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Batteriesystem

3.2 kWh cells packs
Die Batterie eines Elektrofahrrads oder Trikes ist möglicherweise der wichtigste Teil des Fahrzeugs. Im Folgenden wird beschrieben, wie die Batterie des VELOKS entworfen und konstruiert ist.

ZELLEN

Verwendete Lithiumzellen 
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DESIGN

Lithium-Batterie-Design
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MECHANIK

Aufbau einer Lithiumbatterie
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LADEN

Aufladen der Lithiumbatterie
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REGENERATION

Lithiumbatterie Regen
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LEBENSDAUER

Lebensdauer der Lithiumbatterie
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ZELLEN

Wie bei den meisten Elektrofahrrädern und Trikes von heute verwendet VELOKS Lithiumzellen in seinen Batterien. Heute gibt es nur eine Handvoll Lithiumzellenhersteller, die wichtigsten sind Panasonic, Samsung, LG, SONY und SANYO. Die meisten anderen Marken basieren auf OEM-Versionen dieser Hersteller.

Lithiumzellen gibt es in vielen Formen und Größen, aber am häufigsten für Elektrofahrräder sind die zylinderförmigen 18650-Zellen und seltener die zylinderförmigen 21700-Zellen. Die ersten beiden Ziffern beziehen sich auf den Durchmesser (18 mm bzw. 21 mm, während sich die drei letzten Ziffern auf die Höhe beziehen (65 mm bzw. 70 mm).

Jeder dieser Zelltypen hat eine Nennspannung von 3,7 Volt, während die Energie (ausgedrückt in Ah = Stromstärke pro Stunde) je nach Chemie und Größe variiert. In ähnlicher Weise variieren der kontinuierliche maximale Entladestrom und der maximale Änderungsstrom je nach Chemie und Größe. Von VELOKS verwendete oder verwendete Zelltypen sind:

ArtStromspannungKapazität [Ah]Entladestrom [A]Ladestrom [A]Ladezyklen [80%]Dichte [W / Kg]
Panasonic NCR18650PF3,72,9101,45500227
Sony US18650VTC63,73,1305500242
LG INR18650MH13,73,2101,6500250
Samsung INR18650-35E3,73,5101,73500273
Samsung INR21700-50E 3,75102,5500272


Kritische Kriterien für die Auswahl dieser Zelltypen waren: Kapazität (> = 2,9 Ah), Energiedichte (> = 240 W / kg), Preis, Qualitätshersteller, Verfügbarkeit, Ladestrom (> = 0,5 ° C), Entladestrom (> = 10 A) ) und Ladezyklen (> = 500).

VELOKS produziert seine Batterien im eigenen Haus. Dies ermöglicht es uns, die besten Batteriezellen auf dem Markt zu nutzen und im Zuge der technologischen Entwicklung schnelle Änderungen vorzunehmen.

Als wir 2015 begannen, verwendeten wir Panasonic NCR18650PF, da dies für den Preis sehr gute Zellen waren und sind. Anschließend haben wir auf LG INR18650MH1 umgestellt, die im Preis ähnlich sind, aber mehr Kapazität haben. Seit dem Frühjahr 2019 verwenden wir die Zellen INR18650-35E und INR21700-50E von Samsung, da diese jetzt einen angemessenen Preis haben und eine höhere Kapazität haben. In letzter Zeit haben wir Hochstromzellen hinzugefügt, um unsere neuen 4000w- und 6000w-MK3-Modelle zu unterstützen. 

DESIGN

Das Erstellen einer Batterie aus einzelnen Lithiumzellen erfolgt durch paralleles Anschließen einer X-Anzahl gleicher Lithiumzellen, Erstellen einer „aggregierten Batteriezelle“ mit einer X * -Zellenkapazität und anschließendes Anschließen der Y-Nummer dieser „aggregierten Batteriezellen“ bis zum gewünschten Zeitpunkt Nennspannung erreicht ist.

