Najczęściej kupowane

Informacje

Producenci

Nowe produkty

Szukaj artykułów

Wszystko o bateriach litowo-jonowych w monocyklach elektrycznych

 

Prawie rok temu na innym portalu ukazał się mój artykuł na temat baterii litowo-jonowych. Wtedy starałem się przybliżyć czytelnikom pewne, ogólnie wiadome, fakty związane z bateriami popularnie stosowanymi w monocyklach elektrycznych. W poniższym artykule pragnę rozszerzyć tą wiedzę, a także przeanalizować praktyczne przykłady cyklów użytkowania ogniw litowo-jonowych przez posiadaczy monocykli elektrycznych.

 

KS16S Li-ion battery

Bateria Li-Ion stosowana w King-Song KS-16S

 

Baterie litowo-jonowe (Li-Ion), na tą chwilę, należą do najbardziej popularnych. Stosowane są powszechnie w elektronice użytkowej (smarfony, tablety, itd.), a także w urządzeniach transportowych (samochody, wózki, skutery, rowery elektryczne). Ich stosunek wagi do uzyskiwanej pojemności (gęstość energetyczna) jest imponujący.

 

Maksymalna gęstość energetyczna różnych typów baterii

Gęstość energetyczna ogniw

 

W porównaniu do wcześniejszych typów baterii, do których część z nas przywykła, baterie litowo-jonowe nie posiadają tzw. "efektu pamięciowego". Oznacza to że można je ładować w każdym momencie i również w każdym momencie można przerwać ich ładowanie bez negatywnego wpływu na żywotność czy pojemność baterii.



Parametry ładowania i rozładowywania

Ogniwa typu 18650, obecnie najczęściej stosowane w bateriach do monocykli elektrycznych, można maksymalnie ładować prądem rzędu 1C (czasami określane jako 1lt). 1C, to tzw. godzinny prąd ładowania. Oznacza to że, dla przykładu, gdy pojemność ogniwa wynosi 2500mAh to prąd 1C = 2500mA. Natomiast za standardowy prąd ładowania przyjmuje się 0,5C. Biorąc za przykład typową baterię King Song KS16S o pojemności 840Wh, aby wyznaczyć jej pojemność w Ah musimy wiedzieć że 16 ogniw, z których każde ma nominalne napięcie 3.6V, połączonych w szereg daje 16 x 3.6V = 57.6V. Na tej podstawie wyznaczamy pojemność 840Wh / 57.6V = 14.58Ah. Wynika z tego że bateria 840Wh może być ładowana maksymalnym prądem 14.58A. Ładowanie ogniw Li-Ion odbywa się napięciem 4.2V. Aby móc ładować baterie 16-ogniowowe należy dysponować napięciem ładowania 67.2V (4.2V x 16 ogniw = 67.2V). To implikuje twierdzenie, że aby naładować, najszybciej jak to możliwe, KS16S 840Wh należy dysponować ładowarką o mocy 67.2V x 14.58A = 980W. Ładowanie będzie trwało około 1.3h choć w teorii powinno trwać 1h. Czas ten jest dłuższy, gdyż ładowanie do około 85% pojemności odbywa się liniowo, ale już ostatnie 15% trwa dłużej. Proces ładowania zostanie dokładnie omówiony w dalszej części artykułu (rozdział: Ładowanie baterii).

Ładowanie prądem maksymalnym 1C nigdy nie jest zdrowe dla baterii. Producenci ogniw zalecają ładowanie prądem rzędu 0.5C i takiego też prądu używają do testów akumulatorów przedstawianych w dokumentacjach technicznych. Można zaryzykować twierdzenie, że im niższy prąd ładowania, tym dłuższa żywotność akumulatora. Należy jednak znaleźć kompromis pomiędzy żywotnością, a gotowością baterii (szybkością jej naładowania). W wyniku testów zgromadzono dane, które potwierdzają że prąd ładowania na poziomie 0.5C to tzw. "złoty środek" w przypadku ogniw Li-Ion. Wracając do naszego przykładu z baterią KS16S 840Wh, można wywnioskować, że optymalnie jest ładować ją prądem 7.29A (14.58A x 0.5 = 7.29A). W takim wypadku należy dysponować ładowarką o mocy 67.2V x 7.29A = 490W. Powinno to trwać około 2.5h. W tej chwili King Song standardowo, do każdego monocykla, dostarcza 2A ładowarkę. Oznacza to, że bateria 840Wh jest ładowana prądem rzędu 0,14C i od 0% do 100% ładowanie będzie trwało ponad 8h.

Prąd ładowania jest istotny z punktu widzenia czasu ładowania. Jest to dość ważne, ale znacznie ważniejszym parametrem jest maksymalny prąd rozładowywania. To dzięki niemu wiadomo, na ile mocy można liczyć w szczytowych momentach użytkowania monocykla. King Song określa maksymalną moc KS16-S na poziomie 3000W. Posługując się nominalnym napięciem baterii, który wynosi 57.6V, można łatwo wyznaczyć, że maksymalny prąd rozładowywania wynosi 3000W / 57.6V = 52.1A. W tym wypadku jest on na poziomie 3.6C (52.1A / 14.58A = 3.57C). W przeciętnych ogniwach Li-Ion maksymalny prąd rozładowywania jest na poziomie 2C. Jednak ogniwa stosowane w monocyklach King Song nie należą do przeciętnych. LGEBMJ11865 to 3.5Ah ogniwo Li-Ion pozwalające uzyskać ciągły prąd rozładowywania na poziomie 10A, czyli 2.9C (10A / 3.5A = 2.9). Rozpatrując dalej przykład baterii 840Wh, pozwala to wyzwolić z niej prąd rzędu 14.58A x 2.9C = 42A. Przy maksymalnym napięciu baterii daje to maksymalną, ciągłą, moc możliwą do osiągnięcia na poziomie 42A x 67.2V = 2800W. Oczywiście należy pamiętać że mówimy tu o mocy ciągłej, natomiast chwilowy pobór prądu, tzw. pik, może być znacznie wyższy. Przy takim poborze prądu ilość wydzielanego ciepła jakie generują baterie, silnik, oraz tranzystory przełączające, jest trudna do odprowadzenia. Chłodzenie cieczą to jedyne znane rozwiązanie tego problemu i możliwe, że prędzej czy później konstruktorzy monocykli będą musieli się zmierzyć z tą kwestią. Należy pamiętać, że podobnie jak w przypadku prądu ładowania, im wyższy prąd rozładowania tym mniejsza żywotność baterii. Zazwyczaj przeciętny pobór mocy przez monocykl King Song KS-16S to około 400W. Oznacza to pobór prądu na średnim poziomie 400W / 57.6V = 6.9A czyli około 0.48C. Dla ogniw litowo-jonowych jest to prąd wręcz znikomy, zważając na to, że LG, przeprowadza testy żywotności, stosując w cyklach rozładowania prądy rzędu 3C i 5C.



Żywotność baterii litowo-jonowych

Większości producentów określa żywotność akumulatorów na podstawie testu 300 cykli ładowania i rozładowania. Z reguły ładowanie odbywa się prądem uważanym za standardowy (na poziomie 0.5C), i podobnie rozładowywanie prądem 0.5C. Po 301 cyklu ładowania, następuje rozładowanie, w trakcie którego dokonuje się szczegółowych pomiarów określających energię jaką udało się odzyskać z ogniwa. Przeciętnie ogniwa tracą na pojemności około 20 - 30%. Tu znów, ogniwa stosowane przez producenta monocykli King Song, wprawiają w zdumienie. Według dokumentacji ogniw LG 18650HG2 (ogniwa stosowane w pakietach 680Wh), po 300 cyklach ładowania prądem ponad 1C (4A) i rozładowywania prądem rzędu 5C (15A) pojemność spada o 20%, a po 500 cyklach do poziomu 77% pojemności początkowej czyli o 33%. Oczywiście są to parametry pracy grubo ponad przeciętną, więc realnie spadek o 20% pojemności pojawia się dopiero po minimalnie 500 cyklach.

Oprócz prądów ładowania i rozładowania jest jeszcze kilka czynników, które znacząco wpływają na żywotność akumulatorów. Najczęściej brane pod uwagę to: temperatura pracy/przechowywania, stopień rozładowania (DoD - depth of discharge) oraz poziom, do jakiego ogniwa są ładowane (SoC - state of charge).

Wpływ temperatury jest oczywisty i jeżeli to możliwe, zaleca się przechowywać i użytkować baterie Li-Ion w przedziale temperatur 0 - 35°C. Niższe temperatury nie zmniejszają żywotności natomiast mają wpływ na uzyskiwaną pojemność, podczas gdy wyższe trwale obniżają żywotność ogniw.

Stopień rozładowania baterii (DoD - depth of discharge) ma ogromny wpływ na żywotność ogniw litowo-jonowych.

 

Stopień rozładowania (DoD)

Przybliżona żywotność w cyklach ładowania

(spadek pojemności o 20%)

100%

500

80%

900 (720 pełnych cykli)

60%

1500 (900 pełnych cykli)

40%

3000 (1200 pełnych cykli)

20%

9000 (1800 pełnych cykli)

 

Rozładowując baterie tylko o 20% można powiedzieć, że dopiero po 5 ładowaniach jesteśmy na etapie 1 pełnego ładowania od 0 do 100%.  9000 / 5 = 1800 pełnych cykli. To dowodzi, że im mniejszy stopień rozładowania tym żywotność jest większa ale też trudno tak użytkować baterie żeby zużywać tylko 20% ich nominalnej pojemności. W praktyce, bez problemu, można oscylować w okolicy 50% zwiększając żywotność prawie dwukrotnie. Przykładowo przejeżdżając dziennie 30km na KS16S z baterią 840Wh i podłączając pod ładowarkę pracujemy na dwukrotne zwiększenie żywotności.

Poziom naładowania ogniw to bardzo istotny czynnik wpływający na żywotność baterii litowo-jonowych. Z testów wynika, że bardzo opłaca się ładować ogniwa do około 80-85%. Pozwala to uniknąć ostatniej fazy ładowania akumulatora, która ma negatywny wpływ na elektrolit zawarty wewnątrz ogniwa.

 

Poziom naładowania

Przybliżona żywotność w cyklach ładowania

(spadek pojemności o 20%)

100%

500

90-95%

700

85-90%

1000

80-85%

1500

 

Badania dowodzą że ładowanie baterii litowo-jonowych do 85% pozwala wydłużyć ich żywotność nawet 3-krotnie w stosunku do ładowania tych samych baterii do 100%.



Ładowanie baterii

Ładowanie ogniw litowo-jonowych odbywa się dwufazowo. Pierwsza, najdłuższa faza to ładowanie stałym prądem (CC - constant current). Ta faza charakteryzuje się liniowym przyrostem pojemności względem napięcia i czasu ładowania. Pierwsza faza ładowania kończy się, w zależności od modelu ogniwa, w okolicy 80-90% naładowania baterii. Drugi, końcowy, etap ładowania to ładowanie stałym napięciem (CV - constant voltage). Ta faza początkowo daje duży przyrost gromadzonej energii, następnie spowalnia, a końcowe około 5% trwa już bardzo długo.

 

Ładowanie baterii King-Song KS-16 680Wh prądem 4.31A

 

Na szaro zaznaczono moment gdy stopień naładowania jest między 80 - 90%. W tym przedziale rekomenduje się przerwanie ładowania w celu znacznego wydłużenia żywotności akumulatorów.



Korzyści z ładowania do 80-85%

Już kilkukrotnie w tym artykule padały argumenty za ładowaniem akumulatorów litowo-jonowych do 80 - 85%. Bezsprzecznie związane jest to z istotnym zwiększeniem żywotności akumulatorów (cyklów ładowania).

Nie jest to jednak jedyny argument. Nie każdy zdaje sobie sprawę z tego, że gdy monocykl elektryczny jest w fazie hamowania, to większość mocy, którą gdzieś należy wytracić, z silnika elektrycznego odkładana jest na akumulatorze. W trakcie hamowania akumulator spełnia rolę rezystora / opornika do którego kierowana jest cała wytracana energia z silnika. Część z niej zostaje odzyskana, a część zmarnowana w postaci ciepła. Dzieje się tak dlatego, że akumulator w monocyklu potrafi przyjąć prąd rzędu 1C. W naszym przykładzie KS16S 840Wh to prąd około 14.58A, czyli moc 14.58A x 57.6V = 840W. Przy spokojnym hamowaniu większość może być odzyskana ale przy bardziej gwałtownym hamowaniu już niekoniecznie. Moc jaką należy wytracić przy hamowaniu jest zbliżona do mocy potrzebnej do przyspieszania w takim samym tempie. W każdym razie, co istotne, gdy akumulator jest naładowany "pod korek" to hamowanie może nie odnieść zamierzonego skutku. W takiej sytuacji nie ma gdzie oddać energii, którą silnik musi wytracić. W najlepszym wypadku może skończyć się to na przeskokach na uzwojeniach silnika (odczucia jak ABS w samochodzie), natomiast w gorszych, można nie wyhamować, a także stracić równowagę.



Jak ładować do 80-85%

Standardowa ładowarka, dołączona do monocykla w zestawie, jest najprostszą, najtańszą możliwą ładowarką pozwalającą w rozsądnym czasie naładować monocykl. Przy czym czasami trudno mówić o rozsądnym czasie, gdy akumulator o pojemności 1680Wh może ładować się nawet do 13h. Aby przerwać ładowanie przy 80-85% należy wcześniej, na podstawie kalkulacji, wyznaczyć ten moment w czasie na podstawie mocy ładowarki i początkowego stopnia rozładowania akumulatora. Oczywiście, takie pilnowanie ładowania i ręczne rozłączanie go, jest dość uciążliwe.

Lepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie inteligentnych układów monitorujących proces ładowania, które mogą go przerwać w zdefiniowanym wcześniej momencie. Takie możliwości daje, np. osławiony już, Charge Doctor. Bazując na naszym wieloletnim doświadczeniu zbudowaliśmy nowoczesną, szybką (300W) ładowarkę z wbudowanym systemem monitorowania procesu ładowania. Nasza ładowarka umożliwia zaprogramowanie momentu rozłączenia ładowania w zakresie 80 - 100%. Więcej informacji tutaj:



Inteligentna szybka ładowarka 300W 67.2V dla King-Song, Gotway (wtyk 3 piny) -  KUP TERAZ

Inteligentna szybka ładowarka 300W 84V dla Gotway (wtyk 4 piny) -  KUP TERAZ

Inteligentna szybka ładowarka 240W 84V dla Inmotion V8 (wtyk Lenovo) -  KUP TERAZ



Przechowywanie akumulatorów

W większości krajów europejskich znajdzie się nawet kilka miesięcy w roku gdy korzystanie z monocykla elektrycznego jest dużym wyzwaniem i nie każdy ma ochotę to robić. Warto wtedy wiedzieć jakie warunki należy zapewnić aby zminimalizować spadek pojemności akumulatorów.

 

Przechowywanie baterii Li-Ion przez 1 rok

Temperatura

40% naładowania

100% naładowania

0°C

2% utraty energii

6% utraty energii

25°C

4% utraty energii

20% utraty energii

40°C

15% utraty energii

35% utraty energii

60°C

25% utraty energii

40%  utraty energii

(po 3 miesiącach)

 

Powyższa tabela przedstawia wyniki badań dotyczących przechowywania baterii litowo-jonowych. Z tych danych można wywnioskować że najlepiej jest przechowywać baterie naładowaną do około 40% w temperaturze 0 - 25 °C. Te wyniki nie świadczą o trwałym zużyciu baterii, a jedynie o utracie energii w trakcie przechowywania. Można jednak domniemać że proporcjonalnie do utraty energii, następuje niewielka, trwała utrata pojemności ogniw.



Autor: R1



Źródło:

Zestawienie Ogniw Litowo-Jonowych 18650

Dokumentacja ogniw LG 18650HG2

How to Prolong Lithium-based Batteries

Lithium ion Battery Aging

Skomentuj poprzez Facebook