Торбичка срещу призматични срещу цилиндрични клетки за батерии за електрически мотоциклети: Как да изберем

Изборът на правилната клетъчна клетка е едно от първите и най-важни решения в проект за батерия за електрически мотоциклети.

Купувачът може да започне с проста спецификация като '72V 40Ah' или '74V 45Ah', но напрежението и капацитетът сами по себе си не казват на производителя на батерията коя клетка трябва да се използва. Мощността на двигателя, токът на контролера, наличното място за монтаж, целевото тегло, работната температура и очакваният експлоатационен живот влияят върху крайния избор.

Три формата на литиево-йонни клетки обикновено се разглеждат за батерии за електрически мотоциклети:

• Широкоформатни пауч клетки

• Призматични клетки с твърди метални корпуси

• Цилиндрични клетки като 18650, 21700 и 4680

Всеки формат има доказани приложения. Правилният избор зависи не толкова от това коя клетка изглежда по-напреднала, колкото от това колко добре пасва на мотоциклета и неговия електрически товар.

Това ръководство обяснява основните разлики и използва 74V 45Ah NMC батерия като практичен пример за избор.

Защо форматът на клетките има значение в електрически мотоциклет

Електрическите мотоциклети поставят различни изисквания към батериите в сравнение с пътническите автомобили или стационарните системи за съхранение на енергия.

Мястото за инсталиране е ограничено. Теглото пряко влияе върху управлението и обхвата. Ускорението може да изисква голямо изблик на ток, докато изкачването или високоскоростното каране може да задържи батерията под голямо натоварване за няколко минути. Вибрацията на пътя, излагането на вода и повтарящите се температурни промени също трябва да бъдат взети предвид.

Форматът на клетката влияе върху:

• Тегло на опаковката и използваема енергия

• Използване на пространството вътре в корпуса на батерията

• Възможност за непрекъснат и пиков разряд

• Брой клетки и електрически връзки

• Охлаждане и постоянство на температурата

• Устойчивост на вибрации и механични въздействия

• Производствено оборудване и разходи за монтаж

• Стратегия за поддръжка и подмяна

Ето защо батерията трябва да бъде проектирана около превозното средство, а не просто около налична клетка.

Бързо сравнение на трите клетъчни формата

Фактор за избор.	Клетка с торбичка.	Призматична клетка	. Цилиндрична клетка
Гравиметрична плътност на енергията	Обикновено много конкурентен	Умерено до високо	Зависи силно от модела на клетката
Използване на пространството	Отлично	Добър в обикновен корпус	По-ниска поради празнини между клетките
Капацитет на клетката	Обикновено десетки до над 100Ah	Обикновено десетки до стотици Ah	Обикновено няколко Ah на клетка
Брой клетки в пакет	ниско	ниско	високо
Механична защита	Трябва да се предостави от опаковката	Твърд корпус на клетката	Здрав индивидуален метален корпус
Наличност на висока мощност	Добър за избрани NMC модели	Зависи от конкретния модел	Много доказани високоскоростни опции
Гъвкавост на формата на опаковката	високо	Умерен	Високо проходно разположение на клетките
Работа на клетъчната връзка	По-малко, по-големи връзки	По-малко, по-големи връзки	Много малки връзки
Управление на подуване	Изисква контролирана компресия	Все още има нужда от механично разглеждане	Управлява се основно от клетъчния корпус
Типична сила	Ниско тегло и ефективна опаковка	Структурна твърдост и прости модули	Стандартизация и зрялост на производството

Таблицата предоставя само общо сравнение. Две клетки с един и същи формат могат да имат напълно различна мощност, цикъл на живот и топлинни характеристики.

Широкоформатни пауч клетки

Пауч клетката използва лек ламиниран алуминиево-пластмасов филм вместо дебела стоманена или алуминиева кутия. Това намалява неактивния опаковъчен материал и позволява по-голяма част от теглото на опаковката да се използва за съхраняване на енергия.

За електрически мотоциклет с ограничено пространство на батерията това може да бъде голямо предимство.

Защо Pouch клетките работят добре в електрически мотоциклети

Големите NMC пауч клетки могат да комбинират висок капацитет, ниско тегло и силна мощност в плоска правоъгълна структура. Те са особено привлекателни за мотоциклети, където батерията трябва да се побере в тясна рамка или компактен корпус под седалката.

Батерия от 45Ah, например, може да позволи 74V 45Ah батерия да бъде сглобена в проста конфигурация 20S1P. Необходими са само 20 клетки.

Това осигурява няколко практически предимства:

• По-малко клетки за проверка и съпоставяне

• По-малко последователни и паралелни връзки

• По-малко окабеляване и по-малко точки за заваряване

• Няма нужда да управлявате множество паралелни клетки във всяка група на напрежение

• Ефективно използване на ограничен обем на заграждението

• Големи плоски повърхности, които могат да контактуват с материали, пренасящи топлина

• По-ниско тегло на опаковката в сравнение с много алтернативи с твърда кутия

За мотоциклетите с висока производителност намаляването на теглото не означава само увеличаване на пробега. По-леката батерия също може да подобри баланса на автомобила, ускорението и управлението.

Пауч клетките се нуждаят от подходящ механичен дизайн

Липсата на твърда метална обвивка означава, че структурата на опаковката трябва да защитава клетките.

Една добре проектирана клетъчна батерия трябва да включва:

• Контролирана и равномерно разпределена компресия на клетките

• Възможност за нормална промяна на дебелината по време на експлоатация

• Изолация между пластините, шините и корпуса

• Защита от остри ръбове и пробиване

• Сигурно позициониране срещу вибрации на пътя

• Топлинни бариери или разстояние, където е необходимо

• Надеждно заваряване на пластини

• Здраво външно заграждение

Клетките не трябва да се притискат възможно най-здраво, нито трябва да се оставят разхлабени в кутията на батерията. Прекомерният натиск може да увреди клетката, докато недостатъчната опора може да позволи движение, подуване и напрежение в зъбчетата.

Следователно клетките с торбички са силен вариант, когато производителят на батерии има опит с компресионни рамки, връзки с пластини и дизайн на корпуса.

Призматични клетки

Призматичните клетки използват твърд правоъгълен метален корпус. Подобно на торбичките, те се предлагат в относително голям капацитет, така че може да се изгради батериен пакет с малък брой клетки.

За 74V 45Ah пакет, подходяща 45Ah или 50Ah NMC призматична клетка може също да поддържа конфигурация 20S1P.

Предимства на призматичните клетки

Твърдият корпус осигурява механична опора и прави клетките по-лесни за позициониране в обикновен правоъгълен корпус. В зависимост от дизайна на терминала, инсталирането на шина и сглобяването на модула също може да бъде лесно.

Призматичните клетки могат да бъдат практичен избор, когато:

• Батерийното отделение има правилна форма на кутия

• Механичната издръжливост е с приоритет пред минималното тегло

• Автомобилът се използва по неравни пътища

• Батерията се монтира в товарен мотоциклет или електрическа триколка

• Налична е доказана клетка с правилния капацитет и скорост на разреждане

• Производителят на опаковката вече има съвместим дизайн на модула

Въпреки това, металният корпус добавя тегло и заема място. Размерите на призматичната клетка също са по-малко гъвкави, така че технически подходяща клетка може да не пасне на наличното отделение за батерии.

Друга често срещана грешка е да се приеме, че всяка автомобилна призматична клетка е подходяща за електрически мотоциклет. Някои големи NMC призматични клетки са проектирани главно за енергиен капацитет, а не за висок ток. Техният капацитет може да изглежда привлекателен, но техният допустим непрекъснат разряд, производителност при ниски температури или термично поведение може да не съответстват на контролера на мотоциклета.

Листът с данни - и за предпочитане независимо тестване на клетките - трябва да се провери преди избора.

Цилиндрични клетки

Цилиндричните клетки се използват широко в електрически скутери, електрически велосипеди и мотоциклети. Обичайните формати включват 18650 и 21700, докато по-големите цилиндрични клетки като 4680 навлизат в повече приложения за мобилност.

Техният метален корпус осигурява добра индивидуална механична защита и е налично зряло автоматизирано оборудване за сортиране, поставяне и заваряване на клетки.

Защо производителите избират цилиндрични клетки

Цилиндричните клетки предлагат няколко предимства:

• Стандартизирани размери

• Широка наличност на доставчик

• Зряло производство в голям обем

• Добра механична якост

• Много високоскоростни опции за клетки

• Гъвкави форми на опаковка чрез различни подредби на клетките

• По-малко енергийно съдържание на клетка

По-малкият размер на клетката може също така да улесни разпределянето на ток и топлина в голям брой клетки. Ако е проектиран правилно, цилиндричният пакет може да осигури отлична мощност.

Компромисът е сложността.

Голяма батерия за електрически мотоциклет може да съдържа стотици цилиндрични клетки. Всяка клетка изисква проверка, групиране и електрическо свързване. Държачите на клетките и охлаждащите междини заемат място, докато големият брой заварки увеличава важността на последователността на производството.

Например, ако 74V 45Ah пакет използва 5Ah цилиндрични клетки, приблизителната конфигурация ще бъде:

• 20 клетки в серия

• 9 клетки паралелно

• 20S9P

• Общо 180 клетки

Ако са избрани клетки 4,5 Ah, пакетът може да изисква конфигурация 20S10P с 200 клетки.

За сравнение, 45Ah торбичка или призматичен разтвор може да се нуждае от само 20 клетки с голям формат.

Цилиндричните клетки са много подходящи за силно стандартизирани продукти с голям обем. За персонализирана батерия с малък обем обаче работата с инструменти, заваряването и сглобяването може да направи дизайна по-малко привлекателен.

Кой клетъчен формат пасва на различни проекти за електрически мотоциклети?

Градски електрически скутери

Цилиндричните клетки често са практичен избор за стандартизирани градски скутери, особено когато производственият обем е голям и изискването за мощност е умерено.

Големите пауч клетки също могат да бъдат привлекателни, когато производителят иска повече капацитет в компактен корпус или по-малко паралелни групи.

Електрически мотоциклети с висока производителност

Големите NMC пауч клетки често са силни кандидати за мотоциклети с висока производителност, защото могат да осигурят полезен баланс на енергийна плътност, мощност на разреждане и ефективност на опаковане.

Окончателното решение все още зависи от действителната степен на разреждане на клетката. Енергийна клетка с голям капацитет не трябва да се третира като клетка с висока мощност, освен ако нейните спецификации и данни от теста не поддържат необходимия ток.

Товарни мотоциклети и електрически триколки

Призматичните клетки могат да бъдат предпочитани, когато пространството на корпуса е редовно и механичната якост е важна. LFP призматичните клетки също често се разглеждат, когато животът на цикъла и термичната стабилност имат повече значение от минималното тегло.

Ако се изисква химия на NMC, трябва да се сравнят както призматичните, така и торбичките по производителност, размери и тегло на опаковката.

Системи със сменяеми батерии

Сменяемите батерии трябва да балансират енергията, теглото, управлението и механичната издръжливост.

Цилиндричните клетки имат силен рекорд в стандартизираните системи за размяна. Пакетните клетки могат да подобрят оползотворяването на пространството, но корпусът на батерията и вътрешната поддържаща структура трябва да бъдат проектирани за често премахване и боравене.

Прототипи и потребителски проекти с малък обем

Пакет с голям формат или призматични клетки могат да намалят общия брой клетки и да опростят електрическата архитектура. Това ги прави привлекателни за прототипи на мотоциклети и проекти за персонализирани батерии, при условие че са налични необходимите съединителни и механични процеси.

Казус от практиката: Избор на клетки за акумулаторна батерия за електрически мотоциклет 74V 45Ah

Да предположим, че клиент поиска 'пакет батерии 7445'. Преди да започне проектирането, производителят първо трябва да потвърди, че това означава 74V и 45Ah.

Използвайки 3.7V NMC клетки, основната конфигурация ще бъде:

• Конфигурация: 20S

• Номинално напрежение: 20 × 3.7V = 74V

• Напрежение при пълно зареждане: 20 × 4,2 V = 84 V

• Номинален капацитет: 45Ah

• Номинална енергия: 74V × 45Ah = 3.33kWh

На пръв поглед пакет 20S1P, използващ 45Ah пауч клетки, изглежда ясен. Но токът на двигателя и контролера ще определи дали избраната клетка е подходяща.

Мощност на двигателя и ток на батерията

Теоретичният ток при номинално напрежение може да се оцени като:

[
I = rac{P}{V}
]

Това дава следните приблизителни стойности:

Пикова мощност на двигателя	Ток при 74V
3kW	41А
5kW	68А
8kW	108А
10kW	135А

Това са опростени изчисления на номиналното напрежение. Действителният ток на батерията може да бъде по-висок, защото напрежението на пакета пада при ниско ниво на зареждане и защото контролерът, моторът и окабеляването не са 100% ефективни.

Максималният ток на батерията на контролера обикновено е по-полезен от табелката на двигателя при избора на клетка.

Ако контролерът позволява 120A ток на батерията, клетка от 45Ah трябва да поддържа:

[
120A div 45Ah = 2,67C
]

Клетка, оценена само за 1C непрекъснато разреждане, не би била безопасен избор за това работно състояние. Необходима е клетка с подходящ непрекъснат ток, импулсен ток, повишаване на температурата и спад на напрежението.

Вариант 1: 20S1P 45Ah NMC пауч клетки

Това обикновено е първата опция за оценка, когато проектът приоритизира:

• Ниско тегло на батерията

• Компактни размери

• Ефективно използване на инсталационното пространство

• Проста 1P електрическа структура

• Висока енергийна плътност

• Силно ускорение

Клетката все още трябва да премине оценка на разреждането, температурата и жизнения цикъл при очаквания работен профил.

Вариант 2: 20S1P 45Ah или 50Ah NMC призматични клетки

Това може да е подходящо, когато:

• Корпусът е голям и правоъгълен

• Допълнителното тегло на клетката е приемливо

• Здравината на конструкцията е приоритет

• Избраната призматична клетка има достатъчна мощност

• Размерите на клетката съответстват на отделението за батерии

Производителят не трябва да избира призматична клетка само защото металната й кутия изглежда по-безопасна. Клетъчната химия, вътрешният дизайн, последователността на качеството, BMS стратегията, сливането и защитата от термично разпространение са по-важни от външната форма сама по себе си.

Опция 3: Цилиндрична опаковка 20S9P или 20S10P

Това може да работи добре, когато:

• Налична е доказана високоскоростна цилиндрична клетка

• Производителят разполага с автоматизирано оборудване за сортиране и заваряване

• Очаква се дизайнът на батерията да влезе в стабилно обемно производство

• Корпусът може да побере по-голям брой клетки и държачи

• Текущото споделяне на ниво клетка е потвърдено

За малка персонализирана поръчка големият брой клетки и сложността на сглобяването може да направят цилиндричната опция по-малко ефективна.

Необходима информация преди избор на клетка

Преди да препоръча клетка, отговорният доставчик на батерии трябва да поиска повече от напрежение и капацитет.

Следната информация е особено важна:

1. Номинална мощност на двигателя и пикова мощност

2. Максимален ток на батерията на контролера

3. Необходим непрекъснат и пиков ток на разреждане

4. Продължителност на пиков ток

5. Дължина, ширина и височина на отделението за батерии

6. Максимално допустимо тегло на батерията

7. Целеви обхват на каране и работна скорост

8. Зарядно напрежение, ток и необходимо време за зареждане

9. Регенеративно-спирачен ток

10. Работен температурен диапазон

11. Пътни, вибрационни и хидроизолационни условия

12. Комуникационни изисквания като CAN или UART

13. Необходим живот на цикъла

14. Целеви пазар и изисквания за сертифициране

15. Прототип и производствени количества

Без тази информация препоръчването на батерия е предимно догадки.

Торбичка, призматична или цилиндрична: Кое е най-доброто?

Няма универсален победител.

Цилиндричните клетки са привлекателни за стандартизирани батерийни пакети с голям обем и приложения, които се възползват от зрелите производствени процеси. Призматичните клетки предлагат твърда структура и могат да опростят монтажа в обикновена кутия. Големите пауч клетки са особено ценни, когато ниското тегло, ефективната опаковка, високият капацитет и ниският брой клетки са важни.

За много 72V и 74V проекти за електрически мотоциклети с висока производителност, големите NMC пауч клетки заслужават да бъдат оценени първи. Конфигурация 20S1P, използваща 40Ah, 45Ah, 50Ah или по-големи клетки, може да осигури чиста електрическа структура и отлично използване на наличното пространство.

Решението все още трябва да се основава на измерена производителност, а не само на формат. Капацитетът, вътрешното съпротивление при постоянен ток, непрекъснатият ток, импулсният ток, спадът на напрежението, повишаването на температурата, животът на цикъла и механичната интеграция трябва да бъдат прегледани.

Решения за акумулаторни клетки за електрически мотоциклети от Misen

Misen доставя широкоформатни NMC, LFP, полутвърди и други клетъчни решения за електрически мотоциклети, електрически скутери, леки електрически превозни средства и персонализирани акумулаторни системи. Избрани опции за цилиндрични и призматични клетки също са налични за проекти, където тези формати осигуряват по-добро техническо съответствие.

Нашият екип може да ви помогне да оцените:

• Клетъчна химия и формат

• Серийна и паралелна конфигурация

• Изисквания за непрекъснат и пиков ток

• Размери на клетката и съвместимост на отделението за батерии

• Съгласуване на капацитет, напрежение и вътрешно съпротивление

• Примерно тестване и валидиране на проекта

• Изисквания за персонализиран батериен модул и пакет

За да оцените проект за електрически мотоциклет, изпратете ни необходимото напрежение, капацитет, мощност на двигателя, ток на контролера и налични размери на отделението за батерии.

Спецификация като '74V 45Ah' е добра отправна точка. Правилният избор на клетка идва от разбирането какво трябва да прави мотоциклетът.