Gabay sa Pagpapalit ng Baterya ng Electric Scooter: Paano Pumili ng Mga Cell at Magdisenyo ng Ligtas na Pack

Ang pagpapalit ng tumatandang baterya ng scooter ay maaaring maibalik ang saklaw, mapabuti ang katatagan ng boltahe at mapanatili ang isang maayos na sasakyan sa kalsada. Ang mahirap na bahagi ay hindi paghahanap ng mga cell na may parehong boltahe na naka-print sa label. Ginagawa nitong isang sistema ang mga bagong cell, battery pack, BMS, charger at controller ng sasakyan.

Isang kamakailang proyekto ang nagdala nito sa focus. Ang sasakyan ay isang Vectrix VX-1 maxi-scooter, at ang iminungkahing kapalit na cell ay isang GBT 3.2V 70Ah LFP pouch cell. Ang VX-1 ay isang kapaki-pakinabang na kaso dahil ito ay gumagana sa isang mas mataas na boltahe kaysa sa isang tipikal na commuter scooter, ngunit ang parehong mga tanong sa engineering ay nalalapat sa 48V delivery scooter, 60V city models, 72V performance scooter at iba pang magaan na electric vehicle.

Ipinapaliwanag ng gabay na ito kung paano mag-screen ng kapalit na cell, kalkulahin ang configuration ng pack at tukuyin ang mga detalye na dapat suriin bago gumawa ng anumang hardware.

Ang kapalit na baterya ay isang sistema, hindi isang kahon ng mga cell

Ang isang scooter ay maaari pa ring magkaroon ng magandang motor, chassis at controller kahit na ang orihinal na baterya nito ay hindi na magagamit. Ginagawa nitong kaakit-akit ang pagpapalit ng cell, lalo na para sa mga hindi na ipinagpatuloy na sasakyan o komersyal na scooter na kailangang manatili sa serbisyo.

Gayunpaman, ang isang matagumpay na conversion ay dapat matugunan ang anim na kundisyon sa parehong oras:

• Ang operating boltahe ay dapat manatili sa loob ng ligtas na hanay ng controller.

• Ang mga cell ay dapat magbigay ng tuluy-tuloy na kapangyarihan at maikling acceleration peak nang walang labis na boltahe sag.

• Ang mga cell at pack hardware ay dapat na pisikal na magkasya sa kompartimento ng baterya.

• Dapat protektahan ng BMS ang bawat pangkat ng serye at pangasiwaan ang drive current at regenerative charging.

• Dapat gamitin ng charger ang tamang profile ng boltahe para sa bagong chemistry at bilang ng serye.

• Ang tapos na pack ay dapat makatiis sa vibration, init, kahalumigmigan, epekto at paulit-ulit na mga ikot ng serbisyo.

Kung napalampas ang isa sa mga kundisyong ito, ang isang pack na mukhang tama sa papel ay maaaring maghatid ng mahinang saklaw, mag-trigger ng mga error sa controller o lumikha ng maiiwasang panganib sa kaligtasan.

Magsimula sa sasakyan, hindi sa kapalit na cell

Bago pumili ng cell, kolektahin ang orihinal na data ng sasakyan. Ang pangalan ng modelo lamang ay hindi sapat dahil ang mga tagagawa ay madalas na gumagamit ng iba't ibang mga baterya, charger o firmware sa mga taon ng produksyon at mga rehiyonal na bersyon.

Paano binabago ng serye at parallel na configuration ang pack

Ang mga cell na konektado sa serye ay nagdaragdag ng boltahe. Ang mga cell na konektado sa parallel na pagtaas ng kapasidad at kasalukuyang kakayahan. Ang mga pangunahing kalkulasyon ay simple:

Ang salitang '72V' ay hindi naglalarawan ng isang unibersal na baterya. Ang isang 72V-class na NMC pack ay karaniwang binuo bilang 20S, na nagbibigay ng humigit-kumulang 74V nominal at 84V sa buong singil. Ang 24S LFP pack ay nagbibigay ng 76.8V nominal at hanggang 87.6V kung sisingilin sa 3.65V bawat cell. Parehong maaaring ibenta bilang mga 72V na baterya, ngunit hindi mapapalitan ang mga ito nang hindi kinukumpirma ang mga limitasyon ng controller at charger.

Ito ay mga halimbawa ng pagkalkula, hindi mga pangkalahatang kapalit. Ang huling bilang ng serye ay dapat mapili mula sa aktwal na minimum at maximum na limitasyon ng DC-bus ng sasakyan.

LFP o NMC: aling chemistry ang nababagay sa conversion ng scooter?

Kadalasang pinipili ang LFP para sa mga kapalit na proyekto dahil nag-aalok ito ng magandang thermal stability at mahabang cycle ng buhay. Ang NMC ay nananatiling mahalaga kapag ang kompartamento ng baterya ay masikip at ang saklaw ng bawat kilo ang priyoridad. Wala alinman sa kimika ay awtomatikong mas mahusay para sa bawat scooter.

Mahalaga rin ang format ng cell. Ang mga cylindrical na cell ay modular at malawak na sinusuportahan, ang mga prismatic na cell ay mekanikal na matatag at diretsong mag-assemble, habang ang mga pouch cell ay maaaring gumamit ng mas mahusay na mahaba o mababaw na enclosure. Ang mga pouch cell ay nangangailangan ng kontroladong compression at proteksyon mula sa matutulis na mga gilid at lokal na presyon. Ang kanilang mga tab ay nangangailangan din ng maayos na dinisenyo na mga busbar o welded joints; hindi sila dapat tratuhin na parang mga nababaluktot na sheet na maaari lamang ilagay sa hindi nagamit na espasyo.

Pag-aaral ng kaso: pag-screen ng isang 40S 70Ah LFP pack para sa isang Vectrix VX-1

Ang orihinal na Vectrix VX-1 ay binuo sa paligid ng isang mataas na boltahe na sistema ng baterya. Inilalarawan ng na-publish na teknikal na materyal ang maagang baterya bilang humigit-kumulang 125V, 30Ah at 3.7kWh. Gumamit ang mga bersyon ng Li/Li+ ng pabrika sa ibang pagkakataon ng 40 LFP cell sa serye, na gumagawa ng nominal na boltahe ng bus na 128V. Ginagawa ng kasaysayang iyon ang isang 40S LFP na arkitektura na isang makabuluhang panimulang punto para sa isang VX-1 na conversion, ngunit hindi isang awtomatikong pag-apruba para sa bawat taon ng modelo o bersyon ng firmware.

Para sa iminungkahing proyekto, ang paunang data ng screening para sa GBT pouch cell ay 3.2V, 70Ah at humigit-kumulang 14.5 × 102 × 376mm. Ang data ng proyekto ay nagpapahiwatig din ng 2C tuloy-tuloy na discharge at 5C pulse discharge. Dapat kumpirmahin ang mga rating na ito laban sa eksaktong modelo ng cell at ang kasalukuyang nilagdaang datasheet nito bago ilabas ang pack para sa produksyon.

Ang kasalukuyang demand ay dapat suriin sa mababang estado ng singil

Ang 10kW load ay kumukuha ng humigit-kumulang 78A sa 128V. Ang 15kW load ay kumukuha ng humigit-kumulang 117A. Ang kasalukuyang tumataas habang bumababa ang boltahe ng pack, at ang pagkawala ng cable, connector at controller ay nagdaragdag sa pangangailangan ng baterya. Para sa kadahilanang ito, ang kasalukuyang kakayahan ay dapat suriin malapit sa mas mababang operating boltahe at sa pinakamataas na inaasahang ambient temperature—hindi lamang sa nominal na boltahe sa isang laboratory bench.

Ang mga hilaw na selula ay maaaring magkasya habang ang tapos na pakete ay hindi

Kung ang 40 na cell ay nahahati sa dalawang stack ng 20, ang teoretikal na cell-only na sobre ay humigit-kumulang 376 × 290 × 204mm. Kung ikukumpara sa isang iniulat na VX-1 battery-bay envelope na humigit-kumulang 610 × 330 × 222mm, mukhang may pag-asa. Ang natitirang taas, gayunpaman, ay humigit-kumulang 18mm lamang bago magdagdag ng mga compression plate, electrical insulation, tab support, busbars, sensing wires at enclosure tolerances. Maaaring mas mahalaga ang oryentasyon ng tab at pag-access sa serbisyo kaysa sa hindi nagamit na volume sa ibang lugar sa bay.

Ito ang dahilan kung bakit ang susunod na hakbang ay dapat na isang 3D pack na layout batay sa sinusukat na geometry ng sasakyan. Ang isang pagkalkula ng volume ay hindi maaaring ipakita kung ang pack ay maaaring aktwal na tipunin, i-install at ligtas na maserbisyuhan.

Ang saklaw ay dapat na tantyahin mula sa magagamit na enerhiya

Ang nominal na enerhiya ay 8.96kWh, ngunit ang isang praktikal na disenyo ay karaniwang naglalaan ng enerhiya sa parehong tuktok at ibaba ng window ng boltahe. Kung ang 85% ay itinuturing na magagamit, ang pack ay nagbibigay ng humigit-kumulang 7.6kWh. Sa average na pagkonsumo ng 80Wh/km, ang simpleng pagtatantya ay humigit-kumulang 95km; sa 100Wh/km, ito ay halos 76km. Ang bilis, masa ng rider, burol, temperatura, presyur ng gulong at hangin ay maaaring ilipat nang malaki ang tunay na resulta.

Pagpili ng BMS: higit pa sa pagtutugma ng bilang ng serye

Ang BMS na may markang '40S LFP' ay hindi awtomatikong angkop para sa isang 40S scooter pack. Ang rating ng boltahe nito, mga kasalukuyang sensor, mga output ng contactor, lohika ng pre-charge, diskarte sa pagbabalanse at protocol ng komunikasyon ay kailangang tumugma sa sasakyan.

Para sa isang traction pack, dapat suriin ang BMS para sa:

• Per-cell overvoltage at undervoltage na proteksyon

• Tuloy-tuloy na discharge current at time-limited peak current

• I-charge ang kasalukuyang, kabilang ang regenerative braking

• Mga sensor ng temperatura sa mga kinatawan ng mainit at malamig na mga punto

• Kontrol ng contactor, pag-uugali ng pre-charge at pag-shutdown ng kasalanan

• Passive o aktibong pagbabalanse ng kasalukuyang

• CAN komunikasyon sa charger, dashboard o motor controller

• Sleep current sa panahon ng storage at low-temperature charge lockout

Ang regenerative braking ay nararapat na espesyal na pansin. Kapag puno na o malamig ang baterya, maaaring hindi nito matanggap ang normal na regeneration current. Ang BMS at controller ay nangangailangan ng isang coordinated na paraan upang bawasan o huwag paganahin ang regen bago ang BMS ay sapilitang buksan ang pangunahing contactor sa ilalim ng load.

Maaari bang mapanatili ang orihinal na charger ng scooter?

Minsan, ngunit pagkatapos lamang ma-verify ang pag-uugali nito. Ang isang charger na idinisenyo para sa NiMH ay hindi dapat ipagpalagay na gumagana sa LFP. Kahit na ang dalawang lithium pack na may magkatulad na nominal na boltahe ay maaaring mangailangan ng magkaibang pinakamataas na boltahe, kasalukuyang pag-taping at mga panuntunan sa temperatura.

May tatlong karaniwang ruta:

1. I-reprogram ang orihinal na charger kapag available ang suportadong firmware at dokumentasyon ng komunikasyon.

2. Palitan ang charger ng isang unit na idinisenyo para sa bagong chemistry, bilang ng serye at komunikasyon sa BMS.

3. Gumamit ng independiyenteng charger-BMS system habang pinapanatili ang mga kinakailangang interlock at display function ng sasakyan.

Ang target ng pagsingil ay hindi palaging kailangang katumbas ng ganap na maximum na pinapayagan ng cell. Ang isang bahagyang mas mababang itaas na boltahe ay maaaring magbigay ng kapaki-pakinabang na operating margin at maaaring suportahan ang mas mahabang buhay ng serbisyo, ngunit ang napiling halaga ay dapat pa ring gumana sa pagbabalanse at sa state-of-charge na pagkalkula ng sasakyan.

Mga detalyeng mekanikal at elektrikal na nagpapasya sa pagiging maaasahan

Maraming problema sa conversion ang nagsisimula sa labas ng cell mismo. Ang isang maaasahang scooter pack ay nangangailangan ng matibay na enclosure, predictable cell compression, insulation sa pagitan ng conductive parts, strain relief sa bawat cable exit at sapat na paghihiwalay sa pagitan ng high-voltage at low-voltage na mga wiring.

Dapat ding kasama sa disenyo ang:

• Isang wastong na-rate na pangunahing fuse na matatagpuan malapit sa pack output

• Isang pagdiskonekta ng serbisyo o ligtas na pamamaraan sa pagpapanatili

• Pre-charge resistance upang limitahan ang controller-capacitor inrush current

• Mga contactor na may sapat na DC voltage at fault-current ratings

• Mga busbar na idinisenyo para sa kasalukuyang, pagtaas ng temperatura at panginginig ng boses

• Proteksyon laban sa tubig, konduktibong alikabok at mga labi ng kalsada

• Mga thermal path na hindi gumagawa ng mga nakahiwalay na hot cell

• Malinaw na polarity, mataas na boltahe at mga label ng serbisyo

Para sa isang pouch-cell pack, ang compression ay dapat na pare-pareho at tinukoy sa halip na improvised. Ang masyadong maliit na pagpigil ay maaaring magpapahintulot sa pamamaga at pagkapagod ng tab; masyadong maraming lokal na presyon ay maaaring makapinsala sa nakalamina o panloob na mga layer.

Isang praktikal na daloy ng trabaho para sa pagpapalit ng baterya ng scooter

Ano ang dapat masuri bago bumalik sa kalsada ang scooter?

Sa pinakamababa, ang prototype ay dapat suriin para sa pagiging pare-pareho ng cell, magagamit na kapasidad, mataas na kasalukuyang boltahe sag, pagtaas ng temperatura ng busbar, insulation resistance, BMS threshold, contactor operation at charger cutoff. Ang mga pagsusuri sa sasakyan ay dapat magsimula sa kontroladong kapangyarihan at unti-unting lumawak sa acceleration, hill climbing at regenerative braking.

Kasama rin sa isang kapaki-pakinabang na plano sa pagpapatunay ang isang full-charge na pagbabad, low-state-of-charge na operasyon, mainit at malamig na mga kondisyon na naaangkop sa merkado, key-off storage current at fault simulation. Ang layunin ay hindi lamang upang ilipat ang scooter. Ito ay upang matiyak na ang mga nahuhulaang pagkakamali ay hahantong sa isang kontrolado, mababawi na tugon.

Kung saan maaaring magkasya ang GBT 70Ah LFP pouch cell

Ang isang 70Ah high-power LFP pouch cell ay maaaring maging isang kawili-wiling opsyon para sa malalaking scooter, electric motorcycle at light EV conversion kung saan pinapaboran ng enclosure ang mahaba at manipis na mga cell. Sa 40S1P, nag-aalok ito ng halos 9kWh ng nominal na enerhiya na walang parallel na cell group. Sa mas mababang boltahe ng system, maaaring suportahan ng parehong kapasidad ang mga delivery scooter, utility vehicle at iba pang application na inuuna ang pang-araw-araw na pagbibisikleta at stable na kuryente.

Ang tamang pagpipilian ay depende pa rin sa na-verify na mga detalye ng cell at ang ikot ng tungkulin ng sasakyan. Ang isang city scooter na naglalayag sa katamtamang lakas ay may iba't ibang pangangailangan mula sa isang mabigat na maxi-scooter na umaakyat ng mahabang grado, kahit na ang parehong mga pack ay may label na 70Ah.

Para sa kasalukuyang impormasyon ng cell, tingnan ang Misen's GBT 3.2V 70Ah LFP pouch cell at ang mas malawak LiFePO4 pouch-cell range . Dapat palaging kumpirmahin ang mga huling rating para sa eksaktong batch ng produksyon at disenyo ng pack.

Mga madalas itanong

Maaari ko bang palitan ng LFP ang lead-acid o NiMH na baterya ng scooter?

Kadalasan ay oo, ngunit ito ay isang system conversion sa halip na isang direktang cell swap. Ang bagong pack ay dapat tumugma sa boltahe window ng controller, at ito ay karaniwang nangangailangan ng isang chemistry-specific na BMS at diskarte sa charger.

Paano ko pipiliin ang bilang ng mga LFP cell sa serye?

Magtrabaho pabalik mula sa pinapahintulutang minimum at maximum na boltahe ng baterya ng controller. Suriin ang parehong nominal na boltahe at full-charge na boltahe; huwag piliin ang bilang ng serye mula lamang sa boltahe ng marketing ng scooter.

Lagi bang mas maganda ang bateryang mas mataas ang Ah?

Hindi. Maaaring mapabuti ng mas maraming kapasidad ang saklaw, ngunit binabago rin nito ang laki ng pack, timbang, oras ng pag-charge at enerhiya ng fault. Kailangan pa ring matugunan ng pack ang kasalukuyan, thermal, mekanikal at mga kinakailangan sa pagsasama ng sasakyan.

Maaari bang protektahan ng BMS lamang ang controller ng motor?

Hindi. Pinoprotektahan ng BMS ang baterya, habang ang controller, fuse, contactor at pre-charge circuit ay may magkahiwalay na trabaho. Ang kanilang mga limitasyon at pag-uugali sa pagsasara ay dapat na iugnay.

Anong impormasyon ang kailangan para sa isang pasadyang panukala sa baterya ng scooter?

Ibigay ang modelo at taon ng scooter, orihinal na label ng baterya, controller at mga label ng charger, sinusukat na sukat ng kompartamento ng baterya, gustong hanay, lakas ng sasakyan, maximum na bilis, timbang ng rider/load, mga larawan ng connector at inaasahang temperatura ng pagpapatakbo. Ang CAN o wiring documentation ay partikular na kapaki-pakinabang para sa mga high-voltage na scooter.

Mga huling pag-iisip

Ang pinakamahusay na kapalit na cell ay hindi lamang ang may pinakamalaking kapasidad o pinakamataas na C-rate. Ito ang cell na maaaring isama sa isang kumpletong pack na may tamang window ng boltahe, sapat na kasalukuyang margin, isang makatotohanang mekanikal na layout at coordinated na proteksyon.

Ipinapakita ng Vectrix VX-1 kung bakit mahalaga ang prosesong ito. Ang isang 40S 70Ah LFP pack ay kaakit-akit sa kuryente at nag-aalok ng malaking pagtaas sa nominal na enerhiya, ngunit ang interface ng charger, regenerative braking, taas ng pack at pouch-cell compression ay maaaring magpasya kung praktikal ang disenyo. Ang parehong disiplinadong diskarte ay nalalapat sa mas maliliit na 48V at 72V scooter.