Ultium

Транспортные средства Ultium оснащены модульным семейством из пяти приводных блоков и трёх электродвигателей, известных под общим названием «Ultium Drive». Массовое производство двигателей и блоков Ultium Drive началось в 2024 году на заводах General Motors в Толедо и Сент-Катаринсе^[7][8].

В серию Ultium входят двигатели с постоянными магнитами мощностью 180 кВт (241 л. с.) для переднеприводных автомобилей, двигатели с постоянными магнитами мощностью 255 кВт (342 л. с.) для передне- и заднеприводных автомобилей и асинхронные двигатели мощностью 62 кВт (83 л. с.) для полноприводных автомобилей. Прототип GMC Hummer EV, представленный в марте 2020 года, имеет постоянный полный привод и оснащён тремя электродвигателями мощностью 255 кВт (342 л. с.), один из которых приводит в движение переднюю ось, а два других — задние колёса. Три типа тяговых двигателей имеют масляное охлаждение и общую конструкцию статора^[9].

Приводные блоки представляют собой односкоростные зубчатые передачи, которые принимают на себя мощность одного или двух тяговых двигателей и передают её на колёса. Трансмиссии интегрированы с электронными модулями управления. Эти модули, также известные как силовая электроника, включают в себя инвертор тягового тока, бортовой модуль зарядки и модуль питания аксессуаров^[10]. Интеграция этих модулей в приводные блоки позволяет снизить общую массу вдвое по сравнению с аналогичными компонентами Chevrolet Bolt EV^[11][12]. Эти приводные устройства разработаны и упакованы на основе предполагаемой компоновки трансмиссии, но имеют много общих компонентов. Это пять единиц измерения^[13]:

• Вспомогательный блок полного привода
• Блок FWD
• Блок RWD
• Агрегат полного привода для грузовых автомобилей
• Двухмоторный агрегат RWD для грузовых автомобилей

Для GMC Hummer EV передаточные числа редукторов составляют 13,3:1 и 10,5:1 для передних и задних колёс соответственно^[14].

Батарейные элементы Ultium имеют никель-кобальт-марганцево-алюминиевую (NCMA) химическую структуру и производятся компанией Ultium Cells LLC, совместным предприятием GM и LG Energy Solution, в виде крупноформатных аккумуляторных батарей^[15]. Материалы для аккумуляторов поставляются компаниями LG Chem, POSCO Chemical (активные материалы катода) и Livent (гидроксид лития)^[16][17].

В Китае компанией CATL под брендом Ultium выпускаются никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы в цилиндрической упаковке^[18]. С объявлением о создании совместного предприятия с Samsung SDI для строительства четвёртого завода по производству аккумуляторов в США в апреле 2023 года призматические и цилиндрические аккумуляторные батареи Ultium начали производиться внутри страны^[19].

В автомобилях Chevrolet Bolt EV применяются литий-железо-фосфатные аккумуляторы, снижающие пиковое и номинальное напряжение^[20].

Каждый аккумулятор Ultium имеет размеры примерно 584 на 102 на 10 мм, масса составляет 1,36 кг, а ёмкость — 0,37 кВт·ч^[21]. Номинальное напряжение составляет 3,7 В, а заряд — 103 А·ч. Гравиметрическая плотность энергии каждой ячейки составляет 280 Вт·ч/кг; соответствующая объёмная плотность энергии составляет 630 Вт·ч/л. 10-секундная гравиметрическая плотность мощности составляет 952 Вт/кг^[22]. Полная масса 24-модульной 576-элементной батареи для электромобиля Hummer с ёмкостью 212,7 кВт·ч составляет 1326 кг^[23]. Пакеты могут быть ориентированы горизонтально или вертикально, что обеспечивает гибкость упаковки.

Ultium оснащён беспроводной системой управления аккумуляторами (wBMS) — первой подобной архитектурой среди автопроизводителей. Система wBMS была разработана в сотрудничестве с Analog Devices и способствует снижению затрат на аккумуляторы, поскольку требует на 90% меньше проводов и уменьшает объём на 15%^[24].

В конце января 2023 года стало известно, что корпорация General Motors рассматривает возможность перехода на аккумуляторы цилиндрической формы. Этот шаг снизит объёмную плотность энергии, но может сократить время производства и затраты^[25].

Корпорация General Motors объявила, что ячейки могут быть собраны в модули с различными конфигурациями, и продемонстрировала три примера:

• 24 ячейки, расположенные вертикально, или
• 20 ячеек: 10+10 ячеек рядом друг с другом, каждая стопка расположена горизонтально (для уменьшения ширины модуля) или
• 12 ячеек: 6+6 ячеек рядом друг с другом, каждая стопка расположена горизонтально (для уменьшения ширины и высоты модуля).

Таким образом, можно использовать модули разных размеров, которые можно комбинировать для определённого приложения и платформы.

Например, если 24 элемента объединены в модуль, а аккумуляторная батарея состоит из 6–24 одинаковых модулей, это означает, что батарея включает от 144 до 576 элементов, а её ёмкость составляет от 50 до 200 кВт·ч. Модуль из 24 элементов состоит из трёх параллельных цепочек по восемь элементов в каждой, соединённых последовательно, что даёт номинальное напряжение 29,6 В на модуль. Компания GM утверждает, что они могут выдерживать многократную быструю зарядку постоянным током.

У GMC Hummer EV два слоя. В каждом слое 12 модулей соединены последовательно, образуя слой аккумулятора на 400 В и 100 кВт·ч. Затем эти два слоя соединяются параллельно, образуя аккумуляторную батарею на 200 кВт·ч для электродвигателей на уровне 400 В. Но для быстрой зарядки на станциях 800 В постоянного тока два слоя можно временно соединить последовательно, что позволяет осуществлять быструю зарядку постоянным током до 800 В и 350 кВт. Cadillac Lyriq имеет 12-модульную аккумуляторную батарею, по сути эквивалентную одному слою Hummer, работающую при 400 В (номинальное значение) и способную заряжаться со скоростью до 190 кВт. Из-за модульной конструкции аккумуляторной батареи транспортные средства, использующие менее 12 аккумуляторных модулей, работают при более низком номинальном напряжении.

В 2024 году издание InsideEVs сообщило, что проблемы с оборудованием, используемым для сборки ячеек в модули, привели к задержкам в производстве автомобилей в 2023 году. Оказалось, что невозможно увеличить скорость производства с 5 до 30 модулей в час на одной сборочной линии, но GM добавляла линии по сборке модулей, чтобы компенсировать это^[26].

В 2010 году стоимость аккумулятора ёмкостью 16 кВт·ч в Chevrolet Volt оценивалась в 1000 долларов США (что эквивалентно 1400 долларам в 2023 году) за киловатт в час. По оценкам GM, с Ultium стоимость снижается на 90% и составляет примерно 100 долларов за киловатт в час. Это также значительное снижение по сравнению с аккумулятором на 60 кВт·ч в Chevrolet Bolt EV, который в 2017 году стоил примерно 262 доллара за кВт·ч^[27], хотя корпорация General Motors договорилась о значительно более низкой цене в 145 долларов за кВт·ч со своим поставщиком, компанией LG Chem^[28]. Отчасти снижение стоимости связано с новым химическим составом, в котором на 70% меньше кобальта, чем в аккумуляторе Bolt. Кроме того, трудозатраты снижаются за счёт того, что количество проводов в каждом аккумуляторном блоке уменьшено на 88% по сравнению с Bolt благодаря беспроводной системе управления аккумуляторами^[29].

По состоянию на 2021 год планировалось строительство четырёх производственных объектов:

• Ultium Cells LLC — Лордстаун, штат Огайо, США (открыт в сентябре 2022 года^[30], мощность 35 Вт в год)^[31]
• Ultium Cells LLC — Спринг-Хилл, Теннесси, США (открыт в марте 2024 года, мощность 50 Вт·ч в год)^[32][33][34]
• Ultium Cells LLC — Лансинг, Мичиган, США (ввод в эксплуатацию в конце 2024 года, мощность 50 Вт в год)^[35]
• Совместное предприятие GM/Samsung SDI — Нью-Карлайл, Индиана, США (открытие в 2026 году, мощность более 30 Вт в год)^[36].

В октябре 2021 года корпорация GM также открыла завод Ultium Center в Шанхае. Он производит аккумуляторы и тяговые двигатели для электромобилей, производимых и продаваемых в Китае^[37]. В 2022 году министерство энергетики США (DOE) предоставило компании Ultium Cells кредит в размере 2,5 миллиарда долларов для строительства трёх заводов, о которых было объявлено, в США. Это первый кредит, выданный Министерством энергетики производителю аккумуляторных батарей в рамках программы Министерства энергетики «Производство транспортных средств с использованием передовых технологий».

В январе 2023 года компании GM и LG приостановили планы по строительству четвёртого завода по производству аккумуляторов в США после того, как в августе 2022 года выбрали площадку в Индиане. Корпорация GM искала нового партнёра для совместного предприятия^[38]. Позже в том же году компания Samsung SDI объявила о создании совместного предприятия с GM, и строительство четвёртого завода продолжилось на площадке в Индиане.

Более низкое, чем ожидалось, производство аккумуляторных батарей Ultium привело к тому, что в июле 2023 года корпорация General Motors приостановила производство фургонов BrightDrop Zevo^[39]. В то время было объявлено о планах по расширению производства модулей Ultium на CAMI Assembly, где собираются фургоны Zevo, с использованием ячеек, поставляемых с заводов по производству аккумуляторов. Начиная с 2024 года, модули Ultium, собранные на CAMI, используются на месте и поставляются на другие заводы GM по производству электромобилей^[40].