Diese Art von Batteriekonfiguration wird beispielsweise als 16S17P spezifiziert, dh 16 Aggregatzellen in Reihe (16 x S), wobei jede Aggregatzelle 17 Lithiumzellen parallel (17 x P) aufweist.

Die Konfigurationen, die wir verwenden, sind immer 16 "aggregierte Batteriezellen" in Reihe, um eine 60-V-Nennbatterie zu erzeugen (tatsächlich 59 Volt genauer, aber dies wird normalerweise als 60 V bezeichnet). Für die verschiedenen Batteriekapazitäten verwenden wir die folgenden Konfigurationen:

Kapazität [kWh]Konfig.Zelle #Gewicht (kg]Entladestrom [A]Dichte [W / Kg]
1,316S07P1125,4210242
2,416S13P20810,0390242
2,516S12P2089,2130273
3,316S11P17612,1110272
3,716S20P32015,4600242
4,216S14P22415,4140272
5,116S17P27218,8170272

Sobald eine bestimmte Konfiguration festgelegt wurde, ist es wichtig zu überprüfen, ob die Aggregateigenschaften der Batterie die Anforderungen erfüllen.

Für unser Trike- und Motorkonzept benötigen wir eine Batterie, die kontinuierlich 250 bis 6000 Watt liefern kann und die Regenerations- und Ladeanforderungen erfüllen kann.

Die Spannung der Lithiumzellen variiert von 4,2 V vollständig geladen bis 3,0 V vollständig entladen, sodass die tatsächliche Spannung der Batterie von 67,2 Volt vollständig auf 49 Volt vollständig entladen geladen wird. Um beispielsweise bei jedem Ladezustand kontinuierlich 3000 W zu erzeugen, variiert der erforderliche Strom von 3000 / 67,2 = 45 A bis 3000/49 = 61 A Dauerstrom.

Die Lithiumzellen, die wir alle verwenden, können jeweils 10 A weiteren Entladestrom erzeugen. Für die kleinste Kapazität von 1,5 kWh haben wir 7 davon parallel, was einen maximalen Dauerstrom von 7 * 10 A = 70 A ergibt, was ausreicht, um diese Anforderung erfüllen. Wenn wir die größte Batterie mit einer Leistung von 5,1 kWh verwenden, ist dies 17 * 10A = 170A oder mehr als das 2,8-fache der bei 3000 Watt erforderlichen Leistung.

Das in VELOKS-Batterien installierte Batteriemanagementsystem (BMS) bietet Schutz für:

    - max. Entladestrom
    - max. Ladestrom (Regen)
    - Mindest. und max. Spannung für Batterie
    - Mindest. und max. Spannung für jede Zelle
    - Batteriekurzschluss
    - Mindest. und max. Ladetemperatur
    - Mindest. und max. Austrittstemperatur
    - Unsachgemäßes Zellgleichgewicht


Die Standardkonfiguration lautet wie folgt:

    - Für die Standard-Strombatterie beträgt die max. Entladungskur. ist 60A.
    - Für die Hochstrombatterie beträgt die max. Entladungskur. ist 120A.
    - Die max. Ladung (Regen) cur. ist batterietypabhängig.
    - Mindest. und max. Der Batteriespannungsschutz ist auf 68 V bzw. 46 V eingestellt.
    - Mindest. und max. Der Zellenspannungsschutz ist auf 4,25 V bzw. 2,85 V eingestellt.
    - Mindest. und max. Austrittstemperatur minus 20 Grad Celsius bzw. plus 60 Grad Celsius
    - Mindest. und max. Ladetemperatur 0 Grad Celsius bzw. plus 60 Grad Celsius
    - Wenn mehr als 0,005 V Zelldiff vorliegen, erfolgt ein Ausgleich zwischen 65,6 Volt und 67,36 Volt.

Das BMS kann von VELOKS drahtlos über Bluetooth überwacht und konfiguriert werden.

MECHANIK

Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie die Batterie tatsächlich zusammengesetzt wird, und wie dies optimal genutzt werden kann. Folgende Bereiche sind zu berücksichtigen:

      - Größe und Form der Batterie
      - Zellenverbindung
      - Aktueller Durchfluss
      - Montage von Zellen und Batterie
      - Batteriekasten-Design

Größe und Form der Batterie

Die einfachste und optimalste Form einer Batterie ist eine rechteckige Form, bei der die Zellen in einer Richtung parallel sind und in Reihe die orthogonale Richtung. Dies liegt daran, dass diese Form den optimalsten Stromfluss zwischen den Zellen sowie das kompakteste Design ermöglicht.

Das Problem dieser Form ist, dass es schwierig sein kann, bestimmte Arten von Fahrrädern unterzubringen, bei denen der Platz begrenzt oder auf andere Weise eingeschränkt ist.

VELOKS wurde von Grund auf für den elektrischen Antrieb entwickelt, und die Form und Platzierung der Batterie war ein wichtiges Designkriterium. Dies hat es uns ermöglicht, die optimale Rechteckform zu verwenden, und hat es uns sogar ermöglicht, die Breite der Form weitgehend ohne negative Auswirkungen zu variieren.

Da kommt noch mehr....

LADEN

Das Laden von Lithium-Ionen-Zellen ist ziemlich einfach und erfordert ein Ladegerät, das in der Anfangsphase mit konstantem Strom (CC) und in der letzten Phase des Ladezyklus mit konstanter Spannung (CV) umgehen kann.

Beim Laden darf der maximale Ladestrom normalerweise 0,5 ° C nicht überschreiten (dies entspricht dem Strom, der zum Entladen eines vollständig geladenen Akkus in zwei Stunden benötigt wird).

Eine Aufladung über 0,5 ° C ist möglich, die Batterie muss jedoch gekühlt werden. Beispiele hierfür sind die sogenannten Superladungen, die TESLA für ihre Elektroautos verwendet, die für E-Bikes und E-Trikes jedoch offensichtlich nicht möglich sind

Zu Beginn des Ladevorgangs befindet sich das Ladegerät im CC-Modus. Wenn die Spannung für die Zelle 4,2 Volt erreicht, wechselt das Ladegerät in den CV-Modus und der CV-Modus wird beibehalten, während der Strom reduziert wird, bis 0,1 ° C erreicht sind Punkt, an dem die Zelle voll aufgeladen ist (siehe Grafik unten)


Lithium battery Charge Profile

Das verwendete Ladegerät darf die maximal zulässige Spannung der Batterie oder den maximal zulässigen Ladestrom der Batterie nicht überschreiten.

Auch das Laden bei Temperaturen unter null Grad Celsius muss vermieden werden, da dies die Lithium-Ionen-Zellen zerstört. Dieser Schutz wird vom Battery Management System (BMS) übernommen, das später beschrieben wird.

Bei Lithium-Ionen-Zellen beträgt die maximale Spannung immer 4,2 V pro Zelle. Bei den VELOKS-Batterien, bei denen 16 Zellen in Reihe geschaltet sind, beträgt die Ladespannung 16 x 4,2 Volt = 67,2 Volt.

Ebenso müssen wir den maximalen Ladestrom für den Akku bestimmen. Für die von uns verwendeten Konfigurationen können wir diesen maximalen Ladestrom wie folgt berechnen:

Kapazität [kWh]Konfig.CalcLadestrom [A]Zelltyp
1,316S07P7 * 535Sony US18650VTC6
2,416S13P13* 565Sony US18650VTC6
2,516S12P12 * 1,721Samsung INR18650-35E
3,316S17P17 * 2,528Samsung INR21700-50E
3,716S20P20 * 5100Sony US18650VTC6
4,216S14P14 * 2,535Samsung INR21700-50E
5,116S17P17 * 2,543Samsung INR21700-50E

Wie zu sehen ist, ist das von uns bereitgestellte Standardladegerät mit 8 A eine sichere Wahl für alle Batterien aber für die kleinste Batterie ist das 18A auch eine gute Wahl.

Für maximale Ladegeschwindigkeit bieten wir ein Ladegerät mit 27 A an, das für die 3 größten Akkus gut geeignet ist.

REGENERATION

Die Regeneration ähnelt dem Laden und muss den gleichen Regeln wie das Laden folgen. Der Unterschied besteht darin, dass die Spannung und der Strom vom Motor stammen, der über die Motorsteuerung die Batterie auflädt und gleichzeitig dem Rad einen mechanischen Widerstand (Bremsen) in Bezug auf den Regenerationsstrom (Ladestrom) verleiht

Die Motorsteuerung regelt die Spannung und den Strom zur Batterie so, dass sie bei VELOKS-Batterien 67,2 Volt nicht überschreiten, und der Strom ist abhängig von der Batteriekapazität und dem Ladezustand begrenzt.

Der maximale Regenerationsstrom in Abhängigkeit von Batteriekapazität und -spannung wird für jede Batterie bezüglich Regenerationskraft spezifiziert

Kapazität [kWh]Konfig.CalcRegenleistung [kW]Zelltyp
1,316S07P60 * 352,0Sony US18650VTC6
2,416S13P60 * 653,8Sony US18650VTC6
2,516S12P60 * 211,2Samsung INR18650-35E
3,316S11P60 * 281,6Samsung INR21700-50E
3,716S20P60 * 1006.0Sony US18650VTC6
4,216S14P60 * 352,1Samsung INR21700-50E
5,116S17P60 * 432,5Samsung INR21700-50E

In der Praxis ist die maximale Regenerationsleistung so konfiguriert, dass 1500 W für die Version mit Hinterradantrieb des MK3 nicht überschritten werden, um die Traktion nicht zu verlieren. Für den Frontantrieb und alle Radversionen gibt es keine Traktionsprobleme und sie können die maximale Regenerationsleistung erzielen.

Der Controller muss auch den an die Batterie gesendeten Strom begrenzen, wenn die Batterie fast vollständig aufgeladen ist. Dies erfolgt durch Starten des Herunterfahrens des Regenerationsstroms bei 66,5 Volt Batteriespannung und Herunterfahren auf Null bei 67,2 Volt Batteriespannung.


LEBENSDAUER

Jede der ausgewählten Lithiumzellen ist so ausgelegt, dass sie nach 500 Ladezyklen 80% ihrer Kapazität behalten. Dies setzt jedoch voraus, dass nicht alle außerhalb ihrer Spezifikationen behandelt werden, dh das folgende sollte nicht überschritten werden: max. Entladestrom, max. Ladestrom, minimale und maximale Betriebstemperaturen und Langzeitlagerung von Batterien nur zwischen 80% und 50% SOC.

Ein Ladezyklus ist definiert als eine vollständige Entladung von voll nach leer, gefolgt von einer erneuten Ladung nach voll. Wenn Sie Ihren Akku immer mit 50% leer aufladen, müssen Sie ihn zweimal aufladen, um einen vollständigen Zyklus zu erreichen.

Die Lebensdauer der 500 Zyklen gilt, wenn der Akku auf eine Kapazität von 100% aufgeladen wird.

Wenn Sie die Kapazität immer nur auf 80% aufladen, verdoppelt sich die Anzahl der Zyklen (dh 1000 Zyklen), bevor die Kapazität auf 80% reduziert wird.

Das Aufladen auf 80% ist jedoch bei den meisten Ladegeräten heutzutage nicht so einfach, da sie so konfiguriert sind, dass das Aufladen bei 100% beendet wird. Ich bin mir bewusst, dass das einzige Ladegerät, das derzeit das Laden auf 80% (oder auf eine beliebige Stufe) unterstützt, der GRIN Satiator ist. Leider kann dies nur eine max. 5A Ladestrom. Ein "Hack" für die anderen Ladegeräte besteht darin, den Ladevorgang manuell abzubrechen, indem der Ladestecker entfernt wird, wenn die Kapazität 80% oder ca. 63 Volt erreicht hat (für eine 60-V-Nennbatterie).

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