Новые тенденции в технологиях для систем управления аккумуляторными батареями электромобилей

Конструкция электромобилей становится все сложнее, и традиционная система управления питанием должна быть достаточно умной, чтобы поддерживать новые технологии, такие как аккумуляторные батареи с твердым электролитом.

Конструкция электромобилей становится все более сложной, и традиционная система управления питанием должна быть достаточно «умной», чтобы поддерживать новые технологии, например, аккумуляторные батареи с твердым электролитом, смарт-распределительные коробки и системы управления электропитанием внутри машины. В этой статье, созданной на основе отчета американской исследовательской и консалтинговой компании Gartner, обсуждается, как должны развиваться системы управления электропитанием с появлением новых технологий для транспортных средств и аккумуляторных батарей.

Особенно важными инновациями для электромобилей являются интеграция с системами хранения возобновляемой энергии, возможности более быстрой зарядки и производство более экологически чистых аккумуляторов. Другие ключевые технологии предполагают взаимодействие между различными подсистемами или между машиной и сетью, поэтому также следует учитывать безопасность используемого протокола во избежание потенциальных кибератак.

Какие критерии следует учитывать разработчику системы управления электропитанием? Сложность структуры требует оперативной оценки уровня заряда отдельного элемента или его деградации, а также оставшегося срока службы, поэтому в контроллер должны быть встроены алгоритмы искусственного интеллекта. Для оптимизации подачи энергии в аккумуляторные батареи и даже обратно в сеть требуются усовершенствованные модели аккумуляторов с возможностями прогнозирования и оптимизации внутри интеллектуальных двунаправленных контроллеров. Такие алгоритмы также должны быть надежно защищены от кибератак с помощью систем обнаружения угроз в режиме реального времени.

Система управления электропитанием – это встроенная система, предназначенная для контроля и регулирования тока, напряжения и температуры аккумуляторных модулей, и поддерживающая аккумуляторные элементы в безопасной рабочей зоне. Она состоит из различных подсистем, главным образом контроллера управления аккумулятором, который взаимодействует с подсистемами, предназначенными для выполнения конкретной задачи, например, датчиками, силовыми реле или тепловой защитой. Контроллер управления аккумулятором работает на наборе алгоритмов для оценки рабочих параметров, таких как уровень зарядки или состояние исправности.

Традиционные системы управления аккумуляторными батареями регулируют ток и напряжение в соответствии с их номинальными значениями и, например, не могут оценивать уровень заряда в режиме реального времени или обмениваться информацией с интеллектуальной системой электропитания транспортного средства.

Основные факторы, влияющие на разработку современных систем управления электропитанием транспортного средства, связаны с новым типом батареи (новая технология для элементов подразумевает другой алгоритм зарядки), интеллектуальной распределительной коробкой внутри аккумуляторных блоков и возможностью подключения к электросети или между аккумуляторными модулями и системой управления аккумуляторными батареями с помощью беспроводных технологий. Развитие технологий также обусловлено потребностями рынка, поскольку клиенты хотят получить более быструю зарядку и безопасные электромобили по доступным ценам.

Ниже мы расскажем об этих ключевых факторах и их практической значимости.

Аккумуляторные батареи с твердым электролитом

Эволюция аккумуляторов в основном связана с появлением электролитов, которые изготавливаются из твердых материалов, а не из геля или жидкости. Аккумуляторные батареи с твердым электролитом обладают многими преимуществами, такими как более высокая удельная мощность, более высокая рабочая температура и более длительный срок службы. Однако они еще не доведены до совершенства и находятся в стадии научно-исследовательских разработок.

С точки зрения системы управления электропитанием, поведение аккумуляторных батарей с твердым электролитом при зарядке и разрядке различно, и простой математической модели для определения уровня заряда не существует, поэтому требуются более продвинутые и сложные алгоритмы, основанные на искусственном интеллекте (например, искусственные нейронные сети для точной оценки уровня заряда). Таким образом, следует использовать микроконтроллеры с улучшенными характеристиками.

Более высокие температуры требуют надлежащего контроля и системы балансировки напряжения в элементах для ограничения межэлементных токов. Кроме того, для обеспечения безопасных условий эксплуатации система нуждается в алгоритмах диагностики и обнаружения аномалий.

Беспроводные системы управления электропитанием электромобиля

В традиционных электромобилях различные элементы или аккумуляторные модули с помощью специального кабеля, реализующего современные проводные протоколы, взаимодействуют с датчиками системы управления электропитанием. Однако прокладка кабелей усложняется из-за увеличения числа датчиков. Фактически, необходимо контролировать каждую ячейку или модуль, поэтому количество и сложность кабелей внутри электромобиля растет очень быстро. Чем больше кабелей, тем больше вес, поэтому часть энергии тратится на перемещение этой массы во время движения. Возможным решением для снижения веса и сложности схемы является использование беспроводных протоколов.

Сегодня существует множество технологий, готовых к использованию, таких как Wi-Fi и Bluetooth, но они требуют доработок. Отказ от кабелей позволяет оптимизировать компоновку электромобиля за счет размещения аккумуляторов там, где это более удобно, но для работы беспроводной связи требуется электропитание, поэтому следует использовать протоколы и технологии, потребляющие меньше энергии. Другими словами, беспроводная связь требует тщательного управления.

Недостатком является то, что беспроводная связь слаба в отношении хакерских или кибератак, поэтому необходимо принять контрмеры, чтобы повысить устойчивость подобных систем к потенциальным уязвимостям и гарантировать целостность и конфиденциальность.

Например, что может произойти, если злоумышленники украдут личные и финансовые данные, которые нужны для измерения тока, используемого для подзарядки аккумуляторной батареи. Или если вредоносное ПО будет внедрено в систему во время обновления программного обеспечения, это может поставить под угрозу безопасность всего электромобиля.

В ближайшем будущем каждое электронное устройство внутри электромобиля должно соответствовать стандартам кибербезопасности.

Удобство для пользователя электромобиля

Одними из первых характеристик, на которые обращает внимание клиент, являются время, необходимое для полной зарядки, и запас хода до следующей зарядки, поэтому для быстрой зарядки и увеличения дальности движения требуются улучшенные системы управления электропитанием, гарантирующие безопасную работу и длительный срок службы батареи.

Быстрая зарядка подразумевает высокие значения тока, что означает повышение температуры в элементах и может привести к быстрому выходу из строя аккумуляторных батарей. При неправильном контроле температура может быть настолько высокой, что может произойти взрыв.

Новые технологии должны учитывать сложные модели новых аккумуляторов, такие как аккумуляторные батареи с твердым электролитом, мониторинг уровня заряда и показателей исправности в режиме реального времени, а также контроль за выделяемым теплом, чтобы гарантировать безопасность во время быстрой зарядки. Для достижения этих целей лучше всего использовать алгоритмы машинного обучения, поскольку они могут учитывать нелинейные характеристики аккумуляторов для определения уровня заряда и обнаружения несбалансированных элементов.

Другими аспектами, представляющими интерес для покупателей электромобилей, являются безопасность и стоимость транспортных средств.

Системы управления электропитанием принимают участие в этих аспектах из-за риска, связанного с неисправностью аккумуляторных батарей. Для обеспечения безопасной эксплуатации и предотвращения перегрева они должны постоянно контролировать уровень заряда, показатели исправности и температуру каждого элемента и включать функции терморегулирования и обнаружения неисправностей.

Для выполнения этих функций конструкция включает в себя усовершенствованные меры по предотвращению теплового выброса с резервными системами мониторинга и управления. Тем самым реализуется архитектура безопасности, основанная на нескольких уровнях защиты.

В настоящее время изучаются многие аспекты проектирования передовой системы управления электропитанием транспортного средства. Изменения в технологиях аккумуляторных батарей, системах связи и сетевом интерфейсе в соответствии с растущей потребностью в безопасных операциях приводят к созданию более сложных и интеллектуальных систем контроля и управления.

Алгоритмы машинного обучения и дублирующие распределенные подсистемы для управления и мониторинга состояния каждой отдельной ячейки обеспечивают возможность еще более быстрой зарядки.

Внедрение беспроводной связи оптимизирует компоновку транспортного средства и использование датчиков для каждой ячейки, но подвергает систему кибератакам, поэтому необходимы адекватные контрмеры.