2017-ben az Enterprise Communications Hungary Kft. azzal kereste meg az Xtalin Mérnöki Tervező Kft.-t, hogy csatlakozzunk egy moduláris akkumulátor tervezési projekthez. A saját know-how-val és a többéves fejlesztési tapasztalatunkkal az elektromos járművek területén szívesen vettünk részt a projektben. A cél egy olyan lítium alapú akkumulátor rendszer megalkotása volt, amelyet több célra is fel lehet használni. A projekt mélyreható cellamérésekkel kezdődött, hogy megtaláljuk a projekthez leginkább megfelelő cellát. Több, mint tízféle cellát teszteltünk le, melyek több száz mérési cikluson mentek keresztül különféle szimulált környezetekben, míg néhány cellán élettartam-méréseket is végeztünk több ezer óra használatot szimulálva.

A kiválasztott cellák egy robusztus alumínium dobozba kerültek, melyben egy teljesen egyedi fejlesztésű akkumulátorfelügyeleti rendszer (BMS) is helyet kapott a szükséges biztonsági, megfigyelő és aktív kiegyenlítő funkciókkal kiegészítve. Minden ilyen akkumulátor modul egy közös kötöződobozhoz kapcsolódik, ahol a biztonsági funkciókon túl (pl. szigetelésvizsgálat) töltöttség és valós idejű belső ellenállás méréseket is végzünk. A nagyfeszültségű rendszer a kötöződobozból ágazik el a nagy teljesítményű motorvezérlőhöz, a DCDC konverterekhez, valamint a töltőhöz.

A fő tervezési szempont a biztonság és a könnyű használhatóság volt, ezért a teljes rendszer 1-hiba tűrő kialakítású, ami azt jelenti, hogy egyetlen hiba nem okozhat veszélyes helyzetet. Az első hiba rögtön észlelésre kerül, és a további használatot a rendszer megakadályozza mielőtt a második – már kritikus – hiba kialakulhatna.

Elektromos tesztjármű – Mazda MX-5 átalakítás

Ezek a moduláris akkumulátorok elsősorban ipari és nehéz járművekbe, vagy vízi járművekbe lettek tervezve. Azonban mivel a tesztelési fázist könnyebb egy személyautón végezni, ezért egy használt Mazda MX-5 ND-t választottunk az átalakítás alapjául. A mechanikai tervezés nagy része az Enterprise-ra hárult, míg az Xtalin mérnökei a kifejlesztett akkumulátor rendszer integrációján dolgoztak a Mazda saját elektromos és hajtási rendszerébe.

Az első lépés a rendszer megértése volt. A belső égésű motorhoz tartozó fontosabb CAN üzeneteket vissza kellett fejteni, hogy minden eredeti rendszer (fékrásegítés, kormányszervo stb.) működőképes maradjon az elektromos motor beépítése után is. A folyamat végén az autó elektronikája észre sem vette a motorcserét.

A tesztjárművet 12kWh-nyi akkumulátorral szereltük. Három akkumulátor modul került az autóba: kettő a motortérbe egy közös házba a helykihasználás optimalizálása végett, és egy a csomagtartóba. Mivel a tesztjármű célja a valós tesztkörnyezetben történő adatgyűjtés és az akkumulátor rendszer fejlesztése, ezért nem törekedtünk egy nagy hatótávolságú, jól használható elektromos autó létrehozására, így bizonyos funkciók kikerültek az autóból (pl. légkondicionáló). Az akkumulátorcsomag teljesítményéhez egy nagy hatásfokú 42 kW-os permanens mágneses szinkron motort és egy hozzá való nagy áramú motorvezérlőt választottunk. Mindkettő hűtését egy egyedi vízhűtéses rendszer látja el. A tesztjárműbe szükséges nagyfeszültségű és kisfeszültségű kábelkorbácsokat egyedileg készítettük el. A telemetriát egy Java alapú PC szoftver biztosítja, ami Wi-Fi-n, vagy diagnosztikai csatlakozón keresztül képes a rendszer belső kommunikációjának monitorozására. Ezen felül egy Android applikációt is készítettünk, ami meg tudja jeleníteni a Wi-Fi-n érkező valós idejű adatokat. A tesztelés során gyűjtött adatokat az akkumulátor rendszer ellenőrzésére, biztonságának, használhatóságának és funkcionalitásának javítására használtuk fel.

A legtöbb egyedi fejlesztésű beágyazott rendszer STM gyártmányú ARM alapú mikrovezérlőket használ, melyekkel már többéves kiváló tapasztalattal rendelkezünk. A gyártó által biztosított eszközök megkönnyítik a hardver és szoftver fejlesztést. A komplex, időkritikus feladatokat is ellátó hardvereken valós idejű operációs rendszer fut, míg az egyszerűbb, megfigyelő feladatokat ellátó, vagy parancs végrehajtó eszközök szükségtelen bonyolítás nélkül látják el a feladataikat.

A tesztjármű kommunikációs vonalai funkció szerint vannak elosztva. A moduláris akkumulátor rendszernek saját CAN busz hálózata van (vékony piros vonallal jelölve az ábrán), melyet a járművezérlő (VCU) köt össze a tesztjármű többi részével. Ezen felül minden akkumulátor modulnak egy saját, belső, galvanikusan leválasztott CAN hálózata is van (fekete vonal), amely kapcsolatot teremt a cella figyelő rendszer és az aktív kiegyenlítő rendszer között. A motorvezérlő és az autó eredeti hajtáslánc vezérlő modulja (PCM) egy másik CAN hálózatra csatlakozik amely a járművezérlő motor nyomaték számításaihoz szükséges kommunikációért felel. A jármű eredeti, saját CAN hálózata (kék vonal) egy átjátszó elektronikával van elválasztva az elektromos hajtásrendszer kommunikációjától (PCM Gateway), így az egyik rendszer hibája nem zavarhatja a kommunikációt a másik rendszerben.

A szoftveres fejlesztési folyamat megkönnyítése érdekében egy univerzális, egyedi fejlesztésű CAN buszon használható bootloader került a legtöbb mikrovezérlőre. Ez lehetővé teszi a könnyű szoftverfrissítést a jármű szétszerelése nélkül.

Az átalakításról a https://apexnews.blog.hu/tags/emx5 címen egy hosszú blogsorozat érhető el, melyet a hazai szaksajtó is rendszeresen leközölt.

Akkumulátor elektromos hajóba – Flaar 5.7E

Később a moduláris akkumulátor rendszer egy újabb formája is elkészült egy, a Flaar Performance Sailing által tervezett és gyártott, elektromos hajó számára. Részt vettünk az akkumulátor doboza, és a hajó strukturális tervezésében is, így az akkumulátor mechanikai kialakítása tökéletesen illeszkedik a hajótestbe. Az akkumulátor doboza két modult foglal magában a moduláris akkumulátor rendszerből, minden szükséges kiegészítővel a fedélzeti töltőt kivéve, így robusztus, teljes megoldást kínál a felhasználóknak. A prototípus a Budapest Boat Show-n 2019 februárjában került bemutatásra, ahol innováció kategóriában 3. helyezést ért el.

A legnagyobb különbség az MX-5 hajtásrendszere és a Flaar 5.7E akkumulátora között az, hogy az utóbbi már egy termék, amely megfelel minden szükséges elektromos és hajózási szabványnak, szabályzatnak és megfelelőségi vizsgálatnak.

*a plexi fedőlap csak a kiállítás miatt került az akkumulátorra

A projekt során használt kompetenciák:

  • Beágyazott hardver tervezés
    • Komplex rendszerterv készítése
    • Többrétegű nyomtatott áramkörök
    • 600V-ra tervezett elektronikák (szigetelési távolság, kúszóút)
  • Beágyazott szoftvertervezés
    • Komplex biztonságkritikus funkciók
    • Valós idejű beágyazott operációs rendszer
    • CAN-bootloader
  • Egyéb szoftverfejlesztés
    • PC diagnosztika szoftver (Java)
    • Android app
  • Kábelkorbács
    • Nagyfeszültségű (<600V), nagy áramú vezetékezés
    • Kisfeszültségű kábelkorbács
  • Mechanikai tervezés
    • Guidance for stress and tolerance calculations
    • Designing simple brackets
    • Hűtőrendszer tervezés és építés
  • Kétkezi munka
    • Akkumulátorcsomagok össze- és szétszerelése
    • Tesztjármű elektromos átalakítása
    • Kábelkorbácsok legyártása
  • Mérések
    • Mérőeszközök fejlesztése
    • Automatizált mérések és adatrögzítés
    • Teszt tervek
  • Gyártásmenedzsment
    • Alkatrészrendelés
    • Nyomtatott áramkör gyártó koordinációja
    • Mechanikai gépműhely koordinációja
  • Projektmenedzsment