Elektrimootorratta akupakkide kott vs. prismaatilised vs. silindrilised elemendid: kuidas valida

Õige elemendi valimine on üks esimesi ja kõige olulisemaid otsuseid elektrimootorratta aku projektis.

Ostja võib alustada lihtsa spetsifikatsiooniga, nagu '72V 40Ah' või '74V 45Ah', kuid pinge ja võimsus üksi ei ütle akutootjale, millist elementi tuleks kasutada. Mootori võimsus, kontrolleri vool, vaba paigaldusruum, sihtkaal, töötemperatuur ja eeldatav kasutusiga mõjutavad kõik lõplikku valikut.

Elektrimootorratta akude puhul kasutatakse tavaliselt kolme liitiumioonelementide vormingut:

• Suureformaadilised kottelemendid

• Prismaatilised elemendid jäikade metallkorpustega

• Silindrilised rakud nagu 18650, 21700 ja 4680

Igal vormingul on tõestatud rakendused. Õige valik sõltub vähem sellest, milline element näeb välja arenenum, vaid rohkem sellest, kui hästi see mootorrattale ja selle elektrikoormusele sobib.

See juhend selgitab peamisi erinevusi ja kasutab praktilise valiku näitena 74 V 45 Ah NMC akut.

Miks on lahtri formaat elektrimootorrattas oluline?

Elektrimootorrattad seavad akudele teistsugused nõudmised kui sõiduautod või statsionaarsed energiasalvestussüsteemid.

Paigaldusruum on piiratud. Kaal mõjutab otseselt juhitavust ja ulatust. Kiirendamine võib nõuda suurt voolupurset, samas kui ronimine või kiire sõit võib hoida akut mitu minutit suure koormuse all. Arvesse tuleb võtta ka teevibratsiooni, kokkupuudet veega ja korduvaid temperatuurimuutusi.

Lahtri vorming mõjutab:

• Paki kaal ja kasutatav energia

• Ruumikasutus aku korpuses

• Pidev ja maksimaalne tühjendusvõime

• Lahtrite arv ja elektriühendused

• Jahutus- ja temperatuuri ühtlus

• Vastupidavus vibratsioonile ja mehaanilistele mõjudele

• Tootmisseadmed ja montaaži maksumus

• Hooldus- ja asendusstrateegia

Seetõttu tuleks aku konstrueerida ümber sõiduki, mitte lihtsalt olemasoleva elemendi ümber.

Kolme lahtrivormingu kiire võrdlus

Valikutegur	Kottirakk	Prismarakk	Silindriline rakk
Gravimeetriline energiatihedus	Tavaliselt väga konkurentsivõimeline	Mõõdukas kuni kõrge	Sõltub tugevalt rakumudelist
Ruumi kasutamine	Suurepärane	Hea tavalises korpuses	Madalam rakkudevaheliste tühimike tõttu
Rakkude mahutavus	Tavaliselt kümneid kuni üle 100 Ah	Tavaliselt kümneid kuni sadu Ah	Tavaliselt mitu Ah raku kohta
Lahtrite arv pakendis	Madal	Madal	Kõrge
Mehaaniline kaitse	Pakend peab olema kaasas	Jäik raku korpus	Tugev individuaalne metallkorpus
Suure võimsusega saadavus	Sobib valitud NMC mudelitele	Oleneb konkreetsest mudelist	Paljud tõestatud kõrge hinnaga valikud
Paki kuju paindlikkus	Kõrge	Mõõdukas	Kõrge läbi rakkude paigutus
Kärjeühenduse töö	Vähem, suuremaid ühendusi	Vähem, suuremaid ühendusi	Paljud väikesed ühendused
Turse juhtimine	Nõuab kontrollitud kompressiooni	Vajab ikkagi mehaanilist kaalumist	Haldab peamiselt raku korpus
Tüüpiline tugevus	Väike kaal ja tõhus pakend	Struktuurne jäikus ja lihtsad moodulid	Standardimine ja tootmise küpsus

Tabel annab ainult üldise võrdluse. Kahel sama vorminguga elemendil võivad olla täiesti erinevad võimsus, tsükli eluiga ja soojuslikud omadused.

Suureformaadilised kottelemendid

Kotirakk kasutab paksu terasest või alumiiniumist korpuse asemel kerget lamineeritud alumiiniumplastkilet. See vähendab mitteaktiivset pakkematerjali ja võimaldab suuremat osa pakendi kaalust kasutada energia salvestamiseks.

Piiratud akuruumiga elektrimootorratta puhul võib see olla suur eelis.

Miks kotielemendid elektrimootorratastel hästi töötavad?

Suured NMC kottelemendid võivad ühendada suure võimsuse, väikese kaalu ja tugeva väljundvõimsuse lamedas ristkülikukujulises struktuuris. Need on eriti atraktiivsed mootorrataste jaoks, mille aku peab mahtuma kitsasse raami või kompaktsesse istmealusesse korpusesse.

Näiteks 45Ah kottelement võib võimaldada 74V 45Ah aku kokkupanemist lihtsas 20S1P konfiguratsioonis. Vaja on ainult 20 lahtrit.

See annab mitmeid praktilisi eeliseid:

• Vähem lahtreid, mida kontrollida ja sobitada

• Vähem jada- ja paralleelühendusi

• Vähem juhtmeid ja vähem keevituspunkte

• Pole vaja hallata igas pingerühmas mitut paralleelset elementi

• Piiratud korpuse mahu tõhus kasutamine

• Suured lamedad pinnad, mis võivad kokku puutuda soojust kandvate materjalidega

• Väiksem pakendi kaal võrreldes paljude jäikade korpuste alternatiividega

Suure jõudlusega mootorrataste puhul ei tähenda kaalu vähendamine ainult sõiduulatuse suurendamist. Kergem aku võib parandada ka sõiduki tasakaalu, kiirendust ja juhitavust.

Kotielemendid vajavad korralikku mehaanilist disaini

Jäiga metallkesta puudumine tähendab, et pakendi struktuur peab rakke kaitsma.

Hästi läbimõeldud kottelemendiga aku peaks sisaldama:

• Kontrollitud ja ühtlaselt jaotatud raku kokkusurumine

• Normaalse paksuse muutuse lubamine hoolduse ajal

• Isolatsioon sakkide, siinide ja korpuse vahel

• Kaitse teravate servade ja torke eest

• Kindel asend tee vibratsiooni eest

• Vajadusel soojustõkked või vahekaugused

• Usaldusväärne lipikeevitus

• Tugev väline korpus

Elemente ei tohi võimalikult tugevalt kokku suruda ega ka akukarbi sisse lahti jätta. Liigne surve võib rakku kahjustada, samas kui ebapiisav tugi võib põhjustada sakkide liikumist, turset ja stressi.

Kottielemendid on seetõttu hea valik, kui akutootjal on kogemusi surveraamide, sakiühenduste ja korpuse disainiga.

Prismaatilised rakud

Prismaatilised elemendid kasutavad jäika ristkülikukujulist metallkorpust. Nagu kottelemendid, on need saadaval suhteliselt suure mahutavusega, nii et aku saab ehitada väikese arvu elementidega.

74V 45Ah paketi puhul võiks sobiv 45Ah või 50Ah NMC prismaatiline element toetada ka 20S1P konfiguratsiooni.

Prismaatiliste rakkude eelised

Jäik korpus pakub mehaanilist tuge ja hõlbustab rakkude paigutamist tavalisse ristkülikukujulisse korpusesse. Sõltuvalt terminali konstruktsioonist võib siini paigaldamine ja mooduli kokkupanek olla ka lihtne.

Prismaatilised rakud võivad olla praktiline valik, kui:

• Patareipesa on korrapärase karbi kujuga

• Mehaaniline vastupidavus on eelistatud minimaalsele kaalule

• Sõidukit kasutatakse ebatasasel teel

• Aku on paigaldatud kaubamootorrattale või elektrilisele kolmerattalisele mootorrattale

• Saadaval on õige võimsuse ja tühjenduskiirusega tõestatud element

• Pakendi tootjal on juba ühilduv mooduli disain

Metallkorpus lisab aga kaalu ja võtab ruumi. Prismaatilised elemendi mõõtmed on samuti vähem paindlikud, mistõttu ei pruugi tehniliselt sobiv element olemasolevasse akuruumi mahtuda.

