Batteriesystem

As for most electric bikes and trikes today, VELOKS make use of lithium cells in its batteries. Today, there are only a handful of Lithium cells producers. Key producers are Panasonic, Samsung, LG, SONY and SANYO. Most other brands are based on OEM versions produced by these manufacturers.

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).

Each of these types of cells has a nominal voltage of 3.7 volts, while the energy (expressed in Ah = amperage hours) varies depending on chemistry and size. Similarly, the continuous maximal discharge current and maximal change current will vary deepening upon chemistry and size. Cell types that VELOKS uses or have used are:

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. 

Creating batteries from individual lithium cells is done by connecting X number of equal lithium cells in parallel, creating an “aggregate battery cell”, with an X * cell capacity,  then connecting Y number of these “aggregate battery cells” in series until the desired nominal voltage is reached..

This type battery configuration is specified as for example 16S17P, meaning 16 aggregate cells in series (16 x S), where each aggregate cell has 17 lithium cells in parallel (17 x P).

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:

Once a given configuration has been established, it is important to validate that the characteristics of the battery meets the requirements.

For our trike and motor design, we need a battery this is capable of delivering from 250 watts up to 6000 watts continuously, and are able to handle regeneration and charging requirements.

The voltage of lithium cells varies from 4.2 V fully charged to 3.0 V fully discharged, so the actual voltage of the battery will charge from 67.2 volt fully changed down to 49 volts fully discharged. So, in order to generate for example 3000w continuously  at any state of charge, the current required will vary from 3000 / 67.2 = 45A to 3000 / 49 = 61A continuous current.

The lithium cells that we use are all able to generate 10A continues discharge current each, so for the smallest capacity of 1.5 kWh we have 7 of these is parallel, which gives a maximum continuous current of 7 * 10A = 70A, which is sufficient to fulfill this requirement. If we take the largest battery of 5.1 kWh of capacity, this is 17 * 10A = 170A, or more than 2.8 times more than required at 3000 Watt.

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.

Now let’s talk about how to actually put the battery together, and let’s discuss how to do this in an optimal way. The areas to consider are:

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

Size & Shape of the battery

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....

Charging lithium ion cells is quite simple and requires a charger that can handle constant current (CC) during the initial stage and constant voltage (CV) during the final stage of the charging cycle.

During charging, the maximum charge current must not normally exceed 0.5C (which corresponds to the current needed to discharge a fully charged battery in two hours).

Charging beyond 0.5C is possible, but cooling of the battery is required. Examples of this is the so-called super charging used by TESLA for their electric cars, but this is obviously beyond the scope for e-bikes and e-trikes.

The charger must not exceed the maximum allowed charge current of the battery.

Also charging at temperatures below zero degrees celsius must be avoided as this will destroy the lithium ion cells. This protection is handled by the Battery Management System (BMS) which is described later.

For lithium ion cells, the maximum voltage is always 4.2 V per cells. For the VELOKS batteries, where 16 cells are connected in series, the max. charge voltage is 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:

As can be seen, the standard charger of 8A that we provide is a safe choice for all batteries. For all but the smallest battery the 18A is also a good choice.

Regeneration is similar to charging and must follow the same rules as charging. The difference is that the voltage and current originates from the motor, which through the motor controller charges the battery, while at the same time providing mechanical resistance (braking) to the wheel in relation to the regeneration (charging) current

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

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.

Each of the selected lithium cells are designed to retain 80% of their capacity after 500 charging cycles. But this requires that each are not treated outside of their specifications, i.e. we must not exceed: max. discharge current, max. charge current, min and max operating temperatures, and storing batteries long term only between 80% and 50% SOC.

One charging cycle is defined as a complete discharge from full to empty followed by a charge to full again. If you discharge your battery from full to 50% empty and then recharge to 100%, that counts as half a charge cycle.

The lifespan of 500 cycles is valid when charging the battery to 100% capacity every time.