electric car charging at public station
electric car charging at public station
   

НОВОСТНАЯ ПОДПИСКА SIGNALS+

Будьте в курсе последних событий и используйте новейшую информацию и идеи, представленные в Signals+, для таких областей, как системы связи, цифровое здравоохранение, системы электрификации и интеллектуальная промышленность

Вы можете изменить настройки конфиденциальности в любое время, нажав на ссылку отказа от подписки в электронных письмах, отправленных Analog Devices, или в настройках конфиденциальности сайта Analog Devices.

Настройки конфиденциальности Положение о конфиденциальности и безопасности Авторизованные партнеры

Спасибо, что подписались на ADI Signals+. Электронное письмо с подтверждением было отправлено на ваш почтовый ящик.

Вскоре вы будете получать своевременные обновления обо всех инновационных технологиях, меняющих к лучшему жизнь людей во всем мире.

Закрыть
Patrick Morgan
Патрик Морган,

Вице-президент и генеральный директор отдела разработки автомобильной электроники | Analog Devices

Analog Devices

УСКОРИТ ЛИ COVID-19 ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ВО ВСЕМ МИРЕ?


Именно так будет выглядеть мир, если произойдет повсеместная электрификация.

Ниже приведены спутниковые и наземные снимки Индийского полуострова до распространения COVID-19 и после того, как был издан общенациональный приказ о самоизоляции дома для 1,3 миллиарда граждан страны. Деятельность человека была значительно сокращена, что привело к уменьшению выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, а небо стало чище и менее токсичным.

India polution levels before COVID-19
25 марта – 25 апреля 2017-2019 годов
India polution levels during COVID-19 lockdown
25 марта – 25 апреля 2020 года
Источник: Сокращение уровня загрязнения, связанное с уменьшением степени использования ископаемого топлива в результате последствий COVID-19. NASA, Студии визуализации научных данных.

Хотя мир все еще продолжает справляться с последствиями пандемии COVID-19, которая привела к огромным человеческим жертвам и полной остановке мировой экономики, мы уже можем начать представлять себе, как может выглядеть мир после COVID-19. Изменения в нашей культуре взаимодействия друг с другом, в сфере здравоохранения и сфере обслуживания обязательно произойдут, но менее обсуждаемым результатом кризиса COVID-19 является косвенное и непреднамеренное влияние, которое он может оказать на окружающую среду.

«Пандемия ужесточает требования к охране нашего здоровья и экологичности не только в рамках бытовой сферы, но и в сфере транспортных средств».

Патрик Морган

Вице-президент и генеральный директор отдела разработки автомобильной электроники | Analog Devices

Благодаря предписаниям «сидеть дома», которые люди соблюдают многие месяцы и которые были необходимы с целью сгладить кривую заболеваемости во всех странах, мир получил возможность заглянуть в будущее, в котором была достигнута углеродная нейтральность или были радикально сокращены выбросы вредных веществ в атмосферу. Благодаря сокращению количества машин на дорогах, кораблей и лодок в водоемах и самолетов в небе наше разрушительное воздействие на окружающую среду, которое мы оказывали на протяжении десятилетий, стало гораздо более очевидным. Фотографии и видео в стиле «до и после» о негативном влиянии на окружающую среду стали вирусной сенсацией. Жители индийской провинции Пенджаб впервые за 30 лет увидели Гималаи с расстояния 150 миль1 благодаря сокращению загрязняющих веществ в воздухе, а морские обитатели, которых не видели в водах Венеции в течение многих лет, вернулись2, поскольку в регионе уменьшилось количество лодок и сократилась степень загрязнение воды. В Пекине, Нью-Йорке и Париже значительно снизились выбросы углекислого газа, окиси углерода и закиси азота.

Природа пришла в норму, хотя бы на какое-то мгновение. Хотя приостановка транспортного сообщения и ликвидация транспортной инфраструктуры на неопределенный срок ради экологической устойчивости не является возможным решением и, несомненно, нанесет вред мировой экономике, безуглеродное будущее со всеобъемлющей электрификацией позволит нам получить лучшую из двух реальностей.

