สำรวจการออกแบบกล่องแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า

ด้วยการใช้ทรัพยากรปิโตรเลียมและความตระหนักที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมของประเทศโลกได้เริ่มวิจัยรถยนต์โดยสารไฟฟ้าเพื่อทดแทนรถยนต์โดยสารเชื้อเพลิงแบบเดิม ในบรรดารถยนต์นั่งไฟฟ้า รถยนต์ไฟฟ้ามีแนวโน้มการพัฒนามากที่สุดเนื่องจากเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมี ไม่มีการปล่อยมลพิษและควบคุมต้นทุนได้ง่าย

โครงสร้างกำลังของยานพาหนะไฟฟ้าค่อนข้างง่าย นอกจากผลกระทบของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่มีต่อระยะทางขับขี่ของรถยนต์แล้ว คุณภาพของกล่องแบตเตอรี่ไม่สามารถลดลงได้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งจะนำไปสู่ปัญหาเช่นระยะทางขับขี่สั้น และลดการควบคุมของยานพาหนะไฟฟ้า ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญมากที่จะต้องลดน้ำหนักของกล่องแบตรถยนต์ไฟฟ้าและกล่องแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบสำคัญในการปกป้องแพ็คแบตเตอรี่ ความแข็งแรงและประสิทธิภาพน้ำหนักเบานั้นสัมพันธ์กับความปลอดภัยของยานพาหนะทั้งหมด

จากการวิจัยที่เกี่ยวข้อง ทุกๆ 1% ของมวลรวมของรถยนต์ไฟฟ้าที่ลดลง สามารถลดการใช้พลังงานต่อ 100 กิโลเมตรได้ 0.8% และระยะเบรกก็ลดลง 0.6% ด้วยเช่นกัน ในปัจจุบัน เนื่องจากกล่องแบตเตอรี่ น้ำหนักของรถยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไปจึงมีมากกว่ารถยนต์เชื้อเพลิง และน้ำหนักที่มากขึ้นจะทำให้ระยะทางขับขี่ลดลงอย่างรวดเร็ว และยังส่งผลต่อประสิทธิภาพการควบคุมรถและประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยด้วย บทความนี้จะแนะนำหลักการออกแบบและข้อกำหนดของกล่อง และวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสียของกล่องแบตแพ็คเดี่ยวสำหรับรถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้า

แนวคิดและหลักการออกแบบกล่องแบตเตอรี่

กล่องแบตรถยนต์ไฟฟ้าเป็นกล่องที่บรรจุแบตเตอรี่ไว้ตามชื่อ โดยมีฟังก์ชันพื้นฐานที่สุดคือปกป้องแบตเตอรี่จากความเสียหาย เช่น การกระแทกและการบีบ พื้นผิวด้านล่างของกล่องสัมผัสกับด้านล่างของรถโดยตรง หินที่กระเด็นและส่วนที่ยกขึ้นของพื้นผิวถนนระหว่างการขับขี่จะทำให้พื้นผิวด้านล่างของกล่องเสียหาย อาจจะบุกรุกด้านในของกล่องและทำให้เกิดอุบัติเหตุที่เลวร้ายยิ่งขึ้น ดังนั้นพื้นผิวด้านล่างของกล่องแบตเตอรี่จะต้องมีความแข็งแรงพอสมควร

การอัดขึ้นรูปยังเป็นสาเหตุสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้แบตเตอรี่เคมีร้อนจัดและระเบิด ชุดแบตเตอรี่จะถูกจัดเรียงชิดกันในกล่อง ภายใต้สถานการณ์ปกติจะไม่มีปัญหาการอัดขึ้นรูป หากกล่องแบตมีความแข็งแกร่งไม่เพียงพอและโค้งงอหรือเสียรูปภายใต้สภาพถนนที่เป็นหลุมเป็นบ่อขนาดใหญ่อาจมีความเสี่ยงที่แบตเตอรี่จะบีบกัน ดังนั้น โครงสร้างเฟรมของกล่องจึงเป็นกุญแจสำคัญต่อความแข็งแกร่งของกล่องแบต

ข้อกำหนดการออกแบบสำหรับกล่องแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า

ตามข้อกำหนดการออกแบบทั่วไปของบริษัทรถยนต์ สรุปโดยย่อของข้อกำหนดสี่ประการที่ต้องปฏิบัติตามเมื่อกล่องแบตรถยนต์ไฟฟ้าเกิดการชนหรืออุบัติเหตุอื่นๆ:

• กล่องแบตที่ติดตั้งไว้ด้านนอกห้องนักบินของรถยนต์ไฟฟ้าไม่ได้รับอนุญาตให้บุกรุกเข้าไปในห้องนักบินไม่ว่าในกรณีใด ๆ
• ไม่อนุญาตให้ถอดแบตเตอรี่ที่ติดตั้งอยู่ภายในกล่องและออกจากกล่องแบตเตอรี่ไม่ว่าในกรณีใด ๆ
• ระบบจัดการพลังงาน BMS ภายในกล่องแบตเตอรี่จะต้องมีความสามารถในการตัดไฟได้ไม่ว่าในสถานการณ์ใด ๆ รวมถึงในกรณีที่เกิดการชนกันอย่างรุนแรง
• ความแข็งและความแข็งแรงของกล่องแบตต้องแน่ใจว่าเซลล์แบตเตอรี่จะไม่ถูกบีบในกรณีที่เกิดการชนกัน

สำหรับชุดแบตเตอรี่ที่สามารถขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าขนาด 2 ตันได้เป็นระยะทางหลายร้อยกิโลเมตร แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่นั้นอาจเป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อผู้คน ดังนั้นหน้าที่ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของกล่องก็คือฉนวนกันความร้อน โดยส่วนใหญ่กล่องแบตจะติดตั้งไว้ที่ด้านล่างของตัวรถ ในสภาพอากาศที่ฝนตก หิมะตก และเมื่อขับรถบนถนนที่มีน้ำขัง กล่องแบตเตอรี่จะต้องมีความสามารถในการกันน้ำได้ระดับหนึ่ง

วิเคราะห์ข้อดีและข้อเสียของกล่องแบตเตอรี่แพ็คเดี่ยวสำหรับรถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้า

รถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้ามีต้นทุนการดำเนินงานต่ำกว่ารถบรรทุกขนาดเล็กดีเซลซึ่งกลายเป็นกำลังหลักในด้านโลจิสติกส์และการจัดจำหน่ายในเมืองและสามารถขยายไปสู่การขนส่งระหว่างเมืองระยะทาง 300-400 กิโลเมตรด้วยเทคโนโลยีการชาร์จที่รวดเร็ว รถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้าในปัจจุบันมักติดตั้งกล่องแบตเตอรี่คู่เรียงกันทั้งสองด้านของโครง โดยสามารถมีความจุแบตเตอรี่ได้ถึง 100 kWh และระยะการเดินทางอยู่ที่ 260-280 กิโลเมตร

ล่าสุดบริษัทรถบรรทุกขนาดเล็กบางแห่งเริ่มเปิดตัวกล่องแบบแพ็คเดี่ยวซึ่งจัดเรียงไว้ตรงกลางเฟรม แล้วกล่องนี้กับกล่องแบตคู่แตกต่างกันอย่างไร และข้อดีและข้อเสียของมันคืออะไร

ข้อดีของกล่องแบตเตอรี่แพ็คเดียวสำหรับรถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้า

• โครงสร้างนั้นเรียบง่ายและปรับปรุงความน่าเชื่อถือ

จากมุมมองของทฤษฎีการออกแบบความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง หากสามารถบรรลุฟังก์ชันและเอฟเฟกต์เดียวกัน ชิ้นส่วนน้อยลงก็ยิ่งดี ซึ่งเอื้อต่อการปรับปรุงความน่าเชื่อถือ กล่องแบตเตอรี่ (PACK) ประกอบด้วยฐานทำความเย็น โมดูลแบตเตอรี่ ระบบจัดการแบตเตอรี่ BMS สายไฟแรงสูงและแรงต่ำ ท่อทำความเย็น เคส ฯลฯ ระบบการจัดการแบตเตอรี่ BMS ต้องใช้เมนบอร์ดและบอร์ดรองสองตัว ตามทฤษฎีแล้ว จำนวนชิ้นส่วนทั้งหมดของกล่องแบบแพ็คเดียวคือ 50% ของชิ้นส่วนของกล่องแบบคู่ และความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนแบบแรกจะสูงกว่าชิ้นส่วนหลัง

• ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น และสามารถลดน้ำหนักได้ด้วยปริมาณไฟฟ้าที่เท่าเดิม

ความหนาแน่นพลังงานปัจจุบันของกล่องแบตเตอรี่คู่คือ 130-150 Wh/kg และน้ำหนักรวมของกล่องคู่ที่มี 100 kWh คือประมาณ 670-770 กก. กล่องแบตแพ็คเดี่ยวไม่ใช่การขยายกล่องแบตคู่ง่ายๆ แต่มีการบูรณาการหลายอย่าง ความหนาแน่นของพลังงานสามารถเพิ่มเป็น 150-160 Wh/kg น้ำหนักของแบตเตอรี่ 100 กิโลวัตต์- ชั่วโมงกล่องแพ็คเดียวคือ 625-670 กก. ซึ่งประมาณสามารถลดน้ำหนักได้ประมาณ 70 กก.

เมื่อวิเคราะห์จากขายึดการติดตั้ง กล่องแบตเตอรี่คู่จะต้องขยายขายึดรูปตัว L หลายตัวออกจากเฟรมเพื่อรองรับกล่องแบตจากด้านล่าง คล้ายกับวิธียึดถังน้ำมันเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม ในขณะที่กล่องแพ็คเดี่ยวเพียงต้องการเพียง ติดตั้งได้จากด้านล่างของเฟรม ขายึดแบบตายตัว หลายตัวสามารถลดน้ำหนักได้ประมาณ 30 กก.

ปัจจุบัน รถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้าที่มีช่องบรรทุกสินค้าขนาด 4.2 เมตร และกล่องแบตเตอรี่คู่ขนาด 100 กิโลวัตต์ มีน้ำหนักประมาณ 3.2 ตัน ในขณะที่กล่องแบตแพ็คเดี่ยวสามารถลดน้ำหนักลงได้ 3.1 ตัน และน้ำหนักที่ลดลง เห็นผลชัดเจนมาก นอกจากนี้ เนื่องจากความยาวของสายไฟแรงสูงสั้นลงอย่างมาก การสูญเสียกระแสไฟฟ้าจึงลดลง และระยะทางก็เพิ่มขึ้นได้ 1%-2%

• ปรับปรุงความปลอดภัยของกล่องแบตเตอรี่

ในการจราจรในเมือง ความน่าจะเป็นของการชนด้านข้างเป็นรองเพียงการชนท้ายรถเท่านั้น หากชนกล่องแบตที่ด้านข้างของรถบรรทุกเบาไฟฟ้าโดยตรง อาจทำให้เกิดการลัดวงจรในแบตเตอรี่ได้ง่าย ทำให้เกิดเพลิงไหม้ การระเบิด และก่อให้เกิดอุบัติเหตุร้ายแรงยิ่งขึ้นได้ กล่องแพ็คเดี่ยวถูกยึดไว้ตรงกลางเฟรม ห่างจากด้านนอกสุดของตัวรถประมาณ 50 ซม. การป้องกันด้านข้างและขอบด้านล่างของห้องเก็บสัมภาระสามารถทนต่อแรงกระแทกจากการชนภายนอก ลดพลังงานกระแทกของ กล่องแบตแบบแพ็คเดียวช่วยเพิ่มความปลอดภัยของกล่อง

• สามารถจัดวางกล่องเครื่องมือได้ทั้งสองด้านของเฟรมเพื่อปรับปรุงการใช้พื้นที่

ตามความคิดเห็นของลูกค้า ทั้งสองด้านของโครงของรถบรรทุกขนาดเล็กถูกครอบครองโดยกล่องแบตเตอรี่ ทำให้ไม่สามารถจัดกล่องเครื่องมือที่มีความจุขนาดใหญ่ได้ สามารถจัดวางได้เฉพาะกล่องเครื่องมือความจุขนาดเล็กทั้งสองด้านของด้านหลังของเฟรม และไม่สามารถวางผ้าใบ กันสาด ฯลฯ ได้ และแบตเตอรี่ก้อนเดียวก็สามารถแก้ปัญหาจุดที่เป็นปัญหานี้ได้

ข้อเสียของกล่องแบตเตอรี่แพ็คเดี่ยวสำหรับรถบรรทุกขนาดเล็กไฟฟ้า

ทุกสิ่งใหม่มีข้อดีและข้อเสีย ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตมีประสิทธิภาพดีเยี่ยม แต่ไม่ทนต่ออุณหภูมิต่ำ ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคสามารถทนต่ออุณหภูมิต่ำแต่ไม่อุณหภูมิสูง และกล่องแบตเตอรี่ก็มีข้อบกพร่องเช่นกัน เนื่องจากจำเป็นต้องวางแบตเตอรี่แพ็คเดี่ยวไว้ตรงกลางเฟรม จึงสามารถจับคู่กับเพลาขับแบบไฟฟ้าเท่านั้น และไม่สามารถจัดให้เป็นระบบขับเคลื่อนแบบรวมศูนย์ได้ ดังนั้น สถานการณ์การใช้งานจึงอยู่ภายใต้ข้อจำกัดบางประการ

เพลาขับไฟฟ้าจะติดตั้งมอเตอร์และกระปุกเกียร์บนเพลา และประสิทธิภาพการส่งผ่านจะสูงกว่าการขับเคลื่อนแบบรวมศูนย์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของมวลที่ยังไม่ได้สปริงของรถ จึงมีผลกระทบต่อความสบายในการขับขี่ของรถมากขึ้นเมื่อขับขี่บนถนนที่เป็นหลุมเป็นบ่อ มอเตอร์และกระปุกเกียร์ได้รับความเสียหายได้ง่ายภายใต้สภาวะที่เป็นหลุมเป็นบ่อที่รุนแรง ในปัจจุบัน เพลาขับแบบไฟฟ้าส่วนใหญ่จะใช้ในสภาพเมืองและทางหลวง และไม่เหมาะกับหลุมบ่อบนถนนในชนบท ไม่ต้องพูดถึงสภาพสถานที่ก่อสร้างสำหรับยานยนต์เชิงวิศวกรรม

นอกจากนี้ กล่องแบบแพ็คเดียวยังมีข้อกำหนดสูงเกี่ยวกับความกว้างของเฟรม ซึ่งปกติแล้วจะอยู่ที่ 860-900 มม. ความกว้างของเฟรมปัจจุบันของรถบรรทุกขนาดเล็กดีเซลขนาด 4.2 เมตรคือ 800-850 มม. ซึ่งไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านความกว้างในการติดตั้งของกล่องแบตเตอรี่แบบแพ็คเดียวได้ ดังนั้น เมื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ เราจะไม่สามารถใช้เส้นทางทางเทคนิคแบบ “น้ำมันเป็นไฟฟ้า” แบบดั้งเดิมได้อีกต่อไป แต่ต้องให้ความสำคัญกับความต้องการรูปแบบโดยรวมของรถบรรทุกขนาดเล็กแบบไฟฟ้าเป็นอันดับแรก

แพลตฟอร์มรถบรรทุกขนาดเล็กดีเซลที่มีอยู่ควรจะอยู่ใกล้กับรถบรรทุกขนาดเล็กแบบไฟฟ้าในรูปแบบทั่วไป โดยยกตัวอย่าง ความกว้างของเฟรม จะต้องออกแบบให้กว้างถึง 900 มม. เพื่อรองรับกล่องแบตเตอรี่แพ็คเดี่ยวที่มีความจุมากขึ้น อย่างไรก็ตาม หลังจากเฟรมแล้ว จะต้องติดตั้งเพลาหน้าและเพลาหลังให้กว้างขึ้น หากจำเป็นต้องปรับความกว้างด้วย จะต้องดำเนินการทดสอบความน่าเชื่อถือและความทนทาน การทดสอบความเรียบ ฯลฯ อีกครั้ง

แต่สำหรับรถบรรทุกขนาดเล็กที่ใช้ดีเซล การใช้เฟรมที่กว้างจะส่งผลให้สมรรถนะเกินมาตรฐาน จากการพัฒนาเทคโนโลยีรถบรรทุกขนาดเล็กในอนาคตแนะนำให้ออกแบบ 2 แพลตฟอร์ม รถบรรทุกขนาดเล็กแบบไฟฟ้าและรถบรรทุกขนาดเล็กแบบดีเซลเข้ากันไม่ได้และไม่ใช้เฟรมเดียวกัน

จากการวิเคราะห์ข้อดีและข้อเสียของกล่องแบตเตอรี่แบบแพ็คเดียวข้างต้น สรุปได้ว่าข้อดีมีมากกว่าข้อเสีย กล่องแบตแพ็คเดี่ยวสามารถลดน้ำหนัก เพิ่มความน่าเชื่อถือ และเพิ่มความหนาแน่นพลังงานของกล่อง และจะเป็นโซลูชันเค้าโครงที่ดีที่สุดสำหรับรถบรรทุกไฟฟ้าขนาดเล็กในสถานการณ์การกระจายสินค้าในเมือง

ความก้าวหน้าจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไปจนถึงแบตเตอรี่โซเดียมไอออนได้ปรับปรุงความทนทานของยานพาหนะไฟฟ้าให้ดียิ่งขึ้น