Teine levinud viga on eeldada, et iga autoprismaelement sobib elektrimootorrattale. Mõned suured NMC prismaatilised elemendid on mõeldud peamiselt energiamahutamiseks, mitte suure voolu jaoks. Nende võimsus võib tunduda atraktiivne, kuid nende lubatud pidev tühjenemine, madala temperatuuri jõudlus või termiline käitumine ei pruugi ühtida mootorratta kontrolleriga.

Enne valimist tuleb kontrollida andmelehte ja eelistatavalt sõltumatut raku testimist.

Silindrilised rakud

Silindrilisi rakke kasutatakse laialdaselt elektrilistes tõukeratastes, e-jalgratastes ja mootorratastes. Levinud vormingute hulka kuuluvad 18650 ja 21700, samas kui suuremad silindrilised lahtrid, näiteks 4680, sisenevad rohkem mobiilsusrakendustesse.

Nende metallkorpus tagab hea individuaalse mehaanilise kaitse ning rakkude sorteerimiseks, paigutamiseks ja keevitamiseks on saadaval küpsed automatiseeritud seadmed.

Miks tootjad valivad silindrilised rakud?

Silindrilised rakud pakuvad mitmeid eeliseid:

• Standardsed mõõtmed

• Lai tarnijate kättesaadavus

• Küps suuremahuline tootmine

• Hea mehaaniline tugevus

• Paljud suure kiirusega raku valikud

• Paindlikud pakendikujud erinevate lahtri paigutuste kaudu

• Väiksem energiasisaldus raku kohta

Väiksem elemendi suurus võib hõlbustada ka voolu ja soojuse jaotamist suure hulga elementide vahel. Kui silindriline pakk on õigesti konstrueeritud, võib see pakkuda suurepärast jõudlust.

Kompromiss on keerukus.

Suur elektrimootorratta aku võib sisaldada sadu silindrilisi elemente. Iga element vajab ülevaatust, rühmitamist ja elektriühendust. Rakkude hoidikud ja jahutusvahed kulutavad ruumi, samas kui suur keevisõmbluste arv suurendab tootmise järjepidevuse tähtsust.

Näiteks kui 74 V 45 Ah pakk kasutab 5 Ah silindrilisi elemente, oleks ligikaudne konfiguratsioon järgmine:

• 20 rakku järjest

• 9 rakku paralleelselt

• 20S9P

• Kokku 180 rakku

Kui valitud on 4,5 Ah elemendid, võib pakett vajada 200 elemendiga konfiguratsiooni 20S10P.

Võrdluseks, 45Ah kott või prismaatiline lahendus võib vajada vaid 20 suureformaadilist rakku.

Silindrilised rakud sobivad hästi kõrgelt standardiseeritud suure mahuga toodetega. Väikese mahuga kohandatud aku puhul võivad tööriistad, keevitus- ja montaažitööd muuta disaini vähem atraktiivseks.

Milline lahtrivorming sobib erinevate elektrimootorrataste projektidega?

Linna elektrilised motorollerid

Silindrilised elemendid on sageli praktiline valik standardiseeritud linnatõukerataste jaoks, eriti kui tootmismaht on suur ja võimsusvajadus mõõdukas.

Suured kottelemendid võivad olla atraktiivsed ka siis, kui tootja soovib kompaktses korpuses rohkem mahtu või vähem paralleelseid rühmi.

Suure jõudlusega elektrimootorrattad

Suured NMC kottelemendid on sageli tugevad kandidaadid suure jõudlusega mootorrataste jaoks, kuna need võivad pakkuda kasulikku tasakaalu energiatiheduse, tühjendusvõimsuse ja pakkimise tõhususe vahel.

Lõplik otsus sõltub ikkagi raku tegelikust tühjenemise reitingust. Suure võimsusega energiaelementi ei tohiks käsitleda suure võimsusega elemendina, välja arvatud juhul, kui selle spetsifikatsioonid ja katseandmed toetavad vajalikku voolu.

Kaubaveomootorrattad ja elektrilised kolmerattalised mootorrattad

Prismaatilisi rakke võib eelistada, kui ruumi on korrapärane ja mehaaniline tugevus on oluline. LFP prismaatilisi elemente peetakse tavaliselt ka siis, kui tsükli eluiga ja termiline stabiilsus on olulisemad kui minimaalne kaal.

Kui on nõutav NMC keemia, tuleks nii prisma- kui ka kotivalikuid võrrelda tühjendusvõime, mõõtmete ja pakendi kaalu järgi.

Vahetatavad akusüsteemid

Vahetatavad akud peavad tasakaalustama energia, kaalu, käsitsemise ja mehaanilise vastupidavuse.

Silindrilistel rakkudel on standardiseeritud vahetussüsteemides tugev rekord. Kotielemendid võivad parandada ruumikasutust, kuid aku korpus ja sisemine tugistruktuur peavad olema konstrueeritud nii, et neid saaks sageli eemaldada ja käsitseda.

Prototüübid ja väikesemahulised kohandatud projektid

Suureformaadilised kotid või prismaatilised rakud võivad vähendada rakkude koguarvu ja lihtsustada elektrilist arhitektuuri. See muudab need atraktiivseks mootorrataste prototüüpide ja kohandatud akuprojektide jaoks, tingimusel et on olemas vajalikud ühendamis- ja mehaanilised protsessid.

Juhtumiuuring: elementide valimine 74 V 45 Ah elektrimootorratta akupaki jaoks

Oletame, et klient soovib '7445 akut'. Enne projekteerimise alustamist peaks tootja esmalt kinnitama, et see tähendab 74 V ja 45 Ah.

Kasutades 3,7 V NMC elemente, oleks põhikonfiguratsioon järgmine:

• Konfiguratsioon: 20S

• Nimipinge: 20 × 3,7V = 74V

• Täislaadimispinge: 20 × 4,2V = 84V

• Nimivõimsus: 45Ah

• Nimienergia: 74V × 45Ah = 3,33kWh

Esmapilgul tundub 20S1P pakett, mis kasutab 45Ah kottelemente, lihtne. Kuid mootori ja kontrolleri vool määrab, kas valitud element sobib.

Mootori võimsus ja aku vool

Teoreetilist voolu nimipingel saab hinnata järgmiselt:

[
I = rac{P}{V}
]

See annab järgmised ligikaudsed väärtused:

Mootori tippvõimsus	Vool 74 V juures
3 kW	41A
5 kW	68A
8 kW	108A
10 kW	135A

Need on lihtsustatud nimipinge arvutused. Tegelik aku vool võib olla suurem, kuna aku pinge langeb madalal laadimisel ning kuna kontroller, mootor ja juhtmestik ei ole 100% tõhusad.

Kontrolleri maksimaalne aku vool on elemendi valimisel tavaliselt kasulikum kui mootori andmesilt.

Kui kontroller lubab 120A akuvoolu, peab 45Ah element toetama:

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

Ainult 1C pidevaks tühjenemiseks mõeldud element ei oleks selle töötingimuste jaoks ohutu valik. Vaja on sobiva pidevvoolu, impulssvoolu, temperatuuritõusu ja pingelanguse jõudlusega elementi.

1. valik: 20S1P 45Ah NMC kottelemendid

Tavaliselt on see esimene hindamisvõimalus, kui projekt seab prioriteediks:

• Madal aku kaal

• Kompaktsed mõõtmed

• Paigaldusruumi tõhus kasutamine

• Lihtne 1P elektriline struktuur

• Kõrge energiatihedus

• Tugev kiirenduse jõudlus

Eeldatava tööprofiili kohaselt peab rakk siiski läbima tühjenemise, temperatuuri ja tsükli eluea hindamise.

Valik 2: 20S1P 45Ah või 50Ah NMC prismaatilised elemendid

See võib sobida, kui:

• Korpus on suur ja ristkülikukujuline

• Täiendav raku kaal on vastuvõetav

• Struktuuri jäikus on prioriteet

• Valitud prismaatiline element on piisava võimsusega

• Aku mõõtmed vastavad akupesaga

Tootja ei tohiks prismaelementi valida ainult seetõttu, et selle metallkorpus tundub turvalisem. Rakkude keemia, sisemine disain, kvaliteedi järjepidevus, BMS-strateegia, sulatamine ja termilise leviku kaitse on olulisemad kui ainult väline kuju.

Valik 3: silindriline pakett 20S9P või 20S10P

See võib hästi toimida, kui:

• Saadaval on tõestatud suure kiirusega silindriline element

• Tootjal on automatiseeritud sorteerimis- ja keevitusseadmed

• Eeldatakse, et aku disain jõuab stabiilsesse mahutootmisse

• Korpus mahutab suurema hulga lahtreid ja hoidikuid

• Kärje tasemel praegune jagamine on kinnitatud

Väikese tellimuse korral võib suur rakkude arv ja montaaži keerukus muuta silindrilise variandi vähem tõhusaks.

Enne lahtri valimist nõutav teave

Enne elemendi soovitamist peaks vastutav aku tarnija küsima rohkemat kui pinge ja võimsus.

Eriti oluline on järgmine teave:

1. Mootori nimivõimsus ja tippvõimsus

2. Kontrolleri maksimaalne aku vool

3. Nõutav pidev ja tipplahendusvool

4. Tippvoolu kestus

5. Akupesa pikkus, laius ja kõrgus

6. Maksimaalne lubatud aku kaal

7. Eesmärk sõiduulatus ja töökiirus

8. Laadimispinge, vool ja vajalik laadimisaeg

9. Regeneratiivpidurdusvool

10. Töötemperatuuri vahemik

11. Tee-, vibratsiooni- ja hüdroisolatsioonitingimused

12. Sidenõuded, nagu CAN või UART

13. Nõutav tsükli eluiga

14. Sihtturg ja sertifitseerimisnõuded

15. Prototüüp ja tootmiskogused

Ilma selle teabeta on akuelemendi soovitamine enamasti oletus.

Kott, prismaatiline või silindriline: milline on parim?

Universaalset võitjat pole olemas.

Silindrilised elemendid on atraktiivsed standardiseeritud suure mahuga akude ja rakenduste jaoks, mis saavad kasu küpsetest tootmisprotsessidest. Prismaatilised elemendid pakuvad jäika struktuuri ja võivad lihtsustada kokkupanekut tavalises korpuses. Suured kottelemendid on eriti väärtuslikud, kui oluline on väike kaal, tõhus pakend, suur mahutavus ja väike rakkude arv.

Paljude 72 V ja 74 V suure jõudlusega elektrimootorrataste projektide puhul väärivad suured NMC kottelemendid esmalt hindamist. 20S1P konfiguratsioon, mis kasutab 40Ah, 45Ah, 50Ah või suuremaid elemente, võib tagada puhta elektrilise struktuuri ja olemasoleva ruumi suurepärase kasutamise.

Otsus peaks ikkagi põhinema mõõdetud jõudlusel, mitte ainult formaadil. Ülevaatamist vajavad võimsus, alalisvoolu sisetakistus, pidevvool, impulssvool, pingelangus, temperatuuri tõus, tsükli eluiga ja mehaaniline integratsioon.

Miseni elektrimootorrataste akuelementide lahendused

Misen tarnib suureformaadilisi NMC-, LFP-, pooltahkeid ja muid kottelementidega lahendusi elektrimootorratastele, elektritõukeratastele, kergetele elektrisõidukitele ja kohandatud akusüsteemidele. Valitud silindriliste ja prismaliste lahtrite valikud on saadaval ka projektide jaoks, kus need vormingud pakuvad paremat tehnilist sobivust.

Meie meeskond aitab hinnata:

• Rakkude keemia ja formaat

• Seeria- ja paralleelkonfiguratsioon

• Pideva ja tippvoolu nõuded

• Aku mõõtmed ja akupesa ühilduvus

• Võimsuse, pinge ja sisemise takistuse sobitamine

• Näidiste testimine ja projekti valideerimine

• Kohandatud akumooduli ja pakendi nõuded

Elektrimootorratta projekti hindamiseks saatke meile vajalik pinge, võimsus, mootori võimsus, kontrolleri vool ja saadaolevad akuruumi mõõdud.

Hea lähtepunkt on spetsifikatsioon, näiteks '74V 45Ah'. Õige raku valik tuleneb arusaamisest, mida mootorratas peab tegema.