Выбор аккумулятора для электровелосипеда

Аккумулятор велогибрида, как впрочем и любого другого транспорта на электрической тяге, является одним из ключевых компонентов, чьи характеристики определяют цену готового электровелосипеда или стоимость затрат по электрификации имеющегося транспортного средства, его эксплуатационные качества и потенциал. Определяясь с конкретной моделью велогибрида, набора для электрификации или создавая собственный проект, важно иметь полноценное представление о технической стороне вопроса, тем более что эти знания помогут сделать правильный выбор с учетом перспективы модернизации вашего персонального электротранспорта.

Характеристики батареи и терминология

Напряжение

Аккумуляторные батареи состоят или собираются из отдельных ячеек, соединенных между собой. Каждая ячейка имеет более или менее постоянную зависимость напряжения от его химии. Для никель-кадмиевых (никель-металлогидридных) элементов вольтаж ячейки равен примерно 1,2V, у свинцово-кислотной батареи – 2,0V, для литиевых элементов напряжение составляет порядка 3,7V. Серийные hub-моторы и электродвигатели электровелосипедов и скутеров на электротяге рассчитаны на работу от 24, 36 или 48-вольтных батарей, поэтому определенное количество элементов должно быть последовательно соединено в «батарейный пакет», который обеспечит желаемое напряжение сети. Пакет номиналом в 36V может быть собран из 10 литиевых элементов, 18 ячеек свинцово-кислотной АКБ или 30 элементов NiMH.

Ампер-часы

В процессе потребления тока от аккумулятора, номинальное напряжение будет очень медленно снижаться до тех пор, пока ячейки не отдадут весь заряд, после чего напряжение на клеммах батареи резко упадет. Теоретически, аккумулятор, который может отдавать 1 ампер в течение 1 часа, имеет емкость 1Ah. На практике же производители рассчитывают емкость АКБ, беря за основу 20-часовой цикл разряда до минимального напряжения. Большинство батарей электровелосипедов характеризуются емкостью порядка 10Ah. Предположим, что электрохозяйство вашего велогибрида потребляет в среднем 15 Ампер тока – при оснащении его батареей в 10Ah вы можете ожидать полный разряд АКБ в течение примерно 40 минут.

В общем и целом, размер и стоимость ячейки соотносится непосредственно с ее емкостью, выраженной в ампер-часах. То есть двукратное увеличение показателя ампер-часов будет означать увеличение в два раза размера, веса и стоимости. На практике это соотношение немного колеблется из-за различной плотности упаковки элементов и масштабов производства. Например, знакомый многим типоразмер «AA» NiMH ячейки имеет емкость около 2 Ah, ячейка типа «C» – 4Ah, емкость ячейки «D» составит около 8Ah, крупные элементы «F» характеризуются емкостью в 12-13 Ah.

Ватт-часы

Характеристика емкости аккумуляторной батареи, выраженная в Ватт-часах, имеет большее практическое значение, поскольку дает представление о количестве запасенной электроэнергии. Один Ватт-час составляет одну тысячную кВт/ч, привычной нам бытовой единицы измерения потребленного электричества. Для того чтобы сделать вещи более знакомыми, количество хранящихся в аккумуляторной батарее Ватт-часов принято определять произведением фактических Ампер-часов и номинального вольтажа АКБ.

Поэтому аккумулятору на номинальное напряжение, скажем, 48V необходимо меньшее количество Ампер-часов (4Ah), чтобы обеспечить запас энергии в 192Wh равноценный запасу 24-вольтного аккумулятора емкостью 8Ah. При условии, что обе батареи имеют одинаковую химию, вы вполне можете ожидать, что они будут весить примерно одинаково, стоить столько же, и обеспечивать такую же производительность на надлежащим образом спроектированных велогибридах (то есть рассчитанных на 24V и 48V соответственно).

Емкость в 192Wh – самая небольшая для АКБ, используемых на электровелосипедах. Многие модели велогибридов промышленного производства отличаются аккумулятором с подобными характеристиками, поскольку такая АКБ удешевляет стоимость электровелосипеда. Для людей, которые хотят ездить на расстояния в 40-50 километров, можно порекомендовать использование аккумулятора емкостью порядка 400Wh. В зависимости от характера эксплуатации велогибрида, среднее потребление энергии в пределах 9-10Wh на километр пути характерно для нормальных конфигураций электробайков с двигателем прямого привода.

Плотность энергии

При сравнении аккумуляторов различной химии, одним из важных показателей является плотность энергии, выражаемая в соотношении емкости в Ватт-часах на килограмм веса АКБ. Эта цифра скажет о том, насколько тяжелой будет аккумуляторная батарея для достижения определенного диапазона дистанции пробега. Для свинцово-кислотных батарей это значение составляет 20-30 Вт·ч/кг, для NiCad – 35-40 Вт·ч/кг, NiMH АКБ характеризуются значением 50-60 Вт·ч/кг. Выше чем у других это соотношение будет у современных литий-ионных (~ 110 Вт·ч /кг) и литий-полимерных аккумуляторов (до 160 Вт·ч/кг). Располагая этими значениями, вы можете легко прикинуть вес пакета ячеек без необходимости искать данные производителя.

Разрядный ток

Еще один термин, с которым вы столкнетесь, это «C rate» или кратность тока разряда к емкости аккумулятора (1С, 2С). Данный способ нормализации характеристик производительности позволяет сравнивать батареи различной емкости в равных условиях.

Предположим, вы нашли на eBay 24-вольтный NiMH аккумулятор на 4Ah, который рассчитан на кратность 1С при длительном непрерывном разряде и на 2С в течение короткого времени. Вы решили взять две банки, чтобы собрать 48-вольтную батарею в 4Ah для вашего велогибрида – по вашим расчетам производительности АКБ будет более чем достаточно для короткой поездки на работу и обратно. Проблема заключается в том, что кратность в 1С допустима для токов в 4А, в то время как ваш электробайк, вероятно, нуждается в токах 10-20А. Если эти банки будут подвергаться таким токам разряда, то напряжение будет значительно просаживаться, что приведет не только к снижению производительности, но и существенному уменьшению количества циклов разряд/заряд.

На самом деле самые дешевые NiMH ячейки не предназначены для токов разряда больше, чем 1С. Это означает, что если ваш велогибрид потребляет в среднем 15A, вам понадобится АКБ, который имеет емкость порядка 15 Ah и выше.

Пошаговый выбор АКБ

Во-первых, определитесь с вольтажом. Во многих ситуациях, особенно если вы собираетесь заменить аккумулятор на действующем электробайке, напряжение определяется контроллером электроники и не может быть изменено просто по вашему желанию. В ином случае, вольтаж определяет максимальную скорость электровелосипеда, и у вас определенная свобода при выборе напряжения для удовлетворения ваших ожиданий производительности техники. Если вам известно соотношение прилагаемого напряжения и частоты оборотов электродвигателя, то можно легко вычислить, насколько быстрым будет ваш электробайк при используемом напряжении. Для лучшей производительности, выберите такое значение вольтажа, которое дает скорость без нагрузки примерно на 20% больше, чем нужная вам крейсерская скорость.

Можно собирать пакеты с любым количеством ячеек на любое напряжение, однако большинство батарей имеют стандартный вольтаж с шагом в 12V – наиболее распространенными являются АКБ на 24V, 36V, 48V, в некоторых случаях находят применение АКБ на 72V и выше. Зарядные устройства, как правило, также рассчитаны для этих напряжений.

Во-вторых, определите минимальную емкость. Когда напряжение известно, следующим шагом необходимо выяснить, сколько ампер-часов потребуется для достижения желаемого пройденного пути на одном заряде. Это, конечно, зависит от того, насколько вы собираетесь вкладываться в педалирование, как быстро вы будете ездить, также необходимо учесть перепады высот местности, где вы собираетесь кататься. Следующая таблица основана на минимальном усилии педалирования. Список ниже примерно характеризует энергозатраты АКБ при минимальном уровне системы поддержки педалированию PAS:

• Минимальная помощь мотора (езда с помощью двигателя только на холмах, скорость – не выше 30км/ч) – 6-8 Вт·ч/км.
• Типичная нагрузка (скорость около 40 км/ч, все время используются и педали, и двигатель) – 9-12 Вт·ч/км.
• Режим «пожирания энергии» (используется только электропривод, буксируется прицеп или перевозится груз, езда на максимальной скорости) – 14-20 Вт·ч/км

Теперь берем максимальную желаемую дистанцию поездки, умножаем на соответствующий расход емкости на километр из списка выше и получаем приблизительное число минимальной емкости аккумулятора в Ватт-часах. Разделив это число на напряжение можно узнать оценку минимальной емкости АКБ в Ампер-часах.

Последнее, с чем следует определиться – это тип химии аккумуляторной батареи. У вас есть данные вольтажа и емкости, так что вопрос состоит в том, чтобы найти АКБ желаемого веса на имеющийся бюджет. Для одинаковых параметров емкости и напряжения, NiCad батарея будет примерно вдвое дороже свинцово-кислотной, но и вдвое легче, NiMH будет на 30% легче и более дорогой, а литиевая – в два раза дороже никель-металлогидридной и опять наполовину легче.