모듈러 디자인이란 무엇입니까?

지난 달 미시간에 있는 차량 관리자로부터 전화를 받았습니다. 냉장 보관 시설, 3교대로 운행하는 화물 트럭. 그의 80V 배터리 팩은 14개월 후에 오류 코드를 표시했습니다.-BMS가 차단되고 트럭이 작동하지 않습니다. 공급업체에 전화해서 교체 비용 22,000달러를 받고 6-주 기다려야 한다는 견적을 받았습니다.

 

우리는 그에게 표지를 열고 사진 몇 장을 보내달라고 요청했습니다. 알고 보니 세포는 구조용 접착제로 트레이에 바로 붙어 있었습니다. 모듈도 없고 서비스 액세스도 없습니다. 전체 팩은 하나의 단단한 블록이었습니다. 그것을 설계한 사람은 아마도 사양서를 위해 몇 Wh/kg를 추가로 짜내려고 했을 것입니다. 이제 이 사람이 그 결정에 대한 대가를 치르고 있습니다.

 

누군가가 모듈 설계에 대해 우리에게 묻는 경우가 바로 이것이다. 정의에 관한 것이 아니라-일이 잘못되었을 때 어떤 일이 발생하는지에 관한 것이며, 결국에는 항상 그렇게 됩니다.

 

기본 아이디어

모듈식 설계란 셀을 개별적으로 꺼내서 작업할 수 있는 별도의 단위(모듈)로 구성하는 것을 의미합니다. 각 모듈에는 자체 프레임, 전기 연결부, 열 인터페이스가 있습니다. 팩에 서비스가 필요할 때 60kWh 모놀리스 대신 5-10kWh 청크를 처리하게 됩니다.

-셀-에서-패킹, 셀-에서-섀시까지 뭐라고 부르든 간에-중간 구조를 완전히 건너뛰는 대체 접근 방식입니다. 셀은 팩 하우징이나 차량 바닥으로 곧바로 들어갑니다. 아마도 마케팅을 본 적이 있을 것입니다. CATL의 Qilin은 72%의 볼륨 활용도를 달성하고, BYD의 블레이드 셀은 트레이의 전체 너비를 실행하며 Tesla는 4680을 구조 팩에 용접합니다.

이것이 진정한 엔지니어링 성과입니다. 모두가 범위 번호를 놓고 경쟁하고 수백만 대의 동일한 장치를 찍어내는 승용차 EV에 적합합니다. 그러나 산업용 애플리케이션은 상황이 완전히 다릅니다.

문제가 나타나는 곳

세포가 구조용 접착제로 접착되면 무언가를 파괴하지 않고는 분해할 수 없습니다. 열 전달을 향상시키는 동일한 열 인터페이스 재료는 전체 어셈블리를 영구적으로 만듭니다. 셀 하나가 나빠지면 팩도 나빠집니다.

승용차 소유자는 3년 동안 임대하고 보상 판매합니다. 지게차는 유통 센터에서 최소 10년 동안 작동합니다. 수학은 다르게 작동합니다.

우리는 고객 기반 전반에 걸쳐 수리 비용을 추적했으며 패턴은 일관되었습니다. 모듈{1}}수준 서비스는 인건비를 포함하여 $400-800입니다. 1회 실행 비용 $15,000-25,000에 추가로 몇 주 간의 리드 타임을 얻을 수 있는 비슷한 통합 설계로 전체 팩 교체가 가능합니다.-

가동 중지 시간 수치는 상황을 더욱 악화시킵니다. ABB의 2024년 산업 조사(3,200+ 응답자)는 여러 부문에서 시간당 평균 125,000달러에 달하는 계획되지 않은 가동 중지 시간을 발견했습니다.-자동차 제조는 200만 달러에 달했습니다.+. 창고는 줄어들었지만 중국에서 배터리 팩을 기다리며 유휴 상태로 있는 장비는 돈을 벌지 못하고 있습니다.

보험 측면도 흥미롭습니다. 수리할 수 없는 팩이 포함된 장비의 총-손실 임계값이 조정되고 있다는 소식을 들었습니다.- 일리가 있습니다-경미한 충돌로 인해 20,000달러의 배터리 교체 비용이 발생한다면 '총계'에 대한 계산은 매우 빠르게 변합니다.

열 관리가 복잡해짐

온도 제어는 모듈식 아키텍처가 실제로 유지되는 부분이지만 이에 대해 많이 언급되지는 않습니다.

리튬 전지는 약 15도에서 35도 사이를 유지하려고 합니다. 너무 뜨거워지면 빠르게 성능이 저하됩니다.-최적 온도보다 10도 높아질 때마다 주기 수명이 대략 절반으로 줄어듭니다. 너무 추우면 용량이 줄어들고 영하로 충전하면 리튬 도금이 발생할 위험이 있습니다. 어느 쪽이든 나쁜 결과.

모듈식 경계는 자연스러운 열 구역을 제공합니다. 모듈 사이에 냉각판을 놓고, 정의된 채널을 통해 액체를 흐르게 하고, 문제 영역을 격리할 수 있습니다. 시스템을 모델링하고 구축하기가 더 쉽습니다.

우리는 모듈 하우징의 상{0}}변화 재료를 사용하여 구성을 테스트해 왔습니다. 동일한 기본 제품은 사우디아라비아의 야외 마당과 캐나다의 냉장 보관 시설 모두에 사용됩니다. 냉장 보관 테스트에서 배터리는 완전 방전 주기 후 주변 -20도에서 14+시간 동안 0도 이상을 유지했습니다. 열 관리가 없으면 몇 시간 안에 영하로 떨어지게 됩니다.

모든 것이 하나의 큰 냉각판에 결합된 통합 팩을 사용하면 실제로 조정할 수 없습니다. 열 시스템은 구조입니다. 다른 적용은 다른 팩 디자인을 의미합니다.

제조업 경제-기대했던 것과 다름

통합 설계의 핵심은 항상 제조 효율성에 관한 것입니다. 더 적은 부품, 더 빠른 조립, 더 낮은 비용. Tesla는 Model 3 팩 조립 시간을 7시간에서 17분으로 단축했습니다. 그 숫자는 진짜입니다.

또한 설정하는 데 수천만 달러가 소요되는 특수 자동화를 통해 수백만 개의 동일한 팩을 구축하는 데 기반을 두고 있습니다.

산업용 배터리 생산은 전혀 그렇지 않습니다. 일반적인 지게차 OEM에는 다양한 장비 브랜드의 다양한 섀시에 맞는 12가지 용량 변형에 걸쳐 24V에서 80V 범위의 팩이 필요합니다. 우리는 수백만 개의 SKU가 아닌 전체 제품 라인에 걸쳐 수만 개의 단위를 이야기하고 있습니다.

모듈식 아키텍처는 이러한 종류의 다양성을 처리합니다. 하나의 모듈 설계를 검증한 다음 다양한 수량을 결합하여 고객이 필요로 하는 전압과 용량에 도달합니다. 팩-레벨 구조는 기본적으로 랙입니다. 어려운 부분-모듈-이 이미 완료되었으므로 새로운 구성은 몇 주 안에 배송될 수 있습니다.

최근 산업 배치의 규모는 이론보다 더 나은 사실을 말해줍니다.

산업용 배터리 함대 배포(2023-2025)

눈에 띄는 점은 까다로운 환경-광산, 냉장 보관, 공항 운영-의 모든 주요 배포가 모듈식 설계로 이루어졌다는 점입니다. 통합 접근 방식은 승용차 EV를 지배합니다. 다양한 운영 현실, 다양한 아키텍처 선택.

통합 팩으로 시도해 보세요. 모든 변형에는 자체 도구, 자체 검증, 자체 생산 설정이 필요합니다. 자동차 규모의 효율성 이점은 세분화된 산업 시장에 서비스를 제공할 때 유연성 저하로 변합니다.

비용 위치

업계 가격 데이터(BloombergNEF가 매년 설문 조사를 게시함)에 따르면 전 세계적으로 LFP 팩 비용은 약 $81/kWh이며 지역적 차이가 상당히 큽니다.-중국은 약 $84/kWh, 북미는 약 $121/kWh에 가깝습니다. 44%의 프리미엄은 인건비, 공급망 성숙도, 생산 규모를 반영합니다.

구매 가격입니다. 그들은 10년 동안 운영되는 동안 무슨 일이 일어나는지 포착하지 못합니다.

연간 3,000시간을 작동하는 다-교대 지게차의 경우 어느 시점에서는 배터리에 대한 서비스가 필요할 것입니다. 어쩌면 평생 동안 두 번, 어쩌면 세 번일 수도 있습니다.

가동 중지 시간 비용을 포함하여 총 $1,500-2,500의 모듈식 팩입니다. 통합 팩의 경우 전체 장치를 한 번이라도 교체해야 한다면 $40000+가 필요합니다.

차량 운영자가 발표한 TCO 연구에서는 다음과 같은 패턴을 보여줍니다.

리튬 대 납-산성 TCO 분석(복수-교대 운영)

*출처: UgoWork 차량 분석(50트럭 Texas 3PL), Raymond Corporation 벤치마크 데이터, OneCharge 냉장 보관 배포*

모듈식 아키텍처의 선불 프리미엄은-15-20%-라고 하며 일반적으로 다교대 작업에서 24{6}}36개월 이내에 투자금을 회수합니다. 단일 교대 애플리케이션이라도 5년 안에 도달할 수 있습니다.

규제 방향

중국과 EU 모두 서비스 가능한 디자인을 선호하는 규정을 향해 나아가고 있습니다.

GB 38031-2020(중국의 EV 배터리 안전 표준)에서는 열 전파 장벽을 요구합니다. 즉, 하나의 셀이 폭주할 경우 인접한 셀은 최소 5분 동안 생존해야 하며 그렇지 않으면 팩이 경고를 제공해야 합니다. 모듈 경계는 이러한 장벽을 두는 자연스러운 장소입니다.

2027년까지 시행되는 EU 배터리 규정에는 "Battery Passport" 시스템을 통한 탄소 배출량 추적, 재활용 콘텐츠 및 수명 주기 추적성에 대한 요구 사항이 추가됩니다. 배터리를 분해용으로 설계하면 이 모든 것이 더 쉬워집니다. 모듈을 가져오고, 등급을 매기고, 세컨드-애플리케이션으로 보내거나 재활용할 수 있습니다. 일체형 팩은 분해해야 합니다.

정책 방향은 매우 명확합니다. 배터리는 일회용품이 아닌 내구재입니다. 순전히 제조 편의성을 위해 최적화된 디자인은 시간이 지남에 따라 더 많은 마찰에 직면하게 될 것입니다.

이것이 소싱 결정에 미치는 영향

통합 아키텍처는 잘못된 것이 아닙니다.{0}}그냥 산업용 애플리케이션에 필요한 것과는 다른 목표에 맞게 최적화되었을 뿐입니다. CATL과 BYD는 최대 생산량과 최대 에너지 밀도가 필요한 자동차 제조업체를 위해 구축하고 있습니다. 이는 합법적인 솔루션이 포함된 합법적인 엔지니어링 문제입니다.

산업용 장비는 다릅니다. 10-년 수명 주기. 고객 기술자의 현장 서비스. 냉동고부터 사막까지 작동 환경. 장비 브랜드 전반에 걸쳐 수십 가지의 전압 및 용량 변형이 가능합니다.

이것이 귀하의 상황이라면 배터리 공급업체에 물어볼 만한 질문은 다음과 같습니다.

대답은 귀하가 운영 현실에 맞춰 설계된 제품을 구매하고 있는지 아니면 우연히 사용 가능한 제품을 구매하고 있는지 알려줍니다.

우리는 특히 애플리케이션이 요구하는 것이기 때문에 산업용 애플리케이션을 위한 모듈식 팩을 수년 동안 구축해 왔습니다. 사양 시트 번호는 대형 자동차 배터리 공급업체에서 보는 것만큼 인상적이지 않습니다. 일반적으로 10-년 소유 비용은 다음과 같습니다.