ЭЛЕКТРОМОБИЛИ В ЭПИЦЕНТРЕ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

gas tank
«Если бы у нас в Лос-Анджелесе по дорогам ездили только электромобили и электробусы, мы бы наслаждались чистым воздухом каждый день».

Лия Стоукс

К.т.н., доцент в Калифорнийском университете, Санта-Барбара

Сегодня во всем мире электромобили считаются основным элементом в реализации более экологичного и электрифицированного будущего. По данным Всемирного экономического форума, «к 2030 году на дорогах будет 215 миллионов легковых электромобилей. Это означает, что в период с 2018 по 2030 год доля продаж легковых электромобилей будет расти на 23% ежегодно». Учитывая то, что в ближайшее десятилетие продажи электромобилей во всем мире будут расти такими быстрыми темпами, можно сделать вывод, что спрос на сопутствующие технологии также будет продолжать расти. Почти в каждой стране мира на законодательном уровне были предусмотрены льготы для электромобилей, и каждый крупный автопроизводитель сегодня стремится максимально электрифицировать свой автопарк. Во всем сделали уже ставку на электрификацию. Пришло время ускорить внедрение технологий электрификации, но это не произойдет в одночасье. Впрочем, для решения вопроса повсеместного распространения электромобилей следует преодолеть многие существующие сегодня препятствия во всей экосистеме электрификации.

«К 2030 году мировой спрос на аккумуляторы в эквиваленте требуемой мощности будет составлять 2523 гигаватт-часа (ГВт-ч), при этом 2333 ГВт-ч будет приходиться на аккумуляторы для электромобилей».

Всемирный экономический форум (ВЭФ)

Существующая инфраструктура электроснабжения, к сожалению, не приспособлена для удовлетворения растущих потребностей, которые заявят о себе с увеличением количества электромобилей на дорогах. Кроме того, электромобили все еще дороже автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и уступают им по характеристикам, что не стимулирует на них спрос со стороны потребителей. Кроме того, автопроизводители все еще ищут более эффективный и экономичный способ масштабирования технологий электрификации для всего своего парка автомобилей. Наконец, программы утилизации и повторного использования аккумуляторов электромобилей сегодня недостаточно рентабельны и ресурсоэффективны, что также замедляет широкое распространение электромобилей. Без грамотной реализации программы повторного использования и переработки аккумуляторов электромобилей для вторичного использования многие аккумуляторы окажутся на свалках. А это перечеркивает все экологические преимущества, которые дает электрификация.

ИНФРАСТРУКТУРА: ОСНОВА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО БУДУЩЕГО

Системы накопления энергии, формовка и тестирование аккумуляторных батарей, химический состав аккумуляторов

В последние годы системам накопления энергии уделяется все больше и больше внимания, чему способствуют прогнозируемые темпы распространения электромобилей и других технологий электрификации. Поскольку мир становится все более зависимым от электричества, нагрузка на существующую энергосистему может быть весьма существенной. Системы накопления энергии позволяют стабилизировать существующую электросеть за счет использования аккумуляторных батарей большой емкости в качестве буфера для хранения внепиковой энергии, генерируемой возобновляемыми источниками, и выдачи этой энергии в любое время, но особенно во время высокого или пикового спроса, для всех пользователей и для всех энергосистем, в том числе систем зарядки электромобилей. В системах накопления энергии может использоваться большое количество буферов, расположенных рядом с точкой нагрузки, поэтому существующая сеть может поставлять больше энергии без необходимости в использовании дополнительных линий электропередач или электростанций, что позволит снизить затраты, связанные с модернизацией инфраструктуры.

Согласно данным консалтинговой компании BNEF (Bloomberg New Energy Finance) в 2030 году 65% дополнительной аккумуляторной емкости будет использоваться для работы с интегрированными в электросеть возобновляемыми источниками энергии и для предоставления различных энергетических услуг, 30% этой емкости будет предназначено для питания жилых, коммерческих и промышленных объектов, а 5% на работу с инфраструктурой для зарядки электромобилей.

Формовка и тестирование аккумуляторных батарей являются важной частью процесса производства аккумуляторов для электромобилей, так как именно на данном этапе определяется, будет ли аккумулятор соответствовать критически важным рабочим характеристикам и надлежащему уровню безопасности. Несоответствие этим критериям делает аккумулятор бесполезным или значительно снижает КПД аккумулятора во время работы и при вторичном использовании. Процесс формовки и тестирования заключается в организации сверхточного управления током и напряжением в течение промежутка времени от 24 до 36 часов. Слишком быстрое изменение электрических параметров или отсутствие высокой точности может привести к повреждению структуры с активным химическим веществом внутри аккумуляторного элемента, что значительно снизит его емкость и срок службы.

Сегодня производители оборудования и аккумуляторов сталкиваются с новыми задачами, связанными с химическим составом аккумуляторных батарей, что еще больше усложняет и без того сложные процессы формовки и тестирования батарей. Для работы с новыми химическими составами требуется еще более высокая степень точности процесса измерения электрических параметров в самых сложных производственных условиях, при этом капитальные затраты должны быть оптимизированы. Кроме того, быстрое масштабирование требует от производителей уменьшения размеров существующего оборудования для формовки и тестирования аккумуляторных батарей.

electric vehicle batter with transparent car body
40%
ПРИБЛИЗИТЕЛЬНАЯ ПРОЦЕНТНАЯ ДОЛЯ СТОИМОСТИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ, КОТОРАЯ ПРИХОДИТСЯ НА СТОИМОСТЬ АККУМУЛЯТОРА

Заглянув в будущее, мы можем увидеть, что некоторые химические составы аккумуляторов, например, литий-железо-фосфатный (LiFePO) состав, становятся все более значимыми. Хотя химические соединения на основе кобальта могут обеспечивать на 10-20% большую плотность энергии, чем соединение из LiFePO, кобальт характеризуется высокой экологической токсичностью, и из-за сомнительных методов добычи кобальта этот материал был включен в список материалов, добыча или производство которых связано с нарушением прав человека. При нынешних темпах использования мировые запасы кобальта могут быть исчерпаны к 2030 году. Кроме того, литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют низкую стоимость, более безопасны в плане стойкости к повреждениям или проблем с тепловым разгоном и хорошо зарекомендовали себя в производстве, поскольку данный материал использовался в промышленности более 10 лет, и его применяют многие ведущие производители в качестве основного материала для аккумуляторов.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ: УСКОРЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Сегодняшние электромобили имеют дальность хода от 60 до 400 миль в зависимости от модели автомобиля, а время зарядки составляет от 30 минут до 12 часов в зависимости от типа зарядного устройства автомобиля – такие параметры отлично подходят для поездок на короткие расстояния или поездок в черте городских агломераций, когда автомобиль можно заряжать дома. Однако запас хода и время зарядки являются важными факторами для автомобильного рынка в целом. Кроме того, при 10-кратном росте рынка электромобилей в течение следующего десятилетия возрастет потребность в эффективных системах управления аккумуляторными батареями (BMS), предназначенных для мониторинга, управления и обслуживания высококачественных батарей, обеспечивающих питание миллионов электромобилей.

battery packs zoomed in
Электроника систем BMS должна поддерживать максимальную точность измерений в условиях эксплуатации в течение всего срока службы автомобиля, чтобы максимально увеличить запас хода электромобиля.

В отличие от единого элемента хранения энергии, такого как топливный бак, аккумуляторная батарея электромобиля состоит из сотен или тысяч отдельных аккумуляторных элементов, работающих совместно. Когда энергия поступает в аккумуляторную батарею или вытекает из нее, необходимо одновременно с высокой точностью управлять всеми элементами батареи, чтобы обеспечить максимальную дальность хода на одном заряде. Кроме того, хотя стоимость электроники составляет лишь небольшую долю от стоимости аккумулятора, она является основным фактором, определяющим дальность хода, безопасность и стоимость транспортного средства. Например, чтобы обеспечить максимальную полезную емкость аккумулятора в течение всего срока службы автомобиля, требуемая точность должна поддерживаться при всех условиях эксплуатации и различных суровых условиях окружающей среды, в том числе при экстремальных температурах, а также магнитных и электрических помехах. Достижимая на сегодняшний день точность составляет всего 2 мВ, и она должна поддерживаться при измерении параметров каждого элемента в аккумуляторной батарее с напряжением от 400 В до 800 В. Для обеспечения безопасности электроника с самого начала должна быть тщательно спроектирована, чтобы полностью соответствовать всем строгим мировым стандартам безопасности, которые постоянно совершенствуются практически в каждой стране. Эти стандарты выходят далеко за рамки простого соответствия уровням целостности автомобильной безопасности (ASIL-D), для их соблюдения требуется разработка инновационных функциональных архитектур аккумуляторных батарей.

Кроме того, для повышения эффективности работы систем BMS можно использовать новую инновационную технологию, и этой технологией является беспроводная система. Беспроводная система управления батареями (wBMS), недавно разработанная Analog Devices на основе существующих компонентов проводной системы BMS и анонсированная в сотрудничестве с General Motors, устраняет необходимость в кабельной проводке, соединяющей аккумуляторные элементы вместе, что снижает затраты, связанные с проектированием и разработкой, а также связанные с сопутствующими механическими сложностями в организации проводки. Благодаря этому также появляется возможность сделать аккумуляторную батарею модульной и масштабируемой, чтобы ее можно было бы повторно использовать в различных автомобильных конструкциях. Кроме того, поскольку каждый аккумуляторный модуль будет беспроводным, то данные можно будет накапливать и сохранять с момента формовки элемента и в дальнейшем в процессе хранения, сборки и использования в транспортном средстве, что позволит производить расчеты, определяющие состояние аккумуляторной батареи, чтобы узнать ее остаточную стоимость. Это позволит снизить стоимость аккумулятора и повысить эффективность повторного использования, например, в системах накопления энергии, что даст возможность снизить общие затраты для производителя и владельца транспортного средства и уменьшить негативное влияние на окружающую среду.

ВТОРАЯ ЖИЗНЬ АККУМУЛЯТОРА: САМООБЕСПЕЧИВАЕМАЯ ЭЛЕКТРИФИКАЦИОННАЯ ЭКОСИСТЕМА

energy storage room
Ожидается, что к 2035 году общий объем рынка накопителей энергии вырастет до уровня $546 миллиардов годового дохода.
Источник: Прогноз мирового рынка накопителей энергии за 2019 год.

Несмотря на то, что электромобили рекламируются как экологичная альтернатива автомобилям с двигателем внутреннего сгорания и машинам, работающим на ископаемом топливе, у электромобилей есть очевидная ахиллесова пята – что делать с полутонной аккумуляторной батареей, если она больше не может хранить достаточно большой заряд для питания автомобиля?

Сегодня вторичная переработка является более распространенным вариантом, в рамках которого перерабатываются некоторые сырьевые материалы, но не все, например, кобальт и литий не поддаются переработке. Переработка является дорогостоящим и нерегулируемым процессом, который не имеет четко определенной цепочки поставок. Так, по данным Института исследований в области энергетики ожидается, что к 2025 году в мире накопится более 3,4 миллиона отработавших свой ресурс электромобильных аккумуляторных батарей, при этом в прошлом году таких батарей было примерно 55000.

Альтернативным вариантом переработке, или, точнее, промежуточным этапом, является повторное использование аккумуляторных батарей. Когда литий-ионный аккумулятор автомобиля разряжается до 70–80% от своей первоначальной емкости после восьми-десяти лет использования, он больше не может питать автомобиль, и его требуется заменить. Рост количества этих вышедших из употребления батарей приводит к созданию совершенно новых рыночных возможностей, которые некоторые называют второй жизнью аккумуляторных батарей.

При повторном использовании аккумуляторные батареи могут проработать еще от 5 до 10 лет, но в конечном итоге этот срок службы будет зависеть от того, насколько хорошо с батареей обращались во время ее основного срока эксплуатации. Беспроводная система управления батареями (wBMS) непрерывно собирает данные о параметрах батареи и передает их в облако, где они хранятся, что делает ее идеальным инструментом для организации архивирования точных данных. Система wBMS благодаря беспроводной передаче данных позволяет хранить данные о параметрах батареи вместе с ее элементами, прежде чем они будут использоваться в автомобиле.

