मॉड्यूलर डिज़ाइन क्या है?

पिछले महीने मिशिगन में एक फ्लीट मैनेजर का फोन आया। कोल्ड स्टोरेज सुविधा, तीन शिफ्टों में चलने वाले ट्रकों तक पहुंच। उसके 80V बैटरी पैक में 14 महीनों के बाद एक खराबी कोड आ गया था। अपने आपूर्तिकर्ता को फोन किया, प्रतिस्थापन के लिए $22,000 की बोली लगाई गई और छह-सप्ताह की प्रतीक्षा की गई।

 

हमने उनसे कवर खोलने और कुछ तस्वीरें भेजने के लिए कहा। पता चला कि कोशिकाएँ संरचनात्मक चिपकने वाले पदार्थ के साथ सीधे ट्रे से चिपकी हुई थीं। कोई मॉड्यूल नहीं, कोई सेवा पहुंच नहीं। पूरा पैक एक ठोस ब्लॉक था। जिसने भी इसे डिज़ाइन किया था, वह संभवतः स्पेक शीट के लिए कुछ अतिरिक्त Wh/kg निकालने की कोशिश कर रहा था, और अब यह व्यक्ति उस निर्णय के लिए भुगतान कर रहा है।

 

यही संदर्भ है जब कोई हमसे मॉड्यूलर डिज़ाइन के बारे में पूछता है। यह वास्तव में परिभाषाओं के बारे में नहीं है -यह इस बारे में है कि जब चीजें गलत हो जाती हैं तो क्या होता है, जो वे हमेशा अंततः करते हैं।

 

मूल विचार

मॉड्यूलर डिज़ाइन का अर्थ है कोशिकाओं को अलग-अलग इकाइयों (मॉड्यूल) में व्यवस्थित करना जिन्हें आप बाहर निकाल सकते हैं और व्यक्तिगत रूप से काम कर सकते हैं। प्रत्येक मॉड्यूल का अपना फ्रेम, अपना विद्युत कनेक्शन, अपना थर्मल इंटरफ़ेस होता है। जब पैक को सेवा की आवश्यकता होती है, तो आप 60 kWh मोनोलिथ के बजाय 5-10 kWh के टुकड़े के साथ काम कर रहे होते हैं।

वैकल्पिक दृष्टिकोण -सेल{{1}से{{2}पैक, सेल{{3}से{{4}चेसिस, जो भी आप इसे कॉल करना चाहें{{5}उन मध्यवर्ती संरचनाओं को पूरी तरह से छोड़ देता है। सेल सीधे पैक हाउसिंग या यहां तक ​​कि वाहन के फर्श में चले जाते हैं। आपने शायद मार्केटिंग देखी होगी: सीएटीएल के किलिन ने 72% वॉल्यूम उपयोग हासिल किया, बीवाईडी के ब्लेड सेल ट्रे की पूरी चौड़ाई में चलते हैं, टेस्ला अपने 4680 को संरचनात्मक पैक में वेल्ड करता है।

ये वास्तविक इंजीनियरिंग उपलब्धियाँ हैं। वे यात्री ईवी के लिए मायने रखते हैं जहां हर कोई रेंज नंबर पर प्रतिस्पर्धा कर रहा है और आप लाखों समान इकाइयों पर मुहर लगा रहे हैं। लेकिन औद्योगिक अनुप्रयोग पूरी तरह से एक अलग स्थिति है।

जहां समस्याएं दिखाई देती हैं

जब कोशिकाएं संरचनात्मक चिपकने वाले पदार्थ से बंध जाती हैं, तो आप किसी चीज़ को नष्ट किए बिना उन्हें अलग नहीं कर सकते। वही थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री जो गर्मी हस्तांतरण में सुधार करती है, पूरी असेंबली को स्थायी भी बनाती है। एक सेल ख़राब हो जाता है, पैक ख़राब हो जाता है।

यात्री कार मालिक तीन साल के लिए पट्टे पर लेते हैं और व्यापार करते हैं। एक वितरण केंद्र में एक फोर्कलिफ्ट न्यूनतम दस साल तक चलती है। गणित अलग तरह से काम करता है.

हमने अपने ग्राहक आधार पर मरम्मत लागत पर नज़र रखी है और पैटर्न सुसंगत है। मॉड्यूल स्तर की सेवा $400$800 तक चलती है जिसमें श्रम भी शामिल है। एक तुलनीय एकीकृत डिज़ाइन पर पूर्ण पैक प्रतिस्थापन-जब आप एक रन के लिए $15,000-25,000, प्लस सप्ताह का लीड टाइम भी प्राप्त कर सकते हैं।

डाउनटाइम संख्याएँ इसे और भी बदतर बना देती हैं। एबीबी के 2024 के औद्योगिक सर्वेक्षण (3,{3}} उत्तरदाताओं) ने पाया कि विभिन्न क्षेत्रों में अनियोजित डाउनटाइम औसतन $125,000/घंटा है। {{6}ऑटोमोटिव विनिर्माण $2M तक पहुंच गया है।

इसका बीमा पक्ष भी दिलचस्प है. हम सुन रहे हैं कि गैर-सेवा योग्य पैक वाले उपकरणों पर कुल हानि सीमा को समायोजित किया जा रहा है। समझ में आता है कि -यदि मामूली टक्कर का मतलब 20 हजार डॉलर की बैटरी बदलना है, तो "कुल" का गणित बहुत तेजी से बदलता है।

थर्मल प्रबंधन जटिल हो जाता है

तापमान नियंत्रण वह जगह है जहां मॉड्यूलर वास्तुकला वास्तव में अपना प्रभाव रखती है, हालांकि इसके बारे में ज्यादा बात नहीं की जाती है।

लिथियम कोशिकाएं लगभग 15 डिग्री और 35 डिग्री के बीच रहना चाहती हैं। बहुत गर्म और वे तेजी से ख़राब होते हैं -इष्टतम से ऊपर प्रत्येक 10 डिग्री मोटे तौर पर चक्र जीवन को आधा कर देता है। बहुत अधिक ठंड होने पर आपकी क्षमता खत्म हो जाती है, साथ ही ठंड से कम चार्ज करने पर लिथियम चढ़ाने का जोखिम होता है। किसी भी तरह से बुरे परिणाम।

मॉड्यूलर सीमाएँ आपको प्राकृतिक तापीय क्षेत्र प्रदान करती हैं। आप मॉड्यूल के बीच कूलिंग प्लेट लगा सकते हैं, परिभाषित चैनलों के माध्यम से तरल चला सकते हैं, समस्या क्षेत्रों को अलग कर सकते हैं। सिस्टम को मॉडल करना और बनाना आसान है।

हम मॉड्यूल हाउसिंग में चरण परिवर्तन सामग्री के साथ कॉन्फ़िगरेशन का परीक्षण कर रहे हैं। एक ही मूल उत्पाद सऊदी अरब में आउटडोर यार्ड और कनाडा में कोल्ड स्टोरेज सुविधाओं दोनों में काम करता है। कोल्ड स्टोरेज परीक्षण में, पूर्ण डिस्चार्ज चक्र के बाद बैटरियां -20 डिग्री परिवेश में 14+ घंटों तक 0 डिग्री से ऊपर रहीं। थर्मल प्रबंधन के बिना, आप कुछ ही घंटों में ठंड से नीचे पहुंच जाएंगे।

एक एकीकृत पैक के साथ जहां सब कुछ एक बड़ी कूलिंग प्लेट से जुड़ा हुआ है, आप वास्तव में इसे अनुकूलित नहीं कर सकते हैं। तापीय प्रणाली संरचना है. अलग-अलग एप्लिकेशन का मतलब अलग-अलग पैक डिज़ाइन है।

विनिर्माण अर्थशास्त्र-वह नहीं जो आप अपेक्षा करेंगे

एकीकृत डिज़ाइन की पिच हमेशा विनिर्माण दक्षता के बारे में होती है। कम हिस्से, तेज़ असेंबली, कम लागत। टेस्ला ने मॉडल 3 पैक असेंबली को 7 घंटे से घटाकर 17 मिनट कर दिया। वे संख्याएँ वास्तविक हैं।

वे विशेष स्वचालन के साथ लाखों समान पैक बनाने पर भी आधारित हैं जिन्हें स्थापित करने में लाखों की लागत आती है।

औद्योगिक बैटरी उत्पादन ऐसा कुछ नहीं दिखता। एक विशिष्ट फोर्कलिफ्ट ओईएम को 24V से 80V तक के पैक की आवश्यकता होती है, जिसमें लगभग एक दर्जन क्षमता वाले वेरिएंट होते हैं, जिसमें विभिन्न उपकरण ब्रांडों से अलग-अलग चेसिस फिट होते हैं। हम संपूर्ण उत्पाद शृंखला में लाखों इकाइयों की बात कर रहे हैं, लाखों एक SKU की नहीं।

मॉड्यूलर आर्किटेक्चर उस तरह की विविधता को संभालता है। आप एक मॉड्यूल डिज़ाइन को मान्य करते हैं, फिर ग्राहक को जो भी वोल्टेज और क्षमता चाहिए उसे पूरा करने के लिए विभिन्न मात्राओं को जोड़ते हैं। पैक स्तर की संरचना मूलतः एक रैक है। नए कॉन्फ़िगरेशन कुछ हफ़्तों में भेजे जा सकते हैं क्योंकि मॉड्यूल का कठिन भाग{{5}पहले ही पूरा हो चुका है।

हाल की औद्योगिक तैनाती का पैमाना कहानी को सिद्धांत से बेहतर बताता है:

औद्योगिक बैटरी बेड़े की तैनाती (2023-2025)

सबसे खास बात: मांग वाले वातावरण में हर बड़ी तैनाती {{0}खनन, कोल्ड स्टोरेज, हवाई अड्डे के संचालन में {{1}मॉड्यूलर डिजाइन के साथ हुई। एकीकृत दृष्टिकोण यात्री ईवी पर हावी है। विभिन्न परिचालन वास्तविकताएँ, विभिन्न वास्तुकला विकल्प।

एकीकृत पैक्स के साथ ऐसा करने का प्रयास करें। प्रत्येक संस्करण को अपनी स्वयं की टूलींग, अपनी स्वयं की मान्यता, अपने स्वयं के उत्पादन सेटअप की आवश्यकता होती है। जब आप खंडित औद्योगिक बाजारों में सेवा दे रहे हों तो ऑटोमोटिव पैमाने पर दक्षता लाभ लचीलेपन के दंड में बदल जाता है।

लागत स्थिति

उद्योग मूल्य निर्धारण डेटा (ब्लूमबर्गएनईएफ सालाना सर्वेक्षण प्रकाशित करता है) वैश्विक स्तर पर महत्वपूर्ण क्षेत्रीय भिन्नता के साथ एलएफपी पैक की लागत लगभग $81/kWh बताता है। वह 44% प्रीमियम श्रम लागत, आपूर्ति श्रृंखला परिपक्वता और उत्पादन पैमाने को दर्शाता है।

वे खरीद मूल्य हैं. दस वर्षों के संचालन के दौरान क्या होता है, इसे वे नहीं पकड़ पाते।

सालाना 3,000 घंटे चलने वाली बहु-शिफ्ट फोर्कलिफ्ट के लिए, बैटरी को किसी बिंदु पर सेवा की आवश्यकता होगी। शायद इसके जीवनकाल में दो बार, शायद तीन बार।

मॉड्यूलर पैक पर डाउनटाइम लागत सहित कुल $1,500-2,500 है। यदि आपको पूरी यूनिट को एक बार भी बदलना है तो एकीकृत पैक पर आप $40,000+ पर विचार कर रहे हैं।

बेड़े संचालकों से प्रकाशित टीसीओ अध्ययन एक पैटर्न दिखाते हैं:

लिथियम बनाम लेड-एसिड टीसीओ विश्लेषण (मल्टी-शिफ्ट ऑपरेशंस)

*स्रोत: यूगोवर्क बेड़े विश्लेषण (50-ट्रक टेक्सास 3पीएल), रेमंड कॉर्पोरेशन बेंचमार्क डेटा, वनचार्ज कोल्ड स्टोरेज तैनाती*

मॉड्यूलर आर्किटेक्चर के लिए अग्रिम प्रीमियम {{0}इसे 15 {{2} 20% {{4} कहें, आमतौर पर मल्टी-शिफ्ट संचालन पर 24 - 36 महीनों के भीतर वापस भुगतान किया जाता है। यहां तक ​​कि एकल-शिफ्ट आवेदन भी पांच साल के भीतर वहां पहुंच जाते हैं।

विनियामक दिशा

चीन और यूरोपीय संघ दोनों ऐसे नियमों की ओर बढ़ रहे हैं जो सेवा योग्य डिजाइनों का समर्थन करते हैं।

जीबी 38031-2020 (चीन के ईवी बैटरी सुरक्षा मानक) के लिए थर्मल प्रसार बाधाओं की आवश्यकता होती है - यदि एक सेल भगोड़ा हो जाता है, तो आसन्न कोशिकाओं को कम से कम पांच मिनट तक जीवित रहना होगा या पैक को चेतावनी देनी होगी। मॉड्यूल सीमाएँ उन बाधाओं को लगाने के लिए एक स्वाभाविक स्थान हैं।

2027 तक लागू होने वाले ईयू बैटरी विनियमन में "बैटरी पासपोर्ट" सिस्टम के माध्यम से कार्बन पदचिह्न ट्रैकिंग, पुनर्नवीनीकरण सामग्री और जीवनचक्र ट्रैसेबिलिटी की आवश्यकताएं शामिल हैं। यह सब तब आसान हो जाता है जब बैटरियों को अलग करने के लिए डिज़ाइन किया गया हो। मॉड्यूल को खींचा जा सकता है, वर्गीकृत किया जा सकता है, दूसरे जीवन अनुप्रयोगों या रीसाइक्लिंग के लिए भेजा जा सकता है। एकीकृत पैक्स को तोड़ना होगा।

नीति की दिशा बिल्कुल स्पष्ट है: बैटरियाँ टिकाऊ वस्तुएँ हैं, डिस्पोजेबल नहीं। पूरी तरह से विनिर्माण सुविधा के लिए अनुकूलित डिज़ाइनों को समय के साथ अधिक घर्षण का सामना करना पड़ेगा।

सोर्सिंग निर्णयों के लिए इसका क्या अर्थ है

एकीकृत आर्किटेक्चर गलत नहीं हैं-वे केवल औद्योगिक अनुप्रयोगों की आवश्यकता से भिन्न उद्देश्यों के लिए अनुकूलित हैं। CATL और BYD उन वाहन निर्माताओं के लिए निर्माण कर रहे हैं जिन्हें अधिकतम उत्पादन मात्रा में अधिकतम ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है। यह एक वैध समाधान के साथ एक वैध इंजीनियरिंग समस्या है।

औद्योगिक उपकरण अलग है. दस-वर्षीय जीवनचक्र। ग्राहक तकनीशियनों द्वारा फ़ील्ड सेवा। फ्रीजर से रेगिस्तान तक परिचालन वातावरण। उपकरण ब्रांडों में दर्जनों वोल्टेज और क्षमता प्रकार।

यदि आपकी स्थिति ऐसी है, तो किसी भी बैटरी आपूर्तिकर्ता से ये प्रश्न पूछने लायक हैं:

उत्तर आपको बताते हैं कि क्या आप अपनी परिचालन वास्तविकता के लिए डिज़ाइन की गई कोई चीज़ खरीद रहे हैं, या कोई ऐसी चीज़ जो उपलब्ध हो।

हम वर्षों से विशेष रूप से औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए मॉड्यूलर पैक का निर्माण कर रहे हैं क्योंकि अनुप्रयोगों के लिए यही आवश्यक है। स्पेक शीट नंबर उतने प्रभावशाली नहीं हैं जितने आप बड़े ऑटोमोटिव बैटरी आपूर्तिकर्ताओं से देखते हैं। स्वामित्व की लागत आम तौर पर दस {{2 }}वर्ष होती है।