Электровелосипед своими руками: батарея
Литий-ионная батарея электровелосипеда — не такое уж простое устройство, как это может показаться на первый взгляд. Она состоит из следующих основных компонентов:
— литий-ионные (Li-ion) элементы, соединённые контактами;
— плата управления (BMS, battery management system);
— корпус.
Часто покупателей интересуют только два параметра батарей:
— ёмкость, измеряемая в ампер-часах (Ah);
— рабочее напряжение, измеряемое в вольтах.
Однако при таком подходе из поля зрения ускользает одна из главных характеристик батареи — её внутреннее сопротивление, то есть способность отдавать ток.
Внутреннее сопротивление батареи
Как правило, чем дешевле батарея, тем выше её внутреннее сопротивление, и тем хуже она отдаёт ток. На чём это сказывается и в каких случаях это критично, а в каких нет?
Давайте в качестве примера рассмотрим маломощный электровелосипед, двигатель которого рассчитан на напряжение 36 В и мощность 250 Вт. Вспоминаем закон Ома и получаем, что максимальный ток, который должна выдавать батарея, составляет 250 / 36 = 6,94 ампера.
Оптимальным током разряда литий-ионного аккумулятора считается 1C, то есть значение, равное его ёмкости. Например, для аккумулятора ёмкостью 2500 мАч оптимальным током разряда будет ток 2500 мА, то есть 2,5 ампера.
Теперь считаем сколько необходимо соединить параллельно таких аккумуляторов чтобы получить необходимый нам ток (6,94 А).
b = 6.94 A / 2.5A = 2.8, округляем вверх до b = 3.
Схему сборки аккумуляторных батарей принято выражать в виде aSbP, где a — число последовательно соединённых блоков элементов, b — число параллельно соединённых элементов внутри одного блока.
Значение «b» мы уже нашли. Значение «a» определяется как номинальное напряжение батареи, делённое на номинальное напряжение одного элемента. То есть в нашем случае b = 36 В / 3,6 В = 10.
Таким образом, схема батареи, которой достаточно для питания двигателя на 36 В мощностью 250 Вт, будет иметь вид: 10S3P, то есть батарея будет состоять из 10 последовательно соединённых блоков по 3 параллельно соединённых элемента внутри каждого блока (всего 30 элементов).
Теперь давайте вернёмся к внутреннему сопротивлению. В недорогих китайских батареях как правило устанавливаются элементы с внутренним сопротивлением около 60 мОм. Соответственно, три параллельно соединённых элемента в нашей схеме будут иметь общее внутренне сопротивление 60 мОм / 3 = 20 мОм.
Несложно посчитать, что при протекании тока 6,94 А на блоке из трёх элементов будет рассеиваться мощность, равная 6.94 А * 6,94 А * 0,02 Ом = 0,96 Вт. А значит, батарея из 10 таких последовательно соединённых блоков будет выделять мощность 9,6 Вт.
Если же рассматривать более дорогие аккумуляторы, например у которых внутреннее сопротивление 30 мОм, то есть в 2 раза меньше, то очевидно и мощность, идущая на нагрев батареи, будет в 2 раза меньше, то есть 4,8 Вт.
Но дело даже не в нагреве батареи. При подключении нагрузки у более дешёвых элементов больше просадка напряжения, а значит такая батарея при разряде отключится раньше, чем аналогичная с более низким внутренним сопротивлением, то есть отдаст меньшую ёмкость.
Почему происходит отключение батареи и как это работает?
За отключение батареи отвечает BMS (battery management system) — система управления батареей.
Платы BMS, как правило, имеет следующие выводы:
— силовые: «P-» (к минусу разрядного разъёма), «B-» (к минусу батареи) и «C-» (к минусу зарядного разъёма)
— балансировочные, b-, b1. bn (к каждому из блоков элементов батареи)
— On/Off — к замку или кнопке для включения батареи
Задача BMS — не допустить перезаряда и переразряда элементов батареи. В отличие от свинцовых аккумуляторов, литий-ионные работают строго в определённом диапазоне напряжений: от 3 до 4,2 вольта. Только в этих пределах возможна стабильная и длительная работа аккумулятора.
Благодаря подключенному балансировочному разъёму, BMS «видит» напряжение на каждом блоке ячеек, и если напряжение на одном из них при заряде батареи достигло 4,2 В, BMS разрывает цепь заряда, и зарядка прекращается.
Аналогично и с разрядом — когда на одном из блоков напряжение опустилось до 3 вольт (иногда чуть ниже), BMS разрывает разрядную цепь и батарея отключается от нагрузки.
Ещё одна функция BMS — так называемая балансировка, то есть выравнивание напряжений на блоках элементов при заряде батареи, чтобы в заряженном состоянии напряжения на всех элементах были ровно 4,2 В (в некоторых версиях 4,1 В). BMS использует для этого резисторы, подключая их в процессе заряда к элементам с более высоким напряжением.
Если аккумуляторы, из которых собрана батарея, низкого качества, то батарею сложнее отбалансировать, вернее сказать, батарея будет всегда выдавать ту ёмкость, которой обладает самый худший блок элементов в её составе.
То есть если все блоки элементов имеют одинаковую реальную ёмкость 2,5*3=7,5 Ач, а один блок имеет ёмкость, к примеру 2+2,5+2,5=7 Ач, то вся батарея будет выдавать ёмкость 7 Ач, так как проблемный блок будет заряжаться раньше остальных, и BMS отключит заряд, и разряжаться раньше остальных, и по нему BMS отключит разряд.
В продаже всё ещё есть так называемые SmartBMS, которые можно подключить к компьютеру и вручную установить пороги напряжений и огромное количество других параметров. Но, как показала практика, SmartBMS в процессе эксплуатации «виснут» и перестают работать, а иногда настроенные параметры просто «слетают». В этом плане я бы рекомендовал использовать аппаратные BMS.
Но давайте вернёмся к Li-ion элементам, из которых состоит батарея. Как получается, что они бывают разного качества?
Сборка батареи для электровелосипеда в корпусе Silver Fish
К нам принесли в ремонт батарею, которая использовалась на электровелосипеде с мощностью двигателя в 500Вт. На ее примере подробно расскажем как разобрать, диагностировать отремонтировать и собрать новую Li-Ion батарею для электровелосипеда в типовом, широко-распространенном корпусе Silver Fish.
Обычно батарея в таком корпусе крепится на раму велосипеда под седлом.
Корпус батареи представляет собой алюминиевый бокс с пластиковыми крышками.
На нижней установлен основной разъем для питания двигателя электровелосипеда, а на верхней расположены индикатор уровня заряда, предохранитель, разъем для подключения зарядного устройства и замок зажигания.
Корпус имеет механизм позволяющий быстро и без дополнительных усилий устанавливать и отсоединять батарею от рамы велосипеда. При этом, в положении ключа “LOCK”, батарея фиксируется на раме без возможности снятия.
Высота корпусов Silver Fish может быть различной. Но наиболее распространенным значением является 390мм. При этом размер металлической части корпуса, который и является местом установки батареи, равен 285мм.
Корпус, в нашем случае, имел высоту 450мм. Длина алюминиевой трубы составляла 355мм.
Попавшая к нам батарея была неисправна. Мультиметр, при замере напряжения на основном разъеме, показывал около 31В, что близко к нижнему напряжению для батареи с номинальным напряжением 36-37В, но не критично. Вроде бы все в порядке. Но при попытке зарядить батарею или подключить ее к нагрузке – результат был нулевой. Индикатор уровня заряда тоже ничего не показывал. Приступаем к разбору.
Диагностика.
Снимаем с корпуса верхнюю и нижнюю пластиковые крышки, которые держатся на четырех винтах. Батарея в корпусе была зафиксирована термоклеем, который, конечно же, давно перестал выполнять свою функцию и просто лежал ошметками внутри корпуса. Вытаскиваем батарею.
На первый взгляд все выглядит нормально. Батарея не имеет внешних механических повреждений. Пайка не аккуратная, но ничего нигде не отваливается. Размер оригинальной батареи составляет 390 х 94 х 69мм
Под термоусадочной пленкой находится корпус из стеклотекстолита. Внутри располагаются непосредственно ячейки и миниатюрная плата защиты. Примечательно, что часто такие корпуса продаются на Aliexpress в комплекте с пластиковыми холдерами и сварочной лентой для самостоятельной сборки батареи. Здесь же ячейки были просто склеены друг с другом по торцам батарей без дополнительной фиксации внутри рядов.
В батарее установлены 80 ячеек типоразмера 18650. Модель установленных ячеек: inr18650phh-15l. Производитель не указан. Электрическая конфигурация батареи: 10S8P, т.е. 10 последовательно-соединенных рядов в каждом из которых 8 параллельно-соединенных аккумуляторов 18650.
Точных данных о параметрах для ячеек inr18650phh-15l найти не удалось, но, вероятнее всего, емкость ячейки должна была составлять что-то около 1500мАч. При 8 аккумуляторах в параллель емкость старой батареи должна была равняться примерно 12Ач.
Замеряем напряжения на ячейках. На всех рядах около 3,3В кроме одного, на котором примерно 1В.
Снимаем упаковку из картона и видим причину неисправности: несколько ячеек покрыты коррозией. Сварочная лента в этих местах не держится. Корпус ячеек корродирован.
По утверждению владельца, в нижнюю часть батареи могла попасть влага. Это могло стать причиной выхода аккумулятора из-строя.
Плата BMS располагается в верхней, противоположной от поврежденной части, батареи и внешних следов воздействия влаги не имеет. Мы ее проверим, и, вполне возможно, плата защиты окажется исправной, но было принято решение собирать батарею с использованием новой платы защиты в которую встроена функция балансира.
Выбор ячеек для сборки новой батареи.
На момент написания статьи с выбором качественных Li-Ion аккумуляторов сложились определенные проблемы: хороших брендовых ячеек просто нет. По информации от наших поставщиков множество заводов-производителей Li-Ion аккумуляторов таких компаний как LG и SAMSUNG были переориентированы с потребительского рынка на нужды автомобилестроения. Как результат – огромный дефицит и резкое повышение стоимости ячеек. Поэтому в настоящий момент собирать батарею из ячеек известных производителей становится неоправданно дорого.
Как альтернативу, можно рассматривать ячейки крупных китайских производителей таких как BAK, DLG, SINOWATT, SAFD. Эти компании работают уже очень давно на рынке, и их продукция имеет стабильное качество. Аккумуляторы этих фирм соответствуют своим техническим характеристикам, заявленным в официальной документации. И стоимость таких аккумуляторов, по сравнению с продукцией более известных корейских и японских брендов, гораздо более привлекательна, что особенно важно в текущей экономической ситуации.
Нам надо было выбрать ячейки, чтобы итоговая емкость батареи получилась не меньше, а лучше чуть больше той, что была изначально.
Исходя из размеров корпуса, в который комфортно помещаются в ряд 5 аккумуляторов 18650, прикидываем, что в данном размере наиболее удобно будет собирать батарею 10S5P. Т.е. емкость батареи будет в 5 раз больше емкости одной ячейки.
При номинальном напряжении батареи в 36В и мощности двигателя не более 500Вт, максимальны ток потребления будет примерно равен:
500Вт / 36В = 13,8А
При пяти параллельно-соединенных аккумуляторах, ток, протекающий через каждый из них, составит:
Т.е. нам не обязательно при такой конфигурации использовать высокотоковые ячейки. Ток в 2,8А допустим для широкого ассортимента ячеек 18650 стандартной мощности, не вызывая при разряде ни чрезмерного падения напряжения, ни нагрева.
В результате были выбраны ячейки DLG INR18650-320 с емкостью 3100мАч и максимальным током разряда 6,4А.
Li-Ion аккумуляторы DLG хорошо отбираются, имеют стабильные показатели внутреннего сопротивления и напряжения среди аккумуляторов в партии, металл корпуса и плюсового контакта толстый, варится хорошо.
BMS была выбрана модели HCX-D150 37В с током разряда до 15А. Это симметричная BMS, разряжается и заряжается через одни и те же контакты, оснащена функцией балансира.
/PCM_HCX-D150_(10S_15A)-01.JPG)
В более мощных моделях электровелосипедов с двигателем до 1000Вт можно применить BMS модели HCX-D132. Она уже допускает максимальный ток до 25А, оснащена радиатором и термореле, отключающим батарею при нагреве до 60°С.
Сборка.
Как мы и говорили, отбираются ячейки DLG INR18650-320 хорошо. Все имеют минимальный разброс по внутреннему сопротивлению, которое равно примерно 32мОм.
Далее склейка. Для надежности склеиваем ряды по 5 аккумуляторов а уже 10 таких рядов склеиваем между собой в батарею. Между последовательно-соединяемыми рядами прокладываем электроизоляционный картон с двусторонним клеевым слоем. Это исключит взаимное перемещение аккумуляторов между собой в батарее и повысит надежность.
Сварку ячеек производим с использованием преформованной никелевой ленты 18,5х2P-0,15. Такой вариант надежнее и удобнее, чем использовать одинарные полоски ленты.
Все электрические контакты закрываем изоляторами.
Устанавливаем плату защиты.
Далее мы решили несколько отойти от конструкции оригинала. В штатной батарее часть проводов была пропущена поверх корпуса. В результате батарея имела неопрятный вид да и провода свободно болтающиеся по всей длине внутри металлического корпуса не являются верхом надежности. Кроме того, для отключения и демонтажа батарейного блока из корпуса приходилось прибегать к пайке, что тоже не очень удобно. Поэтому мы решили все провода спрятать внутрь батареи а все соединения сделать на силовых разъемах AMASS.
Поэтому коммутация проводов несколько усложнилась.
После этого проводим тестирование батареи электровелосипеда на соответствие параметрам максимальной мощности и емкости.
Далее упаковываем батарею в стеклотекстолит и усаживаем в терморукав.
На основной силовой разъем корпуса аккумулятора и на замок зажигания устанавливаем разъемы AMASS XT60, рассчитанные на продолжительный ток до 30А, а на соединение с разъемом зарядного устройства – AMASS XT30 у которого продолжительный допустимый ток равен 15А. Но в нашем случае заряд батареи не предполагается током более 5А.
Все соединения маркируем специальными информационными табличками.
Батарейный блок получился значительно легче и компактнее оригинально за счет применения ячеек с более высокой емкостью.
На элементы корпуса Silver Fish устанавливаем ответные части разъемов.
Устанавливаем батарею в алюминиевый корпус. Мы не будем фиксировать ее термоклеем так как это бессмысленно – он отвалится от металла корпуса при первой-же поездке. Да и размеры батареи были выполнены таким образом, что входит она в металлический корпус с усилием, исключая какую-либо подвижку.
Для фиксации батареи в корпусе по высоте, используем кусок вспененного полиэтилена соответствующего размера.
Соединяем электрические разъемы.
Индикатор работает!
Все, корпус можно собирать.
Наша батарея готова.
Посмотреть на стоимость аналогичных батарейных блоков (как с комплектом разъемов, так и просто с проводами под пайку) для аккумулятора электровелосипеда в корпусе Silver Fish вы можете в нашем каталоге. Также вы можете предоставить нам вашу батарею в корпусе в сборе для замены батарейного блока «под ключ» нашими сотрудниками