Руководство по замене аккумулятора электрического скутера: как выбрать аккумуляторы и разработать безопасную упаковку

Замена стареющего аккумулятора скутера может восстановить запас хода, улучшить стабильность напряжения и сохранить исправность автомобиля на дороге. Трудность заключается в том, чтобы не найти элементы с тем же напряжением, которое указано на этикетке. Благодаря этому новые элементы, аккумуляторная батарея, BMS, зарядное устройство и контроллер автомобиля работают как одна система.

Недавний проект привлек это внимание. В качестве транспортного средства использовался макси-скутер Vectrix VX-1, а на замену был предложен аккумулятор GBT 3,2 В, 70 Ач LFP. VX-1 — полезный случай, поскольку он работает при гораздо более высоком напряжении, чем обычный пригородный скутер, но те же инженерные вопросы применимы к грузовым скутерам на 48 В, городским моделям на 60 В, высокопроизводительным скутерам на 72 В и другим легким электромобилям.

В этом руководстве объясняется, как проверить сменный элемент, рассчитать конфигурацию блока и определить детали, которые необходимо проверить перед сборкой любого оборудования.

Запасной аккумулятор — это система, а не коробка с элементами

Скутер может иметь исправный двигатель, шасси и контроллер, даже если его родная батарея больше не пригодна к эксплуатации. Это делает замену элементов привлекательной, особенно для автомобилей, снятых с производства, или коммерческих скутеров, которые должны оставаться в эксплуатации.

Однако успешное преобразование должно одновременно удовлетворять шести условиям:

• Рабочее напряжение должно оставаться в безопасном диапазоне контроллера.

• Ячейки должны обеспечивать непрерывную мощность и короткие пики ускорения без чрезмерных провалов напряжения.

• Элементы и оборудование блока должны физически помещаться в батарейный отсек.

• BMS должна защищать каждую последовательную группу и обрабатывать как ток возбуждения, так и рекуперативную зарядку.

• Зарядное устройство должно использовать правильный профиль напряжения для нового химического состава и количества серий.

• Готовая упаковка должна выдерживать вибрацию, тепло, влагу, удары и многократные циклы обслуживания.

Если одно из этих условий пропущено, пакет, который на бумаге выглядит правильно, может обеспечить плохую дальность полета, вызвать сбои контроллера или создать предотвратимую угрозу безопасности.

Начните с автомобиля, а не с запасного элемента

Прежде чем выбрать ячейку, соберите исходные данные об автомобиле. Одного названия модели недостаточно, поскольку производители часто используют разные аккумуляторы, зарядные устройства или прошивки в зависимости от года выпуска и региональных версий.

Как последовательная и параллельная конфигурация меняют пакет

Ячейки, соединенные последовательно, повышают напряжение. Ячейки, соединенные параллельно, увеличивают емкость и ток. Основные расчеты просты:

Слово «72 В» не описывает одну универсальную батарею. Блок NMC класса 72 В обычно изготавливается как 20S, обеспечивая номинальное напряжение около 74 В и 84 В при полной зарядке. Блок 24S LFP выдает номинальное напряжение 76,8 В и до 87,6 В при зарядке до 3,65 В на элемент. Оба могут продаваться как батареи на 72 В, но они не являются взаимозаменяемыми без подтверждения ограничений контроллера и зарядного устройства.

Это примеры расчета, а не универсальные замены. Окончательное количество серий должно выбираться из фактического минимального и максимального пределов шины постоянного тока автомобиля.

LFP или NMC: какой химический состав подходит для переоборудования скутера?

LFP часто выбирают для проектов по замене, поскольку он обеспечивает хорошую термическую стабильность и длительный срок службы. NMC остается ценным, когда аккумуляторный отсек тесный и приоритетом является дальность полета на килограмм. Никакая химия не является автоматически лучшей для каждого скутера.

Формат ячейки тоже имеет значение. Цилиндрические элементы являются модульными и имеют широкую поддержку, призматические элементы механически прочны и просты в сборке, а пакетные элементы могут лучше использовать длинный или неглубокий корпус. Карманные клетки нуждаются в контролируемом сжатии и защите от острых краев и местного давления. Их выступы также нуждаются в правильно спроектированных шинопроводах или сварных соединениях; с ними не следует обращаться как с гибкими листами, которые можно просто упаковать в неиспользуемое пространство.

Практический пример: проверка блока LFP 40S 70 Ач для Vectrix VX-1

Оригинальный Vectrix VX-1 был построен на основе высоковольтной аккумуляторной системы. В опубликованных технических материалах первая батарея описывает напряжение примерно 125 В, 30 Ач и 3,7 кВтч. В более поздних заводских версиях Li/Li+ использовалось 40 последовательно соединенных элементов LFP, обеспечивающих номинальное напряжение шины 128 В. Эта история делает архитектуру 40S LFP разумной отправной точкой для преобразования VX-1, но не автоматическим одобрением для каждого модельного года или версии прошивки.

Для предлагаемого проекта первоначальные данные проверки пакетного элемента GBT составляют 3,2 В, 70 Ач и примерно 14,5 × 102 × 376 мм. Данные проекта также указывают на непрерывный разряд 2C и импульсный разряд 5C. Эти рейтинги должны быть подтверждены с учетом конкретной модели ячейки и ее текущего подписанного технического паспорта, прежде чем упаковка будет выпущена в производство.

Текущее потребление должно быть проверено при низком уровне заряда.

Нагрузка мощностью 10 кВт потребляет около 78 А при напряжении 128 В. Нагрузка мощностью 15 кВт потребляет около 117 А. Ток возрастает по мере падения напряжения аккумуляторной батареи, а потери в кабеле, разъемах и контроллере увеличивают потребность в батарее. По этой причине допустимый ток следует проверять вблизи нижнего рабочего напряжения и при самой высокой ожидаемой температуре окружающей среды, а не только при номинальном напряжении на лабораторном столе.

Необработанные элементы могут подойти, а готовая упаковка — нет.

Если 40 ячеек разделить на две стопки по 20, теоретический размер одной ячейки составит примерно 376 × 290 × 204 мм. По сравнению с заявленными размерами аккумуляторного отсека VX-1 примерно 610 × 330 × 222 мм это выглядит многообещающе. Однако оставшаяся высота составляет всего около 18 мм без учета прижимных пластин, электроизоляции, опор для выводов, шин, чувствительных проводов и допусков корпуса. Ориентация вкладок и доступ к сервисам могут быть более важными, чем неиспользуемый том в другом месте отсека.

Вот почему следующим шагом должно стать 3D-макет упаковки на основе измеренной геометрии автомобиля. Расчет объема не может показать, действительно ли блок можно собрать, установить и безопасно обслуживать.

Дальность действия следует оценивать по полезной энергии.

Номинальная энергия составляет 8,96 кВтч, но практичная конструкция обычно резервирует энергию как в верхней, так и в нижней части окна напряжения. Если 85% считать пригодными для использования, аккумулятор обеспечит около 7,6 кВтч. При среднем расходе 80 Втч/км простая оценка составит около 95 км; при 100 Втч/км это около 76 км. Скорость, масса гонщика, холмы, температура, давление в шинах и ветер могут существенно повлиять на реальный результат.

Выбор BMS: более чем соответствует количеству серий

BMS с маркировкой «40S LFP» не подходит автоматически для комплекта скутера 40S. Его номинальное напряжение, датчики тока, выходы контакторов, логика предварительной зарядки, стратегия балансировки и протокол связи — все это должно соответствовать автомобилю.

Для тягового комплекта BMS следует проверить на предмет:

• Защита от перенапряжения и понижения напряжения на ячейке

• Непрерывный ток разряда и ограниченный по времени пиковый ток

• Ток заряда, включая рекуперативное торможение

• Датчики температуры в репрезентативных горячих и холодных точках

• Управление контактором, предварительная зарядка и отключение при неисправности

• Пассивный или активный балансирующий ток

• Связь CAN с зарядным устройством, приборной панелью или контроллером двигателя

• Ток сна во время хранения и блокировка зарядки при низкой температуре

Особого внимания заслуживает рекуперативное торможение. Когда батарея заряжена или холодна, она может быть не в состоянии принять нормальный ток регенерации. BMS и контроллеру необходим скоординированный метод уменьшения или отключения рекуперации до того, как BMS будет вынуждена разомкнуть главный контактор под нагрузкой.

Можно ли сохранить оригинальное зарядное устройство для скутера?

Иногда, но только после проверки его поведения. Не следует предполагать, что зарядное устройство, предназначенное для NiMH, будет работать с LFP. Даже для двух литиевых батарей с одинаковым номинальным напряжением могут потребоваться разные максимальные напряжения, правила снижения тока и температуры.

Существует три распространенных маршрута:

1. Перепрограммируйте оригинальное зарядное устройство , когда будет доступна поддерживаемая прошивка и коммуникационная документация.

2. Замените зарядное устройство устройством, предназначенным для нового химического состава, подсчета серий и связи BMS.

3. Используйте независимую систему зарядного устройства-BMS , сохраняя при этом необходимые функции блокировки и дисплея автомобиля.

Целевой заряд не всегда должен равняться абсолютному максимуму, разрешенному ячейкой. Немного более низкое верхнее напряжение может обеспечить полезный рабочий запас и увеличить срок службы, но выбранное значение все равно должно учитываться при балансировке и расчете уровня заряда автомобиля.

Механические и электрические детали, определяющие надежность

Многие проблемы преобразования начинаются за пределами самой ячейки. Надежному рюкзаку для скутера необходим жесткий корпус, предсказуемое сжатие ячеек, изоляция между проводящими частями, разгрузка от натяжения на каждом выходе кабеля и достаточное разделение между высоковольтной и низковольтной проводкой.

Проект также должен включать в себя:

• Главный предохранитель правильного номинала, расположенный рядом с выходом блока.

• Процедура отключения обслуживания или безопасная процедура обслуживания

• Сопротивление предварительной зарядки для ограничения пускового тока конденсатора контроллера

• Контакторы с адекватным напряжением постоянного тока и номинальным током повреждения

• Шинопроводы, рассчитанные на ток, повышение температуры и вибрацию.

• Защита от воды, проводящей пыли и дорожного мусора.

• Тепловые пути, которые не создают изолированных горячих камер

• Четкая полярность, этикетки с указанием высокого напряжения и сервисной маркировкой.

Для упаковки в виде мешочка сжатие должно быть равномерным и заданным, а не импровизированным. Слишком слабое ограничение может привести к отеку и усталости вкладки; слишком сильное местное давление может повредить ламинат или внутренние слои.

Практический процесс замены аккумулятора скутера

Что следует проверить, прежде чем самокат вернется на дорогу?

Как минимум, прототип должен быть проверен на целостность элементов, полезную емкость, сильноточные провалы напряжения, повышение температуры шин, сопротивление изоляции, пороговые значения BMS, работу контактора и отключение зарядного устройства. Испытания транспортных средств должны начинаться с контролируемой мощности и постепенно расширяться до ускорения, подъема на холм и рекуперативного торможения.

Полезный план проверки также включает в себя выдержку при полной зарядке, работу при низком уровне заряда, горячие и холодные условия, соответствующие рынку, ток сохранения при отключении питания и моделирование неисправностей. Цель состоит не просто в том, чтобы заставить самокат двигаться. Целью является обеспечение того, чтобы предсказуемые неисправности приводили к контролируемому, восстанавливаемому реагированию.

Где может разместиться пакетный аккумулятор GBT 70 Ач LFP

Мощный пакетный элемент LFP емкостью 70 Ач может стать интересным вариантом для больших скутеров, электрических мотоциклов и легких электромобилей, где корпус предпочитает длинные и тонкие элементы. Модель 40S1P обеспечивает номинальную мощность почти 9 кВтч без параллельных групп ячеек. При более низком напряжении системы та же мощность может поддерживать скутеры, грузовые автомобили и другие устройства, в которых приоритетом является ежедневная езда на велосипеде и стабильное питание.

Правильный выбор по-прежнему зависит от проверенных характеристик элемента и рабочего цикла автомобиля. Городской скутер, который движется со скромной мощностью, имеет другие потребности, чем тяжелый макси-скутер, преодолевающий длинные подъемы, даже если оба аккумулятора имеют маркировку 70 Ач.

Текущую информацию о ячейке см. на сайте Misen's. Пакетный аккумулятор GBT 3,2 В, 70 Ач LFP и более широкие модели Линейка пакетных аккумуляторов LiFePO4 . Окончательные рейтинги всегда следует подтверждать для конкретной производственной партии и конструкции упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Могу ли я заменить свинцово-кислотную или NiMH-батарею скутера на LFP?

Часто да, но это системное преобразование, а не прямая замена ячеек. Новый аккумулятор должен соответствовать диапазону напряжения контроллера, и обычно для него требуется специальная BMS и стратегия зарядного устройства с учетом химического состава.

Как выбрать количество последовательно соединенных ячеек LFP?

Работайте в обратном направлении от разрешенного минимального и максимального напряжения батареи контроллера. Проверьте как номинальное напряжение, так и напряжение полной зарядки; Не выбирайте количество серий только на основании маркетингового напряжения скутера.

Всегда ли аккумулятор с большей емкостью лучше?

Нет. Увеличение емкости может увеличить дальность действия, но при этом также изменится размер упаковки, вес, время зарядки и энергия неисправности. Пакет по-прежнему должен удовлетворять текущим, термическим, механическим требованиям и требованиям, предъявляемым к транспортным средствам.

Может ли только BMS защитить контроллер двигателя?

Нет. BMS защищает батарею, в то время как контроллер, предохранитель, контакторы и цепь предварительной зарядки выполняют отдельные функции. Их пределы и поведение при отключении должны быть скоординированы.

Какая информация необходима для предложения индивидуального аккумулятора для скутера?

Укажите модель и год скутера, оригинальную этикетку аккумулятора, этикетки контроллера и зарядного устройства, измеренные размеры аккумуляторного отсека, желаемый запас хода, мощность автомобиля, максимальную скорость, вес водителя/груза, фотографии разъемов и ожидаемую рабочую температуру. CAN или документация по электропроводке особенно полезны для скутеров с высоким напряжением.

Заключительные мысли

Лучшая сменная ячейка — это не просто та, которая имеет наибольшую емкость или самый высокий коэффициент C. Это элемент, который можно интегрировать в комплект с правильным диапазоном напряжения, достаточным запасом по току, реалистичной механической компоновкой и скоординированной защитой.

Vectrix VX-1 показывает, почему этот процесс важен. Аккумулятор LFP 40S 70 Ач электрически привлекателен и обеспечивает значительное увеличение номинальной энергии, однако интерфейс зарядного устройства, рекуперативное торможение, высота аккумулятора и сжатие аккумуляторной батареи могут решить, будет ли такая конструкция практичной. Тот же дисциплинированный подход применим и к меньшим скутерам с напряжением 48 В и 72 В.