SYSTÈME de batterie

Comme pour la plupart des vélos et tricycles électriques d'aujourd'hui, VELOKS utilise des piles au lithium dans ses batteries. Aujourd'hui, il n'y a qu'une poignée de producteurs de cellules au lithium. Les principaux producteurs sont Panasonic, Samsung, LG, SONY et SANYO. La plupart des autres marques sont basées sur des versions OEM produites par ces fabricants.

Les cellules au lithium se présentent sous de nombreuses formes et tailles, mais les plus courantes pour les vélos électriques sont la cellule 18650 en forme de cylindre et plus rarement la cellule 21700 en forme de cylindre. Les deux premiers chiffres font référence au diamètre (18 mm et 21 mm respectivement, tandis que les 3 derniers chiffres font référence à la hauteur (65 mm et 70 mm respectivement).

Chacun de ces types de cellules a une tension nominale de 3,7 volts, tandis que l'énergie (exprimée en Ah = ampérage heures) varie en fonction de la chimie et de la taille. De même, le courant de décharge maximal continu et le courant de changement maximal varieront en s'approfondissant en fonction de la chimie et de la taille. Les types de cellules que VELOKS utilise ou ont utilisés sont:

Les critères critiques pour la sélection de ces types de cellules étaient: la capacité (> = 2,9 Ah), la densité énergétique (> = 240 W / Kg), le prix, la qualité du fabricant, la disponibilité, le courant de charge (> = 0,5 C), le courant de décharge (> = 10 A ) et cycles de charge (> = 500).

VELOKS produit ses batteries en interne à partir de zéro, ce qui nous permet d'utiliser les meilleures cellules de batterie du marché et d'apporter des changements rapides à mesure que la technologie évolue.

Lorsque nous avons commencé en 2015, nous avons utilisé Panasonic NCR18650PF, car ce sont et sont de très bonnes cellules pour le prix. Ensuite, nous sommes passés à LG INR18650MH1, dont le prix est similaire, mais qui a plus de capacité. Depuis le printemps 2019, nous utilisons les cellules INR18650-35E et INR21700-50E de Samsung, car leur prix est désormais raisonnable et leur capacité est plus élevée. Dernièrement, nous avons ajouté des cellules à courant élevé afin de prendre en charge nos nouveaux modèles MK3 4000w et 6000w. 

La création de batteries à partir de cellules au lithium individuelles se fait en connectant un nombre X de cellules au lithium égal en parallèle, créant une «cellule de batterie globale», avec une capacité de cellule X *, puis en connectant le nombre Y de ces «cellules de batterie globales» en série jusqu'à ce que la tension nominale est atteinte.

Ce type de configuration de batterie est spécifié comme par exemple 16S17P, ce qui signifie 16 cellules agrégées en série (16 x S), où chaque cellule agrégée a 17 cellules au lithium en parallèle (17 x P).

Les configurations que nous utilisons sont toujours 16 «cellules de batterie agrégées» en série pour créer une batterie nominale de 60 V (en fait 59 volts plus précisément, mais cela est normalement appelé 60 V). Pour les différentes capacités de batterie, nous utilisons les configurations suivantes:

Une fois qu'une configuration donnée a été établie, il est important de valider que les caractéristiques de la batterie répondent aux exigences.

Pour la conception de notre tricycle et de notre moteur, nous avons besoin d'une batterie capable de fournir de 250 watts à 6000 watts en continu, et capable de gérer les exigences de régénération et de charge.

La tension des cellules au lithium varie de 4,2 V entièrement chargées à 3,0 V complètement déchargées, de sorte que la tension réelle de la batterie se chargera de 67,2 volts complètement modifiés à 49 volts complètement déchargés. Ainsi, pour générer par exemple 3000w en continu quel que soit l'état de charge, le courant requis variera de 3000 / 67,2 = 45A à 3000/49 = 61A de courant continu.

Les cellules au lithium que nous utilisons sont toutes capables de générer un courant de décharge continu de 10A chacune, donc pour la plus petite capacité de 1,5 kWh, nous en avons 7 en parallèle, ce qui donne un courant continu maximum de 7 * 10A = 70A, ce qui est suffisant pour répondre à cette exigence. Si nous prenons la plus grande batterie de 5,1 kWh de capacité, c'est 17 * 10A = 170A, soit plus de 2,8 fois plus que nécessaire à 3000 watts.

Le système de gestion de batterie (BMS) installé dans les batteries VELOKS offre une protection pour:

    - Max. courant de décharge
    - Max. courant de charge (Regen)
    - Min. et Max. tension de la batterie
    - Min. et Max. tension pour chaque cellule
    - Court-circuit de batterie
    - Min. et Max. température de charge
    - Min. et Max. température de refoulement
    - Mauvais équilibre cellulaire


La configuration par défaut est la suivante:

    - Pour la batterie de courant standard, le max. décharge cur. est 60A.
    - Pour la batterie à courant fort, le max. décharge cur. est 120A.
    - Le max. charge (regen) cur. dépend du type de batterie.
    - Min. et Max. La protection de la tension de la batterie est réglée respectivement à 68V et 46V.
    - Min. et Max. La protection de la tension des cellules est réglée respectivement à 4,25 V et 2,85 V.
    - Min. et Max. température de refoulement moins 20 degrés Celsius et plus 60 degrés Celsius respectivement
    - Min. et Max. température de charge 0 degrés Celsius et plus 60 degrés Celsius respectivement
    - Lorsque plus de 0,005 V diff de cellule, l'équilibrage se produit entre 65,6 volts et 67,36 volts.

Le BMS peut être surveillé et configuré sans fil via Bluetooth par VELOKS.

Voyons maintenant comment assembler la batterie et discutons de la manière de le faire de manière optimale. Les domaines à considérer sont:

      - Taille et forme de la batterie
      - Interconnexion de cellules
      - Flux de courant
      - Montage des cellules et de la batterie
      - Conception du boîtier de batterie

Taille et forme de la batterie

La forme la plus simple et la plus optimale d'une batterie est une forme rectangulaire, où les cellules sont parallèles dans une direction, et en série est la direction orthogonale. En effet, cette forme permettra le flux de courant le plus optimal entre les cellules, ainsi que la conception la plus compacte.

Le problème de cette forme, c'est qu'il peut être difficile de s'adapter à certains types de vélos, où l'espace est limité ou contraint par d'autres moyens.

VELOKS a été conçu à partir de zéro pour l'entraînement électrique, et la forme et le placement de la batterie étaient un critère de conception majeur. Cela nous a permis d'utiliser la forme rectangle optimale, et nous a même permis de faire varier la largeur de la forme dans une large mesure sans impact négatif.

Plus à venir....

La charge des cellules lithium-ion est assez simple et nécessite un chargeur capable de gérer un courant constant (CC) pendant la phase initiale et une tension constante (CV) pendant la dernière étape du cycle de charge.

Pendant la charge, le courant de charge maximum ne doit normalement pas dépasser 0,5 C (ce qui correspond au courant nécessaire pour décharger une batterie complètement chargée en deux heures).

Une charge au-delà de 0,5 ° C est possible, mais le refroidissement de la batterie est nécessaire. La soi-disant super charge utilisée par TESLA pour ses voitures électriques en est un exemple, mais cela dépasse évidemment le cadre des vélos électriques et des trikes électriques.

Le chargeur ne doit pas dépasser le courant de charge maximum autorisé de la batterie.

Il faut également éviter de charger à des températures inférieures à zéro degré Celsius car cela détruirait les cellules lithium-ion. Cette protection est gérée par le système de gestion de batterie (BMS) qui est décrit plus loin.

Pour les cellules lithium-ion, la tension maximale est toujours de 4,2 V par cellules. Pour les batteries VELOKS, où 16 cellules sont connectées en série, le max. la tension de charge est de 16 X 4,2 volts = 67,2 volts.

De même, nous devons déterminer le courant de charge maximal de la batterie. Pour les configurations que nous utilisons, nous pouvons calculer ce courant de charge maximal comme suit:

Comme on peut le voir, le chargeur standard de 8A que nous fournissons est un choix sûr pour toutes les batteries. Pour toutes les batteries sauf la plus petite, le 18A est également un bon choix.

La régénération est similaire à la charge et doit suivre les mêmes règles que la charge. La différence est que la tension et le courant proviennent du moteur, qui, via le contrôleur de moteur, charge la batterie, tout en fournissant une résistance mécanique (freinage) à la roue par rapport au courant de régénération (charge).

Le contrôleur de moteur contrôle la tension et le courant de la batterie afin qu'ils ne dépassent pas, dans le cas des batteries VELOKS, 67,2 volts, et le courant est limité en fonction de la capacité de la batterie et de l'état de charge.

Le courant de régénération maximal en fonction de la capacité et de la tension de la batterie est spécifié pour chaque batterie en termes de max. puissance de régénération:

En pratique, la puissance de régénération maximale est configurée pour ne pas dépasser 1500W pour la version à traction arrière du MK3 afin de ne pas perdre de traction. Pour la traction avant et toutes les versions de roues, il n'y a pas de problèmes de traction et ils peuvent obtenir une puissance de régénération maximale.

Le contrôleur doit également limiter le courant envoyé à la batterie lorsque la batterie est presque complètement chargée. Cela se fait en commençant la rampe vers le bas du courant de régénération à une tension de batterie de 66,5 volts, puis en descendant jusqu'à zéro à une tension de batterie de 67,2 volts.

Chacune des cellules au lithium sélectionnées est conçue pour conserver 80% de leur capacité après 500 cycles de charge. Mais cela nécessite que chacun ne soit pas traité en dehors de son cahier des charges, c'est à dire qu'il ne faut pas dépasser: max. courant de décharge, max. courant de charge, températures de fonctionnement min et max et stockage des batteries à long terme uniquement entre 80% et 50% SOC.

Un cycle de charge est défini comme une décharge complète de plein à vide suivi d'une charge à nouveau pleine. Si vous déchargez votre batterie de pleine à 50% vide, puis rechargez à 100%, cela compte comme un demi-cycle de charge.

La durée de vie de 500 cycles est valable lors du chargement de la batterie à une capacité de 100% à chaque fois.