Vrecko vs. prizmatické vs. valcové články pre akumulátory elektrických motocyklov: Ako si vybrať

Výber správneho článku je jedným z prvých – a najdôležitejších – rozhodnutí v projekte batérií pre elektrické motocykle.

Kupujúci môže začať s jednoduchou špecifikáciou, napríklad '72V 40Ah' alebo '74V 45Ah', ale samotné napätie a kapacita nepovedia výrobcovi batérie, ktorý článok by sa mal použiť. Výkon motora, prúd regulátora, dostupný inštalačný priestor, cieľová hmotnosť, prevádzková teplota a predpokladaná životnosť ovplyvňujú konečný výber.

Pre batérie elektrických motocyklov sa bežne zvažujú tri formáty lítium-iónových článkov:

• Veľkoformátové vreckové bunky

• Prizmatické bunky s pevnými kovovými puzdrami

• Cylindrické články, ako napríklad 18650, 21700 a 4680

Každý formát má osvedčené aplikácie. Správna voľba závisí menej od toho, ktorá bunka vyzerá pokročilejšie, a viac od toho, ako dobre sa hodí k motocyklu a jeho elektrickému zaťaženiu.

Táto príručka vysvetľuje hlavné rozdiely a používa 74V 45Ah batériu NMC ako praktický príklad výberu.

Prečo je pri elektrickom motocykli dôležitý formát bunky

Elektrické motocykle kladú iné nároky na batérie ako osobné autá alebo stacionárne systémy na ukladanie energie.

Inštalačný priestor je obmedzený. Hmotnosť priamo ovplyvňuje manipuláciu a dojazd. Zrýchlenie si môže vyžiadať veľký prúdový prúd, zatiaľ čo stúpanie alebo jazda vysokou rýchlosťou môže spôsobiť, že batéria bude niekoľko minút vystavená veľkému zaťaženiu. Je potrebné zvážiť aj vibrácie vozovky, pôsobenie vody a opakované zmeny teploty.

Formát bunky ovplyvňuje:

• Hmotnosť balenia a využiteľná energia

• Využitie priestoru vo vnútri krytu batérie

• Schopnosť nepretržitého a špičkového vybíjania

• Počet článkov a elektrických pripojení

• Konzistencia chladenia a teploty

• Odolnosť voči vibráciám a mechanickým nárazom

• Náklady na výrobu a montáž

• Stratégia údržby a výmeny

Batéria by preto mala byť navrhnutá okolo vozidla, nie len okolo dostupného článku.

Rýchle porovnanie troch formátov buniek

Faktor výberu	Vrecková bunka	Prizmatická bunka	Cylindrická bunka
Gravimetrická hustota energie	Zvyčajne veľmi konkurencieschopné	Stredná až vysoká	Silne závisí od bunkového modelu
Využitie priestoru	Výborne	Dobré v bežnom kryte	Nižšie kvôli medzerám medzi bunkami
Kapacita bunky	Bežne desiatky až vyše 100Ah	Bežne desiatky až stovky Ah	Zvyčajne niekoľko Ah na článok
Počet buniek v balení	Nízka	Nízka	Vysoká
Mechanická ochrana	Musí byť poskytnutá v balení	Pevné puzdro bunky	Pevné samostatné kovové puzdro
Dostupnosť vysokého výkonu	Vhodné pre vybrané modely NMC	Závisí od konkrétneho modelu	Veľa osvedčených možností s vysokou sadzbou
Flexibilita tvaru balenia	Vysoká	Mierne	Vysoko cez bunkové usporiadanie
Práca na spojení buniek	Menej, väčšie spojenia	Menej, väčšie spojenia	Veľa malých spojení
Manažment opuchov	Vyžaduje kontrolovanú kompresiu	Stále je potrebné mechanické posúdenie	Riadené hlavne bunkovým krytom
Typická pevnosť	Nízka hmotnosť a efektívne balenie	Konštrukčná tuhosť a jednoduché moduly	Štandardizácia a výrobná zrelosť

Tabuľka poskytuje len všeobecné porovnanie. Dva články s rovnakým formátom môžu mať úplne odlišný výkon, životnosť a tepelné vlastnosti.

Veľkoformátové vreckové bunky

Vrecková bunka používa ľahkú laminovanú hliníkovo-plastovú fóliu namiesto hrubého oceľového alebo hliníkového puzdra. To znižuje neaktívny obalový materiál a umožňuje použiť väčšiu časť hmotnosti balenia na uskladnenie energie.

Pre elektrický motocykel s obmedzeným priestorom batérie to môže byť veľká výhoda.

Prečo puzdrové články fungujú dobre v elektrických motocykloch

Veľké vreckové bunky NMC môžu kombinovať vysokú kapacitu, nízku hmotnosť a silný výkon v plochej obdĺžnikovej štruktúre. Sú obzvlášť atraktívne pre motocykle, kde sa batéria musí zmestiť do úzkeho rámu alebo kompaktného krytu pod sedadlom.

Napríklad 45Ah vreckový článok môže umožniť zostavenie 74V 45Ah batérie v jednoduchej konfigurácii 20S1P. Vyžaduje sa iba 20 buniek.

To prináša niekoľko praktických výhod:

• Menej buniek na kontrolu a porovnanie

• Menej sériových a paralelných pripojení

• Menej káblov a menej zváracích bodov

• Nie je potrebné spravovať viacero paralelných článkov v každej napäťovej skupine

• Efektívne využitie obmedzeného objemu krytu

• Veľké ploché povrchy, ktoré môžu prísť do styku s teplonosnými materiálmi

• Nižšia hmotnosť balenia v porovnaní s mnohými alternatívami pevných obalov

Pre vysokovýkonné motocykle nie je zníženie hmotnosti len o predĺžení dojazdu. Ľahšia batéria môže tiež zlepšiť rovnováhu vozidla, zrýchlenie a ovládateľnosť.

Puzdrové bunky vyžadujú správny mechanický dizajn

Neprítomnosť pevného kovového obalu znamená, že štruktúra obalu musí chrániť články.

Dobre navrhnutá vrecková batéria by mala obsahovať:

• Kontrolovaná a rovnomerne rozložená kompresia buniek

• Povolenie na normálnu zmenu hrúbky počas prevádzky

• Izolácia medzi výstupkami, prípojnicami a krytom

• Ochrana pred ostrými hranami a prepichnutím

• Bezpečné umiestnenie proti vibráciám na ceste

• Tepelné bariéry alebo rozstupy tam, kde je to potrebné

• Spoľahlivé zváranie štítkov

• Silné vonkajšie puzdro

Články by sa nemali stláčať tak pevne, ako je to len možné, ani by nemali byť voľne ponechané vo vnútri batériového boxu. Nadmerný tlak môže poškodiť bunku, zatiaľ čo nedostatočná podpora môže umožniť pohyb, opuch a napätie v jazýčkoch.

Vreckové články sú preto silnou voľbou, ak má výrobca batérie skúsenosti s kompresnými rámami, spojmi s úchytkami a dizajnom krytu.

Prizmatické bunky

Prizmatické bunky používajú pevné obdĺžnikové kovové puzdro. Rovnako ako vreckové články sú dostupné v relatívne veľkých kapacitách, takže je možné zostaviť batériu s malým počtom článkov.

Pre súpravu 74 V 45 Ah by vhodný prizmatický článok NMC 45 Ah alebo 50 Ah mohol podporovať aj konfiguráciu 20S1P.

Výhody prizmatických buniek

Pevné puzdro poskytuje mechanickú podporu a uľahčuje umiestnenie buniek do pravidelného obdĺžnikového krytu. V závislosti od konštrukcie terminálu môže byť inštalácia prípojnice a montáž modulu tiež jednoduchá.

Prizmatické bunky môžu byť praktickou voľbou, keď:

• Priestor na batérie má pravidelný tvar škatule

• Mechanická odolnosť je uprednostňovaná pred minimálnou hmotnosťou

• Vozidlo sa používa na nerovných cestách

• Batéria sa inštaluje do nákladného motocykla alebo elektrickej trojkolky

• K dispozícii je osvedčený článok so správnou kapacitou a rýchlosťou vybíjania

• Výrobca balenia už má kompatibilný dizajn modulu

Kovové puzdro však pridáva na hmotnosti a zaberá miesto. Rozmery prizmatického článku sú tiež menej flexibilné, takže technicky vhodný článok nemusí vyhovovať dostupnému priestoru pre batérie.

Ďalšou častou chybou je predpoklad, že každý automobilový prizmatický článok je vhodný pre elektrický motocykel. Niektoré veľké prizmatické články NMC sú navrhnuté hlavne pre energetickú kapacitu a nie pre vysoký prúd. Ich kapacita môže vyzerať atraktívne, ale ich prípustné nepretržité vybíjanie, výkon pri nízkej teplote alebo tepelné správanie sa nemusia zhodovať s ovládačom motocykla.

Pred výberom je potrebné skontrolovať údajový list – a pokiaľ možno nezávislé testovanie buniek.

Cylindrické bunky

Cylindrické články sú široko používané v elektrických skútroch, e-bicykloch a motocykloch. Bežné formáty zahŕňajú 18650 a 21700, zatiaľ čo väčšie cylindrické bunky, ako napríklad 4680, vstupujú do viacerých mobilných aplikácií.

Ich kovové puzdro poskytuje dobrú individuálnu mechanickú ochranu a na triedenie buniek, umiestňovanie a zváranie je k dispozícii vyspelé automatizované zariadenie.

Prečo si výrobcovia vyberajú valcové články

Cylindrické články ponúkajú niekoľko výhod:

• Štandardizované rozmery

• Široká dostupnosť dodávateľa

• Vyspelá veľkoobjemová výroba

• Dobrá mechanická pevnosť

• Mnoho vysokorýchlostných bunkových možností

• Flexibilné tvary balenia prostredníctvom rôznych usporiadaní buniek

• Menší obsah energie na bunku

Menšia veľkosť článku môže tiež uľahčiť distribúciu prúdu a tepla cez veľký počet článkov. Ak je cylindrický blok správne navrhnutý, môže poskytnúť vynikajúci výkon.

Kompromisom je zložitosť.

Veľká batéria elektrického motocykla môže obsahovať stovky valcových článkov. Každá bunka vyžaduje kontrolu, zoskupenie a elektrické pripojenie. Držiaky článkov a chladiace medzery spotrebúvajú priestor, zatiaľ čo veľký počet zvarov zvyšuje dôležitosť konzistentnosti výroby.

Napríklad, ak súprava 74 V 45 Ah používa 5 Ah valcové články, približná konfigurácia by bola:

• 20 buniek v sérii

• 9 buniek paralelne

• 20S9P

• celkom 180 buniek

Ak sú zvolené články 4,5 Ah, môže si sada vyžadovať konfiguráciu 20S10P s 200 článkami.

Na porovnanie, 45Ah vrecko alebo prizmatické riešenie môže potrebovať iba 20 veľkoformátových článkov.

Cylindrické články sú vhodné pre vysoko štandardizované, veľkoobjemové produkty. Pri maloobjemovej vlastnej batérii však môžu nástroje, zváranie a montážne práce znížiť atraktívnosť dizajnu.

Ktorý formát buniek sa hodí pre rôzne projekty elektrických motocyklov?

Mestské elektrické kolobežky

Cylindrické články sú často praktickou voľbou pre štandardizované mestské skútre, najmä ak je objem výroby vysoký a spotreba energie je nízka.

Veľké vreckové bunky môžu byť tiež atraktívne, keď výrobca chce väčšiu kapacitu v kompaktnom kryte alebo menej paralelných skupín.

Vysokovýkonné elektrické motocykle

Veľké puzdrové články NMC sú často silnými kandidátmi pre vysokovýkonné motocykle, pretože môžu poskytnúť užitočnú rovnováhu hustoty energie, vybíjacieho výkonu a účinnosti balenia.

Konečné rozhodnutie stále závisí od aktuálneho hodnotenia vybíjania článku. S vysokokapacitným energetickým článkom by sa nemalo zaobchádzať ako s vysokovýkonným článkom, pokiaľ jeho špecifikácie a testovacie údaje nepodporujú požadovaný prúd.

Nákladné motocykle a elektrické trojkolky

Prizmatické bunky môžu byť preferované, keď je priestor krytu pravidelný a mechanická pevnosť je dôležitá. Prizmatické bunky LFP sa bežne zvažujú aj vtedy, keď na životnosti cyklu a tepelnej stabilite záleží viac ako minimálna hmotnosť.

Ak sa vyžaduje chémia NMC, mali by sa porovnať prizmatické aj vakové možnosti podľa výkonu, rozmerov a hmotnosti balenia.

Vymeniteľné batériové systémy

Vymeniteľné batérie musia vyvážiť energiu, hmotnosť, manipuláciu a mechanickú odolnosť.

Cylindrické články majú silný rekord v štandardizovaných systémoch výmeny. Vreckové články môžu zlepšiť využitie priestoru, ale kryt batérie a vnútorná nosná konštrukcia musia byť skonštruované na časté vyberanie a manipuláciu.

Prototypové a maloobjemové vlastné projekty

Veľkoformátové vrecko alebo prizmatické články môžu znížiť celkový počet buniek a zjednodušiť elektrickú architektúru. Vďaka tomu sú atraktívne pre prototypy motocyklov a vlastné projekty batérií za predpokladu, že sú k dispozícii potrebné spojovacie a mechanické procesy.

Prípadová štúdia: Výber článkov pre 74V 45Ah batériu pre elektrický motocykel

Predpokladajme, že zákazník požaduje 'batériu 7445'. Pred začatím návrhu by mal výrobca najprv potvrdiť, že to znamená 74 V a 45 Ah.

Pri použití 3,7V článkov NMC by základná konfigurácia bola:

• Konfigurácia: 20S

• Menovité napätie: 20 × 3,7V = 74V

• Napätie pri plnom nabití: 20 × 4,2 V = 84 V

• Menovitá kapacita: 45Ah

• Menovitá energia: 74V × 45Ah = 3,33kWh

Na prvý pohľad vyzerá balenie 20S1P s puzdrom s kapacitou 45 Ah jednoducho. Ale či je vybraný článok vhodný, určí prúd motora a regulátora.

Výkon motora a prúd batérie

Teoretický prúd pri menovitom napätí možno odhadnúť ako:

[
I = rac{P}{V}
]

To dáva nasledujúce približné hodnoty:

Špičkový výkon motora	Prúd pri 74V
3 kW	41A
5 kW	68A
8 kW	108A
10 kW	135A

Ide o zjednodušené výpočty menovitého napätia. Skutočný prúd batérie môže byť vyšší, pretože napätie batérie klesá pri nízkom stave nabitia a pretože regulátor, motor a kabeláž nie sú 100% účinné.

Maximálny prúd batérie regulátora je pri výbere článku zvyčajne užitočnejší ako štítok motora.

Ak ovládač umožňuje prúd batérie 120 A, článok 45 Ah musí podporovať:

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

Článok dimenzovaný len na nepretržité vybíjanie 1C by nebol bezpečnou voľbou pre tieto prevádzkové podmienky. Vyžaduje sa článok s vhodným trvalým prúdom, impulzným prúdom, nárastom teploty a poklesom napätia.

Možnosť 1: Puzdrové články 20S1P 45Ah NMC

Toto je zvyčajne prvá možnosť na vyhodnotenie, keď projekt uprednostňuje:

• Nízka hmotnosť batérie

• Kompaktné rozmery

• Efektívne využitie inštalačného priestoru

• Jednoduchá 1P elektrická štruktúra

• Vysoká hustota energie

• Silný výkon pri zrýchlení

Článok ešte musí prejsť hodnotením vybíjania, teploty a životnosti cyklu pri očakávanom prevádzkovom profile.

Možnosť 2: 20S1P 45Ah alebo 50Ah prizmatické články NMC

To môže byť vhodné, keď:

• Kryt je veľký a obdĺžnikový

• Dodatočná hmotnosť buniek je prijateľná

• Prioritou je tuhosť konštrukcie

• Zvolený prizmatický článok má dostatočnú výkonovú kapacitu

• Rozmery článkov zodpovedajú priestoru pre batérie

Výrobca by nemal voliť prizmatický článok len preto, že jeho kovové puzdro pôsobí bezpečnejšie. Chémia buniek, vnútorný dizajn, konzistentnosť kvality, stratégia BMS, tavenie a ochrana pred tepelným šírením sú dôležitejšie ako samotný vonkajší tvar.

Možnosť 3: Valcový balík 20S9P alebo 20S10P

Toto môže fungovať dobre, keď:

• K dispozícii je osvedčený vysokorýchlostný valcový článok

• Výrobca má automatizované triediace a zváracie zariadenia

• Očakáva sa, že dizajn batérie vstúpi do stabilnej sériovej výroby

• Puzdro pojme väčší počet buniek a držiakov

• Aktuálne zdieľanie na úrovni bunky bolo overené

Pre malú zákazkovú objednávku môže vysoký počet buniek a zložitosť zostavy spôsobiť, že valcová možnosť bude menej efektívna.

Informácie požadované pred výberom bunky

Pred odporúčaním článku by si zodpovedný dodávateľ batérie mal pýtať viac ako len napätie a kapacitu.

Nasledujúce informácie sú obzvlášť dôležité:

1. Menovitý výkon motora a špičkový výkon

2. Maximálny prúd batérie ovládača

3. Požadovaný trvalý a špičkový vybíjací prúd

4. Trvanie špičkového prúdu

5. Dĺžka, šírka a výška priehradky na batérie

6. Maximálna povolená hmotnosť batérie

7. Cieľový dojazd a prevádzková rýchlosť

8. Nabíjacie napätie, prúd a požadovaný čas nabíjania

9. Rekuperačný-brzdný prúd

10. Rozsah prevádzkových teplôt

11. Podmienky vozovky, vibrácií a hydroizolácie

12. Požiadavky na komunikáciu ako CAN alebo UART

13. Požadovaná životnosť cyklu

14. Cieľový trh a požiadavky na certifikáciu

15. Prototyp a výrobné množstvá

Bez týchto informácií je odporúčanie batérie väčšinou dohady.

Vrecko, prizmatické alebo valcové: čo je najlepšie?

Univerzálny víťaz neexistuje.

Cylindrické články sú atraktívne pre štandardizované, veľkoobjemové batérie a aplikácie, ktoré využívajú vyspelé výrobné procesy. Prizmatické bunky ponúkajú pevnú štruktúru a môžu zjednodušiť montáž v bežnom kryte. Veľké vreckové bunky sú obzvlášť cenné, keď je dôležitá nízka hmotnosť, efektívne balenie, vysoká kapacita a nízky počet buniek.

Pre mnohé projekty vysokovýkonných elektrických motocyklov s napätím 72 V a 74 V si ako prvé zaslúžia veľké vreckové články NMC. Konfigurácia 20S1P s použitím 40Ah, 45Ah, 50Ah alebo väčších článkov môže poskytnúť čistú elektrickú štruktúru a vynikajúce využitie dostupného priestoru.

Rozhodnutie by malo byť založené skôr na meranom výkone než na samotnom formáte. Je potrebné prehodnotiť kapacitu, jednosmerný vnútorný odpor, trvalý prúd, impulzný prúd, pokles napätia, nárast teploty, životnosť cyklu a mechanickú integráciu.

Riešenie článkov batérií pre elektrické motocykle od spoločnosti Misen

Misen dodáva veľkoformátové riešenia NMC, LFP, polotuhé a iné vreckové riešenia pre elektrické motocykle, elektrické skútre, ľahké elektrické vozidlá a vlastné batériové systémy. Vybrané možnosti valcových a prizmatických buniek sú k dispozícii aj pre projekty, kde tieto formáty poskytujú lepšie technické prispôsobenie.

Náš tím môže pomôcť vyhodnotiť:

• Bunková chémia a formát

• Sériová a paralelná konfigurácia

• Požiadavky na trvalý a špičkový prúd

• Rozmery článkov a kompatibilita priestoru pre batérie

• Prispôsobenie kapacity, napätia a vnútorného odporu

• Testovanie vzoriek a validácia projektu

• Požiadavky na vlastný batériový modul a balík

Pre vyhodnotenie projektu elektrického motocykla nám pošlite požadované napätie, kapacitu, výkon motora, prúd regulátora a dostupné rozmery priestoru pre batérie.

Špecifikácia ako '74V 45Ah' je dobrým východiskovým bodom. Správna voľba bunky vychádza z pochopenia toho, čo musí motocykel robiť.