Ebike – Budowa baterii do roweru elektrycznego cz1

bateria-ebike1Najdroższym elementem roweru elektrycznego jest niewątpliwie jego źródło zasilania. Tańsze, akumulatory ołowiowo-żelowe, są ciężkie i mało pojemne, i choć bardzo łatwo je ładować i eksploatować, to nie warto iść w tę stronę. Potrzebujemy akumulatora zbudowanego z ogniw litowych Li-po lub Li-ion. Te są lekkie, bardzo wydajne prądowo, i bardzo pojemne – lecz wysoka cena nowych ogniw skutecznie odstrasza. Dla tego swój akumulator (już drugi) buduję z ogniw z odzysku, które są nawet kilkukrotnie tańsze. I to nie prawda że taki akumulator będzie jakoś specjalnie gorszy, wystarczy trzymać się pewnych zasad.

Ogniwa litowe

Tematu akumulatorów ołowiowo-żelowych w ogóle nie będę dotykał, bo ich używanie w lekkim rowerze kompletnie mija się z celem… no chyba że budujemy elektryczny taran a nie rower. Potrzebujemy akumulatorów litowych, tych samych które są obecnie stosowane praktycznie wszędzie, od inteligentnych zegarków na rękę, po 1000 konne elektryczne supersamochody. Można wyróżnić trzy główne odmiany takich akumulatorów, i są to akumulatory:

bateria-ebike-18650Li-Ion – akumulatory litowo – jonowe (napięcie robocze 3.7V), najpopularniejsze, najczęściej występują w twardych cylindrycznych obudowach typu 18650, choć obudowy pryzmatyczne miękkie i twarde też są chętnie stosowane. Większość z nich dysponuje niezbyt dużym prądem rozładowania, jeśli czytasz ten wpis na ekranie laptopa, to niemal pewnym jest że 6 albo 9 sztuk takich baterii właśnie masz w zasięgu ręki. Li-Ion w obudowach 18650 znajdziesz także w elektronarzędziach, są to wersje o dużo wyższym prądzie rozładowania ale o przynajmniej dwukrotnie mniejszej pojemności niż te laptopowe. Akumulatory Li-Ion uważane są za bezpieczniejsze od Li-Po, choć nieprawidłowo eksploatowane mogą równie dobrze wyrazić swoje niezadowolenie w postaci pokazu pirotechnicznego, co inne typy akumulatorów litowych. Średnia żywotność i czas leżakowania (około 600 cykli ładowanie-rozładowanie do spadku pojemności do 80%).

bateria-ebike-turnigyLi-Po – akumulatory litowo – polimerowe (napięcie robocze 3.7V), równie popularne, ale ze względu na swoje właściwości (bardzo wysoki prąd rozładowania) najczęściej stosowane w modelarstwie, choć czasem można znaleźć wersje niskoprądowe w laptopie czy innym urządzeniu. Baterie te występują w miękkich lub twardych obudowach pryzmatycznych, twarda obudowa w tym przypadku to dodatkowa plastikowa osłona chroniąca miękką baterię właściwą przed uszkodzeniami mechanicznymi. Baterie te uznawane są za mało bezpieczne i należy uważać co się z nimi robi, baterie te są w stanie uwolnić bardzo dużo energii w bardzo krótkim czasie, więc wystarczy je nieprawidłowo ładować lub uszkodzić żeby doprowadzić do wybuchu czy samozapłonu… niektóre z powodu wad fabrycznych potrafią się zapalić podczas normalnego użytkowania, choć to bardzo mały promil wszystkich przypadków. Krótsza żywotność i czas leżakowania (około 400 cykli ładowanie-rozładowanie do spadku pojemności do 80%).

bateria-ebike-a123Li-FePO4 – akumulatory litowo – żelazowo – fosforanowe (napięcie robocze 3.2V), te występują w całej gamie różnych obudów, od cylindrycznych 18650 i większych rozmiarów, po pryzmatyczne miękkie, twarde, również w postaci dużych plastikowych akumulatorów. Jest to bezpieczniejsza alternatywa powyższych typów ogniw, są bardziej stabilne chemicznie i temperaturowo, nie występuje (lub występuje w niewielkim stopniu) samozapłon spowodowany przeładowaniem, przegrzaniem, lub uszkodzeniem. Baterie ze względu na niższą wagę także chętnie stosowane w różnych pojazdach elektrycznych, w rowerach średnio, słaby stosunek gęstości energii do wielkości pakietu, tym bardziej przy ogniwach cylindrycznych. Długa żywotność i czas leżakowania (około 1500 cykli ładowanie-rozładowanie do spadku pojemności do 80%).

