Концепция Интернета аккумуляторов (IoB — Internet-of-Batteries) появилась совсем недавно. Она имеет большой потенциал для контроля и оптимизации использования аккумуляторов в электромобилях (EV). Эта концепция, сочетающая в себе аспекты Интернета вещей (IoT) с последними достижениями в области аккумуляторных технологий и облачных вычислений, может предоставить массу новой информации о состоянии и производительности устройств сохранения энергии не только в автомобилях, но и системах возобновляемых источников энергии. Эту информацию можно использовать для улучшения управления аккумуляторными батареями различными способами, включая прогнозирование срока службы, распределение нагрузки, техническое обслуживание, контроль заряда-разряда и т.п.
Внедрение систем управления аккумуляторами электромобилей, с выходом в интернет не лишено проблем. Пока все такие решения сталкиваются с рядом сложностей — от вопросов безопасности не только данных, но и самого ТС. Помимо этого, не решены проблемы кроссплатформенной функциональности и технические сложности применения IoB в больших масштабах. Тем не менее, некоторые специалисты утверждают, что потенциальные преимущества этой технологии значительны, и при продолжении разработок она способна произвести революцию в индустрии электромобилей. Но автопроизводители пока с осторожностью присматриваются к многочисленным исследованиям.
В последние годы популярность электромобилей резко возросла, привлекая внимание, как экологически чистый вид транспорта. Эти инновационные автомобили обещают значительно сократить выбросы и снизить воздействие на окружающую среду, по сравнению со своими традиционными аналогами, оснащённых двигателями внутреннего сгорания. Однако широкомасштабное внедрение электромобилей столкнулось со многими проблемами, в первую очередь из-за ограничений современной аккумуляторной технологии.
Во-первых, ограниченный запас хода электромобилей остаётся серьёзной проблемой для потенциальных пользователей, поскольку влияет на их способность путешествовать на большие расстояния без необходимости частой подзарядки. Кроме того, длительное время зарядки неудобно для пользователей и препятствует широкому распространению этого вида транспорта. Помимо этих ограничений, велика вероятность возможных неисправностей батареи, таких, как перегревы или снижение функциональности в морозы — оба этих фактора могут привести к угрозе возгорания или даже взрыва. Не секрет также, что аккумуляторы электромобилей со временем деградируют, что приводит к снижению производительности и сокращению срока службы этих источников энергии. Это приводит к увеличению затрат на техническое обслуживание и, опять же, к повышению рисков возникновения несчастных случаев для владельцев.
Интернет батарей, который является многообещающим решением этих проблем, представляет собой сетевую систему, которая использует принципы Интернета вещей (IoT) для сбора данных от аккумуляторов электромобилей. Эти данные впоследствии передаются на сервер дата-центра или в облачную инфраструктуру, где они используются для оценки состояния батареи, прогнозного анализа и диагностики неисправностей. В отличие от традиционных автономных систем управления батареями (BMS), новый подход использует передовые технологии, такие, как облачные вычисления и машинное обучение, для обеспечения интеллектуального регулирования процессов. Интеграция технологий Интернета вещей позволяет осуществлять непрерывный мониторинг и управление производительностью аккумулятора в этой системе. Облачный сервер обеспечивает мощные вычислительные мощности для поддержки интеллектуальных приложений, установленных в прошивке автомобиля.
Архитектура IoB состоит из трёх основных компонентов: аккумуляторных систем, шлюза Интернета вещей и облачной платформы, а также двух дополнительных элементов — системы управления батареями на борту транспортного средства (BMS — Battery Management System) и беспроводного модуля, которые должны быть встроены внутри аккумуляторных систем. Непрерывный мониторинг состояния аккумулятора является одним из его ключевых преимуществ. Это позволяет на ранней стадии обнаруживать закономерности деградации и потенциальные отказы аккумуляторов. Такой упреждающий подход повышает безопасность, продлевает срок службы элементов, оптимизирует управление энергопотреблением, обеспечивая эффективное распределение и использование мощности, тем самым расширяя диапазон работы транспортного средства и повышая эффективность зарядки. Высокоэффективные приложения поддерживают расширенную оценку состояния и диагностику неисправностей. В частности, информация о батареях может передаваться на нескольких уровнях — национальном, региональном и даже местном, например, на сервера, которые поддерживаются производителями, обеспечивая общий профиль срока службы батарей.
Одной из основных проблем является проблема безопасности данных, учитывая, что IoB предполагает обмен конфиденциальной информацией о транспортном средстве (а возможно и о его владельце). Для защиты от несанкционированного доступа или манипулирования этими данными становится важным внедрение надёжных методов шифрования и безопасных протоколов связи. Кроме того, ещё одной проблемой становится обеспечение совместимости различных систем и протоколов связи, используемых различными производителями аккумуляторов и транспортных средств. Для обеспечения плавной интеграции и взаимодействия между электромобилями с поддержкой Интернета вещей решающее значение имеют скоординированные усилия по стандартизации.
На рынке электромобилей доминируют три типа аккумуляторов: литий-ионные (Li-ion), свинцово-кислотные и никель-металлогидридные (NiMH). Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке, занимая более 90% доли рынка, в первую очередь из-за их высокой плотности энергии, что позволяет им хранить большое количество энергии в небольшом пространстве. Это делает их идеальными для электромобилей, которые должны быть лёгкими и иметь большой запас хода. Литий-ионные аккумуляторы также относительно эффективны, а это означает, что они теряют меньше энергии при использовании. Но есть критическое неудобство использования их в условиях отрицательных температур, а также недопустимость глубокого разряда. Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные, и они более экологичные, но более дороги в производстве. Такая разновидность батарей широко использовалась в гибридных электромобилях (HEV) до того, как литий-ионные аккумуляторы стали доминировать. Их основным недостатком является «эффект памяти», при котором повторяющиеся циклы частичной разрядки/зарядки могут снизить их ёмкость.
Литий-ионные аккумуляторы подразделяются на различные типы в зависимости от химического состава катода. Эти химические вещества влияют на производительность, срок службы и стоимость батарей. Наиболее распространённый химический состав катодов, используемый в электромобилях:
1. LFP (литий-железо-фосфатный) — являются наиболее доступным и безопасным типом литий-ионных аккумуляторов. Они имеют более низкую плотность энергии, чем другие типы, но обеспечивают более длительный срок службы и лучшую термическую стабильность. Чаще других используются в электромобилях и устройствах хранения энергии.
2. NCA (литий-никель-кобальт-алюминий) — имеют более высокую плотность энергии, чем батареи LFP, но они более дороги и менее безопасны. Часто используются в высокопроизводительных электромобилях, таких как Tesla Model S и Model X.
3. NMC 111 (литий- никель-марганец-кобальт- оксид, соотношение никеля, марганца и кобальта 1:1:1) — эти батареи были первым поколением батарей NMC. Они имеют хороший баланс плотности энергии, стоимости и безопасности. До сих пор используются в некоторых электромобилях, но они в значительной степени заменены более новыми разновидностями NMC.
4. NMC 532 (литий-никель-марганец-кобальт-оксид, соотношение никеля, марганца и кобальта 5:3:2_ — представляют собой более новое поколение аккумуляторов NMC, с более высоким содержанием никеля, чем аккумуляторы NMC 111. Это дает им более высокую плотность энергии, но также делает их ещё более дорогими. Аккумуляторы NMC 532 являются хорошим вариантом для применений, требующих высокой плотности энергии и быстрой скорости зарядки. Однако они имеют более высокий риск возгорания или взрыва.
5. NMC 622 (литий-никель-марганец-кобальт-оксид, соотношение никеля, марганца и кобальта 6:2:2) имеют ещё более высокую плотность энергии, чем батареи NMC 532, но содержат больше дорогого кобальта. Кобальт — относительно дорогой и дефицитный материал, поэтому батареи NMC 622 дороже, чем батареи NMC 532. Иногда по-прежнему используются в некоторых ТС, но их нецелесообразно использовать в таком качестве.
6. NMC 811 (литий-никель-марганец-кобальт-оксид, соотношение никеля, марганца и кобальта 8:1:1) самая высокая плотность среди всех литий-ионных аккумуляторов. Но максимальное содержание кобальта, делает их самыми дорогими. Практически не используются в автомобилестроении.
7. NMC 9.5.5 (литий-никель-марганец-кобальт-оксид, соотношение никеля, марганца и кобальта 9:5:5) эта разновидность батарей представляет собой новую, самую прогрессивную разработку среди всех NMC. Низкое содержание кобальта обеспечивает невысокую стоимость. Кроме этого они самые устойчивые в своём классе — с минимальными рисками самовозгорания. Аккумуляторы NMC 9.5.5 всё ещё находятся на ранних стадиях разработки, но у них есть потенциал стать стандартом для электромобилей в будущем.
Но для промышленной готовности необходимы значительные подготовительные работы, требующие высокой стоимости реализации. Кроме этого, не решены вопросы управления беспроводной связью между узлами и потенциальных помех от других беспроводных сетей. Кроме того, пока отсутствует достаточное обоснование таких ключевых вопросов, как проблемы безопасности и конфиденциальности, задержка передачи данных в дуплексном режиме, масштабируемость и экономическая эффективность, связанные с этими системами. Также не вполне ясен потенциал и проблемы, связанные с применением искусственного интеллекта и машинного обучения в контексте облачных решений управления такой масштабной сетью.
