Jak poprawnie dobrać akumulator?

Akumulator – podstawowe źródło zasilania w pojeździe elektrycznym. Jest to kluczowy i najdroższy podzespół każdego ebajka, który wpływa na zasięg naszego pojazdu. Trzeba dobrać go odpowiednio do mocy silnika i sterownika w twoim rowerze elektrycznym.
Akumulatory li-ion szczególnie nie lubią ładowania na mrozie oraz pobierania dużych prądów w temperaturze ujemnej.
Z doświadczenia, jeżeli jedziesz na mrozie, wyciągnij rower z domu lub ogrzewanego garażu. Podczas jazdy pobierasz prąd, więc bateria nie wystygnie poniżej zera stopni. Jak np. jediesz do pracy, na prozie wprowadź rower do pomieszczenia ogrzewanego i po skończeniu pracy możesz normalnie dojechać z punktu A do B w temperaturze nawet -20 stopni. Jeżeli natomiast rower będzie stał 8 godzin w temperaturze -20 stopni i odkręcisz manetkę jedną jazdą doszczętnie zniszczysz akumulator. Baterie przechowujemy zawsze naładowane do 50%. Jeżeli planujesz odłozyć rower na dłużej niż kilka dni nie ładuj go po ostatniej jeździe, a jeżeli odkładasz go na zimowanie, pojeździj, aby zbić napięcie do wartości nominalnej! Nie ładuj akumulatora na mrozie. Przechowywanie akumulatora w temperaturze ujemnej do – 20 stopni nie wpływa negatywnie na jego parametry.

Jakie parametry musimy znać, aby poprawnie zbudować akumulator?

– wydajność prądowa ogniw – parametr który w duzym stopniu wpływa na szybsze złużycie pakietu, jeżeli jest źle dobrany. Znajdziecie go w specyfikacji ogniw: “data sheet” pod hasłem continuos discharge current

– wydajność prądowa sterownika (oraz w mniejszym stopniu silnika)  oznaczenie rated current: prąd znamionowy oraz MAX current: maksymalny prąd chwilowy:

– przepustowość prądu BMSa – istotne aby nie była mniejsza niż maksymalny prąd chwilowy sterownika. BMS również charakteryzuje się ograniczeniem prądu ładowania np do 5-10 lub 20A najczęściej. Sprawdź ten parametr, jeżeli chcesz używać szybszej ładowarki, a twój większy pakiet na to pozwala. Więcej o prądach ładowania na samym dole artykułu.

Jest to temat rzeka, postaram się przedstawić najprostsze rozwiązanie, najbardziej zrozumiałe dla użytkowników 🙂

Producent podaje maksymalny prąd dla ogniwa np dla sanyo GA jest to 10A prądu ciągłego rozładowania ograniczone do zalecanej temperatury 45 stopni. Ogniwo może oddać 10A gdy jest pojedyncze/odseparowane. Pakiet zasilający tworzy “kaloryfer”, macie ogniwka skupione między sobą i zazwyczaj zamknięte szczelnie taśmą lub kaftanem termokurczliwym. Osiągają one znacznie wyższe temperatury blisko 60 stopni przy prądzie ok 5A dla jednego ogniwa skumulowanego w pakiecie zasilającym, a gdybyśmy pobrali 10A, tak jak podaje producent akumulator mógłby się zapalić i zniszczyć już w pierwszym cyklu pracy. Temperatura graniczna prowadząca do uszkodzenia ogniw to 65 stopni.
W skrócie prosty rachunek prąd, który podaje producent dzielimy przez 2 – 2,5 w zależności od modelu  ogniwa i wychodzi nam trwały bezawaryjny pakiet.

 

Troszkę teorii, aby zrozumieć dalszą część artykułu:

Każde dodatkowe ogniwo połączone szeregowo zwiększają napięcie pakietu (7S1P)

Połączenie równoległe zwiększa pojemność (na foto 1S4P)

Różnica połączeń

  • Teraz mamy np zestaw od firmy MG VOLT przypuśćmy MG VOLT SPIRIT. Mamy mocny silnik przekładniowy ze sterownikiem 48V 25A, Gdzie prąd ciągły nie przekracza 25A, oraz zazwyczaj oscyluje w granicach 12A dla prostej nawierzchni. Załóżmy, że chcesz zbudować do niego akumulator. Wartość 48V = 13S (13 połączeń szeregowych) co jest niezmienne.
    Rozważmy 2 przypadki:
    1. Chcesz jeździć po ścieżkach rowerowych na prostej, pedałować i wykorzystywać silnik do wspomagania, gdzie prąd ciągły tylko sporadycznie przekracza 12A, prąd chwilowy możemy podciągnąć do 7A/ogniwo, a prąd ciągły zostawimy w okoliach 5A dla ogniwa.
    Przeliczamy z powyższej informacji: 12A / 5A dla sanyo GA = 2,4 ogniwa połączonego równolegle; zaokrąglamy wartość w górę do 3 ogniw. Potem liczymy prąd maksymalny: sterownik daje 25A / 3 = więcej niż 7A dla sanyo (8,4A), więc trzeba połączyć równolegle więcej niż 3 ogniwa. Idziemy dalej: 25A / 4P (4 ogniwa połączone równolegle) =  6,25A/ogniwo maksymalnie i 12A / 4P = 3A na ogniwo prądu ciągłego; jest ok, bateria będzie służyć dożywotnio! Zatem najmniejszy możliwy pakiet dla sterownika 25A = 4P
    2. Chcemy jeździć w ternie, na podjazdach, pod górki, w piasku tam, gdzie silnik ma ciężej, a w dodatku mamy manetkę i nie chce nam się pedałować
    . Pobór mocy będzie zbliżony do maksymalnego podanego na sterowniku 25A.
    Przeliczamy: 25A / 5A = 5 ogniw połączonych równolegle (5P) oznacza to, że najmniejszy akumulator powinien składać się z konfiguracji 13S5P – 13 zespołów połączonych szeregowo; po 5 cel równolegle. 
  • Załóżmy, że mamy zestaw MG VOLT VOYAGER lub SWIFT -> albo zestaw RAPID S2100, lub kit od innej firmy na silniku MXUS XF40-30H/nine continent RH 205/212 lub MAGIC PIE/SMART PIE4/5 wszystkie te kontrolery oscylują między 30-35A 🙂 Standardowo również na 48V , a więc 13S -> szeregów zespołów cel x ilość P, którą wyliczymy poniżej:
    1. Standardowo robimy pakiet do wspomagania będziemy pedałować, jeździmy po równych ścieżkach, bez śniegu, bez grząskiego piachu, bez stromych podjazdów itp:
    sterownik ma prąd ciągły tzw rated current ok 17-20A i prąd maksymalny 35A; również na 48V. Liczymy:
    rated current 20A / 5A na ogniwo = minimum 4P – 4 ogniwa połączone równolegle.
    35A sterownik / 7A na ogniwo = 5P dla prądu chwilowego.

    2. Chcemy jeździć na lenia, bez pedałowania, do tego mamy pagórkowaty teren, wiele podjazdów, jeździmy przez las, gdzie jest piach i błoto; sterownik 35A zazwyczaj nie działa na prądzie maksymalnym, ale pobiera wtedy od 25-30A prądu ciągłego i ok 35A chwilowo na rozpędzenie się. Liczymy:
    rated current 30A / 5A na ogniwo = minimum pakiet 6P
    Prąd chwilowy = 35A / 7A na ogniwo = minimum pakiet 5P. Jak widać dla prądu ciągłego powinniśmy zamontować pakiet minimum 6P.
    -> Reasumując akumulator 13S5P jest idealny dla osób, które lubią pedałować i nie używają zestawu w trudnych warunkach, bez stromych podjazdów, błota grząskiego piachu, a chcą mieć dobre przyspieszenie dla utrzymania potem stałej prędkości przelotowej. Dla osób jeżdżących w trudniejszych warunkach np. w górach polecam pakiet z większą ilością ogniw; gdyż mniejszy w trudnych warunkach będzie miał ograniczoną trwałość.
    Przy większych akumulatorach warto już rozważyć montaż pakietu trójkątnego w skrzynce, jeżeli zależy nam na zasięgu i większej mocy zestawu lub poruszaniu się w trudniejszym terenie. Skrzynki te zamówicie obecnie w firmie elektrobikes, a akumulator można zamówić U NAS 🙂

To są najmniejsze pakiety. Możemy dać większą ilość połączeń równoległych “P” wtedy wzrośnie nam zasięg, ale nigdy mniejszą! Mniejsza liczba P niż zalecana doprowadzi do uszkodzenia akumulatora.

Jak wyżej wynika ogniwa dobieramy do pobranego prądu maksymalnego i ciągłego z naszego sterownika. Oczywiście delikatny wpływ ma również zastosowanie odpowiedniego silnika. Np. silniki MXUS XF40-30H będą mały cieńsze uzwojenia niż np. QS MOTOR 35H 6T, dlatego też będą pobierać nieco mniejszy prąd. Sterownik ogranicza nam pobór prądu z akumulatora do wartości w nim zaprogramowanych, a więc zabezpiecza nasz akumulator i silnik przed przegrzaniem i zniszczeniem.

Rozważmy jeszcze jedną opcje:
Budujemy rower na sabvotonie mini 72045 dla wersji LOCK (max 45A) i unlock (max 60A) i wykorzystujemy jeden z bardziej popularnych silników MXUS 3K turbo.
Sabvoton jest programowalny, więc można go zasilić napięciem zarówno 13-14S 48 lub 52V, 16S – 60V oraz 20S – 72V, z czego budując mocniejszy sprzęt zazwyczaj wybieramy z pośród 2 napięć: 60V i 72V na nich się skupimy.

Budujemy np. monstera na ramie EKROSS LITE, albo kone STINKY, spark lite, karivę lite lub teleport prame (polecane ramy do tego silnika nie są przypadkowe 🙂 )
– dla 60V na sabvotonie LOCK max prąd 45A przeliczamy już typowo wartość prądu ciągłego jako prąd znamionowy, czyli 45A przeliczamy dla maksymalnie 5A pobranych z ogniwa:
Prąd sterownika: 45A / 5A = 9P (9 połączeń równoległych) mamy zapas mocy, więc nie zależnie od terenu eksploatacji ogniwa się nie przegrzeją.
Dla sterownika UNLOCK: przyjmujemy, że MXUS 3K turbo nie będzie działał cały czas na 60A, bo sie przegrzeje i spali, ale prąd ciągły na poziomie 50A realnie można uzyskać z moich doświadczeń, więc przyjmijmy, że budujemy dla niego pakiet 16S10P minimum.

– dla 72V na sabvotonie LOCK analogicznie 72V = 20S -> 20 zespołów cel połączonych szeregowo P = ilość cel w zespole połączonych równolegle. I niezmiennie 45A/5A = 9P = 9 ogniw połączonych równolegle w jednym zespole cl o napięciu 3.6V

Dla 72V na sabvotonie UNLONK analogicznie mamy 60A ale mamy większe napięcie, dlatego silnik osiągnie większą moc i wyższą prędkość, więc może konsumować większy prąd ciągły z naszego sterownika, dlatego weźmiemy sobie już nie 50A, a 55A prąd ciągły i wtedy powinniśmy zbudować pakiet 20S 11P dla sanyo GA / LG MJ1.

A teraz co zrobić, jak nie zmieści się pakiet w ramie w konfiguracji np. 20S11P, a chcemy koniecznie do customa EKROSS LITE zamontować pakiet 20S i sabvoton 72V unlock 60A?
No cóż rama nie jest z gumy więc trzeba znaleźć po prostu ogniwa które są zdolne do oddawania większych prądów niż 5A/ogniwo.

Słowo o specyfikacji ogniw: ogniwo ma określoną objętość 65mm wysokości x 18mm średnicy. Abyśmy mogli pobrać więcej prądu elektrody zbierające (ANODA i KATODA) musi być grubsza, aby była mniejsza rezystancja wewnętrzna ogniwa i temperatura nie wzrastała ponad normę przy większych poborach prądu.
Cóż zatem jeżeli więcej miejsca zajmuje anoda i katoda, zmieści się mniej litu, a więc spada pojemność ogniwa (jest mniejsza gęstość energii). Jednym z takich przykładów jest ogniwo SONY VTC5, (bądź ekstrymalnie mocne A123 system, ale dalej skupimy się na sony VTC5)
Zasada jest podobna: możemy pobrać z jednego odseparowanego ogniwa 25A prądu ciągłego, w ich przypadku prąd ciągły dzielimy przez 2,5 nawet do 3x, zatem prąd 8A nie będzie stanowił dla nich najmniejszego problemu.

Do rowerów o mocy nominalnej 1000W i mocy chwilowej na poziomie 2000W zastosowanie takich ogniw nie ma większego sensu, gdyż z bidonu 13S5P będzie bardzo mały zasięg. zdecydowanie niewystarczający dla przeciętnego użytkownika.

A teraz jak dotrwaliście do końca artykułu proszę bardzo jak wyliczyć zasięg waszego ebajka łapcie darmowy kalkulator:

Aby symulator działał musimy mieć zainstalowaną wtyczką adobe flash player. Klikamy przycisk zmień ustawienia i wprowadzamy nasze parametry:

Napięcie akumulatora mamy na sterowniku. Pojemność akumulatora -> wyliczamy ja w sposób następujący. Zakładamy najmniejszy pakiet np zestawu MG VOLT SPIRIT:
np. dla pakietu 13S4P posiadamy 4 ogniwa połączone równolegle: 4P = 4x3500mAh = 14,5Ah nominalnie dla sanyo GA/LG MJ1
np. dla pakietu 13S5P posiadamy 5 ogniw połączonych równolegle: 5P = 4x3500mAh = 17,5Ah nominalnie dla sanyo GA/LG MJ1
Od wyników, które pokaże nam symulator odejmujemy ok 15-25% z dwóch powodów: 1. pojemność akumulatorów jest nominalna. sterownik odcina napięcie nieco wyżej niż BMS i ok 10% energii jest niewykorzystana – zostaje w zapasie, aby było zdrowiej dla akumulatora. 2. nigdy nie jeździmy cały czas na wprost, część energii wytracamy hamując na klockach hamulcowych, a później uzupełniamy ją dodając gazu i konsumując prąd w akumulatorze bardziej niż symulator wylicza, to właśnie te dodatkowe 5-15% wytracamy średnio podczas hamowania, więc eksploatując pojazd w mieście na proces hamowania odejmujemy 15% podczas eksploatacji na trasie i drogach przelotowych odejmujemy 5%.

Moment obrotowy w silnikach to ok. 50-75Nm MXUS 30H w zależności od uzwojenia. Dla przekładniowych silników MG VOLT wynosi między 55Nm a 100Nm
prąd maksymalny znajdziemy na etykiecie sterownika.

Sprawność dla zestawów przyjmujemy ok 75-80%, dla mocniejszych sterowników sabvoton, gdzie większe straty idą w ciepło, sprawność zazwyczaj nie spada poniżej 60%.
Podparte doświadczeniem z filmu taby (RADOSŁAWA PANASA).

Test elektryków na hamowni:

Odnośnie prądu ładowarnia w pierwszym zdjęciu zamieściłem również wartość ładowania ogniw.
Zazwyczaj decydujecie się na ładowarki 3,5 4 lub max 6A, taka ładowarka jest odpowiednia już dla najmniejszych pakietów 4P, dlatego te wartości opisuję na samym końcu.
Zaznaczyłem dla ogniw sanyo maksymalny zalecany prąd ładowania na jedno ogniwo: wynosi 1650mA.

Wartość przeliczamy podobnie jak pobór prądu. Mamy pakiet np 10S4P. na każde ogniwo połączone równolegle przypada prąd 1650mA, zatem prąd ładowania dla pakietu 4P nie powinien przekraczać 4x1650mA ~ czyli 6A. Zaleca się prąd ładowania nie większy niż 0,3 – 0,5  pojemności ogniwa. Zatem, jeżeli nasze sanyo NCR18650GA posiada 3450mAh prąd ładownia 1650mA stanowi mniej więcej połowę jego pojemności. Podobnie jest dla ogniw sony VTC5, LG MJ1 samsungów 35E itd.

W przypadku ogniw li-ion prąd nie działa zasada im mniejszy prąd ładowania tym większa trwałość akumulatora, chociaż może inaczej. Prąd ładowania mniejszy niż 0.3*pojemność ogniwa nie wpływa w żaden sposób na przedłużenie żywotności ogniw, za to negatywnie wpływa na czas ładowania i unieruchomienie roweru na dłuższy okres. Minimalny czas ładowania pakietu wraz z procesem balansowania (równania ogniw) nie powinien być krótszy niż 3 godziny (dla typowych ogniw) przy czym ładowanie szybkie, gdy pakiet osiąga od zera pełną pojemność szybciej niż 2 godziny negatywnie wpływa na ilość cykli i przedwcześnie doprowadzi do wyeksploatowania się akumulatora.