazynują energię, ale są tylko jednym z elementów kompletnego pakietu akumulatorowego.

Typowy pakiet akumulatorowy EV zawiera:

• Ogniwa akumulatorowe
• Moduły lub inne struktury grupujące ogniwa
• Szyny zbiorcze i przewodniki wysokonapięciowe
• Elektronikę monitorującą ogniwa
• Główne styczniki dodatni i ujemny
• Bezpieczniki i odłączniki pirotechniczne
• Czujniki prądu, napięcia i izolacji
• Odłącznik serwisowy
• Płyty chłodzące i kanały płynu chłodzącego
• Materiały termoprzewodzące
• Szczelną obudowę pakietu
• Ochronę przed skutkami zderzenia i przebiciem
• Drogi rozprężania ciśnienia i odprowadzania gazów
• Złącza i skrzynki przyłączeniowe wysokiego napięcia

Główne styczniki odłączają ogniwa od pozostałej części samochodu po wyłączeniu układu wysokonapięciowego. Wewnątrz pakietu ogniwa pozostają połączone i znajdują się pod napięciem.

Zwykły bezpiecznik chroni przed nadmiernym prądem, natomiast odłącznik pirotechniczny może błyskawicznie przerwać połączenie wysokonapięciowe podczas poważnego zderzenia lub awarii elektrycznej.

System zarządzania akumulatorem monitoruje pakiet i nim steruje, a artykuł Zarządzanie termiczne akumulatora dokładniej opisuje układy chłodzenia i ogrzewania.

Konfiguracja akumulatora

Konfiguracja akumulatora opisuje sposób elektrycznego połączenia ogniw.

Dwie podstawowe metody łączenia to:

• Połączenie szeregowe, które zwiększa napięcie
• Połączenie równoległe, które zwiększa pojemność w amperogodzinach i obciążalność prądową

Większość pakietów EV wykorzystuje oba rodzaje połączeń.

Połączenia szeregowe

Gdy identyczne ogniwa lub grupy ogniw połączy się szeregowo, ich napięcia się sumują.

Przez każde ogniwo lub grupę równoległą w łańcuchu szeregowym płynie ten sam prąd.

Napięcie pakietu = Liczba grup szeregowych × Napięcie ogniwa

Połączenie szeregowe 100 ogniw o napięciu znamionowym 3.7 V daje napięcie znamionowe pakietu wynoszące około 370 V.

Pojemność mierzona w amperogodzinach nie zwiększa się, gdy identyczne ogniwa są połączone wyłącznie szeregowo.

Połączenia równoległe

Gdy identyczne ogniwa są połączone równolegle, napięcie pozostaje niezmienione, a ich pojemności w amperogodzinach się sumują.

Pojemność grupy równoległej =
Liczba ogniw równoległych × Pojemność ogniwa

Cztery ogniwa 72 Ah połączone równolegle tworzą grupę 288 Ah.

Ogniwa równoległe dzielą również prąd. W zrównoważonych warunkach każde z czterech identycznych ogniw połączonych równolegle przewodzi około jednej czwartej prądu grupy.

Rzeczywisty podział prądu może się nieznacznie różnić ze względu na:

• Rezystancję wewnętrzną
• Temperaturę
• Wiek ogniwa
• Połączenia elektryczne
• Tolerancje produkcyjne

BMS zazwyczaj monitoruje ogniwa połączone równolegle jako jedną grupę napięciową, ponieważ mają wspólne napięcie zaciskowe.

Oznaczenia s i p

Konfiguracje akumulatorów zapisuje się zwykle za pomocą:

• s dla połączenia szeregowego
• p dla połączenia równoległego

Konfiguracja 3s4p zawiera:

• Trzy grupy połączone szeregowo
• Cztery ogniwa połączone równolegle w każdej grupie
• Łącznie dwanaście fizycznych ogniw

Całkowita liczba ogniw wynosi:

Łączna liczba ogniw = Liczba szeregowa × Liczba równoległa

Dla pakietu wykorzystującego identyczne ogniwa:

Znamionowe napięcie pakietu =
Liczba szeregowa × Znamionowe napięcie ogniwa

Pojemność pakietu w Ah =
Liczba równoległa × Pojemność ogniwa

Znamionowa energia pakietu w Wh =
Znamionowe napięcie pakietu × Pojemność pakietu

Iloczyn napięcia i amperogodzin daje przybliżoną wartość energii znamionowej.

Napięcie ogniwa zmienia się ciągle wraz ze stanem naładowania, dlatego obliczenie to nie jest dokładnym pomiarem energii, którą pakiet może dostarczyć podczas pełnego rozładowania. Producenci mogą także określać pojemność znamionową lub brutto za pomocą metod charakterystyki ogniw, które nieco różnią się od tego prostego obliczenia.

Przykład: Audi Q8 55 e-tron

Akumulator Audi Q8 55 e-tron zawiera 432 ogniwa pryzmatyczne podzielone na 36 modułów. Każdy moduł zawiera 12 ogniw.

Audi podaje:

• Pojemność brutto 114 kWh
• Pojemność użytkową 106 kWh
• Napięcie znamionowe 396 V
• 36 modułów
• 432 ogniwa

Każdy moduł ma układ 3s4p. Cały pakiet ma więc konfigurację 108s4p. (Audi)

Przy wykorzystaniu znamionowych parametrów ogniwa:

• Napięcie ogniwa: Około 3.6667 V
• Pojemność ogniwa: 72 Ah
• Pojemność grupy równoległej: 4 × 72 Ah = 288 Ah
• Napięcie modułu: 3 × 3.6667 V = około 11 V
• Pojemność modułu: 288 Ah

Moduły w liczbie 36 są połączone szeregowo:

• Pełna konfiguracja: 108s4p
• Napięcie pakietu: 36 × 11 V = 396 V
• Pojemność pakietu: 288 Ah
• Energia znamionowa: 396 V × 288 Ah = 114,048 Wh

Wynik wynosi około 114 kWh i odpowiada pojemności brutto opublikowanej przez Audi.

Przykład ten pokazuje dwie ważne zasady:

• Szeregowe łączenie ogniw lub modułów zwiększa napięcie
• Szeregowe łączenie modułów nie zwiększa pojemności w amperogodzinach

Przykład: Porsche Macan Electric

Porsche Macan Electric wykorzystuje:

• Pojemność brutto 100 kWh
• Pojemność użytkową około 95 kWh
• 12 modułów
• 15 ogniw pryzmatycznych połączonych szeregowo w każdym module
• Łącznie 180 ogniw
• Architekturę klasy 800-woltowej

Cały pakiet można zatem opisać jako 180s1p. Każde duże ogniwo pryzmatyczne zapewnia wymaganą pojemność w amperogodzinach, więc w poszczególnych pozycjach szeregu nie są potrzebne równolegle połączone ogniwa fizyczne.

Porsche informuje również, że 12 modułów i kilka innych ważnych komponentów pakietu można wymieniać osobno. (Porsche Newsroom)

To rozwiązanie znacząco różni się od pakietu zawierającego tysiące małych ogniw cylindrycznych, choć obie konstrukcje pełnią te same podstawowe funkcje.

Poglądowy pakiet z małych ogniw cylindrycznych

Rozważmy pakiet wykorzystujący 4,416 ogniw cylindrycznych w układzie 96s46p.

Przyjmijmy, że każde ogniwo ma:

• Napięcie znamionowe: 3.7 V
• Pojemność: 4.8 Ah

Powstały pakiet ma:

Napięcie pakietu = 96 × 3.7 V
                  = 355.2 V

Pojemność pakietu = 46 × 4.8 Ah
                   = 220.8 Ah

Energia znamionowa = 355.2 V × 220.8 Ah
                    = około 78.4 kWh

Jest to konfiguracja poglądowa, a nie specyfikacja każdego pojazdu o podobnej liczbie ogniw.

Rzeczywiste pakiety cylindryczne różnią się pod względem:

• Pojemności ogniw
• Chemii ogniw
• Dostawcy
• Zakładu produkcyjnego
• Roku modelowego
• Wersji akumulatora
• Użytkowego okna napięcia

Przykładowe konfiguracje akumulatorów

Producenci nie zawsze publikują pełne oznaczenie sXp. Konfiguracje oznaczone gwiazdką wyprowadzono z opublikowanego układu ogniw i modułów.

Akumulator	Rok	Pojemność brutto lub znamionowa	Ogniwa / moduły	Konfiguracja	Napięcie znamionowe lub klasa architektury
Mitsubishi i-MiEV, specyfikacja amerykańska	2012	16.3 kWh	88 ogniw	88s1p*	325.6 V
Volkswagen e-Golf	2014	24.2 kWh	264 ogniwa / 27 modułów	88s3p*	323 V
Volkswagen e-Golf, generacja 35.8 kWh	2017	35.8 kWh	264 ogniwa / 27 modułów	88s3p*	323 V
Audi Q8 55 e-tron	2022	114 kWh	432 ogniwa / 36 modułów	108s4p	396 V
Akumulator PPE Audi Q6 e-tron / A6 e-tron	2024	100 kWh	180 ogniw / 12 modułów	180s1p*	Klasa 800-woltowa
Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	180 ogniw / 12 modułów	180s1p*	Klasa 800-woltowa
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	Znamionowo 150 kWh	384 ogniwa	Nieopublikowana oficjalnie	Znamionowo 337 V
Porsche Cayenne Electric	2026	113 kWh	192 ogniwa woreczkowe / 6 modułów	Nieopublikowana oficjalnie	Klasa 800-woltowa

Testowany pakiet Mitsubishi i-MiEV zawierał 88 ogniw, miał pojemność znamionową 50 Ah, energię znamionową 16.3 kWh i napięcie znamionowe 325.6 V. (US Department of Energy)

Pierwszy e-Golf wykorzystywał 264 ogniwa, 27 modułów, napięcie 323 V i pojemność 24.2 kWh. Późniejsza wersja 35.8 kWh zachowała tę samą liczbę ogniw i modułów, napięcie znamionowe oraz opublikowaną masę akumulatora. (VW Press)

Akumulator Audi PPE wykorzystuje 12 modułów i 180 dużych ogniw pryzmatycznych zamiast 36 modułów i 432 ogniw stosowanych w Q8 e-tron. (Audi)

NIO podaje 384 ogniwa, napięcie znamionowe 337 V, pojemność 446 Ah i masę 575 kg dla swojego akumulatora 150 kWh, ale nie udostępnia publicznie wystarczających informacji, by wiarygodnie określić pełną konfigurację sXp. (NIO)

Porsche Cayenne Electric wykorzystuje sześć modułów i 192 duże ogniwa woreczkowe w akumulatorze zintegrowanym funkcjonalnie. (Porsche Newsroom)

Napięcie, prąd i moc

Moc elektryczna zależy od napięcia i prądu:

Moc = Napięcie × Prąd

Tę samą moc można przesłać przy:

• Wyższym napięciu i niższym prądzie
• Niższym napięciu i wyższym prądzie

Idealizowany przesył mocy 300 kW wymaga:

Przy 400 V:

Prąd = 300,000 W ÷ 400 V
     = 750 A

Przy 800 V:

Prąd = 300,000 W ÷ 800 V
     = 375 A

Układ 800-woltowy przesyła tę samą moc przy prądzie o połowę mniejszym.

Straty elektryczne w przewodnikach można w przybliżeniu obliczyć jako:

Strata rezystancyjna = Prąd² × Rezystancja

Jeśli rezystancja pozostaje niezmieniona, zmniejszenie prądu o połowę redukuje straty rezystancyjne do jednej czwartej.

Rzeczywiste pojazdy są bardziej złożone, ponieważ zmieniają się również wymiary przewodników, rezystancja złączy, półprzewodniki, chłodzenie i faktyczne napięcie akumulatora. Obliczenie wyjaśnia jednak, dlaczego wyższe napięcie staje się atrakcyjne wraz ze wzrostem mocy ładowania i układu napędowego.

Układy klasy 400-woltowej i 800-woltowej

Określenia 400 V i 800 V opisują szerokie klasy układów, a nie stałe napięcia akumulatora.

Napięcie pakietu zmienia się zależnie od:

• Stanu naładowania
• Chemii ogniw
• Temperatury
• Prądu
• Liczby ogniw połączonych szeregowo
• Limitów napięcia ustalonych przez producenta

Akumulator reklamowany jako 400 V może pracować od dolnego zakresu 300-woltowego do wartości przekraczających 400 V.

Pakiet klasy 800-woltowej może mieć napięcie znamionowe bliższe 650–750 V, a przy wysokim stanie naładowania zbliżać się do 800 V lub je przekraczać.

Układy klasy 400-woltowej

Architektura klasy 400-woltowej pozostaje wystarczająca dla wielu popularnych samochodów elektrycznych.

Zalety

• Dojrzałe i powszechnie dostępne komponenty
• Niższy koszt komponentów
• Prosta współpraca z istniejącymi ładowarkami
• Mniej rygorystyczne wymagania dotyczące izolacji
• Wystarczająca moc dla wielu samochodów osobowych
• Ugruntowane procesy naprawy i produkcji

Kompromisy

• Wyższy prąd przy tej samej mocy
• Większe przewodniki prądowe przy bardzo wysokiej mocy
• Silniejsze nagrzewanie złączy i kabli
• Większa trudność w osiąganiu ekstremalnej mocy ładowania
• Wyższe wymagania prądowe dla układów napędowych o dużej mocy

Dobrze zaprojektowany akumulator 400-woltowy może mimo to ładować się bardzo szybko, jeśli łączy ogniwa o wysokiej obciążalności prądowej, skuteczne chłodzenie i szeroką krzywą ładowania.

Układy klasy 800-woltowej

Architektura klasy 800-woltowej zmniejsza prąd wymagany do uzyskania danej mocy.

Zalety

• Niższy prąd przy wysokiej mocy ładowania
• Mniejsze straty w przewodnikach
• Możliwość stosowania mniejszych lub lżejszych przewodów wysokonapięciowych
• Większa moc w granicach prądowych złączy
• Efektywne dostarczanie dużej mocy do układu napędowego
• Dobre przystosowanie do ładowania dużą mocą

Kompromisy

• Droższe komponenty wysokonapięciowe
• Większe wymagania dotyczące izolacji i odstępów powierzchniowych
• Wyższe wymagania wobec styczników i czujników
• Bardziej złożona elektronika mocy
• Problemy ze zgodnością z ładowarkami o niższym napięciu
• Wyższy koszt opracowania i walidacji

Wyższe napięcie nie gwarantuje szybszego ładowania.

Wydajność ładowania zależy również od:

• Chemii ogniw
• Współczynnika C ogniw
• Temperatury akumulatora
• Krzywej ładowania
• Limitów prądu
• Wydajności chłodzenia
• Stanu naładowania
• Możliwości ładowarki

Ładowanie akumulatora 800-woltowego z ładowarki o niższym napięciu

Ładowarka musi zapewnić napięcie wystarczające do wymuszenia przepływu prądu do akumulatora.

Akumulator klasy 800-woltowej nie może zwykle ładować się bezpośrednio z ładowarki, której maksymalne napięcie wyjściowe pozostaje znacznie poniżej napięcia pakietu.

Producenci rozwiązują ten problem na kilka sposobów:

• Osobna przetwornica podwyższająca napięcie DC
• Wykorzystanie silnika i falownika jako części obwodu podwyższającego napięcie
• Przełączanie konfiguracji akumulatora na banki o niższym napięciu
• Ograniczenie możliwości ładowania z niezgodnych ładowarek

Ładowanie bankowe

Ładowanie bankowe zmienia konfigurację elektryczną akumulatora podczas ładowania.

Porsche Macan może podzielić swój akumulator 800-woltowy na dwa oddzielne obwody 400-woltowe. Obie połowy akumulatora są następnie ładowane równocześnie z mocą do 135 kW bez osobnego wysokonapięciowego układu podwyższającego. (Porsche Newsroom)

Ogniwa nie przemieszczają się, a pakiet nie jest fizycznie dzielony. Przełączniki wysokonapięciowe zmieniają sposób elektrycznego połączenia jego sekcji.

Pokazuje to, że konfiguracja akumulatora nie musi być stała w każdym trybie pracy.

Architektury pakietów akumulatorowych

Konfiguracja elektryczna opisuje sposób połączenia ogniw.

Architektura pakietu opisuje sposób fizycznej integracji ogniw, układu chłodzenia, obudowy, modułów i konstrukcji pojazdu.

Główne podejścia obejmują:

• Pakiety modułowe
• Cell-to-Pack
• Cell-to-Body lub Cell-to-Chassis
• Pakiety strukturalne lub zintegrowane funkcjonalnie

Kategorie te częściowo się pokrywają.

Akumulator strukturalny nadal może zawierać moduły. Konstrukcja Cell-to-Pack może nadal wykorzystywać wewnętrzne ramy, ściśnięte rzędy, banki lub inne struktury grupujące ogniwa.

Pakiety modułowe

W tradycyjnym pakiecie modułowym ogniwa są montowane w moduły, zanim moduły trafią do obudowy akumulatora.

Ogniwo → Moduł → Pakiet → Pojazd

Moduły mogą zawierać:

• Ramy ogniw
• Struktury dociskowe
• Szyny zbiorcze
• Elektronikę monitorującą ogniwa
• Interfejsy chłodzenia
• Izolację elektryczną
• Ochronę mechaniczną
• Złącza modułowe

Zalety pakietów modułowych

• Skalowalność: Różne pojemności można uzyskać przez zmianę liczby modułów.
• Rozdzielenie produkcji: Montaż modułów i końcowy montaż pakietu można testować oddzielnie.
• Kontrolowane grupy ogniw: Docisk, połączenia elektryczne i chłodzenie można zarządzać w określonych jednostkach.
• Możliwa naprawialność: Uszkodzony moduł można niekiedy wymienić bez wymiany całego pakietu.
• Elastyczność dostawców: Moduły mogą stanowić interfejs między produkcją ogniw a montażem pojazdu.
• Ponowne wykorzystanie platformy: Jeden projekt modułu można czasem stosować w kilku pojazdach.

Kompromisy pakietów modułowych

• Dodatkowy nieaktywny materiał: Ramy, pokrywy, elementy mocujące i złącza zwiększają masę.
• Większa liczba części: Potrzeba więcej obudów, uszczelnień, szyn zbiorczych i interfejsów.
• Mniejsza efektywność pakietu: Przestrzeń jest potrzebna zarówno wokół ogniw, jak i modułów.
• Więcej etapów montażu: Moduły wymagają oddzielnej produkcji, testowania, transportu i instalacji.

Obecność modułów nie oznacza automatycznie, że pakiet jest naprawialny.

Naprawialność zależy również od:

• Dostępu do pakietu
• Klejów i uszczelniaczy
• Konstrukcji układu chłodzenia
• Dostępności części zamiennych
• Wsparcia diagnostycznego
• Programowania BMS
• Procedur naprawczych producenta

Porsche Macan Electric jest współczesnym przykładem pakietu modułowego zaprojektowanego z myślą o naprawach. Porsche podaje, że 12 modułów i inne główne komponenty można wymieniać osobno. (Porsche Newsroom)

Cell-to-Pack

Cell-to-Pack, w skrócie CTP, eliminuje lub ogranicza konwencjonalną pośrednią obudowę modułu.

Ogniwo → Pakiet → Pojazd

Ogniwa nadal mogą być ułożone w:

• Rzędy
• Ściśnięte grupy
• Wewnętrzne ramy
• Banki
• Macierze strukturalne

CTP nie musi oznaczać, że każde ogniwo leży luzem w jednej niepodzielonej obudowie.

Zalety Cell-to-Pack

• Lepsze wykorzystanie objętości pakietu: Ścianki i pokrywy modułów zajmują mniej miejsca.
• Mniejsza masa nieaktywna: Potrzeba mniej obudów pośrednich i elementów mocujących.
• Mniejsza liczba części: Interfejsy elektryczne i strukturalne można skonsolidować.
• Potencjalnie niższy koszt: Usunięcie powtarzających się komponentów może uprościć montaż.
• Ściślejsza integracja chłodzenia: Ogniwa mogą bezpośrednio stykać się ze strukturami chłodzącymi pakietu.
• Mniej połączeń: Duże ogniwa i bezpośrednia integracja mogą zmniejszyć liczbę szyn zbiorczych i złączy.

Kompromisy Cell-to-Pack

• Większa odpowiedzialność na poziomie pakietu: Chłodzenie, docisk, izolację i ochronę przed propagacją trzeba rozwiązać dla większych sekcji.
• Bardziej zintegrowana produkcja: Wada produkcyjna może dotyczyć większego zespołu.
• Mniejsze możliwości wymiany modułowej: Niezależne wyjmowanie grup ogniw może być trudne. …727 tokens truncated…* Więcej miejsca we wnętrzu przy tej samej wysokości pojazdu
• Potencjalne zmniejszenie masy systemowej
• Większa sztywność nadwozia
• Niżej położony środek ciężkości
• Lepsze wykorzystanie przestrzeni

Kompromisy CTB i CTC

• Konstrukcja akumulatora i nadwozia stają się ściśle powiązane
• Naprawy powypadkowe mogą obejmować struktury akumulatora i nadwozia
• Wyjęcie pakietu może wymagać bardziej rozległego demontażu
• Zmiany platformy mogą wymagać przeprojektowania akumulatora
• Uszczelnienie i ochrona antykorozyjna stają się ważniejsze
• Tolerancje wymiarowe stają się bardziej wymagające

Pakiety strukturalne i zintegrowane funkcjonalnie

Akumulator strukturalny przenosi istotne obciążenia pojazdu, zamiast służyć wyłącznie jako magazyn energii zamontowany pod nadwoziem.

Pakiet strukturalny może wykorzystywać:

• Ogniwa klejone bezpośrednio do obudowy strukturalnej
• Duże strukturalne macierze ogniw
• Moduły zamontowane w akumulatorze zintegrowanym z nadwoziem
• Pokrywę akumulatora pełniącą również funkcję części podłogi kabiny

Integracja strukturalna i stosowanie modułów są odrębnymi decyzjami projektowymi.

Strukturalny pakiet akumulatorowy Tesli

W 2022 roku Tesla rozpoczęła produkcję wybranych wersji Modelu Y z własnymi ogniwami 4680, dużymi odlewami nadwozia i strukturalnym pakietem akumulatorowym.

Tesla produkowała również warianty Modelu Y z konwencjonalnymi, niestrukturalnymi pakietami wykorzystującymi ogniwa 2170. Architektura akumulatora zależy więc od wersji pojazdu i fabryki.

Porsche Cayenne Electric

Porsche Cayenne Electric wykorzystuje rozwiązanie, które Porsche nazywa zintegrowanym funkcjonalnie akumulatorem wysokonapięciowym.

Akumulator:

• Jest bezpośrednio zintegrowany ze strukturą pojazdu
• Zwiększa sztywność nadwozia
• Zawiera sześć modułów
• Zawiera 192 duże ogniwa woreczkowe
• Ma pojemność brutto 113 kWh
• Wykorzystuje dwustronne chłodzenie modułów

Jest to dobry przykład strukturalnie zintegrowanego akumulatora, który pozostaje modułowy, zamiast wykorzystywać bezmodułową architekturę CTP. (Porsche Newsroom)

Zalety pakietów strukturalnych

• Mniej powielonych elementów strukturalnych pakietu i nadwozia
• Potencjalnie niższa całkowita masa systemu
• Lepsze wykorzystanie przestrzeni w pionie
• Większa sztywność nadwozia
• Niżej położony środek ciężkości
• Mniej dużych komponentów pojazdu

Kompromisy pakietów strukturalnych

• Rozwój akumulatora i pojazdu stają się nierozłączne
• Uszkodzenia strukturalne mogą naruszyć obudowę akumulatora
• Wyjęcie pakietu i naprawa nadwozia mogą być bardziej skomplikowane
• Tolerancje produkcyjne stają się bardziej wymagające
• Ponowne użycie akumulatora na innej platformie może być trudne
• Naprawa wymaga szczegółowych procedur producenta

Poniższy film przedstawia szczegółową analizę strukturalnego pakietu Tesli przygotowaną przez Munro & Associates.

Architektura pakietu a możliwość serwisowania

Kuszące jest uszeregowanie architektur akumulatorów w następujący sposób:

Moduły = możliwość naprawy

Cell-to-Pack = trudna naprawa

Pakiet strukturalny = brak możliwości naprawy

Rzeczywistość jest bardziej złożona.

Możliwość serwisowania zależy od:

• Tego, czy pokrywę można otworzyć bez jej zniszczenia
• Tego, czy moduły lub grupy ogniw można wyjąć
• Klejów strukturalnych, pianek i mas zalewowych
• Dostępu do płyt chłodzących
• Połączeń płynu chłodzącego
• Dostępności modułów i elektroniki
• Narzędzi diagnostycznych
• Programowania BMS i parowania komponentów
• Zatwierdzonych procedur naprawczych
• Uszkodzenia obudowy pakietu lub struktury pojazdu

Konwencjonalny akumulator modułowy może mimo to być wymieniany wyłącznie w całości, jeśli producent nie dostarcza modułów ani instrukcji naprawy.

Strukturalnie zintegrowany akumulator może nadal zawierać wymienne:

• Moduły
• Styczniki
• Bezpieczniki
• Czujniki
• Sterowniki
• Komponenty układu chłodzenia

Porsche Cayenne Electric pokazuje, że integracja strukturalna i konstrukcja modułowa mogą współistnieć.

Architektura pakietu wpływa na możliwości naprawy, lecz sama ich nie przesądza.

Gęstość energii na poziomie pakietu

Gęstość energii na poziomie ogniwa opisuje energię magazynowaną przez ogniwa w stosunku do ich masy lub objętości.

Gęstość energii na poziomie pakietu uwzględnia wszystko, co jest potrzebne do działania, łączenia, chłodzenia i ochrony ogniw:

• Obudowy ogniw
• Struktury modułów
• Obudowę pakietu
• Układ chłodzenia
• Szyny zbiorcze i okablowanie
• Styczniki i bezpieczniki
• Elektronikę sterującą
• Ochronę zderzeniową
• Uszczelnienia i elementy mocujące
• Materiały termoprzewodzące

Grawimetryczna gęstość energii pakietu wynosi:

Grawimetryczna gęstość energii pakietu =
Energia pakietu w Wh ÷ Całkowita masa pakietu w kg

Objętościowa gęstość energii pakietu wynosi:

Objętościowa gęstość energii pakietu =
Energia pakietu w Wh ÷ Zewnętrzna objętość pakietu w litrach

Ogniwo o wysokiej gęstości energii może mimo to prowadzić do stosunkowo ciężkiego pakietu, jeśli wymaga rozbudowanego chłodzenia, zabezpieczeń lub osprzętu strukturalnego.

Chemia o niższej gęstości, taka jak LFP, może dzięki efektywnej integracji osiągnąć przyzwoity wynik na poziomie pakietu, ale niższa gęstość na poziomie ogniwa nie znika całkowicie.

Zmiany gęstości energii pakietu w czasie

Tabela wykorzystuje energię brutto lub energię znamionową producenta, a nie energię użytkową.

Wartości należy traktować jako reprezentatywne przykłady, a nie porównanie laboratoryjne. Producenci nie zawsze definiują masę pakietu lub energię znamionową dokładnie w ten sam sposób.

Pakiet akumulatorowy	Rok lub generacja	Pojemność brutto lub znamionowa	Masa pakietu	Obliczona gęstość
Mitsubishi i-MiEV, specyfikacja amerykańska	2012	16.3 kWh	165 kg	99 Wh/kg
Tesla Model S 85	2012	85 kWh	Około 540 kg	Około 157 Wh/kg
Volkswagen e-Golf	2014	24.2 kWh	318 kg	76 Wh/kg
Audi e-tron 55	2018	95 kWh	Około 699 kg	Około 136 Wh/kg
Volkswagen e-Golf, generacja 35.8 kWh	2017	35.8 kWh	318 kg	113 Wh/kg
Audi Q4 e-tron, duży akumulator	2021	82 kWh	Około 500 kg	Około 164 Wh/kg
BYD Seal Long Range, LFP	2022	82.56 kWh	Około 558 kg	Około 148 Wh/kg
Audi Q6 e-tron / Porsche Macan Electric	2024	100 kWh	Około 570 kg	Około 175 Wh/kg
Renault 5 E-Tech, wersja 52 kWh	2024	55 kWh	297 kg	185 Wh/kg
Audi e-tron GT, zmodernizowany akumulator	2024	105 kWh	625 kg	168 Wh/kg
Wymienny akumulator NIO 100 kWh	Aktualnie opublikowana specyfikacja	Znamionowo 100 kWh	555 kg	180 Wh/kg
NIO 150 kWh Ultra-Long Range Battery	2024	Znamionowo 150 kWh	575 kg	261 Wh/kg

Dane Mitsubishi i-MiEV pochodzą z raportu testowego amerykańskiego Departamentu Energii, który podaje energię znamionową 16.3 kWh oraz masę pakietu 363 lb, czyli około 165 kg. (US Department of Energy)

Tesla oficjalnie określiła pierwotny Model S jako wyposażony w akumulator 85 kWh. Masa pakietu wynosząca około 540 kg jest powszechnie przytaczanym oszacowaniem technicznym, a nie wartością podaną w pierwotnej specyfikacji pojazdu Tesli, dlatego obliczoną gęstość należy traktować jako przybliżoną. (Tesla)

Volkswagen oficjalnie podaje 318 kg dla obu generacji akumulatora e-Golfa. (VW Press)

W 2018 Audi e-tron wykorzystywało akumulator 95 kWh ważący około 699 kg. Wartość ta jest dobrym przykładem pakietu projektowanego pod kątem skutecznego chłodzenia, ochrony strukturalnej, powtarzalnego ładowania i konstrukcji modułowej, a nie wyłącznie minimalnej masy.

Wartość dla BYD Seal wykorzystuje masę pakietu około 558 kg dla akumulatora LFP Blade Battery o pojemności 82.56 kWh. Daje to około 148 Wh/kg i stanowi przydatny współczesny punkt odniesienia dla LFP.

Renault oficjalnie podaje pojemność użytkową 52 kWh i masę pakietu 297 kg dla Renault 5. Tabela wykorzystuje 55 kWh jako roboczą wartość pojemności brutto EVKX, co daje około 185 Wh/kg. (Renault Ireland)

Audi podaje pojemność brutto 105 kWh i masę 625 kg dla zmodernizowanego akumulatora e-tron GT. (Audi)

NIO podaje 555 kg dla swoich akumulatorów 100 kWh i 575 kg dla wersji 150 kWh. (NIO)

Wczesne pakiety EV nie były jednakowe

Tabela nie pokazuje prostego wzrostu z roku na rok.

Mitsubishi i-MiEV i pierwszy e-Golf były zachowawczymi, wczesnymi systemami akumulatorowymi charakteryzującymi się:

• Umiarkowaną pojemnością
• Niską mocą ładowania
• Rozbudowaną strukturą pomocniczą
• Ograniczeniami przestrzennymi małych platform lub platform przystosowanych do wielu rodzajów napędu

Pierwszy e-Golf osiągał na poziomie pakietu zaledwie 76 Wh/kg.

Pierwotna Tesla Model S była znaczącym wyjątkiem. Jej duży, zaprojektowany specjalnie do tego modelu akumulator podłogowy osiągał około 157 Wh/kg już w 2012 roku, mimo że wykorzystywał:

• 7,104 małe ogniwa cylindryczne
• 16 modułów
• Chłodzenie cieczą
• Tysiące połączeń elektrycznych
• Wytrzymałą obudowę strukturalną

Model S pokazał, jak wysokoenergetyczne ogniwo i pojazd zaprojektowany wokół dużego płaskiego pakietu mogą przewyższyć wiele mniejszych, wczesnych akumulatorów EV.

Dwie generacje akumulatora e-Golfa

Dwa pakiety e-Golfa umożliwiają wyjątkowo przejrzyste porównanie, ponieważ ich opublikowana masa, liczba ogniw i modułów oraz napięcie znamionowe pozostały takie same.

Parametr	e-Golf 24.2 kWh	e-Golf 35.8 kWh
Pojemność znamionowa	24.2 kWh	35.8 kWh
Masa pakietu	318 kg	318 kg
Liczba ogniw	264	264
Liczba modułów	27	27
Napięcie znamionowe	323 V	323 V
Obliczona gęstość	76 Wh/kg	113 Wh/kg

Późniejszy akumulator magazynuje około 48% więcej energii bez zwiększenia opublikowanej masy pakietu ani liczby ogniw.

Poprawa wynikała głównie z większej pojemności ogniw, a nie z powiększenia obudowy akumulatora.

Współczesne LFP: Blade Battery w BYD Seal

BYD Seal jest dobrym przykładem współczesnego pakietu LFP.

Jego Blade Battery o pojemności 82.56 kWh waży około 558 kg, co daje obliczoną gęstość pakietu około 148 Wh/kg.

To mniej niż w kilku współczesnych pakietach niklowych, mimo że Seal wykorzystuje efektywną architekturę Cell-to-Body.

Wynik obrazuje dwa odrębne zjawiska:

• Ogniwa LFP zazwyczaj magazynują mniej energii na kilogram niż czołowe ogniwa bogate w nikiel
• Efektywna integracja pakietu ogranicza niekorzystną różnicę na poziomie ogniwa, lecz jej nie usuwa

Pakiet modelu Seal nie jest źle zaprojektowany. Priorytetem jest inny kompromis między:

• Kosztem materiałów
• Żywotnością cykliczną
• Stabilnością termiczną
• Integracją pakietu
• Efektywnością strukturalną

Gęstości pakietu nie należy więc traktować jako pełnego rankingu jakości akumulatorów.

Renault 5: wysoka gęstość w małym pakiecie modułowym

Renault 5 E-Tech wyróżnia się tym, że jego kompaktowy akumulator osiąga około 185 Wh/kg przy użyciu roboczej wartości brutto 55 kWh.

Parametr	Renault 5 E-Tech
Pojemność brutto używana przez EVKX	55 kWh
Oficjalna pojemność użytkowa	52 kWh
Masa pakietu	297 kg
Obliczona gęstość brutto	185 Wh/kg
Liczba modułów	4

Wynik jest szczególnie interesujący, ponieważ Renault 5 nie wykorzystuje bezmodułowej konstrukcji CTP.

Cztery duże moduły ograniczają liczbę powtarzających się obudów, złączy i komponentów wspierających w porównaniu z pakietami wykorzystującymi wiele mniejszych modułów.

Renault pokazuje zatem, że wysoka gęstość pakietu nie wymaga całkowitego usunięcia poziomu modułów.

Wymienne akumulatory NIO 100 a 150 kWh

Akumulatory NIO 100 a 150 kWh stanowią kolejne pouczające porównanie, ponieważ oba pasują do systemu wymiany akumulatorów tej firmy.

Parametr	NIO 100 kWh	NIO 150 kWh
Pojemność znamionowa	100 kWh	150 kWh
Masa pakietu	555 kg	575 kg
Obliczona gęstość	180 Wh/kg	261 Wh/kg
Różnica masy	—	O 20 kg więcej
Różnica energii	—	O 50% więcej

Akumulator 150 kWh magazynuje o 50% więcej energii znamionowej, a według opublikowanej specyfikacji waży tylko o 20 kg więcej od pakietu 100 kWh.

Jego obliczona gęstość wynosząca około 261 Wh/kg jest znacznie wyższa niż w popularnych przykładach z tabeli.

Nie należy uznawać jej za reprezentatywną dla całego rynku EV. Pakiet wykorzystuje wyspecjalizowaną konstrukcję ogniw o wysokiej energii i został wdrożony w ramach systemu modernizacji i wymiany akumulatorów NIO.

Dlaczego wartości gęstości pakietów nie są idealnie porównywalne?

Porównywanie gęstości pakietów wymaga ostrożności.

Producenci mogą różnie definiować:

• Pojemność brutto
• Pojemność znamionową
• Całkowitą masę pakietu
• Masę płynu chłodzącego
• Masę skrzynki przyłączeniowej
• Osłonę podwozia
• Współdzielone elementy strukturalne
• Specyfikację produkcyjną i prototypową

Różnią się także wymagania pojazdów.

EV o wysokich osiągach może wymagać bardziej rozbudowanego:

• Chłodzenia
• Układu szyn zbiorczych
• Osprzętu wysokoprądowego
• Zabezpieczenia zderzeniowego

SUV lub samochód terenowy może potrzebować cięższej obudowy niż kompaktowy hatchback.

Wymienny akumulator wymaga interfejsów strukturalnych i mechanicznych, których nie potrzebuje pakiet zamontowany na stałe.

Pakiet o niższej gęstości może mimo to oferować:

• Szybsze i bardziej powtarzalne ładowanie
• Lepsze chłodzenie
• Większą ochronę zderzeniową
• Łatwiejszą wymianę modułów
• Wyższą moc ciągłą
• Dłuższą żywotność
• Niższy koszt produkcji

Gęstość energii na poziomie pakietu jest przydatnym wskaźnikiem, ale nie stanowi pełnej oceny jakości akumulatora.

Co architektura pakietu oznacza dla nabywcy EV?

Konfiguracja pakietu zazwyczaj nie jest parametrem, który nabywca musi bezpośrednio porównywać.

Akumulator 180s1p nie jest z natury lepszy od akumulatora 96s46p.

W codziennym użytkowaniu liczy się wynik całej konstrukcji:

• Użytkowa pojemność akumulatora
• Efektywność pojazdu
• Krzywa ładowania
• Ładowanie w niskiej temperaturze
• Wstępne przygotowanie akumulatora
• Moc ciągła i szczytowa
• Degradacja
• Zarządzanie termiczne
• Zakres gwarancji
• Ochrona przed propagacją termiczną
• Możliwości naprawy pakietu i modułów
• Koszt wymiany po uszkodzeniu

Wyższe napięcie może pomóc EV osiągnąć wysoką moc ładowania i układu napędowego, ale samo napięcie nie określa szybkości ładowania.

Cell-to-Pack i integracja strukturalna mogą zmniejszyć masę oraz poprawić wykorzystanie przestrzeni. Mogą też zmienić procedury naprawcze i zwiększyć konsekwencje uszkodzenia podwozia lub struktury.

Pakiet modułowy może oferować więcej możliwości naprawy, ale tylko wtedy, gdy dostępne są części zamienne, diagnostyka i zatwierdzone procedury.

Najlepsza architektura pakietu akumulatorowego to taka, która spełnia cele pojazdu w zakresie:

• Osiągów
• Zasięgu
• Ładowania
• Bezpieczeństwa
• Trwałości
• Kosztu produkcji
• Wykorzystania przestrzeni
• Możliwości serwisowania

Najnowszy skrót nie oznacza automatycznie najlepszego akumulatora.

Warstwy ochronne otaczające ogniwa i cały pakiet opisuje artykuł Bezpieczeństwo i zarządzanie awariami akumulatora EV.

Źródła

• Pojemność i ładowanie akumulatora Audi Q8 e-tron
• Akumulator i ładowanie Porsche Macan
• Testy akumulatora Mitsubishi i-MiEV przeprowadzone przez US Department of Energy
• Materiały prasowe Volkswagena e-Golfa
• Akumulator wysokonapięciowy Audi PPE
• Instrukcja użytkownika NIO ET7
• Układ wysokonapięciowy Porsche Cayenne Electric
• Technologie akumulatorowe i energetyczne Grupy Volkswagen
• Specyfikacja Tesli Model S
• Specyfikacja Renault 5 E-Tech
• Akumulator wysokonapięciowy Audi e-tron GT