الحقيبة مقابل الخلايا المنشورية مقابل الخلايا الأسطوانية لحزم بطاريات الدراجات النارية الكهربائية: كيفية الاختيار

يعد اختيار الخلية الخلوية المناسبة أحد القرارات الأولى والأكثر أهمية في مشروع بطارية دراجة نارية كهربائية.

قد يبدأ المشتري بمواصفات بسيطة مثل '72V 40Ah' أو '74V 45Ah' ولكن الجهد والسعة وحدهما لا يخبران الشركة المصنعة للبطارية بالخلية التي يجب استخدامها. تؤثر قوة المحرك، وتيار وحدة التحكم، ومساحة التثبيت المتاحة، والوزن المستهدف، ودرجة حرارة التشغيل، وعمر الخدمة المتوقع، على الاختيار النهائي.

يتم عادةً استخدام ثلاثة تنسيقات لخلايا الليثيوم أيون في مجموعات بطاريات الدراجات النارية الكهربائية:

• خلايا الحقيبة كبيرة الحجم

• الخلايا المنشورية ذات الحالات المعدنية الصلبة

• الخلايا الأسطوانية مثل 18650 و21700 و4680

كل تنسيق له تطبيقات مثبتة. يعتمد الاختيار الصحيح بشكل أقل على الخلية التي تبدو أكثر تقدمًا وأكثر على مدى ملاءمتها للدراجة النارية وحملها الكهربائي.

يشرح هذا الدليل الاختلافات الرئيسية ويستخدم حزمة بطارية 74V 45Ah NMC كمثال اختيار عملي.

لماذا يهم تنسيق الخلية في دراجة نارية كهربائية

تضع الدراجات النارية الكهربائية متطلبات مختلفة على البطاريات مقارنة بسيارات الركاب أو أنظمة تخزين الطاقة الثابتة.

مساحة التثبيت محدودة. يؤثر الوزن بشكل مباشر على المناولة والمدى. يمكن أن يتطلب التسارع تدفقًا كبيرًا من التيار، بينما قد يؤدي التسلق أو القيادة بسرعة عالية إلى إبقاء البطارية تحت حمل ثقيل لعدة دقائق. ويجب أيضًا مراعاة اهتزازات الطريق والتعرض للمياه والتغيرات المتكررة في درجات الحرارة.

يؤثر تنسيق الخلية على:

• وزن العبوة والطاقة القابلة للاستخدام

• استغلال المساحة داخل علبة البطارية

• القدرة على التفريغ المستمر والذروة

• عدد الخلايا والتوصيلات الكهربائية

• التبريد وثبات درجة الحرارة

• مقاومة الاهتزاز والتأثير الميكانيكي

• معدات الإنتاج وتكلفة التجميع

• استراتيجية الصيانة والاستبدال

ولذلك ينبغي تصميم مجموعة البطارية حول السيارة، وليس فقط حول خلية متاحة.

مقارنة سريعة تنسيقات الخلايا الثلاثة،

لعامل اختيار	الخلية الحقيبةية،	الخلية المنشورية	، الخلية الأسطوانية
كثافة الطاقة الوزنية	عادة ما تكون تنافسية للغاية	معتدلة إلى عالية	يعتمد بقوة على نموذج الخلية
استغلال المساحة	ممتاز	جيد في العلبة العادية	أقل بسبب الفجوات بين الخلايا
سعة الخلية	عادة عشرات إلى أكثر من 100Ah	عادة عشرات إلى مئات آه	عادة عدة آه لكل خلية
عدد الخلايا في العبوة	قليل	قليل	عالي
الحماية الميكانيكية	يجب أن توفرها الحزمة	السكن الخلية الصلبة	السكن المعدني الفردي القوي
توافر الطاقة العالية	جيد لنماذج NMC المختارة	يعتمد على النموذج المحدد	العديد من الخيارات عالية السعر التي أثبتت جدواها
مرونة شكل العبوة	عالي	معتدل	عالية من خلال ترتيب الخلايا
عمل اتصال الخلية	اتصالات أقل وأكبر	اتصالات أقل وأكبر	العديد من الاتصالات الصغيرة
إدارة التورم	يتطلب ضغطًا متحكمًا فيه	لا يزال يحتاج إلى دراسة ميكانيكية	تدار بشكل رئيسي عن طريق السكن الخلية
القوة النموذجية	وزن منخفض وتغليف فعال	الصلابة الهيكلية والوحدات البسيطة	التقييس ونضج التصنيع

ويقدم الجدول مقارنة عامة فقط. يمكن لخليتين لهما نفس التنسيق أن يكون لهما طاقة ودورة حياة وخصائص حرارية مختلفة تمامًا.

خلايا الحقيبة كبيرة الحجم

تستخدم خلية الحقيبة طبقة رقيقة من البلاستيك والألومنيوم خفيفة الوزن بدلاً من علبة سميكة من الفولاذ أو الألومنيوم. يؤدي ذلك إلى تقليل مواد التغليف غير النشطة ويسمح باستخدام المزيد من وزن العبوة لتخزين الطاقة.

بالنسبة لدراجة نارية كهربائية ذات مساحة بطارية محدودة، يمكن أن يكون ذلك ميزة كبيرة.

لماذا تعمل خلايا الحقيبة بشكل جيد في الدراجات النارية الكهربائية

يمكن لخلايا الحقيبة NMC الكبيرة أن تجمع بين السعة العالية والوزن المنخفض وإخراج الطاقة القوي في هيكل مستطيل مسطح. إنها جذابة بشكل خاص للدراجات النارية حيث تحتاج البطارية إلى وضعها في إطار ضيق أو حاوية مدمجة أسفل المقعد.

على سبيل المثال، قد تسمح خلية الحقيبة بقدرة 45 أمبير في الساعة بتجميع بطارية بقدرة 74 فولت وسعة 45 أمبير في تكوين 20S1P بسيط. مطلوب 20 خلية فقط.

وهذا يوفر العديد من الفوائد العملية:

• عدد أقل من الخلايا للفحص والمطابقة

• عدد أقل من الاتصالات المتسلسلة والمتوازية

• أسلاك أقل ونقاط لحام أقل

• لا حاجة لإدارة خلايا متوازية متعددة في كل مجموعة جهد

• الاستخدام الفعال لحجم الضميمة المحدودة

• الأسطح المسطحة الكبيرة التي يمكنها الاتصال بمواد نقل الحرارة

• وزن أقل للحزمة بالمقارنة مع العديد من البدائل ذات الحافظات الصلبة

بالنسبة للدراجات النارية عالية الأداء، لا يقتصر تقليل الوزن على توسيع النطاق فحسب. يمكن للبطارية الأخف وزنًا أيضًا تحسين توازن السيارة والتسارع والتعامل معها.

تحتاج خلايا الحقيبة إلى تصميم ميكانيكي مناسب

إن عدم وجود غلاف معدني صلب يعني أن هيكل العبوة يجب أن يحمي الخلايا.

يجب أن تشتمل البطارية الخلوية الحقيبةية المصممة جيدًا على ما يلي:

• ضغط الخلايا المتحكم فيه والموزع بالتساوي

• بدل تغيير السُمك الطبيعي أثناء الخدمة

• العزل بين علامات التبويب وأشرطة التوصيل والعلبة

• الحماية من الحواف الحادة والثقب

• تحديد المواقع بشكل آمن ضد اهتزازات الطريق

• الحواجز الحرارية أو التباعد عند الاقتضاء

• لحام علامة تبويب موثوقة

• ضميمة خارجية قوية

لا ينبغي الضغط على الخلايا بإحكام قدر الإمكان، ولا ينبغي تركها مفكوكة داخل صندوق البطارية. قد يؤدي الضغط المفرط إلى إتلاف الخلية، في حين أن الدعم غير الكافي يمكن أن يسمح بالحركة والتورم والضغط على علامات التبويب.

لذلك تعد خلايا الحقيبة خيارًا قويًا عندما يكون لدى الشركة المصنعة للبطارية خبرة في إطارات الضغط ووصلات علامات التبويب وتصميم الغلاف.

الخلايا المنشورية

تستخدم الخلايا المنشورية غلافًا معدنيًا مستطيلًا صلبًا. مثل الخلايا الحقيبةية، فهي متوفرة بسعات كبيرة نسبيًا، لذلك يمكن بناء حزمة بطارية تحتوي على عدد صغير من الخلايا.

بالنسبة لحزمة 74 فولت 45 أمبير، يمكن أيضًا للخلية المنشورية NMC 45 أمبير أو 50 أمبير أن تدعم تكوين 20S1P.

مزايا الخلايا المنشورية

توفر العلبة الصلبة الدعم الميكانيكي وتسهل وضع الخلايا في حاوية مستطيلة عادية. اعتمادًا على تصميم المحطة، قد يكون تثبيت شريط التوصيل وتجميع الوحدة أمرًا مباشرًا أيضًا.

يمكن أن تكون الخلايا المنشورية خيارًا عمليًا عندما:

• حجرة البطارية لها شكل صندوق منتظم

• يتم إعطاء الأولوية للمتانة الميكانيكية على الحد الأدنى للوزن

• يتم استخدام السيارة على الطرق الوعرة

• يتم تثبيت البطارية في دراجة نارية لنقل البضائع أو دراجة ثلاثية العجلات كهربائية

• تتوفر خلية مثبتة ذات السعة الصحيحة ومعدل التفريغ

• لدى الشركة المصنعة للحزمة بالفعل تصميم وحدة متوافق

ومع ذلك، فإن العلبة المعدنية تضيف وزنًا وتشغل مساحة. كما أن أبعاد الخلية المنشورية أقل مرونة، لذا قد لا تتناسب الخلية المناسبة تقنيًا مع حجرة البطارية المتوفرة.

خطأ شائع آخر هو افتراض أن كل خلية موشورية في السيارة مناسبة لدراجة نارية كهربائية. تم تصميم بعض الخلايا المنشورية الكبيرة NMC بشكل أساسي لتوفير سعة الطاقة بدلاً من التيار العالي. قد تبدو قدرتها جذابة، لكن تفريغها المستمر المسموح به أو أدائها في درجات الحرارة المنخفضة أو سلوكها الحراري قد لا يتوافق مع وحدة التحكم في الدراجة النارية.

يجب فحص ورقة البيانات - ويفضل اختبار الخلايا المستقلة - قبل الاختيار.

الخلايا الأسطوانية

تُستخدم الخلايا الأسطوانية على نطاق واسع في الدراجات البخارية الكهربائية والدراجات الإلكترونية والدراجات النارية. تتضمن التنسيقات الشائعة 18650 و21700، بينما تدخل الخلايا الأسطوانية الأكبر مثل 4680 في المزيد من تطبيقات التنقل.

يوفر غلافها المعدني حماية ميكانيكية فردية جيدة، وتتوفر معدات آلية ناضجة لفرز الخلايا ووضعها ولحامها.

لماذا يختار المصنعون الخلايا الأسطوانية؟

توفر الخلايا الأسطوانية العديد من المزايا:

• أبعاد موحدة

• توافر الموردين على نطاق واسع

• إنتاج ناضج بكميات كبيرة

• قوة ميكانيكية جيدة

• العديد من خيارات الخلايا عالية المعدل

• أشكال العبوات المرنة من خلال ترتيبات الخلايا المختلفة

• محتوى طاقة أصغر لكل خلية

يمكن لحجم الخلية الأصغر أيضًا أن يسهل توزيع التيار والحرارة عبر عدد كبير من الخلايا. إذا تم تصميمها بشكل صحيح، يمكن أن توفر الحزمة الأسطوانية أداءً ممتازًا للطاقة.

المقايضة هي التعقيد.

قد تحتوي بطارية الدراجة النارية الكهربائية الكبيرة على مئات الخلايا الأسطوانية. تتطلب كل خلية الفحص والتجميع والتوصيل الكهربائي. تستهلك حوامل الخلايا وفجوات التبريد المساحة، بينما يزيد العدد الكبير من اللحامات من أهمية اتساق الإنتاج.

على سبيل المثال، إذا كانت حزمة 74V 45Ah تستخدم خلايا أسطوانية 5Ah، فإن التكوين التقريبي سيكون:

• 20 خلية في سلسلة

• 9 خلايا بالتوازي

• 20S9P

• 180 خلية في المجموع

إذا تم تحديد خلايا 4.5Ah، فقد تتطلب الحزمة تكوين 20S10P مع 200 خلية.

بالمقارنة، قد تحتاج الحقيبة سعة 45 أمبير أو المحلول المنشوري إلى 20 خلية كبيرة الحجم فقط.

تعتبر الخلايا الأسطوانية مناسبة تمامًا للمنتجات عالية الحجم وذات الحجم الكبير. ومع ذلك، بالنسبة للبطارية المخصصة ذات الحجم المنخفض، فإن أعمال الأدوات واللحام والتجميع يمكن أن تجعل التصميم أقل جاذبية.

ما هو تنسيق الخلية الذي يناسب مشاريع الدراجات النارية الكهربائية المختلفة؟

الدراجات البخارية الكهربائية الحضرية

غالبًا ما تكون الخلايا الأسطوانية خيارًا عمليًا للدراجات البخارية الحضرية الموحدة، خاصة عندما يكون حجم الإنتاج مرتفعًا ومتطلبات الطاقة معتدلة.

يمكن أيضًا أن تكون خلايا الأكياس الكبيرة جذابة عندما تريد الشركة المصنعة سعة أكبر في حاوية مدمجة أو مجموعات متوازية أقل.

دراجات نارية كهربائية عالية الأداء

غالبًا ما تكون خلايا الحقيبة NMC الكبيرة مرشحة قوية للدراجات النارية عالية الأداء لأنها يمكن أن توفر توازنًا مفيدًا لكثافة الطاقة وقوة التفريغ وكفاءة التعبئة والتغليف.

لا يزال القرار النهائي يعتمد على معدل التفريغ الفعلي للخلية. لا ينبغي معاملة خلية الطاقة ذات القدرة العالية على أنها خلية ذات طاقة عالية إلا إذا كانت مواصفاتها وبيانات الاختبار الخاصة بها تدعم التيار المطلوب.

دراجات نارية لنقل البضائع ودراجة ثلاثية العجلات كهربائية

قد تكون الخلايا المنشورية مفضلة عندما تكون مساحة العلبة منتظمة وتكون القوة الميكانيكية مهمة. يتم أيضًا أخذ الخلايا المنشورية LFP في الاعتبار بشكل شائع عندما تكون دورة الحياة والاستقرار الحراري أكثر أهمية من الحد الأدنى للوزن.

إذا كانت كيمياء NMC مطلوبة، فيجب مقارنة كلا الخيارين المنشوري والحقيبة من خلال أداء التفريغ والأبعاد ووزن العبوة.

أنظمة البطاريات القابلة للتبديل

تحتاج البطاريات القابلة للتبديل إلى تحقيق التوازن بين الطاقة والوزن والتعامل والمتانة الميكانيكية.

تتمتع الخلايا الأسطوانية بسجل قوي في أنظمة المبادلة الموحدة. يمكن لخلايا الحقيبة تحسين استخدام المساحة، ولكن يجب تصميم حاوية البطارية وهيكل الدعم الداخلي بحيث يمكن إزالتها والتعامل معها بشكل متكرر.

النماذج الأولية والمشاريع المخصصة ذات الحجم المنخفض

يمكن للحقيبة كبيرة الحجم أو الخلايا المنشورية أن تقلل من إجمالي عدد الخلايا وتبسط البنية الكهربائية. وهذا يجعلها جذابة للدراجات النارية النموذجية ومشاريع البطاريات المخصصة، بشرط توفر عمليات الربط والعمليات الميكانيكية اللازمة.

دراسة الحالة: اختيار الخلايا لحزمة بطارية دراجة نارية كهربائية بقدرة 74 فولت و45 أمبير في الساعة

لنفترض أن العميل يطلب 'حزمة بطارية 7445'. قبل البدء في التصميم، يجب على الشركة المصنعة التأكد أولاً من أن هذا يعني 74 فولت و45 أمبير.

باستخدام خلايا NMC 3.7 فولت، سيكون التكوين الأساسي كما يلي:

• التكوين: 20S

• الجهد الاسمي: 20 × 3.7 فولت = 74 فولت

• جهد الشحن الكامل: 20 × 4.2 فولت = 84 فولت

• السعة المقدرة: 45 أمبير

• الطاقة الاسمية: 74 فولت × 45 أمبير = 3.33 كيلو وات في الساعة

للوهلة الأولى، تبدو حزمة 20S1P التي تستخدم خلايا الحقيبة سعة 45 أمبير واضحة ومباشرة. لكن تيار المحرك وجهاز التحكم سيحدد ما إذا كانت الخلية المحددة مناسبة أم لا.

قوة المحرك وتيار البطارية

يمكن تقدير التيار النظري عند الجهد الاسمي على النحو التالي:

[
أنا = rac{P}{V}
]

وهذا يعطي القيم التقريبية التالية:

ذروة قوة المحرك	الحالية عند 74 فولت
3 كيلو واط	41 أ
5 كيلو واط	68 أ
8 كيلو واط	108 أ
10 كيلوواط	135 أ

هذه هي حسابات الجهد الاسمي المبسطة. يمكن أن يكون تيار البطارية الفعلي أعلى بسبب انخفاض جهد الحزمة عند حالة الشحن المنخفضة ولأن وحدة التحكم والمحرك والأسلاك ليست فعالة بنسبة 100%.

عادةً ما يكون الحد الأقصى لتيار بطارية وحدة التحكم أكثر فائدة من لوحة المحرك عند اختيار الخلية.

إذا كانت وحدة التحكم تسمح بتيار بطارية 120 أمبير، فيجب أن تدعم خلية 45 أمبير:

[
120 أمبير div 45 أمبير = 2.67 درجة مئوية
]

لن تكون الخلية المُصنفة للتفريغ المستمر بمقدار 1C فقط اختيارًا آمنًا لحالة التشغيل هذه. مطلوب خلية ذات أداء مناسب للتيار المستمر والتيار النبضي وارتفاع درجة الحرارة وانخفاض الجهد.

الخيار 1: خلايا الحقيبة NMC 20S1P 45Ah

عادةً ما يكون هذا هو الخيار الأول للتقييم عندما يحدد المشروع أولوياته:

• انخفاض وزن البطارية

• أبعاد مدمجة

• الاستخدام الفعال لمساحة التثبيت

• هيكل كهربائي بسيط 1P

• كثافة طاقة عالية

• أداء تسارع قوي

لا تزال الخلية بحاجة إلى اجتياز تقييم التفريغ ودرجة الحرارة ودورة الحياة ضمن ملف التشغيل المتوقع.

الخيار 2: الخلايا المنشورية 20S1P 45Ah أو 50Ah NMC

قد يكون هذا مناسبًا عندما:

• العلبة كبيرة ومستطيلة

• وزن الخلية الإضافي مقبول

• الصلابة الهيكلية هي الأولوية

• تتمتع الخلية المنشورية المختارة بقدرة طاقة كافية

• تتوافق أبعاد الخلية مع حجرة البطارية

يجب على الشركة المصنعة ألا تختار الخلية المنشورية فقط لأن غلافها المعدني يبدو أكثر أمانًا. تعد كيمياء الخلية والتصميم الداخلي واتساق الجودة واستراتيجية BMS والانصهار وحماية الانتشار الحراري أكثر أهمية من الشكل الخارجي وحده.

الخيار 3: عبوة أسطوانية 20S9P أو 20S10P

يمكن أن يعمل هذا بشكل جيد عندما:

• تتوفر خلية أسطوانية عالية السرعة مثبتة

• تمتلك الشركة المصنعة معدات الفرز واللحام الآلي

• ومن المتوقع أن يدخل تصميم البطارية في إنتاج حجم ثابت

• يمكن أن يستوعب العلبة عددًا أكبر من الخلايا والحاملين

• تم التحقق من صحة المشاركة الحالية على مستوى الخلية

بالنسبة لطلب مخصص صغير، قد يؤدي ارتفاع عدد الخلايا وتعقيد التجميع إلى جعل الخيار الأسطواني أقل كفاءة.

المعلومات المطلوبة قبل اختيار الخلية

قبل التوصية بالخلية، يجب على مورد البطارية المسؤول أن يطلب أكثر من الجهد والسعة.

المعلومات التالية مهمة بشكل خاص:

1. قوة المحرك المقدرة وقوة الذروة

2. تحكم الحد الأقصى لتيار البطارية

3. مطلوب تيار التفريغ المستمر والذروة

4. مدة الذروة الحالية

5. طول حجرة البطارية وعرضها وارتفاعها

6. الحد الأقصى لوزن البطارية المسموح به

7. نطاق الركوب المستهدف وسرعة التشغيل

8. شحن الجهد والتيار ووقت الشحن المطلوب

9. تيار الكبح المتجدد

10. نطاق درجة حرارة التشغيل

11. ظروف الطريق والاهتزاز والعزل المائي

12. متطلبات الاتصال مثل CAN أو UART

13. دورة الحياة المطلوبة

14. متطلبات السوق وإصدار الشهادات المستهدفة

15. النموذج الأولي وكميات الإنتاج

وبدون هذه المعلومات، فإن التوصية بخلية البطارية تكون في الغالب مجرد تخمين.

الحقيبة المنشورية أم الأسطوانية: أيهما أفضل؟

لا يوجد فائز عالمي.

تعتبر الخلايا الأسطوانية جذابة لحزم البطاريات القياسية ذات الحجم الكبير والتطبيقات التي تستفيد من عمليات التصنيع الناضجة. توفر الخلايا المنشورية بنية صلبة ويمكنها تبسيط عملية التجميع في حاوية عادية. تعتبر خلايا الأكياس الكبيرة ذات قيمة خاصة عندما يكون الوزن المنخفض والتعبئة الفعالة والقدرة العالية وانخفاض عدد الخلايا أمرًا مهمًا.

بالنسبة للعديد من مشاريع الدراجات النارية الكهربائية عالية الأداء 72 فولت و74 فولت، تستحق خلايا الحقيبة الكبيرة NMC التقييم أولاً. يمكن أن يوفر تكوين 20S1P باستخدام خلايا 40Ah أو 45Ah أو 50Ah أو أكبر بنية كهربائية نظيفة واستخدامًا ممتازًا للمساحة المتاحة.

يجب أن يعتمد القرار على الأداء المُقاس بدلاً من الشكل وحده. يجب مراجعة السعة والمقاومة الداخلية للتيار المستمر والتيار المستمر والتيار النبضي وانخفاض الجهد وارتفاع درجة الحرارة وعمر الدورة والتكامل الميكانيكي.

حلول خلايا بطارية الدراجة النارية الكهربائية من Misen

تقوم شركة Misen بتوريد حلول NMC وLFP وشبه الصلبة وغيرها من حلول الخلايا الحقيبةية كبيرة الحجم للدراجات النارية الكهربائية والدراجات البخارية الكهربائية والمركبات الكهربائية الخفيفة وأنظمة البطاريات المخصصة. تتوفر أيضًا خيارات الخلايا الأسطوانية والمنشورية المحددة للمشاريع حيث توفر هذه التنسيقات توافقًا تقنيًا أفضل.

يمكن لفريقنا المساعدة في تقييم:

• كيمياء الخلية وشكلها

• تكوين السلسلة والتوازي

• المتطلبات الحالية المستمرة والذروة

• أبعاد الخلية وتوافق حجرة البطارية

• مطابقة السعة والجهد والمقاومة الداخلية

• اختبار العينة والتحقق من صحة المشروع

• وحدة البطارية المخصصة ومتطلبات الحزمة

لتقييم مشروع دراجة نارية كهربائية، أرسل لنا الجهد المطلوب والسعة وقوة المحرك وتيار جهاز التحكم وأبعاد حجرة البطارية المتوفرة.

تعتبر المواصفات مثل '74V 45Ah' نقطة انطلاق جيدة. يأتي اختيار الخلية الصحيح من فهم ما يجب أن تفعله الدراجة النارية.