راهنمای تعویض باتری اسکوتر برقی: نحوه انتخاب سلول ها و طراحی بسته ایمن

تعویض باتری اسکوتر قدیمی می تواند برد را بازیابی کند، پایداری ولتاژ را بهبود بخشد و یک وسیله نقلیه سالم را در جاده حفظ کند. بخش دشوار، پیدا نکردن سلول هایی با ولتاژ یکسان چاپ شده روی برچسب است. این باعث می شود سلول های جدید، بسته باتری، BMS، شارژر و کنترل کننده خودرو به عنوان یک سیستم کار کنند.

پروژه اخیر این موضوع را مورد توجه قرار داده است. این وسیله نقلیه ماکسی اسکوتر Vectrix VX-1 بود و سلول جایگزین پیشنهادی یک سلول کیسه ای GBT 3.2V 70Ah LFP بود. VX-1 یک مورد مفید است زیرا با ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به یک اسکوتر معمولی کار می کند، اما همان سؤالات مهندسی در مورد اسکوترهای تحویل 48 ولت، مدل های 60 ولت شهری، اسکوترهای عملکردی 72 ولت و سایر وسایل نقلیه الکتریکی سبک اعمال می شود.

این راهنما نحوه نمایش سلول جایگزین، محاسبه پیکربندی بسته و شناسایی جزئیاتی را که باید قبل از ساخت هر سخت افزاری بررسی شوند، توضیح می دهد.

باتری جایگزین یک سیستم است، نه یک جعبه سلول

یک اسکوتر ممکن است همچنان موتور، شاسی و کنترلر خوبی داشته باشد حتی زمانی که باتری اصلی آن دیگر قابل تعمیر نیست. این امر جایگزینی سلول را جذاب می کند، به ویژه برای وسایل نقلیه متوقف شده یا اسکوترهای تجاری که باید در خدمت باقی بمانند.

با این حال، یک تبدیل موفق باید شش شرط را به طور همزمان برآورده کند:

• ولتاژ کار باید در محدوده امن کنترلر باقی بماند.

• سلول ها باید توان پیوسته و پیک های شتاب کوتاه را بدون کاهش بیش از حد ولتاژ تامین کنند.

• سلول‌ها و سخت‌افزار بسته باید از نظر فیزیکی متناسب با محفظه باتری باشند.

• BMS باید از هر گروه سری محافظت کند و هم جریان درایو و هم شارژ احیا کننده را مدیریت کند.

• شارژر باید از پروفیل ولتاژ صحیح برای شمارش شیمی و سری جدید استفاده کند.

• بسته تمام شده باید لرزش، گرما، رطوبت، ضربه و چرخه های خدمات مکرر را تحمل کند.

اگر یکی از این شرایط نادیده گرفته شود، بسته‌ای که روی کاغذ درست به نظر می‌رسد ممکن است برد ضعیفی داشته باشد، خطاهای کنترل‌کننده را ایجاد کند یا خطر ایمنی قابل اجتناب ایجاد کند.

با وسیله نقلیه شروع کنید، نه سلول جایگزین

قبل از انتخاب سلول، داده های اصلی خودرو را جمع آوری کنید. نام مدل به تنهایی کافی نیست زیرا تولید کنندگان اغلب از باتری ها، شارژرها یا سیستم عامل های مختلف در سال های تولید و نسخه های منطقه ای استفاده می کنند.

چگونه پیکربندی سری و موازی بسته را تغییر می دهد

سلول های متصل به صورت سری ولتاژ را افزایش می دهند. سلول های متصل به صورت موازی ظرفیت و قابلیت جریان را افزایش می دهند. محاسبات اولیه ساده است:

کلمه '72V' یک باتری جهانی را توصیف نمی کند. یک بسته NMC کلاس 72 ولت معمولاً به عنوان 20S ساخته می شود که حدود 74 ولت اسمی و 84 ولت در شارژ کامل است. یک بسته 24S LFP 76.8 ولت اسمی و تا 87.6 ولت در صورت شارژ به 3.65 ولت در هر سلول می دهد. هر دو ممکن است به عنوان باتری 72 ولت فروخته شوند، اما بدون تایید محدودیت های کنترل کننده و شارژر قابل تعویض نیستند.

اینها نمونه های محاسباتی هستند، نه جایگزین های جهانی. تعداد سری نهایی باید از حداقل و حداکثر محدودیت های DC-bus خودرو انتخاب شود.

LFP یا NMC: کدام شیمی برای تبدیل اسکوتر مناسب است؟

LFP اغلب برای پروژه های جایگزین انتخاب می شود زیرا پایداری حرارتی خوب و عمر چرخه طولانی را ارائه می دهد. NMC زمانی ارزشمند باقی می ماند که محفظه باتری سفت باشد و برد در هر کیلوگرم اولویت باشد. هیچ کدام از این دو شیمی به طور خودکار برای هر اسکوتر بهتر نیست.

قالب سلولی نیز مهم است. سلول‌های استوانه‌ای مدولار هستند و به طور گسترده پشتیبانی می‌شوند، سلول‌های منشوری از نظر مکانیکی قوی و سرراست جمع‌آوری می‌شوند، در حالی که سلول‌های کیسه‌ای می‌توانند از یک محفظه بلند یا کم عمق استفاده بهتری کنند. سلول های کیسه ای به فشرده سازی کنترل شده و محافظت در برابر لبه های تیز و فشار موضعی نیاز دارند. زبانه های آنها همچنین به شینه هایی با طراحی مناسب یا اتصالات جوش داده شده نیاز دارند. آنها را نباید مانند ورق های انعطاف پذیری که به سادگی می توان در فضای بلا استفاده بسته بندی کرد رفتار کرد.

مطالعه موردی: غربالگری یک بسته LFP 40S 70Ah برای Vectrix VX-1

Vectrix VX-1 اصلی حول یک سیستم باتری ولتاژ بالا ساخته شد. مطالب فنی منتشر شده باتری اولیه را تقریباً 125 ولت، 30 آمپر ساعت و 3.7 کیلووات ساعت توصیف می کند. نسخه‌های Li/Li+ کارخانه‌ای بعدی از 40 سلول LFP به صورت سری استفاده کردند که ولتاژ باس اسمی 128 ولت را تولید می‌کردند. این تاریخ یک معماری 40S LFP را به یک نقطه شروع معقول برای تبدیل VX-1 تبدیل می کند، اما نه یک تایید خودکار برای هر سال مدل یا نسخه سیستم عامل.

برای پروژه پیشنهادی، داده های غربالگری اولیه برای سلول کیسه ای GBT 3.2 ولت، 70 آمپر ساعت و تقریباً 14.5 × 102 × 376 میلی متر است. داده های پروژه همچنین دشارژ مداوم 2C و تخلیه پالس 5C را نشان می دهد. این رتبه‌بندی‌ها باید در برابر مدل سلولی دقیق و برگه اطلاعات امضا شده فعلی آن قبل از انتشار بسته برای تولید تأیید شود.

تقاضای فعلی باید در حالت شارژ پایین بررسی شود

یک بار 10 کیلوواتی حدود 78 آمپر را در 128 ولت می کشد. یک بار 15 کیلوواتی حدود 117 آمپر می کشد. با کاهش ولتاژ پک، جریان افزایش می‌یابد و تلفات کابل، کانکتور و کنترلر به تقاضای باتری می‌افزاید. به همین دلیل، قابلیت جریان باید در نزدیکی ولتاژ عملیاتی پایین‌تر و در بالاترین دمای محیط مورد انتظار بررسی شود - نه تنها در ولتاژ اسمی روی میز آزمایشگاه.

