Hướng dẫn thay thế pin xe máy điện: Cách chọn pin và thiết kế gói an toàn

Thay thế pin xe tay ga đã cũ có thể khôi phục phạm vi hoạt động, cải thiện độ ổn định điện áp và giữ cho phương tiện hoạt động tốt trên đường. Phần khó khăn là không tìm được các ô có cùng điện áp được in trên nhãn. Nó đang làm cho các tế bào mới, bộ pin, BMS, bộ sạc và bộ điều khiển phương tiện hoạt động như một hệ thống.

Một dự án gần đây đã tập trung vào vấn đề này. Chiếc xe là một chiếc maxi-scooter Vectrix VX-1 và pin thay thế được đề xuất là pin túi GBT 3.2V 70Ah LFP. VX-1 là một trường hợp hữu ích vì nó hoạt động ở điện áp cao hơn nhiều so với xe tay ga đi lại thông thường, nhưng các câu hỏi kỹ thuật tương tự cũng áp dụng cho xe tay ga giao hàng 48V, mẫu xe thành phố 60V, xe tay ga hiệu suất 72V và các loại xe điện nhẹ khác.

Hướng dẫn này giải thích cách sàng lọc ô thay thế, tính toán cấu hình gói và xác định các chi tiết phải được kiểm tra trước khi chế tạo bất kỳ phần cứng nào.

Pin thay thế là một hệ thống, không phải là một hộp pin

Một chiếc xe tay ga vẫn có thể có động cơ, khung gầm và bộ điều khiển tốt ngay cả khi pin ban đầu của nó không còn sử dụng được nữa. Điều đó làm cho việc thay thế pin trở nên hấp dẫn, đặc biệt đối với những chiếc xe đã ngừng sản xuất hoặc xe tay ga thương mại cần được tiếp tục sử dụng.

Tuy nhiên, việc chuyển đổi thành công phải thỏa mãn đồng thời sáu điều kiện:

• Điện áp hoạt động phải nằm trong phạm vi an toàn của bộ điều khiển.

• Các tế bào phải cung cấp năng lượng liên tục và các đỉnh tăng tốc ngắn mà không bị sụt áp quá mức.

• Các tế bào và phần cứng gói phải vừa khít với ngăn chứa pin.

• BMS phải bảo vệ mọi nhóm sê-ri và xử lý cả dòng điện truyền động và sạc tái tạo.

• Bộ sạc phải sử dụng cấu hình điện áp chính xác cho số lượng hóa chất và dòng mới.

• Gói hoàn thiện phải chịu được độ rung, nhiệt, độ ẩm, va đập và các chu kỳ sử dụng lặp đi lặp lại.

Nếu thiếu một trong những điều kiện này, gói hàng trông có vẻ chính xác trên giấy có thể cung cấp phạm vi hoạt động kém, gây ra lỗi bộ điều khiển hoặc tạo ra rủi ro an toàn có thể tránh được.

Bắt đầu với chiếc xe chứ không phải ô thay thế

Trước khi chọn một ô, hãy thu thập dữ liệu xe gốc. Chỉ tên model thôi là chưa đủ vì các nhà sản xuất thường sử dụng pin, bộ sạc hoặc phần sụn khác nhau qua các năm sản xuất và phiên bản khu vực.

Cấu hình chuỗi và song song thay đổi gói như thế nào

Các tế bào được kết nối nối tiếp làm tăng điện áp. Các tế bào được kết nối song song sẽ tăng công suất và khả năng dòng điện. Các tính toán cơ bản rất đơn giản:

Từ '72V' không mô tả một loại pin phổ thông. Gói NMC loại 72V thường được xây dựng dưới dạng 20S, cung cấp khoảng 74V danh định và 84V khi sạc đầy. Gói LFP 24S cung cấp điện áp danh nghĩa 76,8V và lên tới 87,6V nếu được sạc ở mức 3,65V mỗi ô. Cả hai đều có thể được bán dưới dạng pin 72V, nhưng chúng không thể thay thế cho nhau nếu không xác nhận giới hạn của bộ điều khiển và bộ sạc.

Đây là những ví dụ tính toán, không phải là sự thay thế phổ quát. Số lượng chuỗi cuối cùng phải được chọn từ giới hạn DC-bus tối thiểu và tối đa thực tế của xe.

LFP hoặc NMC: hóa chất nào phù hợp với việc chuyển đổi xe tay ga?

LFP thường được chọn cho các dự án thay thế vì nó mang lại độ ổn định nhiệt tốt và tuổi thọ dài. NMC vẫn có giá trị khi ngăn chứa pin chật hẹp và ưu tiên phạm vi trên mỗi kg. Cả hai chất hóa học đều không tự động tốt hơn cho mọi chiếc xe tay ga.

Định dạng ô cũng quan trọng. Các tế bào hình trụ có dạng mô-đun và được hỗ trợ rộng rãi, các tế bào hình lăng trụ chắc chắn về mặt cơ học và lắp ráp đơn giản, trong khi các tế bào túi có thể tận dụng tốt hơn vỏ bọc dài hoặc nông. Các tế bào túi cần được nén và bảo vệ có kiểm soát khỏi các cạnh sắc và áp lực cục bộ. Các tab của chúng cũng cần các thanh cái hoặc các mối hàn được thiết kế phù hợp; chúng không nên được coi như những tờ giấy linh hoạt có thể được đóng gói vào không gian không sử dụng một cách đơn giản.

Nghiên cứu điển hình: sàng lọc gói LFP 40S 70Ah cho Vectrix VX-1

Vectrix VX-1 ban đầu được chế tạo dựa trên hệ thống pin điện áp cao. Tài liệu kỹ thuật đã xuất bản mô tả pin đời đầu có điện áp khoảng 125V, 30Ah và 3,7kWh. Các phiên bản Li/Li+ của nhà máy sau này sử dụng 40 tế bào LFP mắc nối tiếp, tạo ra điện áp bus danh định là 128V. Lịch sử đó làm cho kiến ​​trúc LFP 40S trở thành điểm khởi đầu hợp lý cho việc chuyển đổi VX-1, nhưng không phải là sự phê duyệt tự động cho mọi năm kiểu máy hoặc phiên bản chương trình cơ sở.

Đối với dự án đề xuất, dữ liệu sàng lọc ban đầu cho tế bào túi GBT là 3,2V, 70Ah và khoảng 14,5 × 102 × 376mm. Dữ liệu dự án cũng chỉ ra phóng điện liên tục 2C và phóng điện xung 5C. Các xếp hạng này phải được xác nhận dựa trên mô hình ô chính xác và bảng dữ liệu đã ký hiện tại của nó trước khi gói được phát hành để sản xuất.

Nhu cầu hiện tại phải được kiểm tra ở trạng thái sạc thấp

Tải 10kW tiêu thụ khoảng 78A ở 128V. Tải 15kW tiêu thụ khoảng 117A. Dòng điện tăng khi điện áp gói giảm, đồng thời tổn thất cáp, đầu nối và bộ điều khiển làm tăng thêm nhu cầu về pin. Vì lý do này, nên kiểm tra khả năng dòng điện ở gần điện áp hoạt động thấp hơn và ở nhiệt độ môi trường dự kiến ​​cao nhất—không chỉ ở điện áp danh định trên bàn thí nghiệm.

Các ô thô có thể vừa trong khi gói thành phẩm thì không

Nếu 40 ô được chia thành hai ngăn 20 ô, thì đường bao chỉ có ô theo lý thuyết là khoảng 376 × 290 × 204mm. So với vỏ bọc khoang pin VX-1 được báo cáo có kích thước khoảng 610 × 330 × 222mm, điều đó có vẻ đầy hứa hẹn. Tuy nhiên, chiều cao còn lại chỉ khoảng 18mm trước khi lắp thêm tấm nén, vật liệu cách điện, giá đỡ tab, thanh cái, dây cảm biến và dung sai vỏ bọc. Định hướng tab và quyền truy cập dịch vụ có thể quan trọng hơn khối lượng chưa sử dụng ở những nơi khác trong vùng.

Đây là lý do tại sao bước tiếp theo phải là bố cục gói 3D dựa trên hình dạng xe đo được. Việc tính toán khối lượng không thể cho biết liệu gói hàng có thực sự được lắp ráp, lắp đặt và bảo trì an toàn hay không.

Phạm vi nên được ước tính từ năng lượng có thể sử dụng

Năng lượng danh nghĩa là 8,96kWh, nhưng thiết kế thực tế thường dự trữ năng lượng ở cả trên và dưới của cửa sổ điện áp. Nếu 85% được coi là có thể sử dụng được thì gói sẽ cung cấp khoảng 7,6kWh. Với mức tiêu thụ trung bình 80Wh/km, ước tính đơn giản là khoảng 95km; với tốc độ 100Wh/km thì quãng đường là khoảng 76km. Tốc độ, khối lượng người lái, độ dốc, nhiệt độ, áp suất lốp và gió có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả thực tế.

Lựa chọn BMS: nhiều hơn việc khớp số lượng chuỗi

BMS được đánh dấu '40S LFP' không tự động phù hợp với gói xe tay ga 40S. Định mức điện áp, cảm biến dòng điện, đầu ra công tắc tơ, logic sạc trước, chiến lược cân bằng và giao thức liên lạc đều cần phải phù hợp với xe.

Đối với gói kéo, BMS cần được xem xét về:

• Bảo vệ quá áp và thiếu điện áp trên mỗi tế bào

• Dòng phóng điện liên tục và dòng điện cực đại giới hạn thời gian

• Dòng sạc, bao gồm cả phanh tái tạo

• Cảm biến nhiệt độ tại các điểm nóng và lạnh đại diện

• Kiểm soát contactor, sạc trước và hành vi tắt máy khi có lỗi

• Dòng cân bằng thụ động hoặc chủ động

• CÓ THỂ giao tiếp với bộ sạc, bảng điều khiển hoặc bộ điều khiển động cơ

• Dòng điện ngủ trong quá trình lưu trữ và khóa sạc ở nhiệt độ thấp

Phanh tái tạo đáng được quan tâm đặc biệt. Khi pin đầy hoặc nguội, nó có thể không tiếp nhận được dòng điện tái tạo bình thường. BMS và bộ điều khiển cần một phương pháp phối hợp để giảm hoặc vô hiệu hóa regen trước khi BMS buộc phải mở công tắc tơ chính khi có tải.

Bộ sạc xe tay ga ban đầu có thể được giữ lại?

Đôi khi, nhưng chỉ sau khi hành vi của nó được xác minh. Không nên cho rằng bộ sạc được thiết kế cho NiMH sẽ hoạt động với LFP. Ngay cả hai gói lithium có điện áp danh định tương tự nhau cũng có thể yêu cầu các quy tắc điện áp tối đa, mức giảm dòng điện và nhiệt độ khác nhau.

Có ba tuyến đường phổ biến:

1. Lập trình lại bộ sạc gốc khi có chương trình cơ sở được hỗ trợ và tài liệu liên lạc.

2. Thay bộ sạc bằng bộ phận được thiết kế dành cho hóa học mới, số lượng sê-ri và liên lạc BMS.

3. Sử dụng hệ thống BMS sạc độc lập trong khi vẫn duy trì các chức năng hiển thị và khóa liên động cần thiết của xe.

Mục tiêu sạc không phải lúc nào cũng cần bằng mức tối đa tuyệt đối mà ô cho phép. Điện áp trên thấp hơn một chút có thể mang lại biên độ vận hành hữu ích và có thể hỗ trợ tuổi thọ sử dụng lâu hơn, nhưng giá trị đã chọn vẫn phải phù hợp với việc cân bằng và tính toán trạng thái sạc của xe.

Các chi tiết cơ và điện quyết định độ tin cậy

Nhiều vấn đề chuyển đổi bắt đầu bên ngoài tế bào. Một gói xe tay ga đáng tin cậy cần có vỏ bọc chắc chắn, khả năng nén tế bào có thể dự đoán được, cách điện giữa các bộ phận dẫn điện, giảm lực căng ở mỗi đầu ra cáp và đủ tách biệt giữa dây điện cao áp và điện áp thấp.

Thiết kế cũng nên bao gồm:

• Cầu chì chính được xếp hạng chính xác nằm gần đầu ra của gói

• Quy trình ngắt kết nối dịch vụ hoặc bảo trì an toàn

• Điện trở nạp trước để hạn chế dòng khởi động của tụ điện điều khiển

• Công tắc tơ có điện áp DC và dòng điện sự cố phù hợp

• Thanh cái được thiết kế cho dòng điện, tăng nhiệt độ và độ rung

• Bảo vệ chống nước, bụi dẫn điện và mảnh vụn trên đường

• Đường dẫn nhiệt không tạo ra các tế bào nóng bị cô lập

• Nhãn phân cực, điện áp cao và dịch vụ rõ ràng

Đối với gói dạng túi dạng túi, quá trình nén phải đồng đều và được chỉ định thay vì tùy cơ ứng biến. Quá ít sự kiềm chế có thể gây ra sưng tấy và mệt mỏi; áp lực cục bộ quá lớn có thể làm hỏng lớp gỗ hoặc các lớp bên trong.

Một quy trình thực tế để thay thế pin xe tay ga

Cần kiểm tra những gì trước khi xe tay ga quay trở lại đường?

Tối thiểu, nguyên mẫu phải được kiểm tra tính nhất quán của tế bào, công suất sử dụng, độ sụt điện áp dòng điện cao, độ tăng nhiệt độ của thanh cái, điện trở cách điện, ngưỡng BMS, hoạt động của công tắc tơ và ngắt bộ sạc. Các cuộc thử nghiệm xe nên bắt đầu ở mức công suất được kiểm soát và mở rộng dần dần đến khả năng tăng tốc, leo dốc và phanh tái tạo.

Kế hoạch xác nhận hữu ích cũng bao gồm việc ngâm sạc đầy, vận hành ở trạng thái sạc thấp, điều kiện nóng và lạnh phù hợp với thị trường, dòng điện lưu trữ khi ngắt điện và mô phỏng lỗi. Mục tiêu không chỉ đơn thuần là làm cho chiếc xe chuyển động. Đó là để đảm bảo các lỗi có thể dự đoán trước sẽ dẫn đến phản hồi có thể kiểm soát và có thể phục hồi.

Nơi có thể phù hợp với tế bào túi GBT 70Ah LFP

Pin túi LFP công suất cao 70Ah có thể là một lựa chọn thú vị cho xe tay ga cỡ lớn, xe máy điện và chuyển đổi xe điện hạng nhẹ trong đó vỏ bọc ưu tiên các pin dài và mỏng. Ở 40S1P, nó cung cấp gần 9kWh năng lượng danh nghĩa mà không cần các nhóm tế bào song song. Ở điện áp hệ thống thấp hơn, cùng công suất có thể hỗ trợ xe tay ga giao hàng, phương tiện tiện ích và các ứng dụng khác ưu tiên đạp xe hàng ngày và nguồn điện ổn định.

Sự lựa chọn chính xác vẫn phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của tế bào đã được xác minh và chu kỳ hoạt động của xe. Một chiếc xe tay ga trong thành phố di chuyển với công suất khiêm tốn có những nhu cầu khác với một chiếc xe tay ga hạng nặng leo dốc dài, ngay cả khi cả hai gói đều được dán nhãn 70Ah.

Để biết thông tin di động hiện tại, hãy xem Misen's Tế bào túi GBT 3.2V 70Ah LFP và rộng hơn Dòng tế bào dạng túi LiFePO4 . Xếp hạng cuối cùng phải luôn được xác nhận đối với lô sản xuất và thiết kế bao bì chính xác.

Câu hỏi thường gặp

Tôi có thể thay thế pin axit chì hoặc NiMH của xe tay ga bằng LFP không?

Thường thì có, nhưng đó là sự chuyển đổi hệ thống chứ không phải là trao đổi ô trực tiếp. Gói mới phải phù hợp với cửa sổ điện áp của bộ điều khiển và thường cần chiến lược bộ sạc và BMS dành riêng cho hóa học.

Làm cách nào để chọn số lượng ô LFP trong chuỗi?

Làm việc ngược lại với điện áp pin tối thiểu và tối đa được phép của bộ điều khiển. Kiểm tra cả điện áp danh định và điện áp sạc đầy; không chọn số sê-ri chỉ từ điện áp tiếp thị của xe tay ga.

Pin có dung lượng Ah cao hơn có luôn tốt hơn không?

Không. Dung lượng lớn hơn có thể cải thiện phạm vi hoạt động nhưng nó cũng thay đổi kích thước gói hàng, trọng lượng, thời gian sạc và mức năng lượng lỗi. Gói này vẫn phải đáp ứng các yêu cầu về hiện tại, nhiệt, cơ khí và tích hợp phương tiện.

Chỉ riêng BMS có thể bảo vệ bộ điều khiển động cơ không?

Không. BMS bảo vệ pin, trong khi bộ điều khiển, cầu chì, công tắc tơ và mạch sạc trước đều có công việc riêng. Giới hạn và hành vi tắt máy của họ phải được phối hợp.

Thông tin gì cần thiết cho đề xuất pin xe tay ga tùy chỉnh?

Cung cấp mẫu xe tay ga và năm sản xuất, nhãn pin gốc, nhãn bộ điều khiển và bộ sạc, kích thước ngăn chứa pin đo được, quãng đường mong muốn, công suất xe, tốc độ tối đa, trọng lượng người lái/tải, ảnh đầu nối và nhiệt độ vận hành dự kiến. Tài liệu về CAN hoặc dây điện đặc biệt hữu ích cho xe tay ga điện áp cao.

Suy nghĩ cuối cùng

Pin thay thế tốt nhất không chỉ đơn giản là pin có công suất lớn nhất hoặc tốc độ C cao nhất. Đó là tế bào có thể được tích hợp thành một gói hoàn chỉnh với cửa sổ điện áp chính xác, biên độ dòng điện đủ, bố cục cơ học thực tế và bảo vệ phối hợp.

Vectrix VX-1 cho thấy tầm quan trọng của quy trình này. Gói LFP 40S 70Ah hấp dẫn về mặt điện và mang lại mức tăng năng lượng danh nghĩa lớn, tuy nhiên giao diện bộ sạc, phanh tái tạo, chiều cao gói và khả năng nén tế bào túi có thể quyết định liệu thiết kế có thực tế hay không. Cách tiếp cận kỷ luật tương tự cũng áp dụng cho xe tay ga 48V và 72V nhỏ hơn.