Jakie ogniwa?

bateria-ebike-jakie-ogniwaBaterie Li-FePO4 nie należą do najtańszych, ale ich zwiększona żywotność powinna się zwrócić. Po za tym nie będę próbował o nich pisać bo nie mam z nimi doświadczenia. Baterie Li-Po modelarskie nie występują na rynku wtórnym, a jeśli występują to najpewniej są to odpady i nie warto ryzykować takiego zakupu, nowe baterie są w akceptowalnej cenie. Baterie Li-Ion są najtańsze, (nowe w podobnej cenie co Li-Po modelarskie) czasem występują na rynku wtórnym jako ogniwa zdemontowane z nieużywanych pakietów w cenie sporo niższej niż ogniwa nowe. Ogniwa pochodzące z zużytych baterii laptopowych teoretycznie nie są warte uwagi bo będą bardzo słabe, choć ja zbudowałem z nich swoją pierwszą baterię, przejechałem setki kilometrów, i nadal ma się dobrze – choć trzeba poświęcać jej więcej uwagi przy ładowaniu.

pakiet-ogniwa-cylindryczneChoć ogniwa cylindryczne dostaniemy taniej i łatwiej, to ze względu na kształt, pakiet zbudowany z takich ogniw będzie miał mniejszą gęstość energii niż taki zbudowany z ogniw pryzmatycznych. Ogniwa pryzmatyczne są płaskie, i ściśle dolegając do siebie nie marnują miejsca. Przekrój przykładowego małego pakietu z ogniw cylindrycznych jest w miniaturce – przestrzeń pomiędzy ogniwami jest marnowana, i taki pakiet będzie miał gorszy stosunek gabarytu do gęstości energii. Jeśli zwiększony gabaryt nie przeszkadza (np zabudowujemy cały trójkąt w ramie / mamy dużo miejsca w torbie na bagażniku), to takie ogniwa będą jak najbardziej ok. Waga w obu przypadkach wyjdzie bardzo podobna.

Należy jeszcze dodać, że podana ilość cykli pracy potrzebna do osiągnięcia spadku pojemności do 80% pojemności fabrycznej może się bardzo różnić, i będzie zależeć od warunków eksploatacji takich jak prąd i temperatura rozładowania, oraz prąd i temperatura ładowania. Czyli, czym lepsze warunki pracy będą miały, tym dłużej posłużą. Spadek pojemności poniżej 80% jest uważany już znaczne zużycie ogniwa, dalsza eksploatacja zwykle powoduje przyśpieszony wzrost rezystancji wewnętrznej, a co za tym idzie zmniejszenie sprawności przyjmowania i oddawania energii (coraz więcej energii przeznaczane jest na nagrzewanie się ogniwa podczas pracy co oznacza coraz mniej użytecznej energii elektrycznej). Przy około 60% pojemności, ogniwa są już w tak mizernym stanie że absolutnie nie opłaca się ich używać i nadają się tylko do utylizacji.

Jakie napięcie i pojemność baterii?

No zanim przejdziemy do szukania ogniw czy samej budowy musimy zadać sobie to pytanie. Większość tanich 250W silników przeznaczona jest do pracy z napięciami 36V, ale każdy bez wyjątku taki silnik będzie równie dobrze pracował przy baterii 48V. Również większość sterowników jest przeznaczona do takiego napięcia, sterowniki takie bez modyfikacji potrafią przyjąć do 60V napięcia na wejściu, więc 48V wydaje się być rozsądnym napięciem. Napięcie warto podnieść, bo jak już wspominałem w poprzedniej części, w przypadku silników direct drive bezpośrednio przekłada się to na prędkość jaką będzie osiągał rower, i ogólnie czym wyższe napięcie tym mniejszy prąd przy tej samej mocy, więc straty w całym układzie będą mniejsze. Napięcie 48V będzie dobre na początek.

Drugi ważny parametr baterii to jej pojemność, to będzie się bezpośrednio przekładało na ilość zmagazynowanej energii i dystans jaki rower będzie mógł pokonać, a także pośrednio na maksymalny prąd jaki będzie można z baterii pobrać. Myślę że minimalna sensowna pojemność takiej baterii to 10Ah, co w przeliczeniu (przy 48V) da jakieś 480Wh energii, czyli zużyjemy 0.5kWh do naładowania takiej baterii. Lekki rower elektryczny zużyje około 10Wh energii na każdy kilometr pokonany bez wspomagania mięśniami, przy prędkości 25km/h. Przy prędkości mniejszej, 15-20km/h „spalanie” mojego roweru nie przekraczało 7Wh/km, i jest to bardzo dobry wynik. A przy prędkościach maksymalnych z racji oporu powietrza będzie to trochę więcej, w okolicach 15Wh/km lub nawet 20Wh/km przy ciężkim rowerze / rowerzyście. Taka 480Wh bateria pozwoli na przejechanie około 50-60km bez pedałowania, lub dużo więcej w zależności od tego w jakim stopniu będziemy rozkładali podział obowiązków pomiędzy silnikiem a mięśniami, i myślę że jest to sensowny dystans. Biorąc pod uwagę cenę energii elektrycznej na poziomie 50gr/kWh, to przejechanie takiego dystansu będzie nas kosztowało zaledwie 25gr. W naszym kraju nie będzie to trwało zbyt długo, więc radzę korzystać :)

Układ ogniw w baterii

W serii wpisów o ogniwach li-ion już to tłumaczyłem, ale aby cała rowerowa seria była spójna napiszę jeszcze raz. Tak duże baterie zbudowane z wielu małych ogniw (a nawet dwa ogniwa połączone razem) nazywa się pakietem. Aby go zbudować, trzeba najpierw wiedzieć jak połączyć ogniwa. Jeśli jedno pojedyncze ogniwo posiada napięcie robocze (napięcie średnie, napięcie nominalne) na poziomie 3.7V, to aby uzyskać pakiet o napięciu roboczym 48V musimy połączyć szeregowo aż 13 takich ogniw, i taki pakiet będzie nosił oznaczenie 13S, 13 od ilości ogniw łączonych szeregowo, a S od Serial – czyli z angielskiego szeregowo. Jeśli każde ogniwo posiada pojemność przykładowo 2Ah i napięcie 3.7V, to przy łączeniu szeregowym zwiększamy napięcie o wielokrotność ogniw, ale pojemność nadal pozostaje taka sama, czyli 2Ah. Taki pakiet przedstawiam poniżej:
pakiet-szeregowo

Mamy pakiet o energii 96Wh, a to za mało. Za mały będzie również prąd rozładowania, bo jeśli chcemy uzyskać z silnika przynajmniej te 250W (a w praktyce przynajmniej 500W), to przy 48V musimy pobrać z baterii prąd o natężeniu 5.2A dla 250W lub 10.4A dla 500W. Zwykłe ogniwo li-ion o pojemności 2Ah nie będzie w stanie dać nam takiego prądu, chyba że będzie to specjalne ogniwo przeznaczone do elektronarzędzi. Ewentualnie możemy z ogniwa wydusić taki prąd, ale szybko je zniszczymy. Aby zwiększyć możliwości prądowe pakietu, lub w ogóle pojedynczego ogniwa, te należy łączyć równolegle, jedno lub wiele ogniw połączonych równolegle nazywamy celą akumulatora. Prąd maksymalny oraz pojemność rosną o wielokrotność ogniw w celi, ale napięcie celi nadal jest na poziomie 3.7V. Przykładowo, jeśli zastosowane ogniwo 2Ah można rozładowywać prądem 2A (taka informacja będzie przy zakupie ogniwa), to potrzebujemy 5 ogniw połączonych równolegle aby z takiego zestawu bezpiecznie pobierać prąd 10A, wtedy takie połączenie określamy zapisem 5P – 5 to liczba ogniw w celi, a P to Parallel, czyli z angielskiego równolegle. Budowę takiego pakietu przedstawiam poniżej:
pakiet-szeregowo-rownolegle

