دليل استبدال بطارية السكوتر الكهربائي: كيفية اختيار الخلايا وتصميم حزمة آمنة

يمكن أن يؤدي استبدال بطارية السكوتر القديمة إلى استعادة المدى وتحسين استقرار الجهد والحفاظ على سلامة السيارة على الطريق. الجزء الصعب هو عدم العثور على خلايا بنفس الجهد المطبوع على الملصق. إنها تجعل الخلايا الجديدة وحزمة البطارية ونظام إدارة المباني والشاحن ووحدة التحكم في السيارة تعمل كنظام واحد.

وقد سلط مشروع حديث الضوء على هذا الأمر. كانت السيارة عبارة عن سكوتر ماكسي Vectrix VX-1، وكانت الخلية البديلة المقترحة عبارة عن خلية كيس GBT 3.2V 70Ah LFP. يعد VX-1 حالة مفيدة لأنه يعمل بجهد أعلى بكثير من سكوتر الركاب النموذجي، ولكن نفس الأسئلة الهندسية تنطبق على الدراجات البخارية للتوصيل 48 فولت، ونماذج المدن 60 فولت، والدراجات البخارية ذات الأداء 72 فولت وغيرها من المركبات الكهربائية الخفيفة.

يشرح هذا الدليل كيفية فحص الخلية البديلة وحساب تكوين الحزمة وتحديد التفاصيل التي يجب التحقق منها قبل إنشاء أي جهاز.

البطارية البديلة عبارة عن نظام، وليست صندوقًا من الخلايا

قد يظل السكوتر يتمتع بمحرك وشاسيه ووحدة تحكم جيدة حتى عندما لا تكون بطاريته الأصلية قابلة للخدمة. وهذا يجعل استبدال الخلية أمرًا جذابًا، خاصة بالنسبة للمركبات المتوقفة أو الدراجات البخارية التجارية التي تحتاج إلى البقاء في الخدمة.

ومع ذلك، يجب أن يستوفي التحويل الناجح ستة شروط في نفس الوقت:

• يجب أن يظل جهد التشغيل ضمن النطاق الآمن لوحدة التحكم.

• يجب أن توفر الخلايا طاقة مستمرة وقمم تسارع قصيرة دون تراجع الجهد الزائد.

• يجب أن تتلاءم الخلايا وأجهزة التغليف مع حجرة البطارية فعليًا.

• يجب أن يحمي نظام إدارة المباني كل مجموعة متسلسلة ويتعامل مع كل من تيار المحرك والشحن المتجدد.

• يجب أن يستخدم الشاحن ملف تعريف الجهد الصحيح للكيمياء الجديدة وعدد السلسلة.

• يجب أن تتحمل العبوة النهائية الاهتزازات والحرارة والرطوبة والتأثير ودورات الخدمة المتكررة.

إذا تم إغفال أحد هذه الشروط، فإن الحزمة التي تبدو صحيحة على الورق قد توفر نطاقًا سيئًا، أو تؤدي إلى حدوث أخطاء في وحدة التحكم، أو تخلق خطرًا على السلامة يمكن تجنبه.

ابدأ بالمركبة، وليس بالخلية البديلة

قبل اختيار الخلية، قم بجمع بيانات السيارة الأصلية. اسم الطراز وحده لا يكفي لأن الشركات المصنعة غالبًا ما تستخدم بطاريات أو أجهزة شحن أو برامج ثابتة مختلفة عبر سنوات الإنتاج والإصدارات الإقليمية.

كيف يغير التكوين المتسلسل والمتوازي الحزمة

الخلايا المتصلة على التوالي تزيد من الجهد. الخلايا المتصلة بالتوازي تزيد من السعة والقدرة الحالية. الحسابات الأساسية بسيطة:

كلمة '72 فولت' لا تصف بطارية عالمية واحدة. عادةً ما يتم تصميم حزمة NMC من فئة 72 فولت على أنها 20S، مما يوفر حوالي 74 فولتًا اسميًا و84 فولتًا عند الشحن الكامل. توفر حزمة 24S LFP 76.8 فولت اسميًا وما يصل إلى 87.6 فولت إذا تم شحنها إلى 3.65 فولت لكل خلية. يمكن بيع كليهما كبطاريات 72 فولت، لكنهما غير قابلتين للتبديل دون التأكد من حدود وحدة التحكم والشاحن.

هذه أمثلة حسابية، وليست بدائل عالمية. يجب تحديد العدد النهائي للسلسلة من الحد الأدنى والحد الأقصى الفعليين لحدود ناقل التيار المباشر للمركبة.

LFP أو NMC: ما هي الكيمياء التي تناسب تحويل السكوتر؟

غالبًا ما يتم اختيار LFP لمشاريع الاستبدال لأنها توفر ثباتًا حراريًا جيدًا ودورة حياة طويلة. تظل NMC ذات قيمة عندما تكون حجرة البطارية ضيقة وتكون الأولوية للنطاق لكل كيلوغرام. لا تعتبر الكيمياء أفضل تلقائيًا لكل سكوتر.

تنسيق الخلية مهم أيضًا. الخلايا الأسطوانية وحداتية ومدعومة على نطاق واسع، والخلايا المنشورية قوية ميكانيكيًا وسهلة التجميع، في حين يمكن للخلايا الحقيبةية الاستفادة بشكل أفضل من العلبة الطويلة أو الضحلة. تحتاج خلايا الحقيبة إلى ضغط وحماية يمكن التحكم فيهما من الحواف الحادة والضغط المحلي. تحتاج علامات التبويب أيضًا إلى قضبان توصيل أو وصلات ملحومة مصممة بشكل صحيح؛ ولا ينبغي معاملتها مثل الأوراق المرنة التي يمكن تعبئتها ببساطة في مساحة غير مستخدمة.

دراسة حالة: فحص حزمة 40S 70Ah LFP لجهاز Vectrix VX-1

تم تصميم Vectrix VX-1 الأصلي حول نظام بطارية عالي الجهد. تصف المواد التقنية المنشورة البطارية المبكرة بحوالي 125 فولت و30 أمبير و3.7 كيلو واط في الساعة. استخدمت إصدارات المصنع اللاحقة Li/Li+ 40 خلية LFP متسلسلة، مما أدى إلى إنتاج جهد ناقل اسمي يبلغ 128 فولت. يجعل هذا التاريخ من بنية 40S LFP نقطة بداية معقولة لتحويل VX-1، ولكن ليس موافقة تلقائية لكل سنة طراز أو إصدار برنامج ثابت.

بالنسبة للمشروع المقترح، فإن بيانات الفحص الأولية لخلية الحقيبة GBT هي 3.2V و70Ah وحوالي 14.5 × 102 × 376 مم. تشير بيانات المشروع أيضًا إلى التفريغ المستمر بمقدار 2C والتفريغ النبضي بمقدار 5C. يجب تأكيد هذه التصنيفات وفقًا لنموذج الخلية الدقيق وورقة البيانات الموقعة الحالية الخاصة به قبل إصدار الحزمة للإنتاج.

يجب التحقق من الطلب الحالي عند حالة الشحن المنخفضة

يسحب حمل 10 كيلو واط حوالي 78 أمبير عند 128 فولت. حمولة 15 كيلو واط تسحب حوالي 117 أمبير. يرتفع التيار مع انخفاض جهد الحزمة، وتزيد خسائر الكابلات والموصلات ووحدات التحكم من الطلب على البطارية. لهذا السبب، يجب فحص القدرة الحالية بالقرب من جهد التشغيل الأدنى وعند أعلى درجة حرارة محيطة متوقعة - وليس فقط عند الجهد الاسمي على طاولة المختبر.

قد تكون الخلايا الخام مناسبة بينما لا تتناسب العبوة النهائية

إذا تم تقسيم 40 خلية إلى مجموعتين من 20 خلية، فإن غلاف الخلية النظري فقط يبلغ حوالي 376 × 290 × 204 ملم. بالمقارنة مع غلاف بطارية VX-1 الذي يبلغ حوالي 610 × 330 × 222 ملم، يبدو هذا واعدًا. ومع ذلك، يبلغ الارتفاع المتبقي حوالي 18 مم فقط قبل إضافة لوحات الضغط، والعزل الكهربائي، ودعامات علامات التبويب، وقضبان التوصيل، وأسلاك الاستشعار، وتفاوتات العلبة. قد يكون اتجاه علامة التبويب والوصول إلى الخدمة أكثر أهمية من الحجم غير المستخدم في أي مكان آخر في الخليج.

ولهذا السبب يجب أن تكون الخطوة التالية عبارة عن تخطيط حزمة ثلاثي الأبعاد يعتمد على هندسة السيارة المُقاسة. لا يمكن أن يُظهر حساب الحجم ما إذا كان من الممكن بالفعل تجميع الحزمة وتركيبها وصيانتها بشكل آمن.

ينبغي تقدير المدى من الطاقة القابلة للاستخدام

تبلغ الطاقة الاسمية 8.96 كيلووات في الساعة، لكن التصميم العملي عادةً ما يحتفظ بالطاقة في أعلى وأسفل نافذة الجهد. إذا تم التعامل مع 85% على أنها قابلة للاستخدام، فإن الحزمة توفر حوالي 7.6 كيلووات في الساعة. وبمتوسط ​​استهلاك يبلغ 80 وات/كم، فإن التقدير البسيط يبلغ حوالي 95 كم؛ عند 100 وات/كم، أي حوالي 76 كم. يمكن للسرعة وكتلة الراكب والتلال ودرجة الحرارة وضغط الإطارات والرياح أن تحرك النتيجة الحقيقية بشكل كبير.

اختيار BMS: أكثر من مجرد مطابقة عدد السلاسل

إن نظام BMS الذي يحمل العلامة '40S LFP' ليس مناسبًا تلقائيًا لحزمة السكوتر 40S. يجب أن يتوافق تصنيف الجهد الكهربي وأجهزة الاستشعار الحالية ومخرجات الموصل ومنطق الشحن المسبق واستراتيجية الموازنة وبروتوكول الاتصال مع السيارة.

للحصول على حزمة الجر، ينبغي مراجعة نظام إدارة المباني من أجل:

• حماية الجهد الزائد والجهد المنخفض لكل خلية

• تيار التفريغ المستمر وتيار الذروة المحدود بالوقت

• تيار الشحن، بما في ذلك الكبح المتجدد

• أجهزة استشعار درجة الحرارة في النقاط الساخنة والباردة التمثيلية

• التحكم في الموصل، وسلوك الشحن المسبق وإيقاف تشغيل الخطأ

• تيار التوازن السلبي أو النشط

• يمكن التواصل مع الشاحن أو لوحة القيادة أو وحدة التحكم في المحرك

• النوم الحالي أثناء التخزين وتأمين الشحن في درجات الحرارة المنخفضة

الكبح المتجدد يستحق اهتماما خاصا. عندما تكون البطارية ممتلئة أو باردة، قد لا تتمكن من قبول تيار التجديد العادي. يحتاج BMS ووحدة التحكم إلى طريقة منسقة لتقليل أو تعطيل التجديد قبل أن يضطر BMS إلى فتح الموصل الرئيسي تحت الحمل.

هل يمكن الإحتفاظ بشاحن السكوتر الأصلي؟

في بعض الأحيان، ولكن فقط بعد التحقق من سلوكها. لا ينبغي افتراض أن الشاحن المصمم لـ NiMH يعمل مع LFP. حتى حزمتي الليثيوم ذات الفولتية الاسمية المماثلة قد تتطلب جهدًا أقصى مختلفًا وقواعد تيار ودرجة حرارة مختلفة.

هناك ثلاث طرق مشتركة:

1. أعد برمجة الشاحن الأصلي عند توفر البرامج الثابتة المدعومة ووثائق الاتصال.

2. استبدل الشاحن بوحدة مصممة للكيمياء الجديدة وعدد السلسلة واتصالات BMS.

3. استخدم نظام شاحن-BMS مستقل مع الحفاظ على وظائف التعشيق والعرض المطلوبة للمركبة.

لا يحتاج هدف الشحن دائمًا إلى أن يساوي الحد الأقصى المطلق الذي تسمح به الخلية. يمكن أن يوفر الجهد العلوي المنخفض قليلاً هامش تشغيل مفيدًا وقد يدعم عمر خدمة أطول، ولكن القيمة المحددة يجب أن تظل متوافقة مع الموازنة وحساب حالة شحن السيارة.

التفاصيل الميكانيكية والكهربائية التي تحدد الموثوقية

تبدأ العديد من مشكلات التحويل خارج الخلية نفسها. تحتاج مجموعة السكوتر الموثوقة إلى غلاف صلب، وضغط خلية يمكن التنبؤ به، وعزل بين الأجزاء الموصلة، وتخفيف الضغط عند كل مخرج للكابل، وفصل كافٍ بين الأسلاك ذات الجهد العالي والمنخفض الجهد.

يجب أن يتضمن التصميم أيضًا:

• منصهر رئيسي مصنف بشكل صحيح يقع بالقرب من مخرج العبوة

• قطع الخدمة أو إجراء الصيانة الآمنة

• مقاومة الشحن المسبق للحد من تيار تدفق مكثف وحدة التحكم

• موصلات ذات جهد تيار مستمر مناسب وتصنيفات تيار العطل

• قضبان التوصيل مصممة للتيار وارتفاع درجة الحرارة والاهتزاز

• حماية ضد الماء والغبار الموصل وحطام الطريق

• المسارات الحرارية التي لا تشكل خلايا ساخنة معزولة

• قطبية واضحة، والجهد العالي، وتسميات الخدمة

بالنسبة لحزمة الخلايا الحقيبةية، يجب أن يكون الضغط موحدًا ومحددًا وليس مرتجلًا. يمكن أن يؤدي ضبط النفس قليلًا جدًا إلى حدوث تورم وتعب في علامات التبويب؛ يمكن أن يؤدي الضغط المحلي الزائد إلى إتلاف الطبقات الخشبية أو الداخلية.

سير عمل عملي لاستبدال بطارية السكوتر

ما الذي يجب اختباره قبل عودة السكوتر إلى الطريق؟

على الأقل، يجب فحص النموذج الأولي للتأكد من اتساق الخلية، والسعة القابلة للاستخدام، وترهل الجهد العالي الحالي، وارتفاع درجة حرارة قضيب التوصيل، ومقاومة العزل، وعتبات BMS، وتشغيل الموصل وقطع الشاحن. يجب أن تبدأ اختبارات السيارة بقوة خاضعة للتحكم وتتوسع تدريجيًا لتشمل التسارع وتسلق التلال والكبح المتجدد.

تتضمن خطة التحقق المفيدة أيضًا نقع الشحن الكامل، وتشغيل حالة الشحن المنخفضة، والظروف الساخنة والباردة المناسبة للسوق، وتيار التخزين بدون مفتاح، ومحاكاة الأعطال. الهدف ليس مجرد تحريك السكوتر. إنه التأكد من أن الأخطاء التي يمكن التنبؤ بها تؤدي إلى استجابة خاضعة للرقابة وقابلة للاسترداد.

حيث قد تناسب خلية الحقيبة GBT 70Ah LFP

يمكن أن تكون خلية الحقيبة LFP عالية الطاقة بقدرة 70 أمبير خيارًا مثيرًا للاهتمام للدراجات البخارية الكبيرة والدراجات النارية الكهربائية وتحويلات المركبات الكهربائية الخفيفة حيث تفضل العلبة الخلايا الطويلة والرفيعة. عند 40S1P، فإنه يوفر ما يقرب من 9 كيلو وات في الساعة من الطاقة الاسمية بدون مجموعات خلايا متوازية. عند الفولتية المنخفضة للنظام، يمكن لنفس السعة دعم دراجات التوصيل ومركبات الخدمات والتطبيقات الأخرى التي تعطي الأولوية لركوب الدراجات اليومية والطاقة المستقرة.

لا يزال الاختيار الصحيح يعتمد على مواصفات الخلية التي تم التحقق منها ودورة عمل السيارة. تختلف احتياجات سكوتر المدينة الذي يتنقل بقوة متواضعة عن سكوتر ماكسي الثقيل الذي يتسلق درجات طويلة، حتى عندما تحمل كلتا الحزمتين علامة 70Ah.

للحصول على معلومات الخلية الحالية، راجع Misen's GBT 3.2V 70Ah LFP خلية الحقيبة والأوسع مجموعة خلايا الحقيبة LiFePO4 . يجب دائمًا تأكيد التقييمات النهائية لمجموعة الإنتاج الدقيقة وتصميم العبوة.

الأسئلة المتداولة

هل يمكنني استبدال بطارية الرصاص الحمضية أو بطارية NiMH الخاصة بالسكوتر بـ LFP؟

في كثير من الأحيان نعم، ولكنه تحويل للنظام وليس مبادلة مباشرة للخلايا. يجب أن تتوافق الحزمة الجديدة مع نافذة الجهد الكهربي لوحدة التحكم، وتحتاج عادةً إلى نظام إدارة المباني واستراتيجية الشاحن الخاصة بالكيمياء.

كيف أختار عدد خلايا LFP المتسلسلة؟

اعمل بشكل عكسي من الحد الأدنى والحد الأقصى المسموح به لجهد البطارية في وحدة التحكم. التحقق من كل من الجهد الاسمي والجهد الكامل للشحن؛ لا تختار عدد السلسلة من الجهد التسويقي للسكوتر وحده.

هل البطارية ذات آه الأعلى هي الأفضل دائمًا؟

لا. قد تؤدي زيادة السعة إلى تحسين النطاق، ولكنها تؤدي أيضًا إلى تغيير حجم العبوة ووزنها ووقت الشحن وطاقة الخطأ. لا يزال يتعين على الحزمة تلبية المتطلبات الحالية والحرارية والميكانيكية ومتطلبات تكامل المركبات.

هل يستطيع نظام BMS وحده حماية وحدة التحكم في المحرك؟

لا، يعمل نظام إدارة المباني على حماية البطارية، في حين أن كل من وحدة التحكم والمصهر والموصلات ودائرة الشحن المسبق لها وظائف منفصلة. ويجب تنسيق حدودها وسلوك إيقاف التشغيل.

ما هي المعلومات المطلوبة لاقتراح بطارية سكوتر مخصصة؟

قم بتوفير طراز السكوتر والسنة، وملصق البطارية الأصلي، وملصقات وحدة التحكم والشاحن، وأبعاد حجرة البطارية المقاسة، والنطاق المطلوب، وطاقة السيارة، والسرعة القصوى، ووزن الراكب/الحمولة، وصور الموصل ودرجة حرارة التشغيل المتوقعة. تعد وثائق CAN أو الأسلاك مفيدة بشكل خاص للدراجات البخارية ذات الجهد العالي.

الأفكار النهائية

إن أفضل خلية بديلة ليست ببساطة تلك التي تتمتع بأكبر سعة أو أعلى معدل C. إنها الخلية التي يمكن دمجها في حزمة كاملة مع نافذة الجهد الصحيحة، وهامش التيار الكافي، والتخطيط الميكانيكي الواقعي والحماية المنسقة.

يوضح Vectrix VX-1 سبب أهمية هذه العملية. تعتبر حزمة 40S 70Ah LFP جذابة كهربائيًا وتوفر زيادة كبيرة في الطاقة الاسمية، إلا أن واجهة الشاحن والكبح المتجدد وارتفاع العبوة وضغط خلية الحقيبة قد تقرر ما إذا كان التصميم عمليًا أم لا. ينطبق نفس النهج المنضبط على الدراجات البخارية الأصغر حجمًا 48 فولت و72 فولت.