Ръководство за смяна на батерията на електрически скутер: Как да изберете клетки и да проектирате безопасен пакет

Смяната на остаряла батерия на скутер може да възстанови обхвата, да подобри стабилността на напрежението и да запази иначе здравото превозно средство на пътя. Трудната част е да не намерите клетки със същото напрежение, отпечатано на етикета. Той кара новите клетки, батерията, BMS, зарядното устройство и контролера на превозното средство да работят като една система.

Скорошен проект постави това на фокус. Превозното средство беше макси-скутер Vectrix VX-1, а предложената резервна клетка беше GBT 3.2V 70Ah LFP пауч клетка. VX-1 е полезен случай, тъй като работи при много по-високо напрежение от типичния скутер за пътуване до работното място, но същите инженерни въпроси се отнасят за 48V скутери за доставка, 60V градски модели, 72V скутери и други леки електрически превозни средства.

Това ръководство обяснява как да проверите заместваща клетка, да изчислите конфигурацията на пакета и да идентифицирате подробностите, които трябва да бъдат проверени, преди да бъде изграден какъвто и да е хардуер.

Резервната батерия е система, а не кутия с клетки

Един скутер може все още да има добър двигател, шаси и контролер, дори когато оригиналната му батерия вече не може да се използва. Това прави подмяната на клетка привлекателна, особено за спрени от производство превозни средства или търговски скутери, които трябва да останат в експлоатация.

Успешното преобразуване обаче трябва да отговаря на шест условия едновременно:

• Работното напрежение трябва да остане в безопасния диапазон на контролера.

• Клетките трябва да доставят непрекъсната мощност и кратки пикове на ускорение без прекомерно пропадане на напрежението.

• Клетките и хардуерът на пакета трябва физически да пасват на отделението за батерии.

• BMS трябва да защитава всяка серийна група и да управлява както задвижващия ток, така и регенеративното зареждане.

• Зарядното устройство трябва да използва правилния профил на напрежение за новата химия и броя на сериите.

• Готовият пакет трябва да издържа на вибрации, топлина, влага, удар и повтарящи се сервизни цикли.

Ако едно от тези условия е пропуснато, пакет, който изглежда правилно на хартия, може да осигури слаб обхват, да предизвика грешки на контролера или да създаде риск за безопасността, който може да бъде избегнат.

Започнете с превозното средство, а не с резервната клетка

Преди да изберете клетка, съберете оригиналните данни за превозното средство. Само името на модела не е достатъчно, тъй като производителите често използват различни батерии, зарядни устройства или фърмуер през годините на производство и регионалните версии.

Как последователната и паралелната конфигурация променят пакета

Клетките, свързани последователно, повишават напрежението. Паралелно свързаните клетки увеличават капацитета и токовия капацитет. Основните изчисления са прости:

Думата '72V' не описва една универсална батерия. Пакет NMC от клас 72V обикновено се изгражда като 20S, което дава около 74V номинално и 84V при пълно зареждане. 24S LFP пакет дава 76,8 V номинално и до 87,6 V, ако се зареди до 3,65 V на клетка. И двете може да се продават като 72V батерии, но не са взаимозаменяеми без потвърждаване на ограниченията на контролера и зарядното устройство.

Това са примери за изчисление, а не универсални заместители. Крайният брой на сериите трябва да бъде избран от действителните минимални и максимални граници на DC-bus на превозното средство.

LFP или NMC: коя химия е подходяща за преобразуване на скутер?

LFP често се избира за проекти за подмяна, защото предлага добра термична стабилност и дълъг живот на цикъла. NMC остава ценен, когато отделението за батерии е тясно и обхватът на килограм е приоритет. Нито една химия не е автоматично по-добра за всеки скутер.

Форматът на клетката също има значение. Цилиндричните клетки са модулни и широко поддържани, призматичните клетки са механично здрави и лесни за сглобяване, докато пауч клетките могат да използват по-добре дълъг или плитък корпус. Пауч клетките се нуждаят от контролирана компресия и защита от остри ръбове и локален натиск. Техните раздели също се нуждаят от правилно проектирани шини или заварени съединения; те не трябва да се третират като гъвкави листове, които могат просто да бъдат опаковани в неизползвано пространство.

Казус от практиката: скрининг на пакет 40S 70Ah LFP за Vectrix VX-1

Оригиналният Vectrix VX-1 е изграден около система от батерии с високо напрежение. Публикуван технически материал описва ранната батерия като приблизително 125V, 30Ah и 3,7kWh. По-късните фабрични Li/Li+ версии използват 40 LFP клетки в серия, произвеждайки номинално напрежение на шината от 128V. Тази история прави архитектурата 40S LFP разумна отправна точка за преобразуване на VX-1, но не и автоматично одобрение за всяка моделна година или версия на фърмуера.

За предложения проект първоначалните данни за скрининг за клетката GBT са 3,2 V, 70 Ah и приблизително 14,5 × 102 × 376 mm. Данните от проекта също така показват 2C непрекъснат разряд и 5C импулсен разряд. Тези рейтинги трябва да бъдат потвърдени спрямо точния модел на клетката и текущия подписан лист с данни, преди пакетът да бъде пуснат за производство.

Текущото търсене трябва да се провери при ниско ниво на зареждане

Товар от 10kW черпи около 78A при 128V. Товар от 15kW черпи около 117A. Токът се покачва, когато напрежението на пакета пада, а загубите на кабела, конектора и контролера добавят към потреблението на батерията. Поради тази причина токовият капацитет трябва да се проверява близо до по-ниското работно напрежение и при най-високата очаквана температура на околната среда - не само при номинално напрежение на лабораторна маса.

Суровите клетки могат да се поберат, докато готовата опаковка не

Ако 40 клетки се разделят на две купчини по 20, теоретичната обвивка само за клетки е приблизително 376 × 290 × 204 mm. В сравнение с докладваната обвивка на отделение за батерии VX-1 от около 610 × 330 × 222 мм, това изглежда обещаващо. Оставащата височина обаче е само около 18 mm преди добавяне на компресионни плочи, електрическа изолация, опори за пластини, шини, сензорни проводници и толеранси на корпуса. Ориентацията на раздела и достъпът до услугата може да са по-важни от неизползвания обем на друго място в отделението.

Ето защо следващата стъпка трябва да бъде оформление на 3D пакет, базирано на измерена геометрия на превозното средство. Изчислението на обема не може да покаже дали пакетът може действително да бъде сглобен, инсталиран и обслужван безопасно.

Обхватът трябва да се оцени от използваемата енергия

Номиналната енергия е 8,96kWh, но практичният дизайн обикновено запазва енергия както в горната, така и в долната част на прозореца за напрежение. Ако 85% се третират като използваеми, пакетът осигурява около 7,6kWh. При среден разход от 80Wh/km, простата оценка е около 95km; при 100Wh/км е около 76км. Скоростта, масата на водача, хълмовете, температурата, налягането в гумите и вятърът могат значително да променят реалния резултат.

Избор на BMS: повече от съответстващ на броя на сериите

BMS, маркиран с '40S LFP', не е автоматично подходящ за пакет за скутер 40S. Номиналното му напрежение, сензорите за ток, изходите на контактора, логиката за предварително зареждане, стратегията за балансиране и комуникационният протокол трябва да съответстват на превозното средство.

За тракшън пакет BMS трябва да бъде прегледан за:

• Защита от пренапрежение и ниско напрежение на клетка

• Непрекъснат ток на разреждане и ограничен във времето пиков ток

• Заряден ток, включително регенеративно спиране

• Температурни сензори в представителни горещи и студени точки

• Управление на контактора, поведение при предварително зареждане и изключване при повреда

• Пасивен или активен балансиращ ток

• CAN комуникация със зарядното устройство, таблото или контролера на двигателя

• Ток на заспиване по време на съхранение и заключване при ниска температура

Регенеративното спиране заслужава специално внимание. Когато батерията е пълна или студена, тя може да не е в състояние да приеме нормалния регенерационен ток. BMS и контролерът се нуждаят от координиран метод за намаляване или деактивиране на регенерацията, преди BMS да бъде принуден да отвори главния контактор под товар.

Може ли да се запази оригиналното зарядно за скутер?

Понякога, но само след проверка на поведението му. Не трябва да се предполага, че зарядно устройство, предназначено за NiMH, работи с LFP. Дори две литиеви опаковки с подобни номинални напрежения може да изискват различни максимални напрежения, текущо стесняване и температурни правила.

Има три общи маршрута:

1. Препрограмирайте оригиналното зарядно устройство , когато са налични поддържан фърмуер и комуникационна документация.

2. Сменете зарядното устройство с устройство, предназначено за новата химия, броя на сериите и BMS комуникацията.

3. Използвайте независимо зарядно устройство-BMS система, като същевременно запазвате необходимите блокировки и функции на дисплея на автомобила.

Целевият заряд не винаги трябва да е равен на абсолютния максимум, разрешен от клетката. Малко по-ниско горно напрежение може да осигури полезен работен марж и може да поддържа по-дълъг експлоатационен живот, но избраната стойност все още трябва да работи с балансиране и изчисляване на състоянието на зареждане на автомобила.

Механични и електрически детайли, които определят надеждността

Много проблеми с преобразуването започват извън самата клетка. Надеждният пакет за скутери се нуждае от твърд корпус, предсказуема компресия на клетката, изолация между проводящите части, облекчаване на напрежението при всеки изход на кабела и достатъчно разделяне между кабелите за високо и ниско напрежение.

Дизайнът трябва да включва също:

• Правилно номинален главен предпазител, разположен близо до изхода на пакета

• Прекъсване на услугата или процедура за безопасна поддръжка

• Съпротивление преди зареждане за ограничаване на пусковия ток на контролера и кондензатора

• Контактори с подходящо постоянно напрежение и номинален ток на повреда

• Шини, проектирани за ток, повишаване на температурата и вибрации

• Защита срещу вода, проводящ прах и пътни отломки

• Топлинни пътища, които не създават изолирани горещи клетки

• Ясен поляритет, етикети за високо напрежение и сервиз

За опаковка тип пауч-клетъчна компресията трябва да бъде еднаква и определена, а не импровизирана. Твърде малкото ограничение може да доведе до подуване и умора на лапите; твърде голямото локално налягане може да повреди ламината или вътрешните слоеве.

Практичен работен процес за смяна на батерията на скутер

Какво трябва да се тества, преди скутерът да се върне на пътя?

Най-малко прототипът трябва да бъде проверен за консистенция на клетката, използваем капацитет, спад на напрежението при висок ток, повишаване на температурата на шините, съпротивление на изолацията, прагове на BMS, работа на контактора и прекъсване на зарядното устройство. Тестовете на превозните средства трябва да започнат при контролирана мощност и да се разширят постепенно до ускорение, изкачване по наклон и регенеративно спиране.

Полезен план за валидиране включва също така пълно зареждане, работа при ниско ниво на зареждане, горещи и студени условия, подходящи за пазара, ток на съхранение при изключване и симулация на повреда. Целта не е просто да накарате скутера да се движи. Целта е да се гарантира, че предвидимите грешки водят до контролиран, възстановим отговор.

Къде може да се побере клетката GBT 70Ah LFP

70Ah LFP торбичка с висока мощност може да бъде интересна опция за големи скутери, електрически мотоциклети и леки EV конверсии, където корпусът предпочита дълги, тънки клетки. При 40S1P той предлага почти 9kWh номинална енергия без паралелни групи клетки. При по-ниски напрежения на системата, същият капацитет може да поддържа скутери за доставка, помощни превозни средства и други приложения, които дават приоритет на ежедневното циклиране и стабилната мощност.

Правилният избор все още зависи от проверените спецификации на клетката и работния цикъл на превозното средство. Градски скутер, който се движи със скромна мощност, има различни нужди от тежък макси-скутер, изкачващ дълги наклони, дори когато и двата пакета са обозначени със 70Ah.

За текуща информация за клетката вижте Misen's GBT 3.2V 70Ah LFP пауч клетка и по-широката LiFePO4 пауч-клетъчна гама . Окончателните оценки трябва винаги да се потвърждават за точната производствена партида и дизайн на опаковката.

Често задавани въпроси

Мога ли да заменя оловно-киселинна или NiMH батерия на скутер с LFP?

Често да, но това е системно преобразуване, а не директна смяна на клетки. Новият пакет трябва да съответства на прозореца на напрежението на контролера и обикновено се нуждае от специфична за химията BMS и стратегия за зарядно устройство.

Как да избера броя на LFP клетките в серия?

Работете в обратна посока от разрешеното минимално и максимално напрежение на батерията на контролера. Проверете както номиналното напрежение, така и напрежението при пълно зареждане; не избирайте броя на сериите само от маркетинговото напрежение на скутера.

Батерията с по-висок Ah винаги ли е по-добра?

Не. По-големият капацитет може да подобри обхвата, но също така променя размера на опаковката, теглото, времето за зареждане и енергията при повреда. Пакетът все още трябва да отговаря на текущите, термичните, механичните изисквания и изискванията за интегриране в превозното средство.

Може ли само BMS да защити моторния контролер?

Не. BMS предпазва батерията, докато контролерът, предпазителят, контакторите и веригата за предварително зареждане имат отделни задачи. Техните ограничения и поведение при изключване трябва да бъдат координирани.

Каква информация е необходима за персонализирано предложение за батерия за скутер?

Предоставете модела и годината на скутера, оригиналния етикет на батерията, етикетите на контролера и зарядното устройство, измерените размери на отделението за батерията, желания обхват, мощност на превозното средство, максимална скорост, тегло на водача/товара, снимки на конектори и очаквана работна температура. CAN или документацията за окабеляване е особено полезна за скутери с високо напрежение.

Последни мисли

Най-добрата заместваща клетка не е просто тази с най-голям капацитет или най-висок C-скорост. Това е клетката, която може да бъде интегрирана в пълен пакет с правилния прозорец на напрежението, достатъчен запас от ток, реалистично механично оформление и координирана защита.

Vectrix VX-1 показва защо този процес има значение. Пакет 40S 70Ah LFP е електрически привлекателен и предлага голямо увеличение на номиналната енергия, но интерфейсът на зарядното устройство, регенеративното спиране, височината на пакета и компресията на клетката на торбичката могат да решат дали дизайнът е практичен. Същият дисциплиниран подход важи и за по-малките 48V и 72V скутери.