Во время эксплуатации транспортного средства система выполняет расчеты с целью определения состояния батареи, и эту информацию о состоянии можно постоянно обновлять в зависимости от условий вождения и окружающей среды, благодаря чему обеспечивается полное понимание того, сколько ресурса может остаться у аккумуляторной батареи. Это позволяет определить остаточную стоимость аккумуляторной батареи, что в итоге снижает общие затраты, а также дает возможность понять, где и сколько по времени можно использовать аккумуляторные элементы в рамках их второй жизни.

ADI wireless battery management systems solution diagram

Беспроводная система управления батареей представляет собой инновационную технологию, которая упрощает вторичное использование аккумулятора, открывая двери к экологичному будущему.

Прежде чем аккумулятор будет продан для вторичного использования, продавец может использовать эти данные для создания информативной истории изменения состояния батареи, благодаря чему как покупатель, так и продавец смогут оценить стоимость аккумулятора, прежде чем прийти к справедливой цене продажи.

Согласно консалтинговой компании McKinsey & Company, «поиск новых областей применения для этих все еще рабочих (электромобильных) аккумуляторов может привести к созданию значительной ценности и, в конечном итоге, даже помочь снизить стоимость систем накопления энергии, что даст дополнительный стимул к дальнейшей интеграции возобновляемых источников энергии в наши сети3». Аккумуляторы для электромобилей могут повторно использоваться в системах накопления энергии, что является оптимальным вариантом применения с учетом их пониженных рабочих характеристик, даже если они больше не соответствуют стандартам автомобильной отрасли.

ЭКОСИСТЕМА ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ

Поскольку мир все быстрее переходит на использование более экологичных источников энергии в различных областях, важно учитывать последствия и препятствия, существующие во всей экосистеме электрификации. Сосредоточение внимания только на одной области не позволит в полной мере реализовать экологичное будущее. Благодаря тому, что компания Analog Devices понимает каждый аспект экосистемы электрификации, инфраструктуры, эксплуатации и повторного использования аккумуляторных батарей, а также разрабатывает решения, совершенствующие всю экосистему, она занимает уникальное положение на рынке, которое позволит ей осуществить переход в безуглеродное будущее во всем мире.

ИННОВАЦИИ В ЭКОСИСТЕМЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

3D icon denoting maximum performance

Максимизация рабочих характеристик с самого начала

Высокоточная интегрированная система тестирования позволяет добиться максимальных рабочих характеристик аккумулятора, а благодаря беспроводной передаче данных размеры системы тестирования могут быть уменьшены на 50%.

3D icon denoting battery performance

Увеличение срока службы батареи

Благодаря управлению складскими запасами батарей на основе информации, полученной посредством измерения параметров аккумуляторных элементов, можно увеличить срок службы аккумуляторных батарей на 30%.

3D icon denoting safety

Обеспечение безопасности и надежности

С целью соответствия высочайшему уровню целостности автомобильной безопасности (ASIL D) была разработана прецизионная система контроля и мониторинга состояния аккумуляторной батареи.

3D icon denoting modularity

Обеспечение модульности и универсальности

Набор беспроводных BMS-решений позволяет автопроизводителям создавать модульные, масштабируемые и универсальные аккумуляторные батареи без необходимости проектирования и сборки кабельной проводки.

3D car wheel icon

Увеличение дальности хода автомобиля

Система, обеспечивающая высокоточное и стабильное измерение параметров аккумуляторных элементов, позволяет увеличить дальность хода транспортного средства до 15% за счет безопасного и надежного увеличения полезной емкости аккумуляторной батареи.

3D wrench icon

Упрощение обслуживания

Благодаря полезной информации, полученной посредством системы мониторинга отдельных аккумуляторных элементов в течение всего срока службы батареи, упрощается обслуживание и эффективнее решаются вопросы, связанные с гарантией.

