전기 스쿠터 배터리 교체 가이드: 셀 선택 및 안전한 팩 설계 방법

노후된 스쿠터 배터리를 교체하면 주행 거리가 회복되고, 전압 안정성이 향상되며, 도로에서 차량의 건전성을 유지할 수 있습니다. 어려운 부분은 라벨에 인쇄된 전압과 동일한 셀을 찾지 못한다는 것입니다. 새로운 셀, 배터리 팩, BMS, 충전기, 차량 컨트롤러가 하나의 시스템으로 작동하도록 만드는 것입니다.

최근 프로젝트에서는 이 점에 초점을 맞췄습니다. 차량은 Vectrix VX-1 맥시스쿠터였으며, 제안된 교체 셀은 GBT 3.2V 70Ah LFP 파우치 셀이었습니다. VX-1은 일반적인 통근용 스쿠터보다 훨씬 높은 전압에서 작동하기 때문에 유용한 사례이지만, 48V 배달 스쿠터, 60V 도시 모델, 72V 고성능 스쿠터 및 기타 경전기 차량에도 동일한 엔지니어링 질문이 적용됩니다.

이 가이드에서는 교체 셀을 선별하고, 팩 구성을 계산하고, 하드웨어를 제작하기 전에 확인해야 하는 세부 사항을 식별하는 방법을 설명합니다.

교체용 배터리는 셀 상자가 아닌 시스템입니다.

원래 배터리를 더 이상 사용할 수 없는 경우에도 스쿠터에는 여전히 양호한 모터, 섀시 및 컨트롤러가 있을 수 있습니다. 이는 특히 단종된 차량이나 서비스를 계속 유지해야 하는 상업용 스쿠터의 경우 셀 교체를 매력적으로 만듭니다.

그러나 성공적인 변환은 다음 6가지 조건을 동시에 충족해야 합니다.

• 작동 전압은 컨트롤러의 안전 범위 내에 유지되어야 합니다.

• 셀은 과도한 전압 강하 없이 지속적인 전력을 공급하고 짧은 가속 피크를 제공해야 합니다.

• 셀과 팩 하드웨어는 배터리 칸에 물리적으로 맞아야 합니다.

• BMS는 모든 시리즈 그룹을 보호하고 구동 전류와 회생 충전을 모두 처리해야 합니다.

• 충전기는 새로운 화학 및 시리즈 카운트에 대해 올바른 전압 프로필을 사용해야 합니다.

• 완성된 팩은 진동, 열, 습기, 충격 및 반복적인 서비스 주기를 견뎌야 합니다.

이러한 조건 중 하나가 누락되면 서류상으로는 올바르게 보이는 팩도 범위가 좋지 않거나 컨트롤러 오류를 유발하거나 피할 수 있는 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

셀 교체가 아닌 차량부터 시작하세요

셀을 선택하기 전에 차량 원본 데이터를 수집하세요. 제조업체는 생산 연도와 지역 버전에 따라 서로 다른 배터리, 충전기 또는 펌웨어를 사용하는 경우가 많기 때문에 모델 이름만으로는 충분하지 않습니다.

직렬 및 병렬 구성이 팩을 변경하는 방법

직렬로 연결된 셀은 전압을 증가시킵니다. 병렬로 연결된 셀은 용량과 전류 용량을 증가시킵니다. 기본 계산은 간단합니다.

'72V'라는 단어는 하나의 범용 배터리를 설명하지 않습니다. 72V급 NMC 팩은 일반적으로 20S로 제작되며 공칭 전압은 약 74V, 완전 충전 시 약 84V를 제공합니다. 24S LFP 팩은 공칭 76.8V를 제공하며 셀당 3.65V로 충전하면 최대 87.6V를 제공합니다. 둘 다 72V 배터리로 판매될 수 있지만 컨트롤러 및 충전기 제한 사항을 확인하지 않으면 교체할 수 없습니다.

이것은 보편적인 대체가 아닌 계산 예입니다. 최종 시리즈 수는 차량의 실제 최소 및 최대 DC 버스 제한에서 선택해야 합니다.

LFP 또는 NMC: 스쿠터 전환에 적합한 화학은 무엇입니까?

LFP는 우수한 열 안정성과 긴 사이클 수명을 제공하기 때문에 교체 프로젝트로 자주 선택됩니다. NMC는 배터리 칸이 좁고 킬로그램당 주행 거리가 우선시되는 경우에도 여전히 가치가 있습니다. 모든 스쿠터에 대해 화학적 성질이 자동으로 더 좋아지는 것은 아닙니다.

셀 형식도 중요합니다. 원통형 셀은 모듈식이며 널리 지원되며, 각형 셀은 기계적으로 견고하고 조립이 간단하며, 파우치 셀은 길거나 얕은 인클로저를 더 잘 활용할 수 있습니다. 파우치 셀은 날카로운 모서리와 국부적인 압력으로부터 제어된 압축과 보호가 필요합니다. 탭에는 적절하게 설계된 부스바 또는 용접 조인트도 필요합니다. 사용하지 않는 공간에 간단히 포장할 수 있는 유연한 시트처럼 취급해서는 안 됩니다.

사례 연구: Vectrix VX-1용 40S 70Ah LFP 팩 스크리닝

원래 Vectrix VX-1은 고전압 배터리 시스템을 중심으로 제작되었습니다. 공개된 기술 자료에는 초기 배터리가 약 125V, 30Ah 및 3.7kWh로 설명되어 있습니다. 최신 공장 Li/Li+ 버전은 40개의 LFP 셀을 직렬로 사용하여 128V의 공칭 버스 전압을 생성했습니다. 이러한 역사로 인해 40S LFP 아키텍처는 VX-1 변환을 위한 합리적인 출발점이 되지만 모든 모델 연도 또는 펌웨어 버전에 대한 자동 승인은 아닙니다.

제안된 프로젝트의 경우 GBT 파우치 셀의 초기 스크리닝 데이터는 3.2V, 70Ah 및 약 14.5 × 102 × 376mm입니다. 프로젝트 데이터에는 2C 연속 방전과 5C 펄스 방전도 표시됩니다. 이러한 등급은 생산을 위해 팩이 출시되기 전에 정확한 셀 모델과 현재 서명된 데이터시트에 대해 확인되어야 합니다.

낮은 충전 상태에서 현재 수요를 확인해야 함

10kW 부하는 128V에서 약 78A를 소비합니다. 15kW 부하는 약 117A를 소비합니다. 팩 전압이 떨어지면 전류가 증가하고 케이블, 커넥터 및 컨트롤러 손실이 배터리 수요에 추가됩니다. 이러한 이유로 전류 성능은 실험실 벤치의 공칭 전압뿐만 아니라 더 낮은 작동 전압 근처와 가장 높은 예상 주변 온도에서 확인해야 합니다.

원시 셀은 맞지만 완성된 팩은 맞지 않을 수 있습니다.

40개의 셀을 20개의 2개 스택으로 나누면 이론적 셀 전용 봉투는 대략 376 × 290 × 204mm입니다. 약 610 × 330 × 222mm의 보고된 VX-1 배터리 베이 크기와 비교하면 이는 유망해 보입니다. 그러나 압축 플레이트, 전기 절연체, 탭 지지대, 모선, 감지 와이어 및 인클로저 공차를 추가하기 전까지 남은 높이는 약 18mm에 불과합니다. 탭 방향과 서비스 접근은 베이의 다른 곳에서 사용되지 않은 볼륨보다 더 중요할 수 있습니다.

이것이 바로 다음 단계가 측정된 차량 형상을 기반으로 한 3D 팩 레이아웃이어야 하는 이유입니다. 부피 계산으로는 팩이 실제로 조립, 설치 및 안전하게 서비스될 수 있는지 여부를 알 수 없습니다.

범위는 사용 가능한 에너지로부터 추정해야 합니다.

공칭 에너지는 8.96kWh이지만 실제 설계에서는 일반적으로 전압 창의 상단과 하단 모두에서 에너지를 예약합니다. 85%를 사용 가능한 것으로 간주하면 팩은 약 7.6kWh를 제공합니다. 평균 소비량이 80Wh/km일 때 간단한 추정 거리는 약 95km입니다. 100Wh/km로 환산하면 약 76km 정도 됩니다. 속도, 라이더 질량, 언덕, 온도, 타이어 압력 및 바람은 실제 결과를 크게 바꿀 수 있습니다.

BMS 선택: 시리즈 수에 맞는 것 이상

'40S LFP'라고 표시된 BMS는 40S 스쿠터 팩에 자동으로 적합하지 않습니다. 전압 정격, 전류 센서, 접촉기 출력, 사전 충전 로직, 밸런싱 전략 및 통신 프로토콜이 모두 차량과 일치해야 합니다.

트랙션 팩의 경우 BMS는 다음 사항을 검토해야 합니다.

• 셀당 과전압 및 저전압 보호

• 연속 방전 전류 및 시간 제한 피크 전류

• 회생 제동을 포함한 충전 전류

• 대표적인 고온 및 저온 지점의 온도 센서

• 접촉기 제어, 사전 충전 및 오류 차단 동작

• 패시브 또는 액티브 밸런싱 전류

• 충전기, 대시보드 또는 모터 컨트롤러와의 CAN 통신

• 보관 및 저온 충전 차단 중 절전 전류

회생 제동에는 특별한 주의가 필요합니다. 배터리가 가득 차거나 차가워지면 정상적인 재생 전류를 수용하지 못할 수 있습니다. BMS와 컨트롤러는 BMS가 부하 상태에서 주 접촉기를 강제로 열기 전에 회생을 줄이거나 비활성화하기 위한 조정된 방법이 필요합니다.

원래 스쿠터 충전기를 그대로 사용할 수 있나요?

때로는 동작이 검증된 후에만 가능합니다. NiMH용으로 설계된 충전기가 LFP와 작동한다고 가정해서는 안 됩니다. 공칭 전압이 유사한 두 개의 리튬 팩이라도 서로 다른 최대 전압, 전류 감소 및 온도 규칙이 필요할 수 있습니다.

세 가지 일반적인 경로가 있습니다:

1. 원래 충전기를 다시 프로그래밍하십시오 . 지원되는 펌웨어 및 통신 문서가 제공되면

2. 충전기를 새로운 화학, 시리즈 수 및 BMS 통신용으로 설계된 장치로 교체하십시오.

3. 독립 충전기-BMS 시스템을 사용하십시오 . 차량에 필요한 인터록 및 디스플레이 기능을 유지하면서

충전 목표는 항상 셀에서 허용하는 절대 최대값과 동일할 필요는 없습니다. 약간 낮은 상한 전압은 유용한 작동 마진을 제공하고 더 긴 서비스 수명을 지원할 수 있지만 선택한 값은 여전히 ​​밸런싱 및 차량의 충전 상태 계산에 작동해야 합니다.

신뢰성을 결정하는 기계적, 전기적 세부 사항

많은 변환 문제는 셀 자체 외부에서 시작됩니다. 신뢰할 수 있는 스쿠터 팩에는 견고한 인클로저, 예측 가능한 셀 압축, 전도성 부품 간의 절연, 모든 케이블 출구의 변형 완화 및 고전압과 저전압 배선 간의 충분한 분리가 필요합니다.

디자인에는 다음 사항도 포함되어야 합니다.

• 팩 출력 가까이에 위치한 올바른 등급의 메인 퓨즈

• 서비스 중단 또는 안전한 유지 관리 절차

• 컨트롤러 커패시터 돌입 전류를 제한하기 위한 사전 충전 저항

• 적절한 DC 전압 및 고장 전류 정격을 갖춘 접촉기

• 전류, 온도 상승 및 진동을 고려하여 설계된 버스바

• 물, 전도성 먼지, 도로 잔해로부터 보호

• 격리된 핫 셀을 생성하지 않는 열 경로

• 명확한 극성, 고전압 및 서비스 라벨

파우치 셀 팩의 경우 압축은 즉석에서 수행하기보다는 균일하고 지정되어야 합니다. 구속이 너무 적으면 붓기와 탭 피로가 발생할 수 있습니다. 국부적인 압력이 너무 높으면 라미네이트나 내부 레이어가 손상될 수 있습니다.

스쿠터 배터리 교체를 위한 실용적인 작업 흐름

스쿠터가 도로로 복귀하기 전에 무엇을 테스트해야 합니까?

최소한 프로토타입의 셀 일관성, 사용 가능한 용량, 고전류 전압 강하, 버스바 온도 상승, 절연 저항, BMS 임계값, 접촉기 작동 및 충전기 차단을 확인해야 합니다. 차량 테스트는 제어된 출력에서 ​​시작하여 가속, 언덕 오르기, 회생 제동으로 점차 확대되어야 합니다.

유용한 검증 계획에는 완전 충전 완충, 낮은 충전 상태 작동, 시장에 적합한 고온 및 저온 조건, 키오프 저장 전류 및 결함 시뮬레이션도 포함됩니다. 목표는 단순히 스쿠터를 움직이게 만드는 것이 아닙니다. 예측 가능한 결함이 제어되고 복구 가능한 대응으로 이어지는지 확인하는 것입니다.

GBT 70Ah LFP 파우치 셀이 적합한 위치

70Ah 고전력 LFP 파우치 셀은 인클로저가 길고 얇은 셀을 선호하는 대형 스쿠터, 전기 오토바이 및 소형 EV 변환에 흥미로운 옵션이 될 수 있습니다. 40S1P에서는 병렬 셀 그룹 없이 거의 9kWh의 공칭 에너지를 제공합니다. 낮은 시스템 전압에서는 동일한 용량으로 배송 스쿠터, 유틸리티 차량 및 일일 사이클링과 안정적인 전력을 우선시하는 기타 애플리케이션을 지원할 수 있습니다.

올바른 선택은 검증된 셀 사양과 차량 듀티 사이클에 따라 달라집니다. 적당한 출력으로 순항하는 도시형 스쿠터는 두 팩에 모두 70Ah라는 라벨이 붙어 있더라도 긴 경사면을 오르는 무거운 맥시 스쿠터와 요구 사항이 다릅니다.

현재 셀 정보는 Misen의 문서를 참조하세요. GBT 3.2V 70Ah LFP 파우치 셀 및 그 이상 LiFePO4 파우치 셀 제품군 . 정확한 생산 배치 및 팩 설계를 위해 최종 등급을 항상 확인해야 합니다.

자주 묻는 질문

스쿠터의 납산 또는 NiMH 배터리를 LFP로 교체할 수 있나요?

종종 그렇습니다. 그러나 이는 직접적인 셀 교환이 아닌 시스템 변환입니다. 새 팩은 컨트롤러의 전압 범위와 일치해야 하며 일반적으로 화학 관련 BMS 및 충전기 전략이 필요합니다.

직렬 LFP 셀 수를 어떻게 선택합니까?

컨트롤러의 허용된 최소 및 최대 배터리 전압에서 거꾸로 작업하십시오. 공칭 전압과 완전 충전 전압을 모두 확인하십시오. 스쿠터의 판매 전압만으로 시리즈 수를 선택하지 마십시오.

Ah가 높은 배터리가 항상 더 좋나요?

아니요. 용량을 늘리면 주행 거리가 향상될 수 있지만 팩 크기, 무게, 충전 시간 및 오류 에너지도 변경됩니다. 팩은 여전히 ​​전류, 열, 기계 및 차량 통합 요구 사항을 충족해야 합니다.

BMS만으로 모터 컨트롤러를 보호할 수 있나요?

아니요. BMS는 배터리를 보호하는 반면 컨트롤러, 퓨즈, 접촉기 및 사전 충전 회로는 각각 별도의 작업을 수행합니다. 해당 제한과 종료 동작을 조정해야 합니다.

맞춤형 스쿠터 배터리 제안에는 어떤 정보가 필요합니까?

스쿠터 모델 및 연도, 원래 배터리 라벨, 컨트롤러 및 충전기 라벨, 측정된 배터리실 크기, 원하는 범위, 차량 출력, 최대 속도, 탑승자/적재 중량, 커넥터 사진 및 예상 작동 온도를 제공합니다. CAN 또는 배선 문서는 고전압 스쿠터에 특히 유용합니다.

최종 생각

가장 좋은 교체 셀은 단순히 용량이 크거나 C-rate가 가장 높은 셀이 아닙니다. 올바른 전압 창, 충분한 전류 마진, 현실적인 기계 레이아웃 및 조화로운 보호 기능을 갖춘 완전한 팩에 통합할 수 있는 셀입니다.

Vectrix VX-1은 이 프로세스가 중요한 이유를 보여줍니다. 40S 70Ah LFP 팩은 전기적으로 매력적이며 공칭 ​​에너지가 크게 증가하지만 충전기 인터페이스, 회생 제동, 팩 높이 및 파우치 셀 압축에 따라 설계가 실용적인지 여부가 결정될 수 있습니다. 동일한 규율 접근 방식이 소형 48V 및 72V 스쿠터에도 적용됩니다.