Ebike – budowa baterii do roweru elektrycznego cz2

bateria-ebike-920whPo sporej dawce teorii w poprzedniej części, druga część dotyczyć będzie już właściwego składania baterii. Dowiemy się co to balansowanie cel, zakupimy i zamontujemy BMS czyli układ odpowiedzialny za nadzór nad naszą baterią, a na koniec bateria dostanie duży rękaw termokurczliwy i komplet złącz modelarskich do podłączenia ładowarki i roweru.


Łączenie ogniw

bateria-ebike-skladanie-blaszkiJeśli chodzi o łączenie ogniw, opisywałem już zgrzewanie cz.1, zgrzewanie cz.2, oraz lutowanie. W tym przypadku ogniwa lutowałem, bo miały gotowe małe blaszki które dało się łatwo lutować, gdzie zgrzewanie byłoby dużo trudniejsze. Blaszki najpierw przeszlifowałem dremelem z kamieniem szlifierskim, i pobieliłem każdą z nich używając dodatkowego topnika.


bateria-ebike-skladanie-pakietKształt całego pakietu trzeba przemyśleć, bo potem może być problem z pomieszczeniem go na rowerze. Najlepiej chyba sprawdzi się podłużny pakiet który zamontowany w ramie nie będzie zbyt szeroko wystawał po za jej obrys i nie będzie powodował dyskomfortu podczas jazdy. Podłużny pakiet zawsze potem można przenieść na bagażnik, a kwadratowego klocka z bagażnika pod ramę już nie bardzo. Również układ ogniw w pakiecie musi być przemyślany, tak aby można było łatwo je łączyć i tak, aby nie spowodować zwarcia przy jakimś poważnym uszkodzeniu mechanicznym. Cały pakiet został tymczasowo sklejony taśmą uniwersalną, choć trzyma się w kupie całkiem nieźle, a wszystko przez pozostałości kleju na ogniwach.

bateria-ebike-skladanie-mostkiDo łączenia ogniw użyłem miedzianego drutu o przekroju 2mm² którego prąd szacuje się na 10A dla każdego milimetra kwadratowego. Będę pobierał 17A tylko chwilowo, a prąd ciągły nie będzie przekraczał 10A więc taki drut w zupełności wystarczy. Przygotowałem sobie gotowe odcinki drutu i go pobieliłem. Ponieważ cel jest 13, to między nimi trzeba wykonać 12 łączeń więc tyle odcinków drutu sobie przygotowałem.

bateria-ebike-skladanie-uklad-ogniwPonieważ mój pakiet to 13S4P, to najpierw połączyłem wszystkie cele po 4 ogniwa, a następnie takie cele poukładałem wzdłuż tworząc kształt baterii. Cele ułożone są naprzemiennie biegunami do siebie, czyli wykonując proste połączenia jestem w stanie połączyć wszystko w jeden ciąg 13S. Gdyby wszystkie cele były skierowane w tę samą stronę, to musiałbym łączyć je po skosie co wymagałoby więcej pracy, więcej materiałów, i nie zapewniałoby bezpiecznej odległości pomiędzy drutami z których wykonywałem połączenia.

UWAGA
Zachowaj szczególną ostrożność podczas wszelkich prac przy pakiecie. Naładowany pakiet dysponuje dużą energią do uwolnienia w krótkim czasie, spowodowanie zwarcia może skończyć się pożarem lub poparzeniem. Najlepiej, jeśli pakiet zbudujesz z rozładowanych ogniw i dopiero potem go naładujesz. Nie łącz równolegle ogniw które mają różne napięcia bo spowoduje to przepływ dużego prądu między nimi. Nie przegrzewaj ogniw przy lutowaniu.

