電動スクーターのバッテリー交換ガイド: セルの選択方法と安全なパックの設計方法

古くなったスクーターのバッテリーを交換すると、航続距離が回復し、電圧の安定性が向上し、道路上での車両の健全性が維持されます。難しいのは、ラベルに印刷されている同じ電圧のセルを見つけられないことです。新しいセル、バッテリーパック、BMS、充電器、車両コントローラーが 1 つのシステムとして機能するようになります。

最近のプロジェクトでこれに焦点が当てられました。車両は Vectrix VX-1 maxi-scooter で、提案された交換用セルは GBT 3.2V 70Ah LFP パウチ セルでした。 VX-1 は、一般的な通勤用スクーターよりもはるかに高い電圧で動作するため、有用なケースですが、同じ工学的問題が 48V デリバリー スクーター、60V シティ モデル、72V パフォーマンス スクーター、その他の小型電気自動車にも当てはまります。

このガイドでは、交換用セルを選別し、パック構成を計算し、ハードウェアを構築する前に確認する必要がある詳細を特定する方法について説明します。

交換用バッテリーはセルの箱ではなくシステムです

スクーターには、元のバッテリーが使用できなくなった場合でも、良好なモーター、シャーシ、コントローラーが搭載されている場合があります。そのため、特に使用を継続する必要がある生産終了した車両や商用スクーターにとって、セル交換は魅力的です。

ただし、変換が成功するには、次の 6 つの条件を同時に満たす必要があります。

• 動作電圧はコントローラの安全範囲内にある必要があります。

• セルは、過度の電圧降下を生じることなく、継続的な電力と短い加速ピークを供給する必要があります。

• セルとパックのハードウェアは、バッテリー収納部に物理的に適合する必要があります。

• BMS はすべてのシリーズ グループを保護し、駆動電流と回生充電の両方を処理する必要があります。

• 充電器は、新しい化学的性質とシリーズ数に応じて正しい電圧プロファイルを使用する必要があります。

• 完成したパックは、振動、熱、湿気、衝撃、および繰り返しのサービスサイクルに耐える必要があります。

これらの条件の 1 つが欠けている場合、紙の上では正しく見えるパックでも、通信範囲が狭くなったり、コントローラーの障害が発生したり、回避可能な安全上のリスクが発生したりする可能性があります。

交換用セルではなく車両から始める

セルを選択する前に、元の車両データを収集します。メーカーは製造年や地域のバージョンによって異なるバッテリー、充電器、またはファームウェアを使用することが多いため、モデル名だけでは十分ではありません。

直列構成と並列構成によってパックがどのように変化するか

セルを直列に接続すると電圧が増加します。セルを並列接続すると、容量と電流能力が増加します。基本的な計算は簡単です。

「72V」という言葉は、1 つの汎用バッテリーを表すものではありません。 72V クラスの NMC パックは通常 20S として構築され、公称約 74V、フル充電で約 84V を供給します。 24S LFP パックは公称 76.8V を供給し、セルあたり 3.65V まで充電すると最大 87.6V を供給します。どちらも 72V バッテリーとして販売されている可能性がありますが、コントローラーと充電器の制限を確認しないと交換できません。

これらは計算例であり、普遍的な置き換えではありません。最終的なシリーズ数は、車両の実際の最小および最大 DC バス制限から選択する必要があります。

LFP と NMC: スクーターのコンバージョンにはどちらの化学反応が適していますか?

LFP は優れた熱安定性と長いサイクル寿命を備えているため、交換プロジェクトによく選ばれます。バッテリー収納部が狭く、キログラムあたりの航続距離が優先される場合、NMC は依然として価値があります。どちらの化学反応もすべてのスクーターにとって自動的に優れているわけではありません。

セルの形式も重要です。円筒型セルはモジュール式で広くサポートされており、角柱型セルは機械的に堅牢で組み立てが簡単ですが、パウチ型セルは長いまたは浅い筐体を有効に利用できます。パウチセルには、制御された圧縮と、鋭いエッジや局所的な圧力からの保護が必要です。タブには、適切に設計されたバスバーまたは溶接ジョイントも必要です。未使用のスペースに単に詰め込むことができる柔軟なシートのように扱うべきではありません。

ケーススタディ: Vectrix VX-1 用の 40S 70Ah LFP パックのスクリーニング

オリジナルの Vectrix VX-1 は、高電圧バッテリー システムを中心に構築されていました。公開された技術資料では、初期のバッテリーは約 125V、30Ah、3.7kWh であると説明されています。後の工場出荷時の Li/Li+ バージョンでは、40 個の LFP セルを直列に使用し、公称バス電圧 128V を生成しました。その歴史により、40S LFP アーキテクチャは VX-1 変換の賢明な出発点となりますが、モデル年やファームウェア バージョンごとに自動的に承認されるわけではありません。

提案されたプロジェクトの場合、GBT パウチセルの初期スクリーニングデータは 3.2V、70Ah、約 14.5 × 102 × 376mm です。プロジェクトデータには2C連続放電と5Cパルス放電も記載されています。これらの定格は、パックが生産用にリリースされる前に、正確なセル モデルとその現在の署名済みデータシートに対して確認する必要があります。

現在の需要は充電状態が低いときにチェックする必要があります

10kW の負荷は 128V で約 78A を消費します。 15kW の負荷では約 117A が消費されます。パックの電圧が低下すると電流が増加し、ケーブル、コネクタ、コントローラの損失によりバッテリの需要が増加します。このため、電流容量は、実験台の公称電圧だけでなく、より低い動作電圧付近および予想される最も高い周囲温度でもチェックする必要があります。

生の細胞は適合する場合がありますが、完成したパックは適合しない場合があります。

40 個のセルを 20 個ずつ 2 つのスタックに分割すると、理論上のセルのみのエンベロープはおよそ 376 × 290 × 204mm になります。報告されている VX-1 のバッテリー ベイ エンベロープの約 610 × 330 × 222 mm と比較すると、これは有望に見えます。ただし、残りの高さは、圧縮プレート、電気絶縁体、タブ サポート、バスバー、感知ワイヤ、およびエンクロージャの公差を追加する前に、わずか約 18 mm です。タブの方向とサービスへのアクセスは、ベイ内の他の場所で使用されていないボリュームよりも重要である場合があります。

このため、次のステップは、測定された車両の形状に基づいた 3D パックのレイアウトである必要があります。体積の計算では、パックが実際に組み立て、設置、安全に保守できるかどうかを確認することはできません。

航続距離は使用可能なエネルギーから推定する必要があります

公称エネルギーは 8.96kWh ですが、実際の設計では通常、電圧ウィンドウの上部と下部の両方でエネルギーが確保されます。 85% が使用可能として扱われる場合、パックは約 7.6kWh を供給します。平均消費量が 80Wh/km の場合、単純に見積もると約 95km になります。 100Wh/kmで約76kmです。速度、ライダーの人数、坂道、気温、タイヤの空気圧、風によって実際の結果は大きく変わる可能性があります。

BMS の選択: シリーズ数を一致させるだけではありません

「40S LFP」とマークされた BMS は、40S スクーター パックには自動的には適しません。電圧定格、電流センサー、コンタクタ出力、プリチャージロジック、バランス戦略、通信プロトコルはすべて車両に適合する必要があります。

トラクション パックの場合、BMS は以下についてレビューする必要があります。

• セルごとの過電圧および不足電圧保護

• 連続放電電流と時間制限されたピーク電流

• 回生ブレーキを含む充電電流

• 代表的なホットポイントとコールドポイントの温度センサー

• コンタクタ制御、プリチャージおよび障害シャットダウン動作

• パッシブまたはアクティブのバランシング電流

• 充電器、ダッシュボード、またはモーターコントローラーとのCAN通信

• 保管時のスリープ電流と低温充電ロックアウト

回生ブレーキには特に注意が必要です。バッテリーが満杯または冷えている場合、通常の回生電流を受け入れることができない場合があります。 BMS とコントローラーは、BMS が負荷を受けてメイン コンタクターを強制的に開く前に、回生を低減または無効にする調整された方法を必要とします。

純正のスクーター充電器はそのまま使用できますか?

場合によっては、動作が確認された後に限ります。 NiMH 用に設計された充電器は、LFP で動作すると想定すべきではありません。公称電圧が同様の 2 つのリチウム パックであっても、異なる最大電圧、電流の漸減、および温度規則が必要になる場合があります。

一般的なルートは 3 つあります。

1. 元の充電器を再プログラムしてください。 サポートされているファームウェアと通信ドキュメントが入手可能な場合は、

2. 充電器を、 新しい化学反応、シリーズ数、BMS 通信用に設計されたユニットと交換します。

3. 独立した充電器-BMS システムを使用します。 車両に必要なインターロックとディスプレイ機能を維持しながら、

充電目標は、セルによって許容される絶対最大値と常に等しい必要はありません。上限電圧をわずかに低くすると、有効な動作マージンが提供され、耐用年数が長くなりますが、選択した値は、バランスと車両の充電状態の計算で機能する必要があります。

信頼性を決定する機械的および電気的詳細

変換の問題の多くは、セル自体の外側で始まります。信頼性の高いスクーター パックには、堅牢なエンクロージャ、予測可能なセル圧縮、導電性部品間の絶縁、すべてのケーブル出口の張力緩和、および高電圧配線と低電圧配線間の十分な分離が必要です。

設計には以下も含める必要があります。

• 正しく定格されたメインヒューズがパック出力の近くに配置されている

• サービスの切断または安全なメンテナンス手順

• コントローラとコンデンサの突入電流を制限するプリチャージ抵抗

• 適切な DC 電圧と故障電流定格を備えたコンタクタ

• 電流、温度上昇、振動に配慮したバスバー設計

• 水、導電性塵、道路の破片からの保護

• 孤立したホットセルを生じさせない熱経路

• 明確な極性、高電圧およびサービスラベル

パウチセルパックの場合、圧縮は即席で行うのではなく、均一かつ指定されている必要があります。拘束が少なすぎると、腫れやタブの疲労が発生する可能性があります。局所的な圧力が大きすぎると、ラミネートや内部層が損傷する可能性があります。

スクーターのバッテリー交換の実践的なワークフロー

スクーターが道路に戻る前に何をテストする必要がありますか?

少なくとも、プロトタイプでは、セルの一貫性、使用可能な容量、高電流電圧低下、バスバー温度上昇、絶縁抵抗、BMS しきい値、コンタクタの動作、および充電器のカットオフをチェックする必要があります。車両テストは制御された出力で開始し、加速、登坂、回生ブレーキまで徐々に拡大する必要があります。

有用な検証計画には、フル充電ソーク、低充電状態での動作、市場に適したホットおよびコールド条件、キーオフストレージ電流、および故障シミュレーションも含まれています。目的は単にスクーターを動かすことだけではありません。予測可能な障害が、制御された回復可能な対応につながるようにするためです。

GBT 70Ah LFP パウチセルが収まる場所

70Ah 高出力 LFP パウチ セルは、エンクロージャが長くて薄いセルを好む大型スクーター、電動バイク、小型 EV 変換にとって興味深いオプションとなる可能性があります。 40S1P ​​では、並列セル グループなしでほぼ​​ 9kWh の公称エネルギーを提供します。システム電圧が低くても、同じ容量で配達用スクーター、多用途車、および毎日のサイクリングと安定した電力を優先するその他のアプリケーションをサポートできます。

正しい選択は、検証済みのセルの仕様と車両のデューティ サイクルによって異なります。両方のパックに 70Ah のラベルが付いている場合でも、適度な出力で走行するシティ スクーターには、長い坂道を登る重いマキシ スクーターとは異なるニーズがあります。

現在のセル情報については、Misen を参照してください。 GBT 3.2V 70Ah LFP パウチセル およびより広範な LiFePO4パウチセルシリーズ。最終的な評価は、正確な製造バッチおよびパック設計について常に確認する必要があります。

よくある質問

スクーターの鉛酸またはニッケル水素バッテリーを LFP と交換できますか?

多くの場合、その通りですが、これは直接のセル交換ではなくシステム変換です。新しいパックはコントローラーの電圧ウィンドウに一致する必要があり、通常は化学固有の BMS と充電器戦略が必要です。

直列の LFP セルの数はどのように選択すればよいですか?

コントローラーの許容最小および最大バッテリー電圧から逆算します。公称電圧とフル充電電圧の両方を確認してください。スクーターの市販電圧だけからシリーズ数を選択しないでください。

Ah の高いバッテリーは常に優れているのでしょうか?

いいえ、容量が増えると航続距離は伸びる可能性がありますが、パックのサイズ、重量、充電時間、故障エネルギーも変わります。パックは依然として、電流、熱、機械的および車両統合の要件を満たさなければなりません。

BMS だけでモーター コントローラーを保護できますか?

いいえ、BMS はバッテリーを保護しますが、コントローラー、ヒューズ、コンタクター、プリチャージ回路はそれぞれ別の役割を果たします。それらの制限とシャットダウン動作は調整する必要があります。

カスタムスクーターバッテリーの提案にはどのような情報が必要ですか?

スクーターのモデルと年式、元のバッテリー ラベル、コントローラーと充電器のラベル、測定されたバッテリー コンパートメントの寸法、希望の航続距離、車両出力、最高速度、ライダー/積載重量、コネクターの写真、および予想される動作温度を提供します。 CAN または配線に関するドキュメントは、高電圧スクーターの場合に特に役立ちます。

最終的な考え

最適な交換用セルとは、単に最大容量または最高の C レートを持つセルではありません。これは、正しい電圧ウィンドウ、十分な電流マージン、現実的な機械レイアウト、および調整された保護を備えた完全なパックに統合できるセルです。

Vectrix VX-1 は、このプロセスがなぜ重要なのかを示しています。 40S 70Ah LFP パックは電気的に魅力的で、公称エネルギーが大幅に増加しますが、充電器インターフェイス、回生ブレーキ、パックの高さ、およびパウチセルの圧縮がその設計が実用的かどうかを決定する可能性があります。同じ規律あるアプローチが小型の 48V および 72V スクーターにも適用されます。