Elektrilise tõukeratta aku vahetamise juhend: kuidas valida elemente ja kujundada turvaline pakk

Vananeva rolleri aku vahetamine võib taastada sõiduulatuse, parandada pinge stabiilsust ja hoida muidu terve sõiduki teel. Keeruline osa on mitte leida etiketile trükitud sama pingega rakke. See paneb uued elemendid, aku, BMS-i, laadija ja sõiduki kontrolleri töötama ühe süsteemina.

Hiljutine projekt tõi selle fookusesse. Sõiduk oli Vectrix VX-1 suurtõukeratas ja pakutud asenduselement oli GBT 3,2 V 70 Ah LFP kottelement. VX-1 on kasulik ümbris, kuna see töötab palju kõrgema pingega kui tavaline pendelsõidutõukeratas, kuid samad inseneriküsimused kehtivad 48 V tõukerataste, 60 V linnamudelite, 72 V jõudlusega tõukerataste ja muude kergete elektrisõidukite kohta.

See juhend selgitab, kuidas sõeluda asenduselementi, arvutada pakendi konfiguratsiooni ja tuvastada üksikasjad, mida tuleb enne riistvara ehitamist kontrollida.

Asendusaku on süsteem, mitte elementide karp

Rolleril võib siiski olla hea mootor, šassii ja kontroller isegi siis, kui selle originaalaku ei ole enam kasutatav. See muudab elemendi asendamise atraktiivseks, eriti kasutusest kõrvaldatud sõidukite või kommertstõukerataste puhul, mis peavad jätkuvalt kasutuses olema.

Edukas konversioon peab aga vastama korraga kuuele tingimusele:

• Tööpinge peab jääma kontrolleri ohutusse vahemikku.

• Rakud peavad andma pidevat võimsust ja lühikesi kiirendustiike ilma liigse pinge languseta.

• Akud ja komplekti riistvara peavad füüsiliselt sobima akupesaga.

• BMS peab kaitsma iga seeriagruppi ja käsitlema nii ajami voolu kui ka regeneratiivlaadimist.

• Laadija peab uue keemia ja seeriate arvu jaoks kasutama õiget pingeprofiili.

• Valmis pakend peab taluma vibratsiooni, kuumust, niiskust, lööke ja korduvaid hooldustsükleid.

Kui üks neist tingimustest jäetakse täitmata, võib paberil õige väljanägemisega pakend anda halva ulatuse, käivitada kontrolleri tõrked või tekitada välditava ohutusriski.

Alustage sõidukist, mitte asenduselemendist

Enne lahtri valimist koguge sõiduki algandmed. Mudelinimest üksi ei piisa, sest tootjad kasutavad tootmisaastate ja piirkondlike versioonide lõikes sageli erinevaid akusid, laadijaid või püsivara.

Kuidas seeria- ja paralleelkonfiguratsioon paketti muudab

Jada ühendatud elemendid suurendavad pinget. Paralleelselt ühendatud rakud suurendavad võimsust ja vooluvõimet. Põhilised arvutused on lihtsad:

Sõna '72V' ei kirjelda üht universaalset akut. 72V-klassi NMC-pakett on tavaliselt ehitatud 20S-na, mis annab umbes 74V nominaalpinge ja 84V täislaadimisel. 24S LFP pakett annab 76,8 V nimipinge ja kuni 87,6 V, kui laaditakse 3,65 V elemendi kohta. Mõlemaid võib müüa 72 V akudena, kuid neid ei saa vahetada ilma kontrolleri ja laadija piiranguid kinnitamata.

Need on arvutusnäited, mitte universaalsed asendused. Lõplik seeriate arv tuleb valida sõiduki tegelike miinimum- ja maksimumpiiride hulgast.

LFP või NMC: milline keemia sobib tõukeratta ümberehituseks?

LFP valitakse sageli asendusprojektide jaoks, kuna see pakub head termilist stabiilsust ja pikka tsükli eluiga. NMC jääb väärtuslikuks, kui akupesa on kitsas ja esmatähtis on sõiduulatus kilogrammi kohta. Kumbki keemia pole automaatselt iga rolleri jaoks parem.

Lahtri formaat on samuti oluline. Silindrilised elemendid on modulaarsed ja laialdaselt toetatud, prismaatilised elemendid on mehaaniliselt vastupidavad ja hõlpsasti kokkupandavad, samas kui kottelemendid saavad paremini ära kasutada pikka või madalat korpust. Kotielemendid vajavad kontrollitud kokkusurumist ja kaitset teravate servade ja kohaliku surve eest. Nende sakid vajavad ka korralikult projekteeritud siine või keevisliiteid; neid ei tohiks käsitleda kui painduvaid lehti, mida saab lihtsalt kasutamata ruumi pakkida.

Juhtumiuuring: 40S 70Ah LFP paketi sõelumine Vectrix VX-1 jaoks

Algne Vectrix VX-1 ehitati kõrgepingeakusüsteemi ümber. Avaldatud tehniline materjal kirjeldab varast akut umbes 125V, 30Ah ja 3,7kWh. Hilisemates tehase Li/Li+ versioonides kasutati järjestikku 40 LFP elementi, andes siini nimipingeks 128 V. See ajalugu muudab 40S LFP arhitektuuri mõistlikuks lähtepunktiks VX-1 teisendamiseks, kuid mitte iga mudeliaasta või püsivara versiooni automaatseks kinnitamiseks.

Kavandatava projekti puhul on GBT kottelemendi esialgsed sõelumisandmed 3,2 V, 70 Ah ja ligikaudu 14,5 × 102 × 376 mm. Projekti andmed näitavad ka 2C pidevat tühjenemist ja 5C impulsslahendust. Need hinnangud peavad olema kinnitatud täpse rakumudeli ja selle kehtiva allkirjastatud andmelehe alusel, enne kui pakend tootmisse antakse.

Praegust nõudlust tuleb kontrollida madalal laetusastmel

10kW koormus võtab 128V juures umbes 78A. 15kW koormus võtab umbes 117A. Voolutugevus suureneb, kui aku pinge langeb ning kaabli, pistiku ja kontrolleri kaod suurendavad aku vajadust. Sel põhjusel tuleks voolutugevust kontrollida madalama tööpinge lähedal ja kõrgeimal eeldataval ümbritseval temperatuuril – mitte ainult laboripingil oleva nimipinge juures.

Toores rakud võivad sobida, kuid valmis pakk mitte

Kui 40 lahtrit jagatakse kaheks 20-ga virnaks, on teoreetiline ainult raku ümbrik ligikaudu 376 × 290 × 204 mm. Võrreldes teatatud VX-1 akupesa ümbrisega, mille suurus on umbes 610 × 330 × 222 mm, tundub see paljulubav. Ülejäänud kõrgus on aga ainult umbes 18 mm enne surveplaatide, elektriisolatsiooni, saki tugede, siinide, andurijuhtmete ja korpuse tolerantside lisamist. Vahelehtede suund ja juurdepääs teenusele võivad olla olulisemad kui mujal lahtris kasutamata maht.

Seetõttu peaks järgmine samm olema 3D-paketi paigutus, mis põhineb sõiduki mõõdetud geomeetrial. Mahuarvutus ei näita, kas pakki saab ka tegelikult kokku panna, paigaldada ja ohutult hooldada.

Vahemaa tuleks hinnata kasutatava energia põhjal

Nimienergia on 8,96 kWh, kuid praktiline konstruktsioon jätab tavaliselt energiat nii pingeakna üla- kui ka alaossa. Kui 85% käsitleda kasutatavana, annab pakk umbes 7,6 kWh. Keskmise tarbimise 80Wh/km juures on lihtne hinnang umbes 95km; 100Wh/km juures on see umbes 76km. Kiirus, sõitja mass, mäed, temperatuur, rehvirõhk ja tuul võivad tegelikku tulemust oluliselt muuta.

BMS-i valik: rohkem kui seeriate arvu vastavus

BMS märgistusega '40S LFP' ei sobi automaatselt 40S tõukerattapaki jaoks. Selle pinge nimiväärtus, vooluandurid, kontaktori väljundid, eellaadimisloogika, tasakaalustamisstrateegia ja sideprotokoll peavad kõik sõidukiga sobima.

Veojõupaketi puhul tuleks BMS-i üle vaadata:

• Raku üle- ja alapingekaitse

• Pidev tühjenemisvool ja ajaliselt piiratud tippvool

• Laadimisvool, sealhulgas regeneratiivpidurdus

• Temperatuuriandurid esinduslikes kuuma- ja külmapunktides

• Kontaktori juhtimine, eellaadimine ja rikke väljalülitamine

• Passiivne või aktiivne tasakaalustusvool

• VÕIB suhelda laadija, armatuurlaua või mootori kontrolleriga

• Unevool ladustamise ajal ja madala temperatuuriga laadimise blokeerimine

Eraldi tähelepanu väärib regeneratiivpidurdus. Kui aku on täis või külm, ei pruugi see normaalset regenereerimisvoolu vastu võtta. BMS ja kontroller vajavad kooskõlastatud meetodit regeeni vähendamiseks või keelamiseks, enne kui BMS on sunnitud koormuse all peakontaktori avama.

Kas rolleri originaallaadijat saab alles jätta?

Mõnikord, kuid alles pärast selle käitumise kontrollimist. Ei tohiks eeldada, et NiMH jaoks mõeldud laadija töötab koos LFP-ga. Isegi kaks sarnase nimipingega liitiumipakki võivad nõuda erinevaid maksimumpingeid, voolu kitsenemist ja temperatuurireegleid.

Levinud marsruute on kolm:

1. Programmeerige originaallaadija ümber, kui toetatud püsivara ja sidedokumentatsioon on saadaval.

2. Asendage laadija seadmega, mis on mõeldud uue keemia, seerialoenduse ja BMS-side jaoks.

3. Kasutage sõltumatut laadija-BMS-süsteemi, säilitades samal ajal sõiduki nõutavad blokeeringud ja kuvafunktsioonid.

Laengu sihtmärk ei pea alati võrduma raku lubatud absoluutse maksimumiga. Veidi madalam ülemine pinge võib anda kasuliku töövaru ja võib toetada pikemat kasutusiga, kuid valitud väärtus peab siiski töötama koos tasakaalustamise ja sõiduki laetuse arvutusega.

Mehaanilised ja elektrilised detailid, mis määravad töökindluse

Paljud konversiooniprobleemid saavad alguse väljaspool rakku ennast. Usaldusväärne rollerikomplekt vajab jäika korpust, prognoositavat rakkude kokkusurumist, juhtivate osade vahelist isolatsiooni, tõmbevabastust iga kaabli väljalaskeava juures ning piisavat eraldust kõrgepinge- ja madalpingejuhtmestiku vahel.

Disain peaks sisaldama ka:

• Õigesti hinnatud peakaitse, mis asub komplekti väljundi lähedal

• Teeninduse katkestamine või ohutu hooldusprotseduur

• Eellaadimistakistus kontrolleri-kondensaatori sisselülitusvoolu piiramiseks

• Piisava alalispinge ja rikkevooluga kontaktorid

• Siinid, mis on mõeldud voolu, temperatuuri tõusu ja vibratsiooni jaoks

• Kaitse vee, elektrit juhtiva tolmu ja teeprahi eest

• Soojusteed, mis ei tekita isoleeritud kuumarakke

• Selge polaarsus-, kõrgepinge- ja hooldussildid

Pack-cell pakendi puhul peaks kokkusurumine olema ühtlane ja täpsustatud, mitte improviseeritud. Liiga vähene vaoshoitus võib põhjustada turset ja vahelehtede väsimust; liiga tugev kohalik surve võib kahjustada laminaati või sisemisi kihte.

Praktiline töövoog rolleri aku vahetamiseks

Mida tuleks enne tõukeratta teele naasmist testida?

Prototüüpi tuleks vähemalt kontrollida elementide järjepidevuse, kasutatava võimsuse, kõrge voolu pinge languse, siini temperatuuri tõusu, isolatsioonitakistuse, BMS-i lävede, kontaktori töö ja laadija väljalülitamise suhtes. Sõidukite katsed peaksid algama kontrollitud võimsusega ja laienema järk-järgult kiirendamisele, mäkketõusule ja regeneratiivpidurdustele.

Kasulik valideerimiskava sisaldab ka täislaadimise leotust, madalat laadimisolekut, turule sobivaid kuumi ja külmi tingimusi, võtme väljalülitamise salvestusvoolu ja rikete simulatsiooni. Eesmärk ei ole lihtsalt rollerit liikuma panna. Selle eesmärk on tagada, et prognoositavad vead viivad kontrollitud ja taastatava reaktsioonini.

Kuhu GBT 70Ah LFP kottelement mahub

70Ah suure võimsusega LFP kottelement võib olla huvitav valik suurte tõukerataste, elektrimootorrataste ja kergete elektrisõidukite jaoks, kus korpus eelistab pikki õhukesi elemente. 40S1P juures pakub see peaaegu 9 kWh nimienergiat ilma paralleelsete rakurühmadeta. Madalama süsteemipinge korral suudab sama võimsus toetada tõukerattaid, tarbesõidukeid ja muid rakendusi, mis eelistavad igapäevast jalgrattasõitu ja stabiilset võimsust.

Õige valik sõltub ikkagi kontrollitud elemendi spetsifikatsioonidest ja sõiduki töötsüklist. Linna tõukerattal, mis sõidab mõõduka võimsusega, on erinevad vajadused kui raskel maksi-tõukerattal, mis ronib pikkadel tõusudel, isegi kui mõlemal pakendil on silt 70Ah.

Praeguse raku teabe saamiseks vaadake Miseni GBT 3,2V 70Ah LFP kottelement ja laiem LiFePO4 kott-rakkude valik . Lõplikud hinnangud tuleks alati kinnitada täpse tootmispartii ja pakendi kujunduse jaoks.

Korduma kippuvad küsimused

Kas ma saan rolleri plii-happe- või NiMH-aku asendada LFP-ga?

Sageli jah, kuid see on pigem süsteemi teisendamine kui otsene rakuvahetus. Uus pakett peab vastama kontrolleri pingeaknale ja tavaliselt vajab see keemiaspetsiifilist BMS-i ja laadija strateegiat.

Kuidas valida järjestikuste LFP-rakkude arvu?

Töötage tagurpidi alates kontrolleri lubatud minimaalsest ja maksimaalsest akupingest. Kontrollige nii nimipinget kui ka täislaadimispinget; ära vali seeriate arvu ainult tõukeratta turustuspinge järgi.

Kas suurem Ah aku on alati parem?

Ei. Suurem mahutavus võib suurendada ulatust, kuid see muudab ka pakendi suurust, kaalu, laadimisaega ja rikkeenergiat. Pakett peab siiski vastama praegustele, termilistele, mehaanilistele ja sõidukite integreerimise nõuetele.

Kas BMS suudab üksi mootorikontrollerit kaitsta?

Ei. BMS kaitseb akut, samas kui kontrolleril, kaitsmel, kontaktoritel ja eellaadimisahelal on igaühel eraldi töö. Nende piirangud ja seiskamiskäitumine peavad olema kooskõlastatud.

Millist teavet on vaja kohandatud rolleri aku ettepaneku jaoks?

Esitage rolleri mudel ja aasta, originaalaku silt, kontrolleri ja laadija sildid, mõõdetud akuruumi mõõtmed, soovitud sõiduulatus, sõiduki võimsus, maksimaalne kiirus, sõitja/koorma kaal, pistiku fotod ja eeldatav töötemperatuur. CAN või juhtmestiku dokumentatsioon on eriti kasulik kõrgepinge tõukerataste puhul.

Viimased mõtted

Parim asenduselement ei ole lihtsalt see, millel on suurim võimsus või kõrgeim C-määr. Just elemendi saab integreerida õige pingeakna, piisava vooluvaru, realistliku mehaanilise paigutuse ja kooskõlastatud kaitsega terviklikku komplekti.

Vectrix VX-1 näitab, miks see protsess oluline on. 40S 70Ah LFP pakett on elektriliselt atraktiivne ja pakub märkimisväärselt suuremat nominaalenergiat, kuid laadija liides, regeneratiivne pidurdus, paki kõrgus ja kottielemendi kokkusurumine võivad otsustada, kas disain on otstarbekas. Sama distsiplineeritud lähenemine kehtib ka väiksemate 48V ja 72V tõukerataste kohta.