KOMPAKTOWY AKUMULATOR ELEKTRYCZNY LITOWO-JONOWY DO ZASILANIA URZĄDZEŃ I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH MAŁEJ MOCY.

Po zbadaniu rynku akumulatorów do zasilania wspomagania napędów elektrycznych niewielkiej mocy okazało się, że nie wybór jest niewielki. Dostępne są dedykowane rozwiązania pod konkretne napędy a jak już znajdziemy akumulator "uniwersalny" o odpowiednich parametrach to jego cena przeraża. Postanowiłem więc zaprojektować uniwersalny akumulator do moich potrzeb dostosowany.

 

Oczekiwania:

  1. Pojemność – przynajmniej 0,3 kWh.
  2. Włączalność – zależy mi żeby dało się akumulator uruchamiać i wyłączać najlepiej jednym przyciskiem.
  3. Wysokoprądowość – Musi dać się zasilić odbiornik o mocy do 1,5 KW
  4. Miernik pojemności – akumulator powinien mieć monitor pojemności oparty co najmniej na 4 wskazaniach (powyżej 75%, 50%, 25% i poniżej 25%)
  5. Akumulator powinien być zabezpieczony przed nadmiernym rozładowaniem, w końcowej fazie rozładowywania sam powinien ustalać moc dopuszczalną (chodzi o to aby nie odciąć raptownie zasilania bo może to nie być bezpieczne), a dopiero gdy napięcie na którejkolwiek z cel spadnie poniżej dopuszczalnego poziomu powinien sie wyłączyć.
  6. Akumulator powinien posiadać zabezpieczenie prądowe – wyłączyć się trwale gdy prąd będzie większy od dopuszczalnego
  7. Akumulator powinien posiadać zabezpieczenie przed próbą ładowania nadmiernym prądem.
  8. Akumulator powinien posiadać zabezpieczenie przed rozładowaniem i przeładowaniem dla każdej celi osobno.
  9. Powinien być wyposażony w uniwersalny system mocowań pozwalający zamontować go na kilka sposobów umożliwiając szybkie wyjęcie bądź wymianę na inny.
  10. Akumulator powinien się wyłączyć w przypadku upadku.
  11. Akumulator powinien być odporny na wodę (najlepiej zanurzenie do 1m) i kurz.
  12. Układ sterowania akumulatora powinien być odporny na czynniki zewnętrzne, powinien pracować w dużym zakresie temperatur (od -25 do +60 st.C).

 

Projekt zacząłem od poszukiwań układu kontroli akumulatora - BMS - Battery Management Systems (w wolnym tłumaczeniu jest to układ zarządzania poszