Poradnik dotyczący wymiany baterii do hulajnogi elektrycznej: jak wybrać ogniwa i zaprojektować bezpieczne opakowanie

Wymiana starzejącego się akumulatora hulajnogi może przywrócić zasięg, poprawić stabilność napięcia i utrzymać sprawny pojazd na drodze. Trudność polega na tym, że nie można znaleźć ogniw o tym samym napięciu podanym na etykiecie. Dzięki temu nowe ogniwa, pakiet akumulatorów, BMS, ładowarka i sterownik pojazdu działają jako jeden system.

Niedawny projekt zwrócił na to uwagę. Pojazdem była hulajnoga Vectrix VX-1, a proponowanym akumulatorem zastępczym był akumulator kieszeniowy GBT 3,2 V 70 Ah LFP. VX-1 to przydatny przypadek, ponieważ działa przy znacznie wyższym napięciu niż typowy skuter dojazdowy, ale te same kwestie techniczne dotyczą skuterów dostawczych 48 V, modeli miejskich 60 V, skuterów wyczynowych 72 V i innych lekkich pojazdów elektrycznych.

W tym przewodniku wyjaśniono, jak sprawdzić ogniwo zamienne, obliczyć konfigurację pakietu i określić szczegóły, które należy sprawdzić przed zbudowaniem jakiegokolwiek sprzętu.

Bateria zamienna to system, a nie pudełko ogniw

Hulajnoga może nadal mieć dobry silnik, podwozie i kontroler, nawet jeśli oryginalny akumulator nie nadaje się już do użytku. To sprawia, że ​​wymiana ogniw jest atrakcyjna, szczególnie w przypadku wycofanych z eksploatacji pojazdów lub skuterów komercyjnych, które muszą pozostać w eksploatacji.

Jednak udana konwersja musi spełniać jednocześnie sześć warunków:

• Napięcie robocze musi mieścić się w bezpiecznym zakresie sterownika.

• Ogniwa muszą dostarczać ciągłą moc i krótkie szczyty przyspieszenia, bez nadmiernych spadków napięcia.

• Ogniwa i osprzęt pakietu muszą fizycznie pasować do komory baterii.

• BMS musi chronić każdą grupę szeregową i obsługiwać zarówno prąd napędowy, jak i ładowanie regeneracyjne.

• Ładowarka musi używać prawidłowego profilu napięcia dla nowego składu chemicznego i liczby serii.

• Gotowe opakowanie musi wytrzymać wibracje, ciepło, wilgoć, uderzenia i powtarzające się cykle serwisowe.

Jeśli jeden z tych warunków zostanie pominięty, opakowanie, które wygląda prawidłowo na papierze, może zapewniać słaby zasięg, powodować błędy sterownika lub stwarzać możliwe do uniknięcia ryzyko bezpieczeństwa.

Zacznij od pojazdu, a nie od ogniwa zamiennego

Przed wybraniem komórki zbierz oryginalne dane pojazdu. Sama nazwa modelu nie wystarczy, ponieważ producenci często stosują różne akumulatory, ładowarki lub oprogramowanie sprzętowe w różnych latach produkcji i wersjach regionalnych.

Jak konfiguracja szeregowa i równoległa zmienia pakiet

Ogniwa połączone szeregowo zwiększają napięcie. Ogniwa połączone równolegle zwiększają pojemność i wydajność prądową. Podstawowe obliczenia są proste:

Słowo „72V” nie opisuje jednego uniwersalnego akumulatora. Pakiet NMC klasy 72 V jest zwykle budowany jako 20S, co daje około 74 V nominalnie i 84 V przy pełnym naładowaniu. Pakiet 24S LFP daje nominalne napięcie 76,8 V i do 87,6 V przy naładowaniu do 3,65 V na ogniwo. Obydwa mogą być sprzedawane jako akumulatory 72 V, ale nie można ich stosować zamiennie bez sprawdzenia limitów kontrolera i ładowarki.

Są to przykłady obliczeń, a nie uniwersalne zamienniki. Ostateczną liczbę serii należy wybrać na podstawie rzeczywistych minimalnych i maksymalnych limitów szyny DC pojazdu.

LFP lub NMC: jaka chemia pasuje do konwersji hulajnogi?

LFP jest często wybierany do projektów zamiennych, ponieważ zapewnia dobrą stabilność termiczną i długą żywotność. NMC pozostaje cenny, gdy komora baterii jest szczelna, a priorytetem jest zasięg na kilogram. Żadna chemia nie jest automatycznie lepsza dla każdej hulajnogi.

Format komórki też ma znaczenie. Ogniwa cylindryczne są modułowe i mają szerokie zastosowanie, ogniwa pryzmatyczne są wytrzymałe mechanicznie i łatwe w montażu, natomiast ogniwa woreczkowe mogą lepiej wykorzystać długą lub płytką obudowę. Ogniwa woreczkowe wymagają kontrolowanej kompresji i ochrony przed ostrymi krawędziami i lokalnym naciskiem. Ich wypustki wymagają również odpowiednio zaprojektowanych szynoprzewodów lub połączeń spawanych; nie należy ich traktować jak elastycznych arkuszy, które można po prostu spakować w niewykorzystaną przestrzeń.

Studium przypadku: sprawdzenie pakietu LFP 40S 70Ah dla Vectrix VX-1

Oryginalny Vectrix VX-1 został zbudowany w oparciu o system akumulatorów wysokiego napięcia. Opublikowane materiały techniczne opisują wczesne akumulatory jako około 125 V, 30 Ah i 3,7 kWh. Późniejsze wersje fabryczne Li/Li+ wykorzystywały 40 ogniw LFP połączonych szeregowo, wytwarzając nominalne napięcie magistrali 128 V. Ta historia sprawia, że ​​architektura 40S LFP jest rozsądnym punktem wyjścia do konwersji VX-1, ale nie automatyczną akceptacją dla każdego roku modelowego lub wersji oprogramowania sprzętowego.

W przypadku proponowanego projektu wstępne dane przesiewowe dla ogniwa woreczkowego GBT wynoszą 3,2 V, 70 Ah i około 14,5 × 102 × 376 mm. Dane projektu wskazują również na wyładowanie ciągłe 2C i wyładowanie impulsowe 5C. Oceny te muszą zostać potwierdzone w odniesieniu do dokładnego modelu ogniwa i jego aktualnego podpisanego arkusza danych, zanim pakiet zostanie dopuszczony do produkcji.

Zapotrzebowanie na prąd należy sprawdzić przy niskim stanie naładowania

Obciążenie 10 kW pobiera około 78 A przy 128 V. Obciążenie 15 kW pobiera około 117 A. Prąd wzrasta wraz ze spadkiem napięcia pakietu, a straty w kablach, złączach i kontrolerach zwiększają zapotrzebowanie baterii. Z tego powodu obciążalność prądową należy sprawdzać w pobliżu niższego napięcia roboczego i w najwyższej oczekiwanej temperaturze otoczenia – a nie tylko przy napięciu znamionowym na stole laboratoryjnym.

Surowe ogniwa mogą pasować, podczas gdy gotowe opakowanie nie

Jeśli 40 ogniw zostanie podzielonych na dwa stosy po 20, teoretyczna koperta zawierająca tylko ogniwa będzie miała wymiary w przybliżeniu 376 × 290 × 204 mm. W porównaniu z podaną kopertą komory baterii VX-1 o wymiarach około 610 × 330 × 222 mm, wygląda to obiecująco. Pozostała wysokość wynosi jednak tylko około 18 mm przed dodaniem płyt dociskowych, izolacji elektrycznej, wsporników zakładek, szyn zbiorczych, przewodów czujnikowych i tolerancji obudowy. Orientacja zakładek i dostęp serwisowy mogą być ważniejsze niż niewykorzystana objętość w innym miejscu wnęki.

Dlatego kolejnym krokiem powinien być układ paczki 3D w oparciu o zmierzoną geometrię pojazdu. Obliczenie objętości nie jest w stanie wykazać, czy zestaw faktycznie można zmontować, zainstalować i bezpiecznie serwisować.

Zasięg należy szacować na podstawie energii użytkowej

Energia nominalna wynosi 8,96 kWh, ale praktyczna konstrukcja zwykle rezerwuje energię zarówno w górnej, jak i dolnej części okna napięciowego. Jeśli 85% potraktować jako użytkowe, pakiet dostarcza około 7,6 kWh. Przy średnim zużyciu wynoszącym 80 Wh/km prosty szacunek wynosi około 95 km; przy 100 Wh/km jest to około 76 km. Prędkość, masa zawodnika, wzniesienia, temperatura, ciśnienie w oponach i wiatr mogą znacząco wpłynąć na rzeczywisty wynik.

Wybór BMS: więcej niż zgodność z liczbą serii

BMS oznaczony „40S LFP” nie jest automatycznie odpowiedni dla zestawu hulajnogi 40S. Jego napięcie znamionowe, czujniki prądu, wyjścia styczników, logika wstępnego ładowania, strategia równoważenia i protokół komunikacyjny muszą być dopasowane do pojazdu.

W przypadku pakietu trakcyjnego należy sprawdzić BMS pod kątem:

• Ochrona przed przepięciem i spadkiem napięcia na ogniwo

• Ciągły prąd rozładowania i ograniczony czasowo prąd szczytowy

• Prąd ładowania, w tym hamowanie regeneracyjne

• Czujniki temperatury w reprezentatywnych gorących i zimnych punktach

• Sterowanie stycznikiem, ładowanie wstępne i zachowanie przy wyłączaniu z powodu awarii

• Pasywny lub aktywny prąd równoważący

• Komunikacja CAN z ładowarką, deską rozdzielczą lub sterownikiem silnika

• Prąd uśpienia podczas przechowywania i blokada ładowania w niskiej temperaturze

Na szczególną uwagę zasługuje hamowanie regeneracyjne. Gdy akumulator jest pełny lub zimny, może nie przyjąć normalnego prądu regeneracyjnego. BMS i sterownik potrzebują skoordynowanej metody ograniczania lub wyłączania regeneracji, zanim BMS będzie zmuszony otworzyć główny stycznik pod obciążeniem.

Czy można zachować oryginalną ładowarkę do skutera?

Czasami, ale dopiero po zweryfikowaniu jego zachowania. Nie należy zakładać, że ładowarka zaprojektowana dla NiMH będzie działać z LFP. Nawet dwa pakiety litu o podobnych napięciach nominalnych mogą wymagać różnych maksymalnych napięć, zwężania się prądu i zasad temperatury.

Istnieją trzy typowe trasy:

1. Przeprogramuj oryginalną ładowarkę, gdy dostępne będzie obsługiwane oprogramowanie sprzętowe i dokumentacja komunikacyjna.

2. Wymień ładowarkę na jednostkę zaprojektowaną pod kątem nowego składu chemicznego, liczenia serii i komunikacji z BMS.

3. Korzystaj z niezależnego systemu ładowarki-BMS , zachowując jednocześnie wymagane blokady i funkcje wyświetlacza pojazdu.

Docelowy ładunek nie zawsze musi być równy bezwzględnemu maksimum dozwolonemu przez ogniwo. Nieco niższe górne napięcie może zapewnić użyteczny margines operacyjny i dłuższą żywotność, ale wybrana wartość musi nadal uwzględniać równoważenie i obliczanie stanu naładowania pojazdu.

Szczegóły mechaniczne i elektryczne decydujące o niezawodności

Wiele problemów z konwersją zaczyna się poza samą komórką. Niezawodny zestaw do hulajnogi wymaga sztywnej obudowy, przewidywalnej kompresji ogniw, izolacji pomiędzy częściami przewodzącymi, odciążenia na każdym wyjściu kabla i wystarczającej separacji pomiędzy okablowaniem wysokiego i niskiego napięcia.

Projekt powinien zawierać także:

• Prawidłowo znamionowy główny bezpiecznik umieszczony blisko wyjścia pakietu

• Procedura odłączenia usługi lub bezpiecznej konserwacji

• Rezystancja wstępnego ładowania w celu ograniczenia prądu rozruchowego kontrolera-kondensatora

• Styczniki o odpowiednich parametrach napięcia stałego i prądu zwarciowego

• Szyny zbiorcze zaprojektowane na prąd, wzrost temperatury i wibracje

• Ochrona przed wodą, przewodzącym kurzem i zanieczyszczeniami drogowymi

• Ścieżki termiczne, które nie tworzą izolowanych gorących ogniw

• Wyraźne etykiety dotyczące polaryzacji, wysokiego napięcia i usług

W przypadku opakowania typu woreczek kompresja powinna być jednolita i określona, ​​a nie improwizowana. Zbyt małe ograniczenie może spowodować obrzęk i zmęczenie zakładek; zbyt duży nacisk miejscowy może uszkodzić laminat lub warstwy wewnętrzne.

Praktyczny proces wymiany akumulatora w hulajnodze

Co należy przetestować zanim hulajnoga wróci na drogę?

Prototyp należy sprawdzić co najmniej pod kątem konsystencji ogniwa, pojemności użytkowej, zapadów napięcia przy dużym prądzie, wzrostu temperatury szyn zbiorczych, rezystancji izolacji, progów BMS, działania stycznika i odcięcia ładowarki. Testy pojazdu należy rozpocząć od kontrolowanej mocy i stopniowo rozszerzać na przyspieszanie, pokonywanie wzniesień i hamowanie regeneracyjne.

Przydatny plan walidacji obejmuje również pełne naładowanie, pracę przy niskim stanie naładowania, odpowiednie dla rynku warunki gorące i zimne, prąd przechowywania po wyłączeniu kluczyka i symulację usterek. Celem nie jest jedynie wprawienie hulajnogi w ruch. Ma to na celu zapewnienie, że przewidywalne usterki prowadzą do kontrolowanej, możliwej do naprawienia reakcji.

Miejsce, w którym może zmieścić się akumulator kieszeniowy GBT 70Ah LFP

Ogniwo kieszeniowe LFP o dużej mocy 70 Ah może być interesującą opcją w przypadku dużych skuterów, motocykli elektrycznych i lekkich konwersji pojazdów elektrycznych, gdzie obudowa preferuje długie, cienkie ogniwa. W 40S1P oferuje niemal 9kWh energii nominalnej bez równoległych grup ogniw. Przy niższych napięciach systemowych ta sama pojemność może obsługiwać skutery dostawcze, pojazdy użytkowe i inne zastosowania, w których priorytetem jest codzienna praca na rowerze i stabilna moc.

Właściwy wybór nadal zależy od zweryfikowanych specyfikacji ogniw i cyklu pracy pojazdu. Hulajnoga miejska poruszająca się z niewielką mocą ma inne potrzeby niż ciężka maxi hulajnoga pokonująca długie wzniesienia, nawet jeśli oba pakiety mają oznaczenie 70 Ah.

Aby uzyskać aktualne informacje o komórkach, zobacz Misena Ogniwo etui GBT 3,2V 70Ah LFP i szersze Gama ogniw etui LiFePO4 . Ostateczne oceny należy zawsze potwierdzać dla dokładnej partii produkcyjnej i projektu opakowania.

Często zadawane pytania

Czy mogę wymienić akumulator kwasowo-ołowiowy lub NiMH w hulajnodze na LFP?

Często tak, ale jest to raczej konwersja systemu niż bezpośrednia zamiana komórek. Nowy pakiet musi pasować do okna napięcia sterownika i zwykle wymaga specyficznej dla chemii strategii BMS i ładowarki.

Jak wybrać liczbę ogniw LFP połączonych szeregowo?

Cofnij się od dopuszczalnego minimalnego i maksymalnego napięcia akumulatora sterownika. Sprawdź zarówno napięcie nominalne, jak i napięcie pełnego ładowania; nie wybieraj liczby serii na podstawie samego napięcia marketingowego hulajnogi.

Czy akumulator o większej pojemności Ah jest zawsze lepszy?

Nie. Większa pojemność może poprawić zasięg, ale zmienia także rozmiar opakowania, wagę, czas ładowania i energię awarii. Pakiet nadal musi spełniać wymagania bieżące, termiczne, mechaniczne i dotyczące integracji z pojazdem.

Czy sam BMS może chronić sterownik silnika?

Nie. BMS chroni akumulator, podczas gdy sterownik, bezpiecznik, styczniki i obwód wstępnego ładowania mają oddzielne zadania. Ich ograniczenia i zachowanie przy wyłączaniu muszą być skoordynowane.

Jakie informacje są potrzebne w przypadku propozycji niestandardowego akumulatora do hulajnogi?

Podaj model i rok hulajnogi, oryginalną etykietę akumulatora, etykiety kontrolera i ładowarki, zmierzone wymiary przedziału akumulatora, pożądany zasięg, moc pojazdu, maksymalną prędkość, masę rowerzysty/ładunek, zdjęcia złączy i oczekiwaną temperaturę pracy. Dokumentacja CAN lub okablowania jest szczególnie przydatna w przypadku skuterów wysokiego napięcia.

Ostatnie przemyślenia

Najlepsze ogniwo zamienne to nie tylko to, które ma największą pojemność lub najwyższy współczynnik C. Jest to ogniwo, które można zintegrować w kompletny pakiet z odpowiednim oknem napięciowym, wystarczającym marginesem prądu, realistycznym układem mechanicznym i skoordynowaną ochroną.

Vectrix VX-1 pokazuje, dlaczego ten proces jest ważny. Pakiet 40S 70Ah LFP jest atrakcyjny elektrycznie i zapewnia duży wzrost energii nominalnej, jednak interfejs ładowarki, hamowanie regeneracyjne, wysokość pakietu i kompresja ogniw woreczkowych mogą zdecydować, czy projekt będzie praktyczny. To samo zdyscyplinowane podejście dotyczy mniejszych skuterów 48 V i 72 V.