Balansowanie cel, napięcia pracy

I jeszcze jedno zagadnienie które trzeba koniecznie poruszyć, które poruszałem w innych wpisach, ale może niezbyt dokładnie. Ogniwa litowe mają to do siebie, że mają wyznaczony przez producenta konkretny zakres napięć w których mogą bezpiecznie pracować. Istnieje takie pojęcie jak napięcie naładowania, jest to poziom napięcia do którego ładujemy każde ogniwo lub celę ogniw, przy którym uznaje się je za 100% naładowane, i nie można tego napięcia przekraczać. Większość ogniw Li-Ion i Li-Po ma to napięcie określone na poziomie 4.2V, choć występują też ogniwa Li-Ion ładowane do 4.35V. Jeśli nie wiemy do ilu ładować nasze ogniwa – przyjmijmy że jest to 4.2V. Ciągłe przeładowywanie ogniwa powyżej tego napięcia będzie prowadziło do jego powolnego niszczenia i przyśpieszonego starzenia – a przy skrajnym przeładowaniu, np. powyżej 4.5V, może doprowadzić do silnego rozgrzania i uwolnienia łatwopalnego gazu pod ciśnieniem. Po drugiej stronie jest dolna granica napięcia, do którego można rozładować ogniwo bez jego uszkodzenia. Zwykle jako bezpieczne minimum przyjmuje się 2.5V, ale jeśli możemy kontrolować rozładowanie, to warto je przerwać już przy 3.3V bo od tego poziomu napięcie już drastycznie spada w dół i w ogniwie praktycznie nie ma już energii. Cykliczne rozładowywanie ogniwa poniżej 2.5V również będzie prowadziło do jego powolnego niszczenia i przyśpieszonego starzenia, a ogniwa rozładowane całkowicie, np do 0.5V czy 0V, nie powinny już nigdy być używane bo istnieje ryzyko wewnętrznego uszkodzenia w kolejnych cyklach eksploatacji. Napięcie średnie takiego ogniwa to najczęściej 3.7V, ogniwo utrzymuje okolice takiego napięcia podczas jakichś 70% trwania cyklu rozładowania.

B5078-2.5A-4850(3V)-4950(2.8V)-30CNa miniaturce widać charakterystykę rozładowania typowego ogniwa – spadek napięcia w czasie. Zaczynamy od 4.2V (bo do takiego napięcia ładujemy ogniwa litowe), załączamy obciążenie 2.5A, napięcie od razu spada do 4V, i następuje powolne rozładowywanie ogniwa. Przy 3.3V pod koniec rozładowania napięcie zaczyna spadać coraz bardziej, przy 3V leci w dół jak kamień. Oczywiście te napięcia będą się różnić dla różnych typów ogniw, stanu w jakim są ogniwa, prądu jakim są rozładowane – ale charakterystyka zawsze wygląda podobnie. Jeśli spadek na początku jest mały, a przy końcu zbocze strome, to ogniwo jest w bardzo dobrym stanie. Jeśli spadek na początku jest duży, a zbocza na końcu wcale nie ma a zamiast niego jest jedna prosta linia od początku do końca, to ogniwo jest już bardzo mocno zużyte.

Aby zapewnić ogniwom prawidłową pracę i długie życie, należy pilnować tych napięć. Zarówno przy rozładowywaniu w rowerze, jak i przy ładowaniu w domu. Jako że cele naszego pakietu są połączone szeregowo, to ładując lub rozładowując cały pakiet mamy tylko informację o napięciu głównych zacisków, ale nie wiemy co się dzieje na poszczególnych celach. Przez to, że nawet całkowicie nowe ogniwa będą minimalnie się między sobą różniły (różna rezystancja wewnętrzna i pojemność), a ogniwa używane będą się różniły bardziej, to będą one w różnym stopniu się rozładowywać, będą miały inną sprawność oddawania czy przyjmowania energii, lub będą mogły jej przyjąć więcej lub mniej. Takie zjawisko prowadzi do tzw. rozbalansowania pakietu. To znaczy, że poszczególne cele po kilku cyklach pracy będą miały różne napięcia, czyli nie będą zbalansowane. Jest to duży problem, bo podczas ładowania zaciskami głównymi ładowarka nie będzie wiedziała jakie napięcia mają poszczególne cele i będzie w stanie je przeładować.

Na przykładzie mniejszego pakietu 3S, którego napięcie naładowania to 12.6V (bo 4.2V*3), idealny rozkład napięć w kolejnych celach to 4.2V 4.2V 4.2V. Gdy cele z powodów wymienionych wyżej nie pracują równo, a nawet nowe ogniwa w końcu się też rozjadą, to rozkład napięć po iluś cyklach może wyglądać tak: 4.1V 4.1V 4.4V – dla ładowarki jest to nadal 12.6V, ale trzecia cela za każdym razem jest przeładowywana do niebezpiecznie wysokiego poziomu – stąd konieczność balansowania, czyli wyrównywania napięć do tego samego poziomu:
pakiet-3s1p

Aby móc kontrolować i balansować wszystkie cele, w pakiecie oprócz wyprowadzeń głównych trzeba wykonać dodatkowe wyprowadzenie które nazywa się przewodem balansera lub przewodem BMSa, i teraz nasz pakiet wygląda tak:
pakiet-bms

Balansowanie polega po prostu na rozładowywaniu nadmiernie naładowanych cel. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się tranzystor, który zamyka obwód z rezystorem, na którym wytracana jest nadmiarowa energia. Aby dowiedzieć się więcej o balansowaniu ogniw litowych – odwiedź inny mój wpis pt. Bardzo prosty balanser do ogniw li-ion. Płytka podłączona do pakietu i oznaczona jako BMS zawiera między innymi 13 osobnych układów balansera dla każdej z 13 cel, potrafi monitorować każdą celę z osobna, i włączyć obciążenie pomiędzy dowolnymi dwoma przewodami, np pomiędzy masą a 1S aby rozładować pierwszą celę, lub pomiędzy 7S a 8S aby rozładować siódmą celę.

BMS

bateria-ebike-bmsBalansować możemy w dwojaki sposób. Jeśli nasz pakiet ładujemy ładowarką modelarską, to wystarczy podłączyć to dodatkowe wyprowadzenie do ładowarki i ta sama się tym zajmie. Wtedy balansowanie będzie odbywało się tylko podczas ładowania, i trzeba zaczekać aż ładowarka zrobi swoje. Przy bardzo pojemnym pakiecie i sporym rozbalansowaniu, może jej to zająć długie godziny. Drugi sposób to układ BMS – Battery Management System – układ zarządzający pracą baterii. Jest na stałe połączony z baterią i nigdy od niej nie odłączany. Monitoruje napięcie każdej celi, potrafi odłączyć wyjście (sterownik i silnik) w razie przeciążenia baterii, zwarcia, czy nadmiernego rozładowania którejkolwiek celi. Podczas ładowania (zwykłą ładowarką) zajmuje się balansowaniem cel, i tutaj też potrafi odciąć ładowarkę jeśli ta spróbuje przeładować którąkolwiek celę. Ponadto, BMS balansuje pakiet również po odłączeniu ładowarki, pakiet można naładować wieczorem, odłączyć na noc, a rano ze zbalansowaną baterią pojechać rowerem po bułki… do innego województwa.

bateria-ebike-alarm-lipoW zasadzie nie powinno się użytkować takiego pakietu bez układu BMS, ale pierwszy pakiet który zbudowałem z ogniw laptopowych takiego układu w ogóle nie posiadał i wszystko było w jak najlepszym porządku. Po prostu ładowanie odbywało się ładowarką modelarską, a podczas rozładowywania na rowerze do pakietu podłączałem dwa tzw. alarmy lipo (na zdjęciu), które monitorują napięcie każdej celi i wyją jak głupie jeśli któraś przekroczy ustawiony przez nas próg – wtedy jest to sygnał że z baterii należy przestać korzystać, lub że dostępnej energii jest już niewiele. BMS jednak zdejmuje nam z głowy sporo problemów z eksploatacją baterii litowej, jednak aby działał on w pełni poprawnie, trzeba za niego trochę zapłacić.

Tanie układy BMS potrafią działać przeraźliwie źle i nie spełniać swoich podstawowych funkcji. Ja kupiłem właśnie taki tani BMS za 13$ (około 50zł, na aliexpress), na razie wiem tyle że w miarę poprawnie balansuje wszystkie cele, ale pozostałych funkcji typu odcięcie przed rozładowaniem czy zwarciem nie sprawdzałem. BMS należy dobrać do ilości cel w pakiecie, czyli w moim przypadku 13S. Należy zwrócić uwagę na parametry, czyli przy jakich napięciach działa balansowanie, odcięcie, przy jakich prądach działa zabezpieczenie, i co ważne jaki jest prąd balansowania. W moim tanim BMSie prąd ten to zaledwie 30mA, jest to bardzo bardzo mało, ale już to testowałem i od pełnego naładowania kończy balansowanie w 12 godzin. Żeby mieć coś mocniejszego i pewniejszego, niestety trzeba zapłacić dużo więcej, ceny tych normalnych zaczynają się od 35$ czyli prawie 3x tyle.


Mój BMS wg sprzedawcy balansuje przy 4.19V. To znaczy, że jeśli cela podczas ładowania osiągnie takie lub wyższe napięcie, to jej obwód balansujący rozpoczyna pracę, i rozładowuje ją dopóki napięcie nie spadnie poniżej 4.19V. W rzeczywistości progi napięć włączenia dla mojego balansera dla poszczególnych cel to od 4.165V do 4.185V, i taka różnica występuje na dwóch skrajnie różnych celach. Przyznam że 20mV to nie jest mało, jest to spory rozrzut, chętniej widziałbym tam 5mV, ale tak jak pisałem w takiej cenie nie należy spodziewać się cudów. Te napięcia jeszcze będę kontrolował podczas pierwszych cykli pracy pakietu. Tutaj jeszcze muszę wspomnieć, że ładowarka ładuje mi pakiet do 54.6V (tak nastawiłem) więc do 4.2V na celę, a ogniwa litowe lub w ogóle każde ogniwa mają to do siebie że ich napięcie zaraz po odłączeniu ładowania delikatnie spada, np z 4.20V do 4.17V, więc może te różnice wynikają z różnego stopnia naładowania cel i w kolejnych cyklach się to wyrówna. Pakiet można też ładować do ciut wyższego napięcia, np 4.22V na celę, żeby dać BMSowi większe pole do manewru podczas balansowania. Niektórzy ładują do 4.25V na celę lub do momentu aż BMS odetnie ładowarkę z powodu przeładowania, i czekają aż BMS sam zbije napięcia – wg mnie nie ma co przeładowywać ogniw – ale wolnoć wariacie w swoim warsztacie. Oczywiście ogniwa Li-Ion nie mają efektu pamięci i nie ma potrzeby ich ładować w pełnych cyklach od 0% do 100% tak jak ogniw niklowych starego typu, ba, ładowanie w niepełnych cyklach (np. do 4.1V) wyjdzie im tylko na zdrowie.

Szukaj BMS na aliexpress.com
Szukaj BMS na ebay.com
Na allegro raczej próżno tego szukać, można też rozejrzeć się w działach handlowych for poświęconych budowie pojazdów/rowerów elektrycznych (np. arbiter.pl), lub w porządnych sklepach oferujących podobny asortyment typu ogniwa (np. BTO.pl) – jednak tutaj jak widać cena potrafi zwalić z nóg.

To jeśli chodzi o akumulatory Li-Ion i Li-Po. Pamiętaj że Li-FePO4 eksploatuje się w całkowicie innych napięciach i wymagają BMSa dedykowanego dla takich właśnie ogniw. Jeśli Twój pakiet ma inną ilość cel, np 12S, potrzebujesz BMSa dedykowanego dla 12S. Niektóre BMSy (raczej te droższe) będzie można dostosować do ilości cel baterii, ale raczej jest to rzadkość. Podczas zakupu BMSa zwróć uwagę na parametry takie jak:
balancing voltage – napięcie balansowania – powinno być nie większe niż 4.20V
balancing current – prąd balansowania – czym większy tym lepiej
overvoltage protection – zabezpieczenie przed przeładowaniem, około 4.25V
undervoltage protection – zabezpieczenie przed rozładowaniem, około 2.8V – 3V
current protection – zabezpieczenie prądowe – dostosuj do swojego silnika i sterownika, u mnie przy 17A sterowniku zastosowałem BMS z zabezpieczeniem 20A.
Mile widziane będzie także zabezpieczenie temperaturowe w postaci dodatkowego czujnika montowanego na baterii.

Montaż BMSa

bateria-ebike-bms-schematKolejną czynnością było przyklejenie BMSa do ostatniego ogniwa i podłączenie głównych wyprowadzeń oraz wyprowadzeń dla ładowarki. Jako złącz użyłem moich ulubionych złącz modelarskich XT60, są w miarę szczelne, przeznaczone do prądów do 60A, i choć na takie nie wyglądają to z moimi 17A spokojnie sobie poradzą. W miniaturce rozpisałem podłączenie wyprowadzeń do płytki BMSa. C- to minus ładowarki, B- to minus baterii, a P- to minus wyjścia na sterownik silnika. Plus po prostu łączymy gdzieś we wspólnym miejscu, ja to zrobiłem przy wtyczce dla sterownika. Poniżej schemat połączeń zaktualizowany o BMS.

bateria-ebike-bms-podlaczenieW gniazdo BMSa wpinamy przewód balansera, i lutujemy kolejne wyprowadzenia do kolejnych cel, zaczynając od 0V do bieguna ujemnego pierwszej celi, kończąc na 13S do bieguna dodatniego ostatniej celi. Przewody dobrze będzie jakoś sensownie poukładać, ja je przyłapałem dwustronną pianką klejącą. Przewody prowadź tak, by te nie dotykały do żadnych odsłoniętych elementów pod napięciem, tak by nie miały szans się o siebie ocierać podczas jazdy, ani żeby nie miały szansy się uszkodzić w inny sposób.

pakiet-bms-podlaczenie

bateria-ebike-bms-temperaturaJeśli Twój BMS posiada zewnętrzny czujnik temperatury, czy to w postaci wyłącznika termicznego, czy termistora, dla zwiększenia bezpieczeństwa koniecznie umieść go gdzieś przy ogniwach. Taki czujnik wykryje zbyt wysoką temperaturę i rozłączy pakiet – chyba nie chcesz wyglądać jak Hell Rider w wersji rowerowej? Mój BMS nie miał jakiegokolwiek czujnika, ale znalazłem na jego płytce miejsce na dwupinowe gniazdo, zwarte zworką 0ohm. Po usunięciu zworki okazuje się że BMS odcina napięcie z wyjścia, i oddaje dopiero gdy zwora wróci na miejsce oraz gdy prąd wyjścia spadnie blisko zeru. Ot, projektant zaprojektował zabezpieczenie, ale księgowy wprowadził swoje poprawki.

bateria-ebike-bms-temperatura2Aby skorzystać z tego dobrodziejstwa należy zaopatrzyć się w wyłącznik termiczny zamknięty – czyli taki który cały czas przewodzi prąd, a obwód otwiera dopiero w określonej temperaturze. Większość ogniw litowych jest przeznaczona do pracy w temperaturach do 70 stopni, ale myślę że nikt o zdrowych zmysłach nie będzie doprowadzał swojego pakietu do takiej temperatury. Myślę że wyłącznik na 50-70 stopni będzie dobry. Pamiętaj, że wyłącznik taki ma też swoją naturalną histerezę, więc jeśli wyłączy się przy temperaturze 60 stopni, to przed dalszą jazdą będzie trzeba poczekać zanim pakiet ochłodzi się do 45-50 stopni co w lato może sporo potrwać, więc dobieraj go z głową. Ja użyłem dwóch takich wyłączników połączonych szeregowo, umieszczonych w dwóch miejscach pakietu – po prostu jeśli którykolwiek z nich zadziała to obwód zostanie przerwany i BMS będzie mógł zareagować. Swoje wyłączniki przykleiłem dwuskładnikowym klejem, pomoże to w przechwyceniu ciepła. Przewód poprowadziłem wzdłuż przewodów balansera, prosto na płytkę. Ponadto, teraz w istniejący obwód zabezpieczenia termicznego mogę wpiąć zabezpieczenie silnika które umieściłem w nim podczas jego remontu, także BMS odetnie prąd również, jeśli silnik się przegrzeje. Ot, dwie pieczenie na jednym ogniu, choć „pieczeń” to trochę nietrafione słowo :)

Rękaw termokurczliwy

bateria-ebike-rekaw-termo1Sprawdzamy czy wszystko działa jak należy. BMS na wyjściu daje napięcie, ale to trzeba koniecznie mierzyć pod jakimś obciążeniem, bo przez rozłączony BMS może „wyciekać” napięcie o natężeniu które wystarcza dla potrzeb miernika. BMS poprawnie balansuje, poprawnie odcina, reaguje na temperaturę. Jeśli wszystko jest ok, pakiet można ubrać w rękaw termokurczliwy. To po prostu taka duża termokurczka, swoją kupiłem na aliexpress, nie kosztuje ona majątku (raptem 9zł za metr) a w dużym stopniu usztywnia cały pakiet.

Szukaj rękawów termokurczliwych na aliexpress.com
Szukaj rękawów termokurczliwych na ebay.com

bateria-ebike-rekaw-termo2Moja była trochę za ciasna, bo zanim przyszła to zmieniłem koncepcję kształtu pakietu, i miałem problem z wepchnięciem jej na miejsce. Warto usunąć wszelkie wystające ostre krawędzie, w moim przypadku były to miedziane druty łączące ogniwa. Rękaw podczas kurczenia może się o takie coś przebić i pęknąć. Nie należy też przesadzać z ciepłem, ja w jednym miejscu przesadziłem i rękaw pękł. Do obkurczania używałem taniej stacji Hot Air bez żadnej końcówki, ustawionej na duży nadmuch i średnią temperaturę. Myślę że suszarka do włosów powinna sobie poradzić, z opalarką radziłbym uważać. Jeśli nie rękaw termokurczliwy, to można zrobić kokon z taśmy klejącej, ale robiłem tak w poprzednim pakiecie i nie bardzo był sztywny. Pamiętaj że pakiet zbudowany z miękkich ogniw i obkurczony taką termokurczką nie jest zbyt dobrze chroniony przed uszkodzeniami mechanicznymi. Podczas wywrotki istnieje szansa że łupnie o nawierzchnię i się uszkodzi.

Pakiet gotowy. Waga 4.5kg, wymiary 7cm x 9cm x 38cm. 13 cel, 19,25Ah na celę, co przy 48.1V daje 925Wh energii. Napięcie naładowanego pakietu 54.6V, napięcie pakietu rozładowanego 39V.

bateria-ebike-920wh


Rower elektryczny DIY – budowa od podstaw – spis


5.00 avg. rating (98% score) - 4 votes

2 komentarze

  1. Ponieważ napisał Pan, że używał pakietu 12s i ładował go ładowarką modelarską, mam malutkie pytanko. Czy możnaby z kolei pakiet 13s podzielić na trzy pakiety 6s+6s+1s połączyć je szeregowo do pracy w rowerze, po czym do balansowania mała ładowarką modelarską imax B6 rozłączać je i kolejno balansować, kiedy będą tego wymagały, a ładować je normalne jakąś zwykłą ładowarką 48v do rowerów elektrycznych połączone na powrót szeregowo? Różnica cenowa między ładowarką 6s i 10s jest spora i do okazyjnego zbalansowania nie wydaje mi się sensowna w zakupie. A przy okazji: w końcu przeszedł Pan na 13s – czy odczuł Pan zasadniczą różnicę? Bo może zamiast 13s zastosować 12s i wtedy byłoby łatwiej? Na prędkości nie zależy mi tak bardzo. Pozdrawiam

    • Nie wydaje mi się aby była jakakolwiek różnica pomiędzy 12S a 13S. Zrobiłem pakiet 13S bo taki BMS jest dużo tańszy i łatwiej dostępny, i tylko tym się tutaj kierowałem. Po prostu zaoszczędziłem kilka $ kupując BMS 13S zamiast 12S, i za te pieniądze dokupiłem 4 ogniwa na dodatkową celę do pakietu.

      Takiego pakietu w ogóle nie trzeba rozłączać do balansowania ładowarką modelarską. Wystarczy zrobić sobie odczepy i balansować kolejne sekcje bez rozłączania reszty. Albo zrobić 12S rozłączane na 6S + 6S i ładować to równolegle od razu z balansowaniem, wtedy ładowarka rowerowa nie będzie potrzebna – po co używać dwóch ładowarek?

      Albo czy nie lepiej zamontować BMS i zapomnieć o balansowaniu? Dochodzą dodatkowe koszta, ale to na prawdę wygodna sprawa :)

Dodaj komentarz

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

Proszę pozostawić te dwa pola tak jak są: