Dostarczamy niezawodne zasilanie w najnowszych technologiach dla wielu obszarów współczesnej techniki, mówią Krzysztof Lubianiec i Jakub Zręda z firmy Wamtechnik

• Wamtechnik to firma, która historycznie kojarzy się z produkcją pakietów akumulatorowych za pomocą zgrzewania. Czy to dalej aktualne?

W czasie tych lat rynek zasilania się znacznie poszerzył, bo tematyka zasilania stała się istotna w wielu częściach gospodarki, a zwłaszcza w przemyśle. Mimo to pakiety ogniw akumulatorowych cały czas są niezmienną podstawą naszej działalności i od strony biznesowej zapewniają nam trzy czwarte przychodów. Ale nie są to już dzisiaj takie proste jednostki składające się po prostu z połączonych mechanicznie ogniw, tylko produkty o dużej złożoności. Reszta biznesu to usługi integracji, a więc tworzenie źródeł zasilania w postaci gotowych do użycia systemów w stojakach lub szafach oraz działalność handlowa, głównie w zakresie baterii pierwotnych.

Produkujemy też zestawy baterii jednorazowych, a więc nieładowalnych ogniw pierwotnych, które również montuje się w pakiety. Zapotrzebowanie na nie stale się zwiększa, bo są one częścią układów inteligentnego opomiarowania, systemów identyfikacji czy też aplikacji IoT.

Potrzeby tych aplikacji wymagają zapewnienia niezawodnego i długotrwale działającego źródła zasilania o niewielkiej mocy. Wykonuje się to z użyciem wysokiej klasy baterii jednorazowych, do których u nas zgrzewane są wyprowadzenia lub przewody z konektorami, a więc tworzone są wiązki.

• Pakiety zasilające z baterii jednorazowych są nieco zaskakującym produktem w świecie naszpikowanym akumulatorami…

Pakiety wykonywane z baterii jednorazowych na przestrzeni ostatnich lat stały się dla nas sporą częścią biznesu, a ich produkcja przynosi nam około 20% przychodów. Jest to głównie wynik rosnącego znaczenia na rynku technologii telemetrycznych, na przykład liczników ciepła, mediów, przepływów gazów, które są instalowane w rozproszonych lokalizacjach. Takie urządzenia muszą zawierać zasilanie gwarantujące pracę przez wiele lat. Zwykle to jest jedno ogniwo, ale z końcówkami.

Wymagania przemysłu są tutaj bardzo różne, bo w zasadzie każdy potrzebuje innej długości wyprowadzeń, typu złącza, rastra wyprowadzeń czy też sposobu ułożenia wiązki. Przemysł zamawia też relatywnie niewielkie serie takich produktów, które z punktu widzenia światowych producentów ogniw są na tyle małe, że wykluczają możliwość wielkoseryjnej produkcji automatycznej. Dlatego takie zlecenia wykonujemy tu na miejscu.

• Czemu baterii nie wkłada się po prostu do tzw. koszyka?

Takie baterie są zamykane wewnątrz obudowy i są one integrowane w całość razem z elektroniką, która musi działać przez lata. Stąd nie używa się zawodnych koszyków i nawet jak źródłem zasilania jest jedno ogniwo, to i tak zgrzewa się do niego wiązkę przewodów. Taki sposób gwarantuje też najmniejszą rezystancję połączeń oraz jest to metoda najbardziej odporna na wibracje. Znaczenie mają też zalecenia producentów ogniw, jak Panasonic czy Saft, którzy nie rekomendują używania koszyków bateryjnych.

• Czy w zakresie akumulatorów rynek przestawił się już całkowicie na źródła litowo-jonowe?

W świecie zasilania dominuje technologia litowo-jonowa i w oparciu o takie rozwiązania tworzona jest większość aplikacji, w tym wszystkie mobilne. Nasz biznes związany z tą chemią ogniw to mniej więcej trzy czwarte przychodów firmy. Niemniej w skali świata 70% rynku mają akumulatory kwasowo-ołowiowe.

U nas też niewielką część produkowanych przez nas pakietów akumulatorowych stanowią wersje z ogniwami kwasowo-ołowiowymi. Są to bardzo dobre i tanie oraz niezawodne źródła zasilania i od wielu lat najlepszy wybór do wielu aplikacji o charakterze stacjonarnym. Zapewniają prostotę użycia, niską cenę oraz niezawodność. Ich wadą jest mała gęstość energii i mocy, a więc duża objętość i ciężar.

• Jakie zmiany biznesowe wywołała technologia litowo-jonowa?

Wamtechnik w krótkim czasie stał się dostawcą pakietów akumulatorów dla mniej więcej dwóch trzecich krajowych producentów oświetlenia. Był to przełom lat 1990/2000. Wówczas wartość dodana firmy koncentrowała się na zgrzewaniu końcówek do ogniw. Dzisiaj to zgrzewanie cały czas jest jednym z bardzo ważnych etapów procesu montażu, ale trzeba zauważyć, że wymagania klientów też się znacznie zmieniły w ostatnich latach, tak samo jak wykorzystywane przez nas ogniwa.

Dawniej były to wersje niklowo-kadmowe lub niklowo-wodorkowe, w których istotne było połączenie mechaniczne ogniw w całość. Wraz z upowszechnieniem się ogniw litowo-jonowych do pakietów doszła elektronika. W tym przypadku ogniwa muszą mieć zamontowany system zarządzania pracą, bo wymagają tego właściwości ogniw, czego przykładem może być konieczność balansowania ładunku, jak też potrzeba zapewnienia bezpieczeństwa. Niemniej szybko się okazało, że skoro takie obwody muszą być, to niewielkim kosztem ich funkcjonalność można zwiększać i tworzyć złożone systemy zarządzania zasilaniem bateryjnym (BMS).

Na początku pojawiły się wyświetlacze stanu naładowania, a razem z nim mierniki ładunku w kulombach, zliczające wpływający i wypływający ładunek do ogniwa i z niego. W kolejnym kroku pojawiła się komunikacja pozwalająca zarządzać działaniem BMS przez system nadrzędny. Potem baterie zyskały nawet komunikację bezprzewodową.

• Co zmieniło się w zasilaniu akumulatorowym wraz z integracją elektroniki?

Cechą znamienną źródeł zasilania z ogniwami litowo-jonowymi jest to, że zabezpieczenia potrafią wyłączyć zasilanie. Wcześniej zasilanie było dostarczane, póki akumulator całkowicie się nie wyładował i ten zbliżający się koniec był doskonale widoczny dla użytkownika. Teraz z uwagi na bezpieczeństwo zabezpieczenia baterii mają wyższy priorytet niż funkcjonalność urządzenia i takie zdarzenia muszą być obsłużone, a więc wcześniej zasygnalizowane. Sekwencja ochronna też bywa złożona i obejmuje wcześniejsze etapy częściowego ograniczenia mocy po to, aby ograniczyć negatywne skutki zbliżającego się wyłączenia całkowitego.

Gdy zasilane urządzenie realizuje niekrytyczne funkcje, takie wyłączenie nie jest problemem. Ale gdy dotyczy to motocykla elektrycznego, wyłączenie podczas wyprzedzania nie jest czymś oczekiwanym.

Nie da się wyprodukować pakietu akumulatorowego bez wbudowanych obwodów zabezpieczeń napięciowych i termicznych. Stąd w firmie produkujemy i projektujemy takie obwody, zarówno proste o podstawowej funkcjonalności, jak i takie najbardziej rozbudowane z komunikacją, kontrolą stanu i ładunku, zapewniające możliwość pracy równoległej, a więc pełne BMS. Ta praca dotyczy także tworzenia oprogramowania dla takich systemów.

Mamy wiele standardowych konstrukcji układów BMS, które wykorzystujemy w mało krytycznych projektach, ale wiele z bardziej zaawansowanych rozwiązań jest tworzonych na zamówienie pod specyficzne potrzeby klientów. To dotyczy głównie tych zaawansowanych konstrukcji źródeł zasilania. Wykorzystujemy tutaj cztery platformy elektroniczne firm Analog Devices (głównie do rozwiązań dla motoryzacji), Rohm (do aplikacji przemysłowych), TI oraz NXP.

• Jaki potencjał ma ta działalność związana z przygotowaniem produkcji?

Dwadzieścia lat temu firma liczyła 40-50 pracowników, teraz sam dział elektroniki ma takie zatrudnienie. Dział inżynierski jest drugim pod względem wielkości po produkcji w firmie. Do tego doszedł kolejny nowy dział zajmujący się produkcją elementów mechanicznych. Ogniwa litowo-jonowe wymagają też znacznie bardziej złożonej konstrukcji mechanicznej całego źródła.

Ich obudowa często stanowi część urządzenia i musi się wpasować do istniejącego miejsca, zapewnić stabilność mechaniczną i ochronę akumulatorów na narażenia. Drugą ważną funkcją jest rozpraszanie ciepła. Kładziemy duży nacisk na zagadnienia mechaniczne i postrzegamy obudowę ogniw jako element konstrukcyjny, który często firmy lekceważą. U nas jest to zwykle element projektowany na zamówienie i dopasowany ściśle do aplikacji i zaawansowany funkcjonalnie.

W ostatnich latach zamawiamy około 20 form wtryskowych rocznie do realizowanych produktów z tworzyw i materiałów dwukomponentowych. Wykorzystujemy też konstrukcje metalowe z aluminium i stalowe, w tym wersje z wtrysku aluminium, te idą głównie do motocykli. Wewnątrz obudów wykorzystujemy materiały termoprzewodzące, wypełniacze szczelin i podobne. Celem takich rozwiązań jest zapewnienie skutecznego chłodzenia pasywnego.

Niemniej zarabiamy na seryjnej produkcji pakietów, stąd cała reszta służy zapewnieniu, aby tam się działo jak najwięcej. Widać to doskonale w tym, że w produkcji pracuje blisko 150 osób.

• Czy elektromobilność, o której się tyle ostatnio mówi, oddziałuje na Wasz biznes?

Elektromobilność to szerokie pojęcie i mówiąc o niej, należy mieć na uwadze, że kryje się za nią wiele rynków i różnych potrzeb klientów. W tym obszarze produkujemy akumulatory dla największego na świecie producenta motocykli elektrycznych poza Azją - firmy KTM. Zasilamy też motocykle wyścigowe niemieckiej firmy GTA Racing i dostarczamy zasilanie dla kilku innych firm, których nazw niestety nie możemy podać. W zakresie motocykli i skuterów mamy wiedzę i doświadczenie oraz znaczącą pozycję na rynku zasilania dla takiego sprzętu. Na naszym zasilaniu jeżdżą też od kilku lat trolejbusy w Gdyni i Lublinie.

Mamy też kompetencje w zasilaniu dla pojazdów elektrycznych i za sobą jeden zrealizowany projekt dla brytyjskiej firmy Charge wytwarzającej małe ciężarówki dostawcze. Dla niej dostarczyliśmy projekt i linię produkcyjną, na której wytwarzają samodzielnie pakiety akumulatorowe. W taki sposób też zdarza się nam pracować i jesteśmy także w stanie dostarczyć całą technologię.

Natomiast elektromobilność rozumiana przez pryzmat masowej motoryzacji, jeśli chodzi o zasilanie, jest przypisana do producentów samochodów.

• Gdzie kryją się najważniejsze kompetencje w Waszej pracy?

Nie ma jednego szczególnego obszaru lub punktu charakterystycznego, gdzie kompetencje się koncentrują. Są one w całym procesie tworzenia, od wyboru ogniw, przez zaprojektowanie elektroniki, mechaniki, dewelopmencie oprogramowania i integracji w urządzeniu.

Kompetencje techniczne związane z ogniwami litowo-jonowymi stały się tym samym w ostatnich latach bardzo poszukiwane. Lit zapewnia dużą gęstość energii, ale też przy źle zaprojektowanym pakiecie może być poważnym zagrożeniem cieplnym i pożarowym, stąd utrzymanie w ryzach termicznych akumulatorów przy jednoczesnym zapewnieniu maksymalnej wydajności staje się niełatwym zadaniem wymagającym przekrojowej wiedzy z różnych dziedzin techniki i doświadczenia.

Najwięcej do powiedzenia mamy w obszarze rozwiązań przemysłowych. Skala takich projektów jest skrajnie różna: od źródeł do zasilania urządzeń telemetrycznych, po pakiety dla elektrycznych koparek o masie 1,7 tony, gdzie akumulator ma 200 kWh. Obsługujemy czołowego europejskiego producenta motocykli i wytwórcę wózków magazynowych, producentów robotów, zasilamy protezy kończyn wytwarzane przez inną czołową firmę medyczną oraz monitory pracy serca.

• Ile projektów realizujecie w ciągu roku?

W naszych projektach widoczna jest duża różnorodność w zakresie ich skomplikowania oraz skali produkcji i dlatego trudno jest je porównywać. Najmniejsze obejmują pojedyncze baterie pierwotne z dwoma pinami, które też tworzą projekt i zapewniają nam znaczące obroty, bo sprzedajemy ich ponad 600 tys. szt. rocznie.

Większą złożoność mają rozwiązania dla przemysłu, medycyny i wojska, gdzie przygotowanie produktu zajmuje nawet 2-3 lata z uwagi na konieczność wykonania testerów, po najbardziej złożone rozwiązania transportowe. Z reguły realizujemy jednocześnie trzy duże projekty, a więc takie zajmujące nam więcej niż rok pracy oraz kilka kilkanaście niedużych, trwających 9-15 miesięcy.

• Skąd wynikają takie długie czasy realizacji?

Produkcja form wtryskowych zajmuje minimum 3 miesiące, kilka tygodni trwa stworzenie elektroniki. Procesy walidacji zajmują 3-4 tygodnie naszej pracy, a testy termiczne i certyfikacja w naszym laboratorium oraz zewnętrzne w laboratoriach zewnętrznych to kolejne 1-2 miesiące. W tym wszystkim trzeba też uwzględnić trzy cykle projektowe, co razem daje minimum 9 miesięcy realizacji projektu. Same testy wibracyjne pakietów zasilających dla motoryzacji to 200 godzin ciągłych badań.

• Jakie narzędzia wykorzystujecie w projektach?

Projektujemy w oparciu o oprogramowanie SolidWorks, Altium Designer, IAR i korzystamy z szeregu mniejszych narzędzi np. do symulacji termicznej oraz przepływu prądu przez łączniki. Niemniej nie wszystko daje się zaprojektować i zasymulować komputerowo, bo modele w tym obszarze nie są wystarczająco precyzyjne. Stąd w naszej pracy trzeba przeprowadzić sporo testów prototypów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, co też przekłada się na długi czas trwania cykli projektowych. Aby nie popadać w skrajności, część zagadnień symulujemy w oprogramowaniu, a część badamy w testach polowych.

• Skoro wymagania klientów rosną, to w kolejnym kroku częścią pakietu zasilającego powinien stać się też konwerter…

Dwukierunkowy inwerter jest cechą systemów magazynowania energii, ale cały czas dla nas są to rozwiązania niszowe. Dlatego staramy się tutaj ograniczać do ewentualnej integracji konwerterów dostępnych na rynku jako produkty komercyjne. Branża przemysłowa raczej nie chce integrować przekształtników wewnątrz baterii i konwersję robi się po stronie aplikacji.

• Czy klienci mają wystarczającą wiedzę na temat źródeł zasilania?

Świadomość klientów stale się zwiększa, a to, że na rynku pojawiły się samochody elektryczne, pozytywnie stymuluje ten proces. Coraz więcej naszych klientów ma już doświadczenie z technologią litowo-jonową i dzięki temu lepiej wiedzą, czego potrzebują, znają wady tamtejszych rozwiązań lub zaczęli dostrzegać problemy, o których wcześniej nie mieli pojęcia.

Zrozumienie, że źródło zasilania może się wyłączyć oraz wiedza, kiedy się to może stać, nie jest jeszcze taka powszechna. W tym obszarze chyba dominuje podejście wyniesione z zasilania za pomocą źródeł kwasowo-ołowiowych, które można rozładowywać do końca.

Duże firmy realizujące projekty o odpowiednio wysokiej skali są otwarte na sugestie i wręcz liczą na to, że partner rozpozna ich potrzeby i zapewni produkt optymalnie do nich dopasowany.

Najwięcej problemów mają ci, którzy dobór zasilania zostawiają na koniec i potem zmagają się z brakiem miejsca, niedostępnością produktów dopasowanych do ich wymagań.

• Wasza pozycja na rynku polskim i europejskim?

To jest trudno określić. W skali Europy jesteśmy firmą średniej wielkości i to, co robimy, dobrze odpowiada naszej skali działania. W Polsce jesteśmy firmą czołową, jeśli chodzi o obsługę rynku przemysłowego. Wyróżniamy się dużymi kompetencjami oraz kompleksowym podejściem do problemu zasilania i współpracujemy z wszystkimi czołowymi dostawcami ogniw, a więc Panasonicem, Samsungiem, LG.

Wiele dużych firm zajmujących się podobnymi zagadnieniami działa w mniej specjalistycznej skali i raczej nastawia się na projekty wielkoseryjne, takie mniejsze, bardziej złożone są przez nie realizowane mniej chętnie i nierzadko dostajemy zlecenia, które z ich perspektywy okazały się za małe. Szczęśliwie rynek szybko idzie do przodu i wszyscy mają dużo pracy.

• W jakich obszarach rynku chcecie być aktywni w przyszłości?

Perspektywiczny na kolejne lata wydaje się rynek maszyn budowlanych, świat aplikacji IoT oraz rozproszonych sieci pomiarowych, gdzie już dzisiaj sprzedajemy wiele ogniw pierwotnych.

Warunki temperaturowe, jakość długoterminowa, pewność działania, wymagania mechaniczne i termiczne sprawiają, że mimo prostoty produktu trzeba mieć sporo umiejętności, bo wielu klientów popełnia poważne pomyłki i potem ponosi duże koszty serwisowe.

Rozmawiał Robert Magdziak