Zakup ogniw

bateria-ebike-zakupZatem nasz pakiet zbudowany z 13 cel, gdzie w skład każdej z nich wchodzi po 5 ogniw, nazywamy pakietem 13S5P. Nie tylko wydajność prądowa wzrosła, ale także pojemność. Każda cela ma 10Ah, czyli tyle ile zakładaliśmy dla naszej baterii, więc przy 48V osiągnęliśmy zakładane 480Wh. Pakiet 13S5P to nic innego jak 13 x 5 czyli łącznie 65 ogniw, może niewiele, ale biorąc pod uwagę cenę każdego z nich, uzbiera się niezła sumka. W tym przykładzie użyłem ogniwa o pojemności 2Ah, które można jeszcze kupić jako nowe, ale są względnie tanie. Ogniwa pojemniejsze kosztują więcej, ale ważą tyle samo. Czyli jeśli wydamy na baterię więcej kasiorki, będzie ona po prostu lżejsza, no i wydajniejsza. Dla baterii 10Ah równie dobrze można przyjąć pojemność każdego ogniwa na 3.3Ah, gdzie już 3 sztuki dadzą zakładaną pojemność, więc ogniw w baterii będzie ogólnie 39 zamiast 65 i będzie ona 40% lżejsza – z tym że takie ogniwa 3.3Ah w porównaniu do 2Ah nie będą droższe o 40%, ale nawet o 200 albo 300%, więc tutaj trzeba znaleźć złoty środek.

UWAGA
Na chwilę obecną ogniwa li-ion 18650 występują w wersjach o maksymalnej pojemności 3500mAh (3.5Ah), i nie istnieją pojemniejsze.
Nie daj się nabrać na gówniane ogniwa jakich pełno allegro, więcej na ten temat przeczytasz >TUTEJ<.

Ceny nowych ogniw o małej pojemności (2.2Ah) w dobrym sklepie zaczynają się od 15zł. Niby mało. No to teraz usiądź bezpiecznie i pomnóż 15zł x 65szt. A teraz? Ostrzegałem :) Oczywiście nie trzeba korzystać z oferty sklepu, wystarczy poszukać prywatnych ofert od sprawdzonych ludzi, którzy oferują ten sam (nowy) towar w cenie dwukrotnie a nawet trzykrotnie niższej, warto rozejrzeć się w działach handlowych for poświęconych budowie pojazdów elektrycznych, e-papierosów, latarek, czy modeli latających.


Innym sposobem jeszcze jakiś czas temu był zakup większej ilości używanych baterii laptopowych, rozbieranie, i testowanie każdego pojedynczego ogniwa ładowarką modelarską (którą też trzeba mieć, no i mieć kupę czasu). Opisywałem to tutaj:
Odzysk baterii 18650 laptopa cz.1
Odzysk baterii 18650 laptopa cz.2
Odzysk baterii 18650 laptopa cz.3
A bateria jaka z tego powstała została przedstawiona tutaj:
Budowa pakietu li-ion z ogniw 18650 cz.1
Budowa pakietu li-ion z ogniw 18650 cz.1

18650_bWtedy udało mi się zbudować całkiem pojemną baterię do roweru bardzo niskim kosztem bo wydałem może 150zł. Od jakiegoś już czasu ceny zużytych baterii poszybowały w górę i absolutnie nie warto ich kupować, tym bardziej że średnio połowę ogniw wyrzucimy. Po drugie bateria złożona z takich ogniw wymaga więcej uwagi przy ładowaniu, bo jako że jest zbudowana z ogniw o różnym stopniu zużycia, to napięcia poszczególnych cel po każdym cyklu trzeba było wyrównywać – po co to robić, też opiszę.

bateria-ebike-920whDrugą baterię jaką zbudowałem złożyłem z prawdopodobnie nieużywanych ogniw pochodzących z baterii laptopowych wycofanych z użycia. Prawdopodobnie, bo nigdy tak na prawdę nie wiadomo co to za baterie i skąd są. Ale jako że za jedno ogniwo o pojemności 4.8-4.9Ah zapłaciłem tylko 7zł, to na prawdę nie ma co wnikać. Do budowy swojej baterii 13S4P 925Wh użyłem 52 takich ogniw, więc kosztowało mnie to 364zł. To na prawdę grosze w porównaniu do złożenia baterii 925Wh z ogniw nowych kupionych w sklepie (niemal 2tyś zł! za same ogniwa). I jestem w pełni świadom tego, że te ogniwa nie będą miały takiego życia jak te sklepowe, i możliwe też że wystąpi jakaś awaria którą będzie trzeba przyjąć na klatę. Gdzie kupiłem ogniwa? Z prywatnego ogłoszenia, od sprawdzonego człowieka. Warto szukać i pytać :)

bateria-aku-zelowyJeszcze dla porównania. Moja bateria 925Wh waży 4.5kg i kosztowała mnie około 400zł (nie 364 bo dochodzi jeszcze elektronika). Bateria 925Wh złożona z akumulatorów ołowiowo-żelowych (tych najtańszych) ważyłaby aż 20kg, i kosztowała 520zł (8szt akumulatorów 12V 10Ah 65zł każdy). Jak widać budowa baterii to temat który trzeba dobrze rozgryźć, i na początek na prawdę polecam coś niedużego, co może nie będzie imponowało zasięgiem, ale pozwoli pojeździć i się rozeznać w temacie.