سلول های خام ممکن است جا بیفتند در حالی که بسته تمام شده مناسب نیست

اگر 40 سلول به دو پشته 20 تایی تقسیم شوند، پوشش نظری فقط سلول تقریباً 376 × 290 × 204 میلی متر است. در مقایسه با یک بسته باتری VX-1 با ابعاد حدود 610 × 330 × 222 میلی متر، امیدوار کننده به نظر می رسد. با این حال، ارتفاع باقی مانده قبل از افزودن صفحات فشرده سازی، عایق الکتریکی، تکیه گاه زبانه ها، شینه ها، سیم های حسگر و تلورانس های محفظه، تنها حدود 18 میلی متر است. جهت برگه و دسترسی به سرویس ممکن است مهمتر از حجم استفاده نشده در جای دیگری در خلیج باشد.

به همین دلیل است که مرحله بعدی باید یک طرح بسته سه بعدی بر اساس هندسه اندازه گیری شده وسیله نقلیه باشد. محاسبه حجم نمی تواند نشان دهد که آیا بسته واقعاً می تواند مونتاژ، نصب و سرویس ایمن شود یا خیر.

برد باید از انرژی قابل استفاده تخمین زده شود

انرژی اسمی 8.96 کیلووات ساعت است، اما یک طراحی عملی معمولا انرژی را در بالا و پایین پنجره ولتاژ ذخیره می کند. اگر 85% قابل استفاده در نظر گرفته شود، بسته حدود 7.6 کیلووات ساعت را فراهم می کند. با مصرف متوسط ​​80Wh/km، برآورد ساده حدود 95km است. در 100Wh/km، حدود 76 کیلومتر است. سرعت، جرم سوار، تپه ها، دما، فشار باد تایر و باد می توانند نتیجه واقعی را به طور قابل توجهی تغییر دهند.

انتخاب BMS: بیشتر از مطابقت با تعداد سری

BMS با علامت '40S LFP' به طور خودکار برای بسته اسکوتر 40S مناسب نیست. رتبه بندی ولتاژ، سنسورهای جریان، خروجی های کنتاکتور، منطق پیش شارژ، استراتژی متعادل سازی و پروتکل ارتباطی همه باید با خودرو مطابقت داشته باشند.

برای پک کششی، BMS باید برای موارد زیر بررسی شود:

• حفاظت از اضافه ولتاژ و کمبود ولتاژ هر سلول

• جریان تخلیه مداوم و جریان پیک محدود با زمان

• جریان شارژ، از جمله ترمز احیا کننده

• سنسورهای دما در نقاط سرد و گرم معرف

• کنترل کنتاکتور، پیش شارژ و رفتار خاموش شدن خطا

• جریان متعادل کننده غیر فعال یا فعال

• می تواند با شارژر، داشبورد یا کنترل کننده موتور ارتباط برقرار کند

• جریان خواب در حین ذخیره سازی و قفل شارژ در دمای پایین

ترمز احیا کننده سزاوار توجه ویژه است. هنگامی که باتری پر یا سرد است، ممکن است نتواند جریان طبیعی بازسازی را بپذیرد. قبل از اینکه BMS مجبور شود کنتاکتور اصلی را تحت بار باز کند، BMS و کنترلر به یک روش هماهنگ برای کاهش یا غیرفعال کردن Regen نیاز دارند.

آیا می توان شارژر اسکوتر اصلی را نگه داشت؟

گاهی اوقات، اما تنها پس از تایید رفتار آن. شارژر طراحی شده برای NiMH نباید با LFP کار کند. حتی دو بسته لیتیومی با ولتاژهای اسمی مشابه ممکن است به حداکثر ولتاژ، کاهش جریان و قوانین دما نیاز داشته باشند.

سه مسیر رایج وجود دارد:

1. شارژر اصلی را دوباره برنامه ریزی کنید . هنگامی که سیستم عامل پشتیبانی شده و اسناد ارتباطی موجود است،

2. شارژر را با یک واحد طراحی شده برای شیمی جدید، تعداد سری و ارتباطات BMS جایگزین کنید.

3. از یک سیستم شارژر-BMS مستقل استفاده کنید و در عین حال عملکردهای اینترلاک و نمایشگر مورد نیاز خودرو را حفظ کنید.

همیشه لازم نیست هدف شارژ با حداکثر مطلق مجاز سلول برابر باشد. ولتاژ بالا کمی پایین‌تر می‌تواند حاشیه عملیاتی مفیدی را فراهم کند و ممکن است از عمر طولانی‌تری پشتیبانی کند، اما مقدار انتخاب‌شده همچنان باید با تعادل و محاسبه وضعیت شارژ خودرو کار کند.

جزئیات مکانیکی و الکتریکی که قابلیت اطمینان را تعیین می کند

بسیاری از مشکلات تبدیل خارج از خود سلول شروع می شود. یک بسته اسکوتر قابل اعتماد به یک محفظه سفت و سخت، فشرده سازی سلول قابل پیش بینی، عایق بین قطعات رسانا، کاهش فشار در هر خروجی کابل و جداسازی کافی بین سیم کشی ولتاژ بالا و ولتاژ پایین نیاز دارد.

طراحی همچنین باید شامل موارد زیر باشد:

• یک فیوز اصلی با درجه بندی صحیح که نزدیک به خروجی بسته قرار دارد

• یک روش قطع سرویس یا نگهداری ایمن

• مقاومت پیش شارژ برای محدود کردن جریان هجومی کنترلر-خازن

• کنتاکتورهایی با ولتاژ DC کافی و درجه جریان خطا

• شینه هایی که برای جریان، افزایش دما و ارتعاش طراحی شده اند

• محافظت در برابر آب، گرد و غبار رسانا و زباله های جاده

• مسیرهای حرارتی که سلول های گرم جدا شده ایجاد نمی کنند

• برچسب های پلاریته، ولتاژ بالا و سرویس را پاک کنید

برای یک بسته سلولی کیسه ای، فشرده سازی باید یکنواخت و مشخص باشد نه بداهه. محدودیت خیلی کم می تواند باعث تورم و خستگی زبانه شود. فشار موضعی بیش از حد می تواند به لمینت یا لایه های داخلی آسیب برساند.

یک گردش کار عملی برای تعویض باتری اسکوتر

قبل از بازگشت اسکوتر به جاده چه چیزی باید تست شود؟

حداقل، نمونه اولیه باید از نظر قوام سلول، ظرفیت قابل استفاده، کاهش ولتاژ جریان بالا، افزایش دمای شینه، مقاومت عایق، آستانه BMS، عملکرد کنتاکتور و قطع شارژر بررسی شود. تست های خودرو باید با قدرت کنترل شده آغاز شود و به تدریج تا شتاب، تپه نوردی و ترمز احیا کننده گسترش یابد.

یک طرح اعتبارسنجی مفید همچنین شامل خیساندن با شارژ کامل، عملیات با حالت شارژ کم، شرایط گرم و سرد مناسب بازار، جریان ذخیره‌سازی کلید خاموش و شبیه‌سازی خطا است. هدف صرفاً حرکت دادن اسکوتر نیست. این است که اطمینان حاصل شود که خطاهای قابل پیش بینی منجر به یک پاسخ کنترل شده و قابل بازیافت می شود.

جایی که سلول کیسه ای GBT 70Ah LFP ممکن است جا شود

یک سلول کیسه‌ای LFP با قدرت 70Ah می‌تواند گزینه جالبی برای اسکوترهای بزرگ، موتورسیکلت‌های برقی و تبدیل‌های سبک EV باشد که در آن محفظه به سلول‌های بلند و نازک کمک می‌کند. در 40S1P، تقریباً 9 کیلووات ساعت انرژی اسمی را بدون گروه های سلولی موازی ارائه می دهد. در ولتاژهای پایین‌تر سیستم، همان ظرفیت می‌تواند از اسکوترهای تحویل، وسایل نقلیه شهری و سایر برنامه‌هایی که دوچرخه‌سواری روزانه و قدرت پایدار را در اولویت قرار می‌دهند، پشتیبانی کند.

انتخاب صحیح همچنان به مشخصات سلولی تایید شده و چرخه وظیفه خودرو بستگی دارد. یک اسکوتر شهری که با قدرت کم حرکت می کند، نیازهای متفاوتی نسبت به یک اسکوتر ماکسی سنگین برای بالا رفتن از کلاس های طولانی دارد، حتی زمانی که هر دو بسته دارای برچسب 70Ah هستند.

برای اطلاعات سلول فعلی، Misen's را ببینید سلول کیسه ای GBT 3.2V 70Ah LFP و وسیع تر محدوده سلولی کیسه ای LiFePO4 . رتبه بندی نهایی همیشه باید برای طراحی دقیق دسته تولید و بسته تایید شود.

سوالات متداول

آیا می توانم باتری سرب اسید یا NiMH اسکوتر را با LFP تعویض کنم؟

اغلب بله، اما این یک تبدیل سیستم به جای تعویض مستقیم سلول است. بسته جدید باید با پنجره ولتاژ کنترلر مطابقت داشته باشد و معمولاً به یک استراتژی BMS و شارژر مخصوص شیمی نیاز دارد.

چگونه تعداد سلول های LFP را به صورت سری انتخاب کنم؟

از حداقل و حداکثر ولتاژ مجاز باتری کنترلر به عقب کار کنید. هم ولتاژ اسمی و هم ولتاژ شارژ کامل را بررسی کنید. تعداد سری را تنها از روی ولتاژ بازاریابی اسکوتر انتخاب نکنید.

آیا باتری با Ah بالاتر همیشه بهتر است؟

نه. ظرفیت بیشتر ممکن است برد را بهبود بخشد، اما اندازه بسته، وزن، زمان شارژ و انرژی خطا را نیز تغییر می‌دهد. این بسته هنوز باید الزامات جریان، حرارتی، مکانیکی و یکپارچه سازی خودرو را برآورده کند.

آیا BMS به تنهایی می تواند از کنترل کننده موتور محافظت کند؟

خیر. BMS از باتری محافظت می کند، در حالی که کنترلر، فیوز، کنتاکتورها و مدار پیش شارژ هر کدام وظایف جداگانه ای دارند. محدودیت ها و رفتار خاموش شدن آنها باید هماهنگ باشد.

چه اطلاعاتی برای پیشنهاد باتری اسکوتر سفارشی مورد نیاز است؟

مدل و سال اسکوتر، برچسب باتری اصلی، برچسب کنترلر و شارژر، ابعاد اندازه گیری شده محفظه باتری، برد مورد نظر، قدرت خودرو، حداکثر سرعت، وزن سوار/بار، عکس های کانکتور و دمای مورد انتظار کار را ارائه دهید. مدارک CAN یا سیم کشی مخصوصاً برای اسکوترهای ولتاژ بالا مفید است.

افکار نهایی

بهترین سلول جایگزین آنی نیست که دارای بیشترین ظرفیت یا بالاترین نرخ C باشد. این سلولی است که می تواند با پنجره ولتاژ صحیح، حاشیه جریان کافی، طرح مکانیکی واقعی و حفاظت هماهنگ در یک بسته کامل ادغام شود.

Vectrix VX-1 نشان می دهد که چرا این فرآیند اهمیت دارد. بسته LFP 40S 70Ah از نظر الکتریکی جذاب است و افزایش زیادی در انرژی اسمی ارائه می‌دهد، با این حال رابط شارژر، ترمز احیاکننده، ارتفاع بسته و فشرده‌سازی سلول کیسه‌ای ممکن است تصمیم بگیرند که آیا طراحی کاربردی است یا خیر. همین رویکرد منظم در مورد اسکوترهای کوچکتر 48 ولت و 72 ولت اعمال می شود.