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SYSTÈME de batterie

3.2 kWh cells packs
La batterie d'un vélo électrique ou d'un tricycle est probablement la partie la plus importante du véhicule. Ce qui suit expliquera comment la batterie VELOKS est conçue et construite

CELLULES

Cellules au lithium utilisées 
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CONCEPTION

Conception de batterie au lithium
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MÉCANIQUE

Construction de batterie au lithium
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MISE EN CHARGE

Chargement de la batterie au lithium
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RÉGÉNÉRATION

Batterie au lithium Regen
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DURÉE DE VIE

Durée de vie de la batterie au lithium
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CELLULES

Comme pour la plupart des vélos et tricycles électriques d'aujourd'hui, VELOKS utilise des cellules au lithium dans ses batteries. Aujourd'hui, il n'y a qu'une poignée de producteurs de cellules au lithium, les principaux étant 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 par heure) 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:

TypeTensionCapacité [Ah]Courant de décharge [A]Courant de charge [A]Cycles de charge [80%]Densité [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


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. 

CONCEPTION

La création de la batterie à partir de cellules au lithium individuelles se fait en connectant un nombre X de cellules au lithium égal en parallèle, en créant une «cellule de batterie agrégée», avec une capacité de cellule X *, puis en connectant le nombre Y de ces «cellules de batterie agrégées» en série jusqu'à ce que vous le vouliez 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:

Capacité [kWh]Config.Cellule #Poids (kg]Courant de décharge [A]Densité [W / Kg]
1,316S07P1125,4210242
2,416S13P20810,0390242
2,516S12P2089,2130273
3,316S11P17612,1110272
3,716S20P32015,4600242
4,216S14P22415,4140272
5,116S17P27218,8170272

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

Dans le cas de notre conception de tricycle et de 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 entièrement 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 parallèles, 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.

MÉCANIQUE

Parlons maintenant de la façon de monter la batterie et discutons de la façon de l'enfiler 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....

MISE EN CHARGE

La charge des cellules au 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.

Lors de la charge, le courant de charge maximal ne doit normalement pas dépasser 0,5 ° C (ce qui correspond au courant pris 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. Des exemples de ceci sont la soi-disant super charge utilisée par TESLA pour leurs voitures électriques, mais cela dépasse évidemment la portée des vélos électriques et des trikes électriques.

Lors du démarrage de la charge, le chargeur sera en mode CC, et lorsque la tension atteint 4,2 volts pour la cellule, le chargeur passera en mode CV et le mode CV est maintenu pendant que le courant est réduit jusqu'à ce qu'il atteigne 0,1C, et qui point où la cellule est complètement chargée (voir le graphique ci-dessous)


Lithium battery Charge Profile

Le chargeur utilisé ne doit pas dépasser la tension maximale autorisée de la batterie ou 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 au lithium-ion. Cette protection est gérée par le système de gestion de batterie (BMS) qui est décrit plus loin.

Pour les cellules au 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:

Capacité [kWh]Config.CalcCourant de charge [A]Type de cellule
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

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

Pour une vitesse de charge maximale, nous fournissons un chargeur de 27A, qui convient bien aux 3 plus grosses batteries.

RÉGÉNÉRATION

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:

Capacité [kWh]Config.CalcPuissance régénérée [kW]Type de cellule
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

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.


DURÉE DE VIE

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 chargez toujours votre batterie à 50% vide, vous devez charger deux fois pour atteindre un cycle complet.

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

Si vous chargez toujours uniquement la capacité à 80%, le nombre de cycles double (c'est-à-dire 1000 cycles) avant que la capacité ne soit réduite à 80%.

Mais charger à 80% n'est pas si facile avec la plupart des chargeurs d'aujourd'hui, car ils sont configurés pour arrêter la charge à 100%. Le seul chargeur, à ma connaissance, qui prend actuellement en charge la charge à 80% (ou à n'importe quel niveau) est le GRIN Satiator, malheureusement, cela ne peut fournir qu'un max. 5A de courant de charge. Un «hack» pour les autres chargeurs consiste à interrompre manuellement la charge en retirant la fiche de charge lorsque la capacité a atteint 80% ou environ 63 volts (pour une batterie nominale de 60 V).

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