Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)

Методы, используемые для создания батарейного блока из цилиндрических элементов, достаточно хорошо известны, а вот что касается пакетных элементов, то похоже, еще нет достойной статьи, описывающей лучшие способы их создания. Ну что же, я постараюсь восполнить этот пробел — обнародую информацию, которую собрал по данному вопросу.

Зачем нужны пакет-ячейки

Когда вы укладываете цилиндрические ячейки, между ними остается некоторое воздушное пространство, и это пустой объем упаковки, который можно было бы использовать более рационально. Это не является большой проблемой для электровелосипедов, но данный вопрос вызывает глубокую озабоченность у производителей электромотоциклов.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Элемент SPIM08HP на 200 А, контакты расположены на противоположных концах элемента.

Аккумулятор на 52 В с емкостью 20 Ач считается довольно не слабым для электровелосипеда, но этого недостаточно для скутера, а тем более для полноразмерного электромотоцикла. Мотокомпания Zero использует номинальное напряжение 28S/104 В, а что касается энергоемкости, то самый маленький блок в настоящее время предлагает 44 Ач, а в продаже имеются и более емкие блоки. Это примерно в 4 раза больше суммарной энергии, и большинство владельцев Zero E-moto выбрали более емкие батареи. Производителям электромотоциклов необходимо вместить как можно больше активного материала батареи в раму с ограниченным пространством.

12-вольтовый пусковой блок

Я не строил электромотоцикл, но на работе мне иногда требуется запустить оборудование. Я читал, что больше всего ампер выдают аккумуляторы от гибридных автомобилей. Это связано с тем, что электромобили с большим блоком батарей (например, Tesla) могут производить более чем достаточно ампер, поэтому они могут использовать элементы, оптимизированные для дальнего пробега.

Гибридная машина имеет резервный двигатель для обеспечения большого запаса хода, а это означает, что дорогой батарейный блок может быть небольшим. Однако этот гибридный блок должен быть в состоянии обеспечить полную производительность автомобиля из маленького блока, поэтому данные элементы выдают высокие амперы.

Я видел видео на youtube, где электрик проверял силу тока на стартере 4-цилиндрового бензинового автомобиля. В первые полсекунды он потреблял пиковый ток в 200 А, чтобы заставить двигатель вращаться, но затем установился на уровне примерно 100 А, чтобы продолжать вращение (искра и топливо были отключены).

Он собирал суперконденсаторный пусковой блок, чтобы помочь ему завести свой автомобиль, когда погода была ниже нуля, и он был способен запустить двигатель на 8 секунд. Химические аккумуляторы, такие как свинцово-кислотные и литиевые, при сильном морозе теряют свою способность вырабатывать амперы, но суперконденсаторы прекрасно работают в холодную погоду. Это кстати одна из причин, по которой электрокары Tesla оснащены системой подогрева/охлаждения батарей.

Я недолго думал о создании суперконденсаторного блока, потому что они могут обеспечивать очень высокие амперы в крошечном корпусе, и, как уже говорилось, они могут хорошо работать при минусовой температуре. Однако суперконденсаторы со временем теряют напряжение, поэтому мне пришлось бы перезаряжать блок суперконденсаторов непосредственно перед попыткой завести автомобиль с севшим аккумулятором.

В качестве зарядного аккумулятора обычно использовался 4S литий-ионный блок, который имеет карманные размеры, и можно использовать даже аккумулятор для аккумуляторного инструмента на 18 В. Аккумуляторная батарея заряжает блок суперконденсаторов за несколько минут. Она хранится в тепле в доме до тех пор, пока не понадобится, затем вы выносите уже заряженный от нее блок суперконденсаторов к замерзшему автомобилю, чтобы помочь ему завестись.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Вот две плоские ячейки, когда я экспериментировал с методами соединения вкладок.

Я выбрал простоту создания своего собственного «чемодана-джампера», используя только большие литиевые ячейки в чехле и никаких суперконденсаторов. Таким образом, у него будет больше «дальнобойности» при использовании его в качестве резервного источника питания во время отключения электричества (я живу в стране торнадо, с частыми ветряными бурями).

Я бы не назвал его миниатюрным, но он достаточно легкий и довольно компактный, так что я могу хранить его в теплом доме. В экстренных случаях я могу использовать его для зарядки телефона, ноутбука и USB-фонариков. Если вы собираетесь строить большой и дорогой батарейный блок для конверсии E-moto, я рекомендую сначала построить блок перемычек. Это научит вас всему, что вы захотите знать, прежде чем тратить большие деньги на полноразмерный проект.

Я нашел несколько алюминиевых планок с резьбой, которые подойдут для того, чтобы зажать пластины друг против друга (видно на фотографии выше). Если бы я не нашел их, я собирался купить несколько полосок, а затем самостоятельно порезать их, просверлить в них отверстия и нарезать там резьбу. Поскольку в этой конфигурации контакты касаются друг друга, зажимные планки не используются в качестве проводников и могли бы быть стальными для сохранения жесткости и обеспечения равномерного зажимного давления.

При использовании обычных литий-ионных элементов, полностью заряженных до 4,2 В на элемент, три из них, соединенные последовательно, дают 12,6 В. Литий-железо-фосфатные элементы (LiFePO4) работают при более низком напряжении, и полностью заряжаются до 3,6 В каждый, поэтому блок LiFePO4, используемый для обеспечения 12 В, как правило, является 4S блоком, и 14,4-вольтовым при полной зарядке. Химический элемент LTO встречается реже, и при напряжении 2,4 В на ячейку, 12-вольтовый блок будет состоять из шести ячеек, соединенных последовательно, что дает 14,4 В.

Крис из австралийского города Перт

Крис гоняет на электрических мотоциклах (участник форума Endless-sphere «jonescg»). Когда он начинал, не было никого, кто мог бы собрать для него большой батарейный блок, использующий индивидуальное напряжение и форму, поэтому он научился делать их сам. Он попробовал несколько различных методов, и он согласился разрешить мне показать их здесь.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Двухсторонние печатные платы Криса. Одна из них предназначена для клиента, которому нужны были блоки из 6S и 4P.

Первый шаг для метода, который использует Крис — заказать толстую печатную плату (PCB), изготовленную по проекту, который он нарисовал на компьютере.

Печатные платы обычно используются для крепления к ним электронных компонентов, но это умное использование существующей линейки продуктов для использования печатной платы способом, для которого она никогда не предназначалась.

Шестигранные формы на нижней стороне печатной платы были выбраны для того, чтобы в этих местах можно было припаять гайки с резьбой, а не использовать эпоксидную смолу или другой метод, например, заклепки-гайки или резьбовые вставки.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Нижняя сторона вкладки-пластины, с одной вставленной ячейкой.

На фотографии выше хорошо видны пазы, по которым проходят пластины, а также припаянные гайки, к которым крепятся зажимные винты. Гайки не нуждаются в сильной фиксации от проворачивания, поэтому пайка краев обеспечивает достаточную прочность. Однако гайки никелированы специально для того, чтобы облегчить пайку.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Приспособление для пробивки отверстий своими руками.

Я видел, как некоторые сборщики батарей используют дырокол для проделывания отверстий в ячейках с язычками, но эти ячейки были заказаны с более толстыми коллекторными вкладками для высокого тока, который требовался Крису. Дырокол сделан из стержня, в котором просверлено отверстие в боковом направлении. В результате получилось изделие, которое хорошо подходит для пробивания отверстий в его выравнивающем приспособлении, показанном слева.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Шины, соединяющие язычки.

Крис использует толстые медные шины для соединения вкладок друг с другом. На фотографии выше показано, как вкладки вставляются в пластину печатной платы. В реальных серийных пластинах и шинах больше отверстий, чем здесь, но Крис охотно выложил фото прототипа. Медные шины, которые касаются контактов, не только имеют низкое сопротивление для передачи большого тока, но и действуют как теплоотводы для охлаждения батареи, отводя тепло от сердечника через контакты.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Вид сбоку на контакты и соединения шин.

Под головкой каждого винта из нержавеющей стали находится нержавеющая разъемная шайба для обеспечения постоянного сжатия язычков при нагреве и вибрации. Затем под разъемной шайбой снизу находится нержавеющая шайба для распределения сжатия. В этом блоке используются три параллельно соединенных элемента, 3P.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Показан пакет 10S/3P.

Крис сделал монтажную коробку из непроводящего прозрачного ацетального пластика. В показанном выше блоке элементы расположены в форме буквы U, так что положительные и отрицательные клеммы находятся на одном конце, здесь показано слева.

Создание безопасного высокоамперного батарейного блока из плоских элементов («пакет-ячеек»)
Аккумулятор 5S/6P, с клеммами на противоположных концах пакета.

В приведенном выше пакете используются более крупные элементы, но метод тот же, что и раньше. Я использовал подобную конфигурацию «головки-пластины» для изготовления чемоданного аккумулятора, но поскольку я делал только один из них, я просто использовал тонкую кухонную разделочную доску, изготовленную из HDPE (полиэтилена высокой плотности), вместо печатной платы изготовленной по специальному заказу.

Что дальше?

На этом этапе вам еще нужно прикрепить BMS и прочный корпус для защиты элементов.

 

Источник: electricbike.com

Поделится в: