Torbica naspram prizmatičnih naspram cilindričnih ćelija za baterije za električne motocikle: Kako odabrati

Odabir prave ćelije jedna je od prvih — i najvažnijih — odluka u projektu baterije za električni motocikl.

Kupac može započeti s jednostavnom specifikacijom kao što je '72V 40Ah' ili '74V 45Ah', ali sami napon i kapacitet ne govore proizvođaču baterije koju ćeliju treba koristiti. Snaga motora, struja regulatora, raspoloživi prostor za ugradnju, ciljna težina, radna temperatura i očekivani vijek trajanja utječu na konačni izbor.

Tri formata litij-ionskih ćelija obično se razmatraju za baterije za električne motocikle:

• Ćelije velikog formata

• Prizmatične ćelije s krutim metalnim kućištima

• Cilindrične ćelije kao što su 18650, 21700 i 4680

Svaki format ima dokazane primjene. Pravi izbor ovisi manje o tome koja ćelija izgleda naprednije, a više o tome koliko dobro odgovara motociklu i njegovom električnom opterećenju.

Ovaj vodič objašnjava glavne razlike i koristi NMC bateriju od 74 V 45 Ah kao praktični primjer odabira.

Zašto je format ćelije bitan u električnom motociklu

Električni motocikli postavljaju različite zahtjeve pred baterije nego osobni automobili ili stacionarni sustavi za pohranu energije.

Prostor za instalaciju je ograničen. Težina izravno utječe na rukovanje i domet. Ubrzanje može zahtijevati veliki udar struje, dok penjanje ili brza vožnja mogu držati bateriju pod velikim opterećenjem nekoliko minuta. Također je potrebno uzeti u obzir vibracije na cesti, izloženost vodi i ponovljene promjene temperature.

Format ćelije utječe na:

• Težina paketa i korisna energija

• Iskorištenost prostora unutar kućišta baterije

• Mogućnost kontinuiranog i vršnog pražnjenja

• Broj ćelija i električnih priključaka

• Konzistentnost hlađenja i temperature

• Otpornost na vibracije i mehaničke udare

• Oprema za proizvodnju i troškovi montaže

• Strategija održavanja i zamjene

Paket baterija bi stoga trebao biti dizajniran oko vozila, a ne samo oko dostupne ćelije.

Brza usporedba triju formata ćelija

Faktor odabira	Ćelija u vrećici	Prizmatična ćelija	Cilindrična ćelija
Gravimetrijska gustoća energije	Obično vrlo natjecateljski	Umjereno do visoko	Jako ovisi o modelu ćelije
Iskorištenost prostora	Izvrsno	Dobar u običnom kućištu	Niži zbog razmaka između ćelija
Kapacitet ćelije	Obično desetke do preko 100Ah	Obično deseci do stotine Ah	Obično nekoliko Ah po ćeliji
Broj stanica u paketu	Niska	Niska	visoko
Mehanička zaštita	Mora biti priloženo u paketu	Čvrsto kućište ćelije	Čvrsto pojedinačno metalno kućište
Dostupnost velike snage	Dobro za odabrane NMC modele	Ovisi o konkretnom modelu	Mnoge provjerene opcije visoke stope
Fleksibilnost oblika pakiranja	visoko	Umjereno	Visoki raspored ćelija
Rad na povezivanju stanica	Manje, veće veze	Manje, veće veze	Mnogo malih veza
Upravljanje oteklinama	Zahtijeva kontroliranu kompresiju	Još treba mehaničko razmatranje	Upravlja uglavnom staničnim kućištem
Tipična snaga	Mala težina i učinkovito pakiranje	Strukturna krutost i jednostavni moduli	Standardizacija i zrelost proizvodnje

Tablica daje samo opću usporedbu. Dvije ćelije istog formata mogu imati potpuno različite karakteristike snage, ciklusa i toplinske karakteristike.

Pouch ćelije velikog formata

Ćelija s vrećicom koristi lagani laminirani aluminijsko-plastični film umjesto debelog čeličnog ili aluminijskog kućišta. To smanjuje neaktivan materijal za pakiranje i omogućuje da se veći dio težine paketa iskoristi za skladištenje energije.

Za električni motocikl s ograničenim prostorom za baterije, to može biti velika prednost.

Zašto Pouch ćelije dobro funkcioniraju u električnim motociklima

Velike NMC vrećice mogu kombinirati veliki kapacitet, malu težinu i snažnu izlaznu snagu u ravnoj pravokutnoj strukturi. Posebno su privlačni za motocikle kod kojih baterija mora stati u uski okvir ili kompaktno kućište ispod sjedala.

Torbica od 45 Ah, na primjer, može omogućiti sastavljanje baterije od 74 V i 45 Ah u jednostavnoj konfiguraciji 20S1P. Potrebno je samo 20 ćelija.

Ovo pruža nekoliko praktičnih prednosti:

• Manje ćelija za pregled i usklađivanje

• Manje serijskih i paralelnih veza

• Manje ožičenja i manje točaka zavarivanja

• Nema potrebe za upravljanjem višestrukim paralelnim ćelijama u svakoj naponskoj skupini

• Učinkovito korištenje ograničenog volumena kućišta

• Velike ravne površine koje mogu doći u dodir s materijalima koji prenose toplinu

• Manja težina paketa u usporedbi s mnogim alternativama s krutim kućištem

Za motocikle visokih performansi, smanjenje težine nije samo povećanje dometa. Lakši akumulator također može poboljšati ravnotežu vozila, ubrzanje i upravljanje.

Ćelije za vrećice trebaju odgovarajući mehanički dizajn

Nepostojanje krute metalne ljuske znači da struktura pakiranja mora štititi stanice.

Dobro dizajnirana džepna baterija trebala bi uključivati:

• Kontrolirana i ravnomjerno raspoređena kompresija stanica

• Dopuštenje za normalnu promjenu debljine tijekom rada

• Izolacija između jezičaka, sabirnica i kućišta

• Zaštita od oštrih rubova i proboda

• Osigurajte položaj od vibracija na cesti

• Toplinske barijere ili razmaci gdje je potrebno

• Pouzdano zavarivanje jezičaka

• Snažno vanjsko kućište

Ćelije se ne smiju stisnuti što je moguće čvršće, niti se smiju ostaviti labave unutar kutije za baterije. Pretjerani pritisak može oštetiti stanicu, dok nedovoljna potpora može omogućiti kretanje, oticanje i stres na jezičcima.

Pouch ćelije su stoga jaka opcija kada proizvođač baterija ima iskustva s kompresijskim okvirima, spojevima s jezičcima i dizajnom kućišta.

Prizmatične ćelije

Prizmatične ćelije koriste kruto pravokutno metalno kućište. Kao i vrećice, dostupne su u relativno velikim kapacitetima, tako da se baterija može sastaviti s malim brojem ćelija.

Za paket od 74 V i 45 Ah, odgovarajuća NMC prizmatična ćelija od 45 Ah ili 50 Ah također može podržati konfiguraciju 20S1P.

Prednosti prizmatičnih ćelija

Čvrsto kućište pruža mehaničku potporu i olakšava postavljanje ćelija u pravilno pravokutno kućište. Ovisno o dizajnu terminala, instalacija sabirnice i sklapanje modula također mogu biti jednostavni.

Prizmatične ćelije mogu biti praktičan izbor kada:

• Odjeljak za baterije ima pravilan oblik kutije

• Mehanička izdržljivost ima prioritet u odnosu na minimalnu težinu

• Vozilo se koristi po lošim cestama

• Baterija se ugrađuje u teretni motocikl ili električni tricikl

• Dostupna je dokazana ćelija s ispravnim kapacitetom i brzinom pražnjenja

• Proizvođač paketa već ima kompatibilan dizajn modula

Međutim, metalno kućište dodaje težinu i zauzima prostor. Dimenzije prizmatične ćelije također su manje fleksibilne, tako da tehnički prikladna ćelija možda neće stati u dostupni odjeljak za baterije.

Još jedna uobičajena pogreška je pretpostavka da je svaka automobilska prizmatična ćelija prikladna za električni motocikl. Neke velike NMC prizmatične ćelije dizajnirane su uglavnom za energetski kapacitet, a ne za veliku struju. Njihov kapacitet može izgledati privlačno, ali njihovo dopušteno kontinuirano pražnjenje, performanse pri niskim temperaturama ili toplinsko ponašanje možda neće odgovarati upravljaču motocikla.

Prije odabira potrebno je provjeriti podatkovnu tablicu – i po mogućnosti neovisno testiranje ćelija.

Cilindrične ćelije

Cilindrične ćelije naširoko se koriste u električnim skuterima, e-biciklima i motociklima. Uobičajeni formati uključuju 18650 i 21700, dok veće cilindrične ćelije poput 4680 ulaze u više aplikacija za mobilnost.

Njihovo metalno kućište pruža dobru individualnu mehaničku zaštitu, a zrela automatizirana oprema dostupna je za sortiranje ćelija, postavljanje i zavarivanje.

Zašto proizvođači biraju cilindrične ćelije

Cilindrične ćelije nude nekoliko prednosti:

• Standardizirane dimenzije

• Široka dostupnost dobavljača

• Zrela proizvodnja velikih količina

• Dobra mehanička čvrstoća

• Mnoge opcije ćelija visoke brzine

• Fleksibilni oblici pakiranja kroz različite rasporede ćelija

• Manji sadržaj energije po ćeliji

Manja veličina ćelije također može olakšati distribuciju struje i topline kroz veliki broj ćelija. Ako je pravilno dizajnirano, cilindrično pakiranje može pružiti izvrsnu snagu.

Kompromis je složenost.

Velika baterija električnog motocikla može sadržavati stotine cilindričnih ćelija. Svaka ćelija zahtijeva pregled, grupiranje i električni priključak. Držači ćelija i raspori za hlađenje zauzimaju prostor, dok veliki broj zavarenih spojeva povećava važnost dosljednosti proizvodnje.

Na primjer, ako paket od 74 V i 45 Ah koristi cilindrične ćelije od 5 Ah, približna konfiguracija bi bila:

• 20 ćelija u seriji

• 9 stanica paralelno

• 20S9P

• Ukupno 180 ćelija

Ako su odabrane ćelije od 4,5 Ah, paket može zahtijevati konfiguraciju 20S10P s 200 ćelija.

Za usporedbu, vrećica od 45 Ah ili prizmatično rješenje može trebati samo 20 ćelija velikog formata.

Cilindrične ćelije dobro su prilagođene visoko standardiziranim proizvodima velike količine. Međutim, za prilagođenu bateriju male količine, alati, zavarivanje i montaža mogu dizajn učiniti manje privlačnim.

Koji format ćelije odgovara različitim projektima električnih motocikala?

Urbani električni skuteri

Cilindrične ćelije često su praktičan izbor za standardizirane urbane skutere, posebno kada je obujam proizvodnje velik, a zahtjevi za snagom umjereni.

Velike vrećice također mogu biti privlačne kada proizvođač želi više kapaciteta u kompaktnom kućištu ili manje paralelnih grupa.

Električni motocikli visokih performansi

Velike NMC vrećice često su jaki kandidati za motocikle visokih performansi jer mogu pružiti korisnu ravnotežu gustoće energije, snage pražnjenja i učinkovitosti pakiranja.

Konačna odluka još uvijek ovisi o stvarnom stupnju pražnjenja ćelije. Energetsku ćeliju velikog kapaciteta ne treba tretirati kao ćeliju velike snage osim ako njene specifikacije i ispitni podaci ne podržavaju potrebnu struju.

Teretni motocikli i električni tricikli

Prizmatične ćelije mogu biti poželjnije kada je prostor u kućištu pravilan i mehanička čvrstoća je važna. LFP prizmatične ćelije također se obično razmatraju kada su životni ciklus i toplinska stabilnost važniji od minimalne težine.

Ako je potrebna NMC kemija, potrebno je usporediti i prizmatičnu i vrećicu prema učinku pražnjenja, dimenzijama i težini pakiranja.

Sustavi izmjenjivih baterija

Zamjenjive baterije moraju uskladiti energiju, težinu, rukovanje i mehaničku izdržljivost.

Cilindrične ćelije imaju snažan rekord u standardiziranim sustavima zamjene. Ćelije s vrećicom mogu poboljšati iskorištenost prostora, ali kućište baterije i unutarnja potporna struktura moraju biti projektirani za često uklanjanje i rukovanje.

Prototipovi i prilagođeni projekti male količine

Torbice velikog formata ili prizmatične ćelije mogu smanjiti ukupni broj ćelija i pojednostaviti električnu arhitekturu. To ih čini privlačnima za prototipove motocikala i prilagođene projekte baterija, pod uvjetom da su dostupni potrebni spojevi i mehanički procesi.

Studija slučaja: Odabir ćelija za bateriju za električni motocikl od 74 V i 45 Ah

Pretpostavimo da kupac zatraži 'paket baterija 7445'. Prije početka dizajna, proizvođač bi prvo trebao potvrditi da to znači 74V i 45Ah.

Korištenjem 3,7 V NMC ćelija, osnovna konfiguracija bila bi:

• Konfiguracija: 20S

• Nazivni napon: 20 × 3,7V = 74V

• Napon punog punjenja: 20 × 4,2 V = 84 V

• Nazivni kapacitet: 45Ah

• Nazivna energija: 74V × 45Ah = 3,33kWh

Na prvi pogled, paket 20S1P koji koristi ćelije u vrećici od 45 Ah izgleda jednostavno. Ali struja motora i regulatora će odrediti je li odabrana ćelija prikladna.

Snaga motora i struja baterije

Teorijska struja pri nazivnom naponu može se procijeniti kao:

[
I = rac{P}{V}
]

Ovo daje sljedeće približne vrijednosti:

Vršna snaga motora	Struja pri 74V
3kW	41A
5kW	68A
8kW	108A
10kW	135A

Ovo su pojednostavljeni proračuni nazivnog napona. Stvarna struja baterije može biti veća jer napon paketa pada pri niskom stanju napunjenosti i zato što upravljač, motor i ožičenje nisu 100% učinkoviti.

Maksimalna struja baterije regulatora obično je korisnija od pločice s nazivom motora pri odabiru ćelije.

Ako kontroler dopušta struju baterije od 120 A, ćelija od 45 Ah mora podržavati:

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

Ćelija ocijenjena za samo 1C kontinuirano pražnjenje ne bi bila siguran odabir za ove radne uvjete. Potrebna je ćelija s odgovarajućom trajnom strujom, pulsnom strujom, performansama porasta temperature i pada napona.

Opcija 1: 20S1P 45Ah NMC ćelije u vrećici

Ovo je obično prva opcija za procjenu kada projekt ima prioritet:

• Mala težina baterije

• Kompaktne dimenzije

• Učinkovito korištenje instalacijskog prostora

• Jednostavna 1P električna struktura

• Visoka gustoća energije

• Snažne performanse ubrzanja

Ćelija još treba proći procjenu pražnjenja, temperature i životnog ciklusa u skladu s očekivanim radnim profilom.

Opcija 2: 20S1P 45Ah ili 50Ah NMC prizmatične ćelije

Ovo može biti prikladno kada:

• Kućište je veliko i pravokutno

• Dodatna težina ćelija je prihvatljiva

• Strukturna krutost je prioritet

• Odabrana prizmatična ćelija ima dovoljnu snagu

• Dimenzije ćelije odgovaraju odjeljku za baterije

Proizvođač ne bi trebao odabrati prizmatičnu ćeliju samo zato što se njezino metalno kućište čini sigurnijim. Kemija ćelije, unutarnji dizajn, dosljednost kvalitete, BMS strategija, zaštita od spajanja i širenja topline važniji su od samog vanjskog oblika.

Opcija 3: Cilindrično pakiranje 20S9P ili 20S10P

Ovo može dobro funkcionirati kada:

• Dostupna je provjerena cilindrična ćelija visoke brzine

• Proizvođač ima automatiziranu opremu za sortiranje i zavarivanje

• Očekuje se da će dizajn baterije ući u stabilnu masovnu proizvodnju

• Kućište može primiti veći broj ćelija i držača

• Trenutno dijeljenje na razini ćelije je potvrđeno

Za male prilagođene narudžbe, veliki broj ćelija i složenost sklapanja mogu učiniti cilindričnu opciju manje učinkovitom.

Podaci potrebni prije odabira ćelije

Prije nego što preporuči ćeliju, odgovoran dobavljač baterija trebao bi zatražiti više od napona i kapaciteta.

Posebno su važni sljedeći podaci:

1. Nazivna snaga motora i vršna snaga

2. Maksimalna struja baterije regulatora

3. Potrebna kontinuirana i vršna struja pražnjenja

4. Trajanje vršne struje

5. Dužina, širina i visina odjeljka za baterije

6. Najveća dopuštena težina baterije

7. Ciljani domet vožnje i radna brzina

8. Napon punjenja, struja i potrebno vrijeme punjenja

9. Struja regenerativnog kočenja

10. Raspon radne temperature

11. Uvjeti cestovne, vibracijske i hidroizolacije

12. Komunikacijski zahtjevi kao što su CAN ili UART

13. Potreban životni ciklus

14. Ciljno tržište i zahtjevi za certifikaciju

15. Prototip i proizvodne količine

Bez ove informacije, preporučivanje baterijske ćelije uglavnom je nagađanje.

Torbica, prizmatična ili cilindrična: koja je najbolja?

Ne postoji univerzalni pobjednik.

Cilindrične ćelije privlačne su za standardizirane pakete baterija velike količine i aplikacije koje imaju koristi od zrelih proizvodnih procesa. Prizmatične ćelije nude krutu strukturu i mogu pojednostaviti sastavljanje u uobičajenom kućištu. Velike vrećice posebno su vrijedne kada su važni mala težina, učinkovito pakiranje, veliki kapacitet i mali broj stanica.

Za mnoge projekte električnih motocikala visokih performansi od 72 V i 74 V, velike ćelije NMC vrećice zaslužuju da budu prve ocijenjene. Konfiguracija 20S1P koja koristi ćelije od 40Ah, 45Ah, 50Ah ili veće može pružiti čistu električnu strukturu i izvrsno korištenje raspoloživog prostora.

Odluka bi se ipak trebala temeljiti na izmjerenoj izvedbi, a ne samo na formatu. Kapacitet, istosmjerni unutarnji otpor, trajna struja, pulsna struja, pad napona, porast temperature, vijek ciklusa i mehanička integracija - sve to treba pregledati.

Misenova rješenja baterijskih ćelija za električne motocikle

Misen isporučuje rješenja velikog formata NMC, LFP, polučvrsta i druga pouch-cell rješenja za električne motocikle, električne skutere, laka električna vozila i prilagođene sustave baterija. Odabrane opcije cilindričnih i prizmatičnih ćelija također su dostupne za projekte gdje ti formati pružaju bolju tehničku usklađenost.

Naš tim može pomoći u procjeni:

• Kemija i format ćelije

• Serijska i paralelna konfiguracija

• Zahtjevi za kontinuiranu i vršnu struju

• Dimenzije ćelija i kompatibilnost odjeljka za baterije

• Usklađivanje kapaciteta, napona i unutarnjeg otpora

• Ispitivanje uzorka i validacija projekta

• Prilagođeni baterijski modul i zahtjevi paketa

Za procjenu projekta električnog motocikla, pošaljite nam potrebni napon, kapacitet, snagu motora, struju regulatora i dostupne dimenzije odjeljka za baterije.

Specifikacija kao što je '74V 45Ah' dobra je polazna točka. Pravi izbor ćelije proizlazi iz razumijevanja što motocikl treba raditi.