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.
- 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.
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.
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?
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?
Качество литий-ионных элементов
Крупные производители литий-ионных аккумуляторов "18650" (самый распространённый типоразмер, 18 мм в диаметре и 65 мм длиной) для получения элементов с низким внутренним сопротивлением используют более качественные материалы и грамотно организованный техпроцесс.
Более мелкие производители экономят на материалах, а более низкое качество производства приводит к разбросу характеристик элементов на выходе. Поэтому после производства каждый элемент тестируется - и в зависимости от полученных характеристик ему присваивается тот или иной уровень (A, B, C, D). А далее элементы продаются по ценам в соответствии с присвоенным уровнем.
Кроме качества Li-ion элементов, на качество батареи в целом влияет сечение контактов, которыми соединены элементы. Недостаточное сечение приводит к повышению внутреннего сопротивления батареи.
И конечно, огромное влияние имеет качество сварки. Если сварка некачественная, и контакт с элементом нарушится, ёмкость батареи сразу же снизится на величину ёмкости этого элемента. Если же при сварке нарушена герметичность элемента, батарея также потеряет ёмкость.
Встречаются умельцы, которые при сборке батареи вместо сварки используют пайку мощным паяльником. К сожалению, надёжность и долговечность службы такой батареи крайне низкая.
Более мелкие производители экономят на материалах, а более низкое качество производства приводит к разбросу характеристик элементов на выходе. Поэтому после производства каждый элемент тестируется - и в зависимости от полученных характеристик ему присваивается тот или иной уровень (A, B, C, D). А далее элементы продаются по ценам в соответствии с присвоенным уровнем.
Кроме качества Li-ion элементов, на качество батареи в целом влияет сечение контактов, которыми соединены элементы. Недостаточное сечение приводит к повышению внутреннего сопротивления батареи.
И конечно, огромное влияние имеет качество сварки. Если сварка некачественная, и контакт с элементом нарушится, ёмкость батареи сразу же снизится на величину ёмкости этого элемента. Если же при сварке нарушена герметичность элемента, батарея также потеряет ёмкость.
Встречаются умельцы, которые при сборке батареи вместо сварки используют пайку мощным паяльником. К сожалению, надёжность и долговечность службы такой батареи крайне низкая.
Нагрузочная способность батареи
Что произойдёт если использовать маленькую батарею с мощным мотором?
1. Если BMS в батарее рассчитана на небольшой ток, она просто будет отключать батарею. Выглядит это следующим образом: вы включили велосипед, но при нажатии ручки газа он дёрнется и отключится.
Если же на маленькой батарее установлена мощная BMS, то на первый взгляд всё будет работать, но батарея не будет выдавать полную ёмкость, поскольку при большой нагрузке (мощном моторе) просадка напряжения будет значительная, и батарея будет отключаться раньше. То есть пробег на одном заряде у такой батареи будет гораздо меньше, чем при её использовании с маломощным мотором.
2. При слишком большой нагрузке литий-ионные аккумуляторы будут сильно разогреваться, что приведёт к их быстрой деградации. Другими словами, такой батареи вам хватит только на один сезон.
3. Если в батарее отсутствует, либо неправильно установлен термоконтакт или терморезистор, возникает опасность воспламенения батареи. Такие случаи можно встретить на YouTube.
1. Если BMS в батарее рассчитана на небольшой ток, она просто будет отключать батарею. Выглядит это следующим образом: вы включили велосипед, но при нажатии ручки газа он дёрнется и отключится.
Если же на маленькой батарее установлена мощная BMS, то на первый взгляд всё будет работать, но батарея не будет выдавать полную ёмкость, поскольку при большой нагрузке (мощном моторе) просадка напряжения будет значительная, и батарея будет отключаться раньше. То есть пробег на одном заряде у такой батареи будет гораздо меньше, чем при её использовании с маломощным мотором.
2. При слишком большой нагрузке литий-ионные аккумуляторы будут сильно разогреваться, что приведёт к их быстрой деградации. Другими словами, такой батареи вам хватит только на один сезон.
3. Если в батарее отсутствует, либо неправильно установлен термоконтакт или терморезистор, возникает опасность воспламенения батареи. Такие случаи можно встретить на YouTube.
Корпус батареи
Зачастую в целях повышения надёжности крепления батареи на раме велосипеда энтузиасты используют металлические корпуса, вес которых порой достигает нескольких килограммов. Однако при этом не сильно заботятся о надёжности крепления батареи внутри этого корпуса.
В тех случаях, когда батарея значительных размеров, и, соответственно, мощности, вопросу безопасности её крепления следует уделить особое внимание. Батарея не должна болтаться внутри корпуса, иначе при повреждении может произойти короткое замыкание и возгорание.
В тех случаях, когда батарея значительных размеров, и, соответственно, мощности, вопросу безопасности её крепления следует уделить особое внимание. Батарея не должна болтаться внутри корпуса, иначе при повреждении может произойти короткое замыкание и возгорание.
Подведём итог
Сборка батареи для электровелосипеда своими руками - задача достаточно сложная.
Для сборки качественной батареи необходимо иметь качественные аккумуляторы, BMS, рассчитанную на нужный ток (в соответствии с мощностью мотора и контроллера), аппарат точечной сварки (в идеале - друга с таким аппаратом и опытом работы на нём), изоляционные материалы, провода подходящего сечения.
Кроме этого, необходимо продумать корпус для батареи и его надёжное крепление на раме велосипеда.
Реально ли собрать качественную батарею для электровелосипеда своими руками - абсолютно реально, ведь возможно всё! Но это потребует значительного количества времени и других ресурсов.
Если же самому собирать батарею не хочется, всегда можно купить готовое решение на Aliexpress (правда, чаще всего реальная ёмкость оказывается меньше заявленной), как в этом видео.
В России также есть электровелосипедные мастерские, где вам могут изготовить батарею, например, electron bikes из Самары.
Для сборки качественной батареи необходимо иметь качественные аккумуляторы, BMS, рассчитанную на нужный ток (в соответствии с мощностью мотора и контроллера), аппарат точечной сварки (в идеале - друга с таким аппаратом и опытом работы на нём), изоляционные материалы, провода подходящего сечения.
Кроме этого, необходимо продумать корпус для батареи и его надёжное крепление на раме велосипеда.
Реально ли собрать качественную батарею для электровелосипеда своими руками - абсолютно реально, ведь возможно всё! Но это потребует значительного количества времени и других ресурсов.
Если же самому собирать батарею не хочется, всегда можно купить готовое решение на Aliexpress (правда, чаще всего реальная ёмкость оказывается меньше заявленной), как в этом видео.
В России также есть электровелосипедные мастерские, где вам могут изготовить батарею, например, electron bikes из Самары.
24 ИЮЛЯ 2019