bateria-ebike-lipoJeśli chodzi o akumulatory modelarskie Li-Po, to równie chętnie są one stosowane do budowy e-bajków co Li-Ion. Trzeba się tylko trzymać zasady że nie kupujemy używanych, bo może się okazać że baterie spuchną już przy drugim ładowaniu. Takie baterie najlepiej kupić w sklepie modelarskim, tanie i całkiem dobre to Turnigy, jeśli jest to większa ilość, to warto rozważyć zakup ze sklepu Hobbyking.com z magazynu europejskiego, wysyłka kurierem z Holandii kilku sztuk wyjdzie sporo taniej niż zakup w lokalnym sklepie modelarskim. Baterie te występują jako gotowe pakiety w różnych konfiguracjach, 2S, 3S (na zdjęciu), do 6 czy nawet 8S, najczęściej 1P. W łatwy sposób można zrobić baterię np. 12S łącząc 3 pakiety 4S szeregowo, a następnie do tego dołączyć równolegle kolejny taki sam komplet lub więcej, aby zwiększyć pojemność. Baterie te są wysokoprądowe, i absolutnie nie musimy się martwić o ich wydajność w rowerze, bo już nawet cele zbudowane z pojedynczych ogniw będą w zupełności wystarczające do zasilenia roweru – baterie modelarskie łączymy równolegle tylko po to żeby zwiększyć pojemność. Baterie oznaczone są symbolami C, np 45-90C. C to pojemność, a liczba to jej wielokrotność. To znaczy, że mały pakiet o pojemności zaledwie 1.5Ah oznaczony jako 45-90C można rozładowywać prądem ciągłym 67A lub chwilowym 135A. Jest to ogromna wydajność prądowa, pakiecikiem mieszczącym się w dłoni można uruchomić samochód w zimowy poranek. Niestety, wadą tych pakietów jest niezbyt długa żywotność i fakt, że nie są zbyt bezpieczne przy niewłaściwej eksploatacji.

Składanie baterii – sortowanie ogniw

bateria-ebike-sortowanie1Ok, po tej całej teorii czas w końcu poskładać baterię. Jeśli baterię składamy z całkowicie nowych ogniw, jakiekolwiek sortowanie możemy sobie darować. Jeśli baterie pochodzą z odzysku, warto zmierzyć pojemność i rezystancję wewnętrzną każdej z nich, zapisać, a potem dobrać ogniwa w każdej z 13 cel tak, aby te miały jak najbardziej zbliżone pojemności i rezystancje jak to tylko możliwe. Przełoży się to potem na równiejszą pracę całego pakietu, i układ balansujący będzie miał dużo dużo mniej pracy z takim pakietem.

bateria-ebike-sortowanie2Jak widać każda cela ma u mnie około 19,25Ah i rozrzut jest niewielki. Rezystancje moich ogniw były bardzo zbliżone (55-60mΩ) więc nie musiałem się zbytnio przejmować i brać tego pod uwagę. Przy większym rozrzucie, należy ogniwa dobierać tak aby wypadkowe rezystancje całych cel były możliwie równe. Jeśli już mamy posortowane ogniwa, i wiemy jak będziemy je łączyli, warto zastanowić się nad kształtem całego pakietu – tak aby pasował w rowerze tam, gdzie chcemy go umieścić. Jako że wpis poświęcony baterii wyszedł mi zbyt duży, to postanowiłem podzielić go na dwie części…


Rower elektryczny DIY – budowa od podstaw – spis


5.00 avg. rating (99% score) - 13 votes

7 komentarzy

  1. 55-60mΩ, a nie Ω :)

  2. świetny cykl, czekam na więcej :)

  3. Dzieki za tę serie. Szacunek za prace jaką wykonujesz.

  4. Dzięki, po prostu chciałem dobrze wykorzystać część urlopu i nadrobić zaległości, kolejne takie wpisy pewnie dopiero po nowym roku :)

  5. Konrad Hryniewicki

    skąd wziąłeś tak dużo tych ogniw li-po ? :D jeśli chodzi o 18650 to ja zbieram z serwisu laptopów ale lipo ?

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: