Ogólne typy baterii
Chociaż istnieje wiele kombinacji substancji chemicznych, z których można uzyskać przydatne akumulatory, w praktyce dostępne są tylko cztery typy akumulatorów w rozmiarach odpowiednich dla rowerów elektrycznych. Należą do nich kwas ołowiowy (PbA), wodorek niklu (NiMH), niklowo-kadmowy (NiCad) oraz litowo-jonowy lub litowo-polimerowy.
Przez długi czas kwas ołowiowy był de facto standardem w pojazdach elektrycznych. Koszt jest niski, a skład chemiczny dobrze poznany: zawsze ładuj akumulator kwasowo-ołowiowy, kiedy tylko możesz, nigdy nie zostawiaj go w stanie rozładowanym, spodziewaj się tylko 60-70% znamionowych amperogodzin i ciesz się, jeśli uda Ci się uzyskać 200 cykli w środowisku głębokiego rozładowania. Prawdopodobnie 80% wszystkich rowerów elektrycznych sprzedawanych na całym świecie nadal korzysta z akumulatorów kwasowo-ołowiowych, ale ich dni są ograniczone. Ciężar ołowiu potrzebny do napędzania roweru na przyzwoitym zasięgu 40-50 km jest po prostu zbyt duży, aby rower mógł go łatwo udźwignąć.
Niklowo-kadmowy był starym standardem dla akumulatorów konsumenckich ze znanej serii AA, C, 9V. Są znane z solidnych właściwości, dobrego cyklu życia i wysokich możliwości rozładowania. Są one nadal szeroko stosowane w elektronarzędziach bezprzewodowych, zabawkach zdalnie sterowanych i podobnych zastosowaniach wymagających dużych prądów, ale w prawie wszystkich innych przypadkach NiCad zostały zastąpione przez NiMH i lity.
Niklowo-metalowo-wodorkowy jest dość podobny do niklowo-kadmowego, ale ma wyższą gęstość energii i jest bezpieczniejszy dla środowiska w przypadku utylizacji na składowiskach. Jest to dominujący typ akumulatorów w aparatach cyfrowych i innych produktach konsumenckich oferujących ogniwa wymienialne przez użytkownika.
Prawie cały sprzęt elektroniczny wyposażony obecnie w ładowarkę typu plug-in jest zasilany bateriami litowymi, ponieważ mogą one przechowywać około 3 razy więcej energii niż NiMH. Małe urządzenia, takie jak telefony komórkowe, odtwarzacze mp3 i inne gadżety, zazwyczaj są wyposażone w opakowania litowo-polimerowe, ponieważ można je formować w wygodnie ukształtowane, cienkie, prostokątne woreczki. Większe urządzenia, takie jak laptopy i nowe akumulatorowe elektronarzędzia litowe, zazwyczaj wykorzystują cylindryczne ogniwa litowo-jonowe o rozmiarze mniejszym niż „C”, ale większym niż „AA”. Są one zgrzewane punktowo w kombinacji szeregowej/równoległej, aby zapewnić odpowiednie napięcie i wydajność dla danego zadania.
Chemia Baterii – podział akumulatorów do rowerów elektrycznych
Istnieje sześć typów akumulatorów, które są regularnie stosowane w zestawach akumulatorów do rowerów elektrycznych.
Kwas ołowiowy
Akumulatory kwasowo-ołowiowe* są najtańszą i najcięższą opcją akumulatorów. Mają krótki cykl życia, jeśli są regularnie używane w zastosowaniach związanych z głębokim rozładowaniem. W przypadku rowerów elektrycznych najczęstsze konfiguracje wykorzystują cegły 12 V o pojemności 7 Ah lub większej pojemności 12 Ah, połączone szeregowo w celu utworzenia pakietów 36 V lub 48 V. Ze względu na efekt Peukerta, ogniwo żelowe 7Ah zwykle zapewnia około 4 amperogodzin rzeczywistej pojemności, podczas gdy akumulatory kwasowo-ołowiowe 12Ah zapewniają około 8 amperogodzin. Należy o tym pamiętać, porównując pakiet kwasu ołowiowego z jednym z zamienników NiCd, NiMH lub litu. Nie oferujemy akumulatorów ani ładowarek kwasowo-ołowiowych, ale nie jest trudno je znaleźć.
*Nigdy nie zajmowaliśmy się akumulatorami kwasowo-ołowiowymi.
komórka nimh
Niklowo-kadmowy
W pośpiechu przechodzenia z kwasu ołowiowego na najnowsze pakiety NiMH i litu wydaje się, że większość firm zapomniała o starym, czcigodnym akumulatorze niklowo-kadmowym jako odpowiedniej opcji dla rowerów elektrycznych. Chociaż są nieco cięższe niż opcje NiMH i litu, nadal zapewniają znaczną oszczędność masy w porównaniu z ołowiem. Pakiety NiCd mają solidne i sprawdzone doświadczenie w wymagających zastosowaniach związanych z akumulatorami.
NiMH – Akumulator Niklowo-Wodorkowy
Akumulatory niklowo-wodorkowe są o około 20% lżejsze i o 30% mniej pojemne niż akumulatory NiCd (Niklowo-kadmowy) o tej samej pojemności. Mają podobną charakterystykę rozładowania i ładowania, ale ze względu na wyższą gęstość energii są dostępne w większych pojemnościach niż pakiety NiCd. Akumulatory NiMH można bezpiecznie wyrzucić na wysypisko, podczas gdy niklowo-kadmowy nie, wodorek metalu prawie całkowicie zastąpił kadm w większości akumulatorów konsumenckich.
Polimer litowy
Bateria litowo-polimerowa jest zdecydowanie najlżejszą dostępną opcją baterii. Ogniwa LiPoly, które wytrzymują bardzo wysokie prądy wyładowcze, stają się powszechnie dostępne i są szczególnie popularne w środowisku R/C zajmującym się elektrycznymi samolotami i helikopterami, ale pakiety LiPoly do rowerów elektrycznych są często produkowane z ogniw o wartości znamionowej tylko 1C lub 2C, a te nie Zwykle nie zapewniają bardzo dobrej liczby cykli życia. Ogniwa są produkowane w cienkiej plastikowej torebce, a nie w metalowej puszce, co czyni je strukturalnie dość wrażliwymi, chyba że są dostarczane w sztywnej obudowie. Chociaż baterie litowo-polimer ma reputację substancji lotnej i zawodnej w przypadku spektakularnych efektów pirotechnicznych, istnieją obecnie firmy produkujące ogniwa, które są dość stabilne i mogą przejść pełne testy przeładowania i przebicia UN 38.3 bez płomieni.
Litowo-manganowa
Jest to zdecydowanie najpowszechniejsza substancja chemiczna litowo-jonowa stosowana w rowerach elektrycznych. Jest nieco cięższy od pakietów litowo-polimerowych i litowo-kobaltowych, które są powszechnie stosowane w laptopach i elektronice użytkowej, ale jest też bezpieczniejszy. Większość pakietów litowo-manganowych, z którymi mieliśmy do czynienia, wykorzystuje prostokątne stalowe ogniwa w puszkach i ma dobre możliwości rozładowania. Ta chemia utrzymuje napięcie lepiej w trakcie rozładowywania akumulatora niż litowo-polimerowy, który w trakcie rozładowywania ma tendencję do liniowego spadku napięcia od 4,2 do 2,9 V/ogniwo.
Fosforan litowo-żelazowy
Bateria litowo-żelazowo-fosforanowa (LiFePO4) cieszy się ostatnio dużym zainteresowaniem mediów. Jest to ten sam skład chemiczny, który zastosowano w akumulatorach A123 do akumulatorów do elektronarzędzi Dewalt, które objęte są gwarancją na 2000 cykli ładowania i rozładowania oraz charakteryzują się fenomenalną wydajnością prądową. Baterie LiFePO4 sprzedawane do użytku w rowerach elektrycznych mają na ogół znacznie niższe wartości znamionowe prądu, a rzeczywista liczba cykli ładowania i rozładowania, które zapewnią te standardowe pakiety, dopiero się okaże, chociaż większość producentów wydaje się szczęśliwa, że twierdzi od 1500 do 2000 cykli. Pakiety litu z fosforanem żelaza są tylko nieznacznie lżejsze od NiMH i nieco droższe, ale na dłuższą metę mogą być najbardziej ekonomiczne.
Podstawy i terminologia baterii
Napięcie
Zestawy akumulatorów składają się z pojedynczych ogniw połączonych ze sobą. Każde ogniwo ma mniej więcej stałe napięcie, zależne od jego składu chemicznego. Dla NiCad/NiMH jest to około 1,2 V, dla kwasu ołowiowego jest to 2,0 V, a dla ogniw litowych jest rzędu 3,7 V. Typowe rowery elektryczne i hulajnogi są zaprojektowane do pracy przy napięciu 24, 36 lub 48 woltów, dlatego pewna liczba ogniw musi być połączona szeregowo w „akumulator”, który ma pożądane napięcie netto. Nominalny pakiet 36 V można wykonać z 10 ogniw litowych, 18 ogniw kwasowo-ołowiowych lub 30 ogniw NiMH.
Amperogodziny
Gdy pobierasz prąd z akumulatora, napięcie będzie bardzo powoli spadać, aż ogniwa zaczną się rozładowywać, a następnie napięcie gwałtownie spadnie. Czas działania akumulatora jest bezpośrednio powiązany z jego pojemnością mierzoną w amperogodzinach (Ah). Pakiet, który może dostarczyć 1 amper przez 1 godzinę, ma pojemność 1 Ah. Większość akumulatorów do rowerów elektrycznych ma pobór prądu rzędu 10 amperogodzin. Załóżmy, że Twój rower zużywa średnio 15 amperów i ma pakiet 10 Ah, to można oczekiwać, że będzie działać przez – szybkie, mentalne obliczenia… – 40 minut.
Ogólnie rzecz biorąc, rozmiar i koszt ogniwa będą skalowane bezpośrednio w zależności od jego wydajności w amperogodzinach. W pierwszym zamówieniu dwa razy więcej amperogodzin oznaczałoby dwukrotnie większy rozmiar, dwukrotnie większą wagę i dwukrotnie większy koszt. W praktyce różni się to nieco ze względu na różną gęstość upakowania i skalę produkcji, ale zazwyczaj jest dość zbliżone. Na przykład znane ogniwo NiMH „AA” ma około 2 Ah, ogniwo „C” ma około 4 Ah, ogniwo „D” ma około 8 Ah, duże ogniwa „F” mają około 12–13 Ah, a ogniwa podwójnego D są 18-19Ah.
Watogodziny
Liczbą, która ma największe znaczenie przy porównywaniu zasięgu, jaki może zabrać dany zestaw akumulatorów, nie jest pojemność w amperogodzinach, ale całkowita zgromadzona energia w watogodzinach. Aby było bardziej znajomo, jedna watogodzina to jedna tysięczna kWh, jednostka energii używana do pomiaru zużycia energii elektrycznej w gospodarstwie domowym. Liczbę watogodzin przechowywanych w akumulatorze oblicza się w przybliżeniu, biorąc rzeczywiste amperogodziny i mnożąc je przez napięcie pakietu.
Dlatego konfiguracja o wyższym napięciu potrzebuje mniej amperogodzin, aby zapewnić ten sam zakres. Zatem akumulator 24 V 8 Ah może dostarczyć 192 watogodziny, podczas gdy pakiet 48 V 4 Ah również ma 192 watogodziny. Zakładając, że oba akumulatory mają ten sam skład chemiczny, można się spodziewać, że będą ważyć tak samo, kosztować tyle samo i zapewniać taką samą wydajność w odpowiednio zaprojektowanych rowerach elektrycznych (tj. jednym zaprojektowanym na 24 V, a drugim na 48 V).
192 watogodziny to mniej więcej najmniejszy rozmiar baterii, jaki chciałbyś mieć w rowerze elektrycznym. Wiele e-rowerów kupowanych w sklepie ma mniej więcej taką pojemność, ponieważ pozwala to obniżyć koszty baterii. Osobom, które chcą faktycznie dojeżdżać na rozsądne odległości 40-50 km, polecam około 400 watogodzin. Chociaż może się to znacznie różnić w zależności od nawyków użytkowania, typowe zużycie energii w normalnych konfiguracjach z napędem bezpośrednim wynosi 9–10 watogodzin/km.
Gęstość energii
Przy porównywaniu składu chemicznego akumulatorów jednym z najważniejszych wskaźników jest gęstość energii w watogodzinach/kg. Liczba ta określa, jak ciężki musi być akumulator, aby osiągnąć określony zasięg. W przypadku kwasu ołowiowego jest to 20–30 Wh/kg, w przypadku NiCad 35–40 Wh/kg, NiMH 50–60 Wh/kg, Li-ion wynosi ~110 Wh/kg, a Li-Polymer do 160 w godz./kg. Znajomość tych wartości ułatwia prognozowanie wagi paczki bez konieczności sprawdzania danych u producenta.
Jednym z terminów, z którym często się spotykasz, jest współczynnik „C” pakietu baterii. Jest to sposób normalizacji charakterystyki działania, dzięki czemu akumulatory o różnej pojemności są porównywane na równych warunkach. Załóżmy, że masz pakiet 8 amperogodzin. Wtedy 1C będzie wynosić 8 amperów, 2C będzie 16 amperów, 0,25C będzie 2 amperów itd. Wyższa szybkość rozładowania „C” jest bardziej wymagająca dla ogniw i często wymaga specjalnych akumulatorów o dużej wydajności.
Załóżmy na przykład, że masz zestaw akumulatorów NiMH 24 V 4 Ah, który ma znamionową wartość znamionową 1 C w trybie ciągłym i maksymalnie 2 C w krótkim czasie. Możesz chcieć kupić dwa z nich, aby stworzyć akumulator 48 V 4 Ah do swojego ebike. Obliczasz, że zasięg będzie więcej niż wystarczający na krótkie dojazdy do pracy i z powrotem. Problem polega na tym, że 1C to zaledwie 4 ampery, podczas gdy Twój ebike prawdopodobnie pobierze 10-20 amperów. Jeśli ogniwa te będą poddawane takim szybkościom rozładowywania, napięcie znacznie spadnie, co doprowadzi do wolniejszej pracy, a żywotność pakietów zostanie znacznie zmniejszona.
Większość niedrogich pakietów NiMH nie jest tak naprawdę zaprojektowana do wyładowań większych niż 1C. Oznacza to, że jeśli Twój ebike pobiera średnio 15 amperów, potrzebujesz pakietu o pojemności rzędu 15 amperogodzin większej.
Proces wyboru pakietu baterii
Krok 1: Określ napięcie
W wielu sytuacjach, zwłaszcza jeśli wymieniasz akumulator w istniejącej konfiguracji, napięcie jest określane przez elektronikę sterownika i nie można go łatwo zmienić. W przeciwnym razie napięcie określa maksymalną prędkość, z jaką będzie jechał Twój pojazd, a Ty będziesz mieć pewną swobodę w wyborze napięcia, aby spełnić Twoje oczekiwania dotyczące wydajności. Jeśli znasz napięcie/obr./min silnika, łatwo jest obliczyć, jak szybko będzie on jechał przy danym napięciu. Wybierz wartość, która zapewnia prędkość bez obciążenia o około 20% większą niż żądana prędkość podróżna, aby uzyskać najlepszą wydajność.
Chociaż możliwe jest budowanie pakietów z dowolną liczbą ogniw na niemal dowolne napięcie, większość z nich standaryzuje się w przyrostach 12 V, przy czym najczęściej stosowane są napięcia 24 V, 36 V i 48 V, a czasami używane jest 72 V. Ładowarki do akumulatorów są zwykle dostępne tylko dla tych napięć.
Krok 2: Określ minimalną pojemność
Znając napięcie, kolejnym elementem do ustalenia jest liczba amperogodzin potrzebnych do osiągnięcia pożądanego dystansu bez rozładowania akumulatora. Zależy to oczywiście od tego, ile pedałowania przyczyniasz się do wysiłku, jak szybko podróżujesz i od terenu, po którym się poruszasz. Poniższe dane pokazują jak można to sprawdzić
Minimalne wspomaganie (używanie silnika tylko na wzniesieniach, wolniejsza konfiguracja ~30 km/h) —–> zużycie energii 6-8Wh/km
Typowe wspomaganie (~40km/h z pedałowaniem silnik włączony przez cały czas) —- > zużycie energii 9-12Wh/km
Duża moc (bez pedałowania ciągniecie ładunku lub jazda naprawdę szybko )——> zużycie energii 14-20Wh/km
Teraz oblicz dystans podróży, pomnóż go przez odpowiednie watogodziny/km z powyższej tabeli, a otrzymasz łączną minimalną liczbę watogodzin wymaganych na podróż. Weź oszacowaną liczbę watogodzin i podziel ją przez napięcie, a otrzymasz szacunkową minimalną amperogodzinę, jakiej będziesz potrzebować z pakietu.
