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 учётом перспективы модернизации вашего персонального электротранспорта.

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

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 упадёт. Теоретически аккумулятор, который может отдавать 1 ампер в течение 1 часа, имеет ёмкость 1 Ah. На практике же производители рассчитывают ёмкость АКБ, беря за основу 20-часовой цикл разряда до минимального напряжения. Большинство батарей электровелосипедов характеризуются ёмкостью порядка 10 Ah. Предположим, что электрохозяйство вашего велогибрида потребляет в среднем 15 ампер тока — при оснащении его батареей в 10 Ah вы можете ожидать полный разряд АКБ в течение примерно 40 минут.

В общем и целом размер и стоимость ячейки соотносятся непосредственно с её ёмкостью, 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 ёмкость около 2 Ah, ячейка типа «C» — 4 Ah, ёмкость ячейки «D» составит около 8 Ah, крупные элементы «F» характеризуются ёмкостью в 12–13 Ah.

Характеристика ёмкости аккумуляторной батареи, выраженная в ватт-часах, имеет большее практическое значение, поскольку даёт представление о количестве запасённой 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, 48 V необходимо меньшее количество ампер-часов (4 Ah), чтобы обеспечить запас энергии в 192 Wh равноценный запасу 24-вольтного аккумулятора ёмкостью 8 Ah. 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).

Ёмкость в 192 Wh — 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 ёмкостью порядка 400 Wh. В зависимости от характера эксплуатации велогибрида, среднее потребление энергии в пределах 9–10 Wh на километр пути характерно для нормальных конфигураций электробайков с двигателем прямого привода.

При сравнении аккумуляторов различной химии, одним из важных показателей является плотность энергии, выражаемая в соотношении ёмкости в ватт-часах на килограмм веса АКБ. Эта цифра скажет о том, насколько тяжёлой будет аккумуляторная батарея для достижения определённого 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.

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

Предположим, вы нашли на eBay 24-вольтный NiMH аккумулятор на 4 Ah, 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 расчётам 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 10–20 А. Если эти банки будут подвергаться таким токам разряда, то напряжение будет значительно просаживаться, что приведёт не только к снижению производительности, но и существенному уменьшению количества циклов разряд/заряд.

На самом деле самые дешёвые 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 ёмкость порядка 15 Ah и выше.

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 определённая 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 даёт 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 распространёнными 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 ёмкость. 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 30 км/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 берём максимальную желаемую дистанцию поездки, умножаем на соответствующий расход ёмкости на километр из списка выше и получаем приблизительное число минимальной ёмкости аккумулятора в ватт-часах. Разделив это число на напряжение, можно узнать оценку минимальной ёмкости АКБ в ампер-часах.

Последнее, с чем следует определиться — это тип химии аккумуляторной батареи. У вас есть данные вольтажа и ёмкости, 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.