מדריך החלפת סוללה לקטנוע חשמלי: כיצד לבחור תאים ולעצב חבילה בטוחה

החלפת סוללת קטנוע מזדקנת יכולה להחזיר טווח, לשפר את יציבות המתח ולשמור על רכב תקין בדרך אחרת. החלק הקשה הוא לא למצוא תאים עם אותו מתח מודפס על התווית. זה גורם לתאים החדשים, מארז הסוללות, ה-BMS, המטען ובקר הרכב לעבוד כמערכת אחת.

פרויקט שנערך לאחרונה הביא את זה למוקד. הרכב היה Vectrix VX-1 מקסי-סקוטר, והתא החלופי המוצע היה תא כיס מסוג GBT 3.2V 70Ah LFP. ה-VX-1 הוא מקרה שימושי מכיוון שהוא פועל במתח גבוה בהרבה מקטנוע נוסעים טיפוסי, אך אותן שאלות הנדסיות חלות על קטנועי משלוח 48V, דגמי עירוני 60V, קטנועי ביצועים 72V וכלי רכב חשמליים קלים אחרים.

מדריך זה מסביר כיצד לסנן תא חלופי, לחשב את תצורת החבילה ולזהות את הפרטים שיש לבדוק לפני בניית חומרה כלשהי.

סוללה חלופית היא מערכת, לא קופסת תאים

לקלנועית עדיין יש מנוע, שלדה ובקר טובים גם כשהסוללה המקורית שלו כבר לא ניתנת לשירות. זה הופך החלפת תא לאטרקטיבית, במיוחד עבור כלי רכב שהופסקו או קטנועים מסחריים שצריכים להישאר בשירות.

עם זאת, המרה מוצלחת חייבת לעמוד בשישה תנאים בו-זמנית:

• מתח ההפעלה חייב להישאר בטווח הבטוח של הבקר.

• התאים חייבים לספק כוח רציף ופסגות תאוצה קצרות ללא צניחת מתח מוגזמת.

• התאים וחומרת החבילה חייבים להתאים פיזית לתא הסוללה.

• ה-BMS חייב להגן על כל קבוצת סדרה ולטפל גם בזרם הכונן וגם בטעינה רגנרטיבית.

• המטען חייב להשתמש בפרופיל המתח הנכון עבור הכימיה החדשה וספירת הסדרות.

• החבילה המוגמרת חייבת לעמוד בפני רטט, חום, לחות, פגיעה ומחזורי שירות חוזרים.

אם אחד מהתנאים הללו מתפספס, חבילה שנראית נכונה על הנייר עלולה לספק טווח נמוך, להפעיל תקלות בבקר או ליצור סיכון בטיחותי שניתן להימנע ממנו.

התחל עם הרכב, לא בתא החלופי

לפני בחירת תא, אסוף את נתוני הרכב המקוריים. שם הדגם לבדו אינו מספיק מכיוון שיצרנים משתמשים לעתים קרובות בסוללות, מטענים או קושחה שונים לאורך שנות ייצור וגרסאות אזוריות.

איך סדרות ותצורה מקבילה משנים את החבילה

תאים המחוברים בסדרה מעלים מתח. תאים המחוברים במקביל מגדילים את הקיבולת ואת יכולת הזרם. החישובים הבסיסיים פשוטים:

המילה '72V' אינה מתארת ​​סוללה אוניברסלית אחת. חבילת NMC מסוג 72V נבנית בדרך כלל כ-20S, המעניקה כ-74V נומינלי ו-84V בטעינה מלאה. חבילת 24S LFP נותנת 76.8V נומינלי ועד 87.6V אם נטענת עד 3.65V לתא. שתיהן עשויות להימכר כסוללות 72V, אך הן אינן ניתנות להחלפה מבלי לאשר את מגבלות הבקר והמטען.

אלו דוגמאות חישוב, לא תחליפים אוניברסליים. יש לבחור את ספירת הסדרות הסופית מתוך מגבלות המינימום והמקסימום בפועל של אוטובוס DC-bus.

LFP או NMC: איזו כימיה מתאימה להמרת קטנוע?

LFP נבחר לעתים קרובות לפרויקטי החלפה מכיוון שהוא מציע יציבות תרמית טובה וחיי מחזור ארוכים. NMC נשאר בעל ערך כאשר תא הסוללה הדוק והטווח לק'ג הוא בראש סדר העדיפויות. אף כימיה לא טובה יותר אוטומטית עבור כל קטנוע.

גם פורמט התא משנה. תאים גליליים הם מודולריים ובעלי תמיכה רחבה, תאים מנסרים חזקים מבחינה מכנית ופשוטים להרכבה, בעוד שתאי כיס יכולים לעשות שימוש טוב יותר במתחם ארוך או רדוד. תאי פאוץ' זקוקים לדחיסה מבוקרת ולהגנה מפני קצוות חדים ולחץ מקומי. הלשוניות שלהם זקוקות גם לפסים מעוצבים כראוי או מפרקים מרותכים; אין להתייחס אליהם כאל סדינים גמישים שניתן פשוט לארוז אותם בחלל שאינו בשימוש.

מקרה מבחן: הקרנת חבילת 40S 70Ah LFP עבור Vectrix VX-1

ה-Vectrix VX-1 המקורי נבנה סביב מערכת סוללות במתח גבוה. חומר טכני שפורסם מתאר את הסוללה המוקדמת כ-125V, 30Ah ו-3.7kWh בקירוב. גרסאות מאוחרות יותר של המפעל Li/Li+ השתמשו ב-40 תאי LFP בסדרה, ויצרו מתח אפיק נומינלי של 128V. ההיסטוריה הזו הופכת את ארכיטקטורת 40S LFP לנקודת התחלה הגיונית להמרה של VX-1, אבל לא לאישור אוטומטי לכל שנת דגם או גרסת קושחה.

עבור הפרויקט המוצע, נתוני ההקרנה הראשוניים עבור תא ה-GBT הם 3.2V, 70Ah וכ-14.5 × 102 × 376 מ'מ. נתוני הפרויקט מצביעים גם על פריקה רציפה של 2C ופריקת דופק 5C. יש לאשר דירוגים אלה מול דגם התא המדויק וגיליון הנתונים החתום הנוכחי שלו לפני שחרור החבילה לייצור.

יש לבדוק את הביקוש הנוכחי במצב טעינה נמוך

עומס של 10kW שואב כ-78A ב-128V. עומס של 15 קילוואט שואב כ-117A. הזרם עולה ככל שמתח החבילה יורד, ואיבודי כבלים, מחברים ובקרים מוסיפים לדרישת הסוללה. מסיבה זו, יש לבדוק את יכולת הזרם בסמוך למתח ההפעלה התחתון ובטמפרטורת הסביבה הצפויה הגבוהה ביותר - לא רק במתח נומינלי על ספסל מעבדה.

התאים הגולמיים עשויים להתאים בעוד החבילה המוגמרת לא

אם 40 תאים מחולקים לשתי ערימות של 20, המעטפת התיאורטית לתא בלבד היא בערך 376 × 290 × 204 מ'מ. בהשוואה למעטפת סוללה מדווחת של VX-1 של כ-610 × 330 × 222 מ'מ, זה נראה מבטיח. הגובה הנותר, לעומת זאת, הוא רק כ-18 מ'מ לפני הוספת לוחות דחיסה, בידוד חשמלי, תומכי כרטיסיות, פסים, חוטי חישה וסובלנות מארז. כיוון הכרטיסיות וגישה לשירות עשויים להיות חשובים יותר מהנפח הלא בשימוש במקומות אחרים במפרץ.

זו הסיבה שהשלב הבא צריך להיות פריסת חבילה תלת מימדית המבוססת על גיאומטריית רכב מדודה. חישוב נפח לא יכול להראות אם החבילה אכן ניתנת להרכבה, התקנה וטיפול בטוח.

יש להעריך את הטווח מאנרגיה שמיש

האנרגיה הנומינלית היא 8.96kWh, אך עיצוב מעשי שומר בדרך כלל אנרגיה בחלק העליון והתחתון של חלון המתח. אם 85% מטופלים כשמישים, החבילה מספקת כ-7.6kWh. בצריכה ממוצעת של 80Wh/km, ההערכה הפשוטה היא כ-95 ק'מ; ב-100Wh/km, זה בערך 76 ק'מ. מהירות, מסת הרוכב, גבעות, טמפרטורה, לחץ אוויר בצמיגים ורוח יכולים להזיז את התוצאה האמיתית בצורה משמעותית.

בחירת BMS: יותר מהתאמה לספירת הסדרות

BMS המסומן '40S LFP' אינו מתאים אוטומטית לחבילת קטנועים 40S. דירוג המתח שלו, חיישני הזרם, יציאות המגע, לוגיקת הטעינה המוקדמת, אסטרטגיית האיזון ופרוטוקול התקשורת כולם צריכים להתאים לרכב.

עבור חבילת משיכה, יש לבדוק את ה-BMS עבור:

• הגנת מתח יתר ותת-מתח לכל תא

• זרם פריקה מתמשך וזרם שיא מוגבל בזמן

• זרם טעינה, כולל בלימה רגנרטיבית

• חיישני טמפרטורה בנקודות חמות וקרות מייצגות

• בקרת מגע, טעינה מוקדמת וכיבוי תקלות

• זרם איזון פסיבי או אקטיבי

• תקשורת CAN עם המטען, לוח המחוונים או בקר המנוע

• זרם שינה במהלך אחסון ונעילת טעינה בטמפרטורה נמוכה

בלימה רגנרטיבית ראויה לתשומת לב מיוחדת. כאשר הסוללה מלאה או קרה, ייתכן שהיא לא תוכל לקבל את זרם ההתחדשות הרגיל. ה-BMS והבקר זקוקים לשיטה מתואמת כדי לצמצם או להשבית את regen לפני שה-BMS ייאלץ לפתוח את המגע הראשי תחת עומס.

האם ניתן לשמור את מטען הקטנוע המקורי?

לפעמים, אבל רק לאחר שהתנהגותו מאומתת. אין להניח שמטען המיועד ל-NiMH עובד עם LFP. אפילו שתי חבילות ליתיום בעלות מתחים נומינליים דומים עשויות לדרוש מתחים מקסימליים שונים, חידוד זרם וכללי טמפרטורה שונים.

ישנם שלושה מסלולים נפוצים:

1. תכנת מחדש את המטען המקורי כאשר תיעוד קושחה ותקשורת נתמכים זמינים.

2. החלף את המטען ביחידה המיועדת לכימיה החדשה, ספירת סדרות ותקשורת BMS.

3. השתמש במערכת מטען עצמאית-BMS תוך שמירה על פונקציות המנעולים והתצוגה הנדרשות של הרכב.

יעד הטעינה לא תמיד צריך להיות שווה למקסימום המוחלט שמותר על ידי התא. מתח עליון מעט נמוך יותר יכול לספק מרווח פעולה שימושי ועשוי לתמוך בחיי שירות ארוכים יותר, אך הערך הנבחר עדיין חייב לעבוד עם איזון וחישוב מצב הטעינה של הרכב.

פרטים מכניים וחשמליים שמחליטים על אמינות

בעיות המרה רבות מתחילות מחוץ לתא עצמו. חבילת קטנועים אמינה זקוקה למארז קשיח, דחיסת תאים ניתנת לחיזוי, בידוד בין חלקים מוליכים, שחרור מתחים בכל יציאת כבל והפרדה מספקת בין חיווט מתח גבוה למתח נמוך.

העיצוב צריך לכלול גם:

• נתיך ראשי בעל דירוג נכון הממוקם קרוב לפלט החבילה

• הליך ניתוק שירות או תחזוקה בטוחה

• התנגדות לטעינה מוקדמת להגבלת זרם כניסת בקר-קבלים

• מגעים עם דירוגי מתח DC וזרם תקלה נאותים

• פסים המיועדים לזרם, עליית טמפרטורה ורעידות

• הגנה מפני מים, אבק מוליך ופסולת דרכים

• נתיבים תרמיים שאינם יוצרים תאים חמים מבודדים

• ברור קוטביות, מתח גבוה ותוויות שירות

עבור חבילת פאוץ', הדחיסה צריכה להיות אחידה ומצוינת במקום מאולתרת. איפוק מועט מדי עלול לאפשר נפיחות ועייפות לשוניות; לחץ מקומי רב מדי עלול לפגוע ברבד או בשכבות הפנימיות.

זרימת עבודה מעשית להחלפת סוללה לקטנוע

מה צריך לבדוק לפני שהקטנוע חוזר לכביש?

לכל הפחות, יש לבדוק את אב הטיפוס לגבי עקביות התא, קיבולת שמישה, צניחה במתח זרם גבוה, עליית טמפרטורת פסי המסילה, התנגדות לבידוד, ספי BMS, פעולת מגע וניתוק המטען. מבחני הרכב צריכים להתחיל בהספק מבוקר ולהתרחב בהדרגה עד להאצה, טיפוס גבעות ובלימה מתחדשת.

תוכנית אימות שימושית כוללת גם השריית טעינה מלאה, פעולה במצב טעינה נמוך, תנאים חמים וקרים המתאימים לשוק, זרם אחסון מפתח כיבוי וסימולציית תקלות. המטרה היא לא רק לגרום לקטנוע לזוז. זה לוודא שתקלות הניתנות לחיזוי יובילו לתגובה מבוקרת וניתנת לשחזור.

היכן עשוי להתאים תא פאוץ GBT 70Ah LFP

תא כיס LFP בעל הספק גבוה של 70Ah יכול להיות אופציה מעניינת עבור קטנועים גדולים, אופנועים חשמליים והמרות EV קלות, כאשר המארז מעדיף תאים ארוכים ודקים. ב-40S1P, הוא מציע כמעט 9kWh של אנרגיה נומינלית ללא קבוצות תאים מקבילות. במתחים נמוכים יותר של המערכת, אותה קיבולת יכולה לתמוך בקטנועים, רכבי שירות ויישומים אחרים שמתעדפים רכיבה יומיומית וכוח יציב.

הבחירה הנכונה עדיין תלויה במפרט התא המאומת ובמחזור העבודה של הרכב. לקטנוע עירוני שמשייט בהספק צנוע יש צרכים שונים משל מקסי קטנוע כבד המטפס על דרגות ארוכות, גם כאשר שתי החבילות מסומנות בתווית 70Ah.

למידע על תאים עדכני, ראה של Misen GBT 3.2V 70Ah LFP pouch cell והרחב יותר טווח תאי כיס LiFePO4 . תמיד יש לאשר דירוגים סופיים עבור אצווה הייצור המדויקת ועיצוב האריזה.

שאלות נפוצות

האם אני יכול להחליף סוללת עופרת או NiMH של קטנוע ב-LFP?

לעתים קרובות כן, אבל זו המרת מערכת ולא החלפת תאים ישירה. החבילה החדשה חייבת להתאים לחלון המתח של הבקר, ובדרך כלל היא זקוקה לאסטרטגיית BMS ומטען ספציפית לכימיה.

כיצד אוכל לבחור את מספר תאי ה-LFP בסדרה?

עבוד לאחור מהמתח המינימלי והמקסימלי המותר של הבקר. בדוק גם מתח נומינלי וגם מתח טעינה מלאה; אל תבחר את ספירת הסדרות ממתח השיווק של הקטנוע בלבד.

האם סוללה גבוהה יותר Ah תמיד טובה יותר?

לא. קיבולת נוספת עשויה לשפר את הטווח, אך היא גם משנה את גודל האריזה, המשקל, זמן הטעינה ואנרגיית התקלה. החבילה עדיין צריכה לעמוד בדרישות הנוכחיות, התרמיות, המכאניות ושילוב הרכב.

האם ה-BMS לבדו יכול להגן על בקר המנוע?

לא. ה-BMS מגן על הסוללה, בעוד שלבקר, הנתיך, המגעים ומעגל הטעינה המוקדמת יש לכל אחד תפקידים נפרדים. יש לתאם את הגבולות והתנהגות הכיבוי שלהם.

איזה מידע דרוש להצעת סוללה לקטנוע מותאמת אישית?

ספק את דגם הקטנוע והשנה, תווית סוללה מקורית, תוויות בקר ומטען, מידות מדודות של תא הסוללה, טווח רצוי, כוח רכב, מהירות מקסימלית, משקל רוכב/עומס, תמונות מחברים וטמפרטורת פעולה צפויה. תיעוד CAN או חיווט שימושי במיוחד עבור קורקינטים במתח גבוה.

מחשבות אחרונות

התא החלופי הטוב ביותר הוא לא רק זה עם הקיבולת הגדולה ביותר או שיעור ה-C הגבוה ביותר. זה התא שניתן לשלב בחבילה שלמה עם חלון המתח הנכון, מרווח זרם מספיק, פריסה מכנית מציאותית והגנה מתואמת.

ה-Vectrix VX-1 מראה מדוע התהליך הזה חשוב. חבילת 40S 70Ah LFP אטרקטיבית מבחינה חשמלית ומציעה עלייה גדולה באנרגיה הנומינלית, אך עם זאת, ממשק המטען, בלימה רגנרטיבית, גובה האריזה ודחיסת תאי כיס עשויים להחליט אם העיצוב מעשי. אותה גישה ממושמעת חלה על קטנועים קטנים יותר 48V ו-72V.