3D dollar bills stacked

Создание ценности и снижение затрат

Разработанная в ADI технология беспроводной системы управления батареями позволяет ускорить и масштабировать процесс оценки остаточной стоимости, снижая при этом затраты на сборку аккумуляторной батареи для вторичного использования на 15%.

3D blue lighting bolt icon

Помогает электрифицировать объекты без возможности подключения к электросети

Данные о состоянии батареи и истории изменения этого состояния используются для определения остаточной емкости с целью повторного использования аккумуляторной батареи. Например, при безопасной зарядке мощностью 350 кВт старые аккумуляторы электромобилей можно использовать для накопления солнечной энергии, которой можно питать населенные пункты, расположенные далеко от электросетей.

СТРЕМЛЕНИЕ К ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОМУ И ЗДОРОВОМУ БУДУЩЕМУ

Электричество является одним из основополагающих факторов, определяющих нашу сегодняшнюю жизнь. Больницы, школы, дома, уличные фонари и средства связи значительно влияют на наше современное общество. Теперь, спустя более века после того, как первые провода опутали города, электроэнергетика переживает вторую революцию – революцию, которая сформирует не только основанный на различных источниках энергетический баланс всей энергосистемы, но и саму систему распределения – от централизованной к децентрализованной. Такой баланс будет основой здоровья нашей планеты и нас самих.

«По статистике во всем мире в среднем загрязнение воздуха твердыми частицами сокращает продолжительность жизни взрослых и детей почти на 2 года»

Отчет Air Quality Life Index®, Институт политики в сфере энергетики при Чикагском университете

За счет сжигания ископаемого топлива для производства электроэнергии или тепла выделяется примерно половина загрязняющих веществ, приводящих к глобальному потеплению. Вторичное использование аккумуляторов поможет минимизировать истощение ресурсов и снизить негативное влияние токсичных веществ на экологию. Благодаря системам накопления энергии у нас есть возможность реализовать будущее с повсеместной электрификацией, при этом такие системы будут накапливать избыточную солнечную и ветровую энергию, генерируемую в местах ее получения, и подавать обратно в энергосистему. Электромобили, являющиеся более экологичной альтернативой автомобилям, работающим на ископаемом топливе, могут со временем уменьшить уровень загрязнения воздуха в городских районах на 50-90%.

В итоге перед нами возникает картина яркого, экологичного, электрифицированного будущего, где каждый взрослый и ребенок получит шанс вести более здоровый образ жизни и полностью реализовать свой потенциал в более экологически чистой окружающей среде.

ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ: УЗНАЙТЕ БОЛЬШЕ

Прочитайте статьи. Посмотрите видео.

Узнайте больше о всех возможностях современных технологических достижений, обеспечивающих повторное использование электромобильных аккумуляторных батарей, которые станут основой новейших систем накопления энергии. Узнайте, как эффективно и с высокой точностью управлять аккумуляторами на основе новых химических составов с целью защиты окружающей среды и электромобилей. Загляните под капот, чтобы увидеть, как инновационные беспроводные системы управления аккумуляторными батареями могут помочь создать экологически устойчивую и экономически жизнеспособную многомиллиардную отрасль. Также узнайте, как избыточная энергия, генерируемая с помощью ветра, солнца и других возобновляемых источников энергии, может накапливаться для дальнейшего использования, что поможет решить задачу по обеспечению стабильности энергосистемы, сэкономить триллионы долларов, а также позволит нам лучше управлять нашей планетой.


1Роб Пичета. Люди в Индии могут увидеть Гималаи впервые за «десятилетия», так как режим самоизоляции привел к уменьшению уровня загрязнение воздуха. CNN, 9 апреля 2020 года.

2Мелисса Локер. На видео запечатлены медузы, плывущие по каналам Венеции, пока Италия находится в режиме самоизоляции. Time, 22 апреля 2020 года.

3Вторичное использование аккумуляторных батарей для электромобилей: новейший ресурс для хранения энергии, McKinsey & Company, 30 апреля 2020 года.

4Дэвид Бьелло. Как решить проблему глобального потепления: ответ заключается в системе энергоснабжения. Scientific American, 14 апреля 2014 года.