X_UBU akkumulátorcsalád

Okos univerzális akkumulátorok (Universal Battery Units) családja

Magyar Innovációs Nagydíjon szerzett elismerés

A Magyar Innovációs Szövetség által, immáron 30. alkalommal megrendezett Magyar Innovációs Nagydíj pályázaton elismerésben részesítették X_UBU akkumulátorainkat a 2021. évben megvalósított innovációinkért.

 

Rövid leírás

Az „X_UBU akkumulátorok” egy beépített általános vezérlőelektronikai rendszerrel rendelkező okos, univerzális akkumulátorcsalád. Az akkumulátorok elektronikája a legkülönfélébb ki- és bemenetekkel, nagysebességű CAN-busszal, soros- és ethernet-kommunikációs portokkal, robusztus akkumulátor-felügyeleti rendszerrel, SD-kártyás loggolási lehetőséggel rendelkezik. A termékcsalád precíziós gépi módszerekkel gyártott stabil házzal, és modern Li-NMC kémiájú cellák felhasználásával készül a magas teljesítmény- és energiasűrűség biztosítása érdekében. A nagy számítási teljesítményű STM32F4 mikrovezérlővel és a hozzá fejlesztett különféle interfészekkel, szoftvercsomagokkal a szabványos és egészen egyedi követelmények is teljesíthetők.

Az XUBU akkumulátorok a beépített multifunkciós vezérlőelektronikának köszönhetően a legkülönfélébb rendszerekben is megállják helyüket, továbbá ez az áramkör szükségtelenné teszi a szokványos akkumulátorok esetében legtöbbször beépítendő külső extra berendezéseket, így elfelejthetjük a számtalan adaptert, átalakítót és kommunikációs modult, külső BMS-t, cellakiegyenlítőt, nagyáramú megszakítót, különálló indítóakkumulátort, stb. Az átgondolt mechanikai kialakítás következményeként az akkumulátorok tervei könnyen átméretezhetők, relatív gyorsan az adott célfeladathoz ideális változat állítható elő.

 

Akkumulátorfejlesztés szolgáltatás

Cégünk 2020-ban a magyar akkumulátor stratégiával, illetve annak számos célkitűzésével összhangban elhatározta egy saját akkumulátoros termékcsalád kifejlesztését. A fejlesztést a Magyar Állam a 2020-1.1.1-KKV-START-2020 projekt keretében támogatta.

Az univerzális okos akkumulátor fejlesztései projekt legnagyobb eredménye az XTALIN Kft. számára a szolgáltatási képességeinek növelése, a termék egyben a cég akkumulátorfejlesztési képességeinek demonstrációs eszköze.

A projekt során a cég egymáshoz könnyen illeszthető hardver- és szoftvermegoldásokat, gyártási eljárásokat, teljesértékű rendszerek prototípusait, tesztberendezéseket és -eljárásokat fejlesztett ki, melyek által egyrészt egy nagy lépéssel közelebb került a gyártóvá váláshoz, viszont sokkal hangsúlyosabb, hogy magasabb műszaki készültségi fokról, saját prototípusgyártó- és tesztberendezésekkel támogatva tud fejlesztési projektekre szerződni.

 

Az X_UBU akkumulátorokban alkalmazott egyedi megoldások

Akkumulátorfejlesztési projektekben az évek alatt kidolgozott know-how-ra, illetve kiépített infrastruktúrára támaszkodunk, mely erőforrásokat az X_UBU fejlesztésénél is kivétel nélkül alkalmaztuk:

• a piacon elérhető 21700-as cellatípusok adatbázisa alapján a projekthez ideális akkumulátorcella-típusok kerültek kiválasztásra;

• partnereinkkel közösen CNC vezérelt ponthegesztő megoldást fejlesztettünk ki, aminek köszönhetően a legkisebbtől az elektromos autókban használt méretig „házon belül” képesek vagyunk a hengeres cellák szakszerű és pontos összeköttetéseinek megvalósítására;

 

CNC vezérelt ponthegesztő gép, illetve a vele készített cellahegesztések

 

• az akkumulátormodulok pólusain a nagyáramú kivezetések illesztéséhez kis gyártási kapacitáshoz ideális, egyéb (nem ultrahangos) technológián alapuló egyedi hegesztési eljárást fejlesztettünk ki;
• a BMW i3-as cellamodulon alapuló típusnak köszönhetően képessé váltunk a körforgásos gazdaságban ismert életciklus lépések kibővítésére, miszerint járműhajtásra már nem alkalmas, csökkent kapacitású akkumulátorok újrafelhasználása vált lehetővé selejtezésük (azaz végső megsemmisítésük és újrahasznosításuk) előtt;

 

Újrafelhasznált BMW i3 akkumulátormodulos X_UBU akkumulátor
(fém dobozfedő felszerelése előtti állapot, amikor még jól látható a BMW i3 akkumulátormodulja)

 

• a hengeres cellás változat fizikai elrendezését úgy terveztük meg, hogy az akkumulátor az egyik irányban szabadon bővíthető/”nyújtható” legyen, így a megszokottnál jóval kevesebb plusz fejlesztési munkával alakíthatók ki különböző kapacitású változatok a megrendelők igényeinek megfelelően;

 

Hengeres cellákból épített X_UBU akkumulátor

 

• víz- és tűzálló egyedi fémdobozainkat házon belül terveztük, hazai KKV partnereinkkel közösen gyártjuk;
• az általában megszokott fejlesztési projektekhez képest kiemelkedő figyelmet fordítottunk az akkumulátoraink tesztelésére, ezért több komplex tesztelrendezést is létrehoztunk;

 

Az Xtalin Kft. tűzálló konténeres akkumulátortesztelő laboratóriuma

 

XUBU „irodai” on- és offgrid rendszer tesztállványok és egy teljes hajós hajtásrendszer tesztállványa

 

• megrendelőink rendszerint az ipar legkülönbözőbb területeiről érkeznek, ennek megfelelően az elektronikai és szoftveres igényeik is változatosak, ezért az alábbiakban részletezett új megoldásokat kellett kifejleszteni. A rendszerek jó gyárthatóságának, alacsony meghibásodási valószínűségének, egyszerű telepítési és karbantartási lehetőségének egyik megoldási módja a különböző funkciók minél magasabb szintű integrálása, ennek jegyében az akkumulátorba integráltunk olyan megoldásokat, melyeket általában különálló elektronikák valósítanak meg, illetve az akkumulátoron belül ezeket egyetlen áramköri lapon (kevesebb csatlakozás, meghibásodás stb.) valósítottunk meg.

 

Hengeres cellákból épített X_UBU akkumulátor elektronikája
(fém dobozfedő felszerelése előtti állapot)

 

• BMS (Battery Management System)
  • cellafelügyeleti rendszer
  • töltöttségmérő rendszer
  • nagyáramú kapcsolóelektronika (félvezető alapú elektronikai megoldás, mely a gyakran használt relés/kontaktoros megoldásokhoz képest ellenállóbb a mechanikai rezgésekkel szemben, illetve kialakításából adódóan kevesebb helyet foglal és méretezéskor könnyen az adott projektre szabható).
• Multifunkciós vezérlőelektronika
  • Projektre szabható vezérlőszoftver: tekintettel arra, hogy a nagyteljesítményű mikrovezérlő beágyazott szoftverét minden esetben cégünk készíti, lehetőség van a működést minden esetben az adott célfeladatra szabni megrendelőnk igénye szerint;
  • Galvanikusan leválasztott ki- és bemenetek: ezek segítségével minden esetben robusztus, különösen megbízható, biztonságos rendszerek építhetők;
  • Egyéb ki-és bemenetek: bizonyos esetekben, amikor például egy gázpedál/gázkar közvetlenül a vezérlőelektronikáról kapja a tápfeszültségét, nincs szükség galvanikus leválasztásra, ilyenkor felhasználhatók ezek az interfészek is.
  • Galvanikusan leválasztott VE.Direct kommunikációs interfészek a Victron Energy napelemes DC/DC-konverterei, illetve a VE inverterek szabványos csatlakoztatásához.
  • Egyszerű kezelőfelület, többféle opcióval: egy jól felkonfigurált rendszer használata során a felhasználó legtöbbször szinte csak a be- / kikapcsoló gombot használja, és minimális visszajelzett információra van szüksége. Az akkumulátoron helyett kapott egy vízálló, többszínű LED-gyűrűvel ellátott nyomógomb is, mely kielégíti a fenti igényeket. Abban az esetben, ha beépítéskor az akkumulátor a rendszer egy eldugott pontjára kerül, lehetőség van ugyanilyen nyomógomb távoli csatlakoztatására is.
  • Automatikus kikapcsolás: igény esetén az akkumulátor képes saját magát áramtalanítani a szoftverében meghatározott paraméterek szerint. (Például valamekkora idővel a terhelés/töltés megszűnése után.)
  • Safety-circuit: elsősorban járműiparban, illetve néhány egyéb biztonságkritikus rendszerben használatos megoldás. Az akkumulátor lehetőséget biztosít arra, hogy csak olyankor legyen feszültség a kimenetén, ha azt egyéb elektronikák, vészleállítók engedélyezték, illetve a safety-áramkörben sehol nem következett be szakadás.
• Adatrögzítés: az elektronika 30 évnyi adatot képes tárolni a működési- illetve tárolási körülményekről is.
• CAN buszos és Ethernet-es felkonfigurálási, újraprogramozási és diagnosztikai lehetőség;
  • CAN-buszos kommunikációs port: járműhajtásokban és egyes ipari eszközök által használt kommunikációs port.
  • CAN-buszos bootloader: segítségével az elektronika szoftvere a jármű/berendezés kommunikációs buszán keresztül „távolról” frissíthető, mely segíti a fejlesztést és esetleges későbbi szoftverfrissítések elvégzését is.
  • CAN-buszos diagnosztikai felület: az eszköz távoli felkonfigurálását, mérési adatok kinyerését teszi lehetővé, elsősorban a fejlesztőmunkát segíti.
  • Ethernet kommunikációs port: elsősorban helyhez kötött rendszereknél gyakori kommunikációs lehetőség, így például széleskörben alkalmazzák ipari berendezésekben, home-storage-okban.
  • Ethernet-es diagnosztikai felület: könnyen kezelhető grafikus felületet biztosít a felhasználónak. Valós időben elérhető az akkumulátor állapota és paraméterei, hozzáférhetők a rögzített diagnosztikai adatok, és módosíthatók a vezérlőelektronika beállításait.
• 12V 60W-os kiegészítő tápfeszültség kimenet: rendszerint a járműves felhasználási esetekben szükséges állandó 12V-os tápfeszültség megléte is, amit különálló akkumulátorral és/vagy DC/DC konverterrel szoktak megoldani. Ilyen tápfeszültség hajtja meg pl. a hajókban a fenékvíz-szivattyút és a jelzőfényeket. A funkció integrálásának köszönhetően csökken a jármű bekerülési költsége, a komponensek és a meghibásodási lehetőségek száma;
• Elhanyagolható (5 nanoamper) fogyasztású, változatos elektronika-felélesztési funkciók:
  • az elektronika még tárolás és kikapcsolt állapot közben is 2 óránként automatikusan feléleszti magát, és rögzíti a garanciális szempontból kritikus paramétereket (cellák hőmérséklete, töltöttsége, dobozon belüli páratartalom);
  • doboznyitás érzékelő feléleszti az elektronikát, mely 5 ezredmásodpercen belül rögzíti az illetéktelen doboznyitás tényét egy, az áramkörre integrált különálló, nem eltávolítható adatrögzítőre;
  • dobozfalra integrált bekapcsológomb, melynek távoli megfelelőjéhez is biztosítva vannak érintkezők az elektronika csatlakozójában;
• Integrált precharge (előtöltő) áramkör: az akkumulátor kimenetének bekapcsolása előtt ez tölti fel a csatlakoztatott motorvezérlő, illetve hasonló eszközök kondenzátorait. Egyéb komplex rendszerekben külön áramkörön szokott helyet kapni.

 

A különböző verziók előlapi elrendezése

21700 méretű cellákból álló akkumulátor előlapja

 

BMW i3 akkumulátormodulra épülő X_UBU előlapja

 

Járműipari felhasználás példái

Az alábbi ábra mutatja be egy X_UBU akkumulátoros járműhajtási rendszer minimális konfigurációját.

 

“Minimális” járműipari rendszer felépítése

 

A következő ábra mutatja be az X_UBU akkumulátorokban rejlő igazi potenciált.

 

Egy komplex felhasználási eset felépítése

 

Az X_UBU-hoz csatlakoztatni lehet soros kommunikáción keresztül számos eszközt, például különböző MPPT DC/DC napelemes töltőket és AC-invertereket, melyekkel például ideális off-grid tárolós megoldás építhető. Az okos akkumulátor képes vezérelni CAN-buszon keresztül például AC-töltőt, így a hálózathoz kapcsolt működés is kivitelezhető. További eszközök sokasága csatlakoztatható, és vezérelhető az akkumulátor analóg és digitális kimeneteivel, így a megfelelő interfészek biztosítottak egyéb járműipari kiegészítők csatlakoztatásához. Az X_UBU akkumulátor okos elektronikája képes egyszerre többféle jelet kezelni, így képes az adott rendszer központi vezérlőegységeként is működni. (Kevesebb rendszerkomponens egyenlő alacsonyabb rendszerköltség, kevesebb hibalehetőség.)

A rendszer számítógéphez csatlakoztatható etherneten keresztül, így a legkülönfélébb paraméterek monitorozhatók, loggolhatók, konfigurálhatók akár távoli eléréssel is.

 

Környezeti tényezők

Korunk egyik legnagyobb kihívása a fosszilis energiahordozók visszaszorítása. A közlekedésben már egyre jelentősebb az elektromos járművek térhódítása, ez a folyamat exponenciális tendenciát mutat.

Termékeink Li-ion cellákat használva a jelenkor legkorszerűbb, egyben leginkább környezetkímélő megoldást alkalmazza az energiatárolásra. Az offgrid stacionárius felhasználáskor egyértelműen a fosszilis üzemanyagot (benzin, dízel) elégető aggregátoroknak támaszt konkurenciát, míg az elektromos hajók és könnyű elektromos járművek (LEV) esetén szintén belsőégésű motorokat képes kiváltani az elektromos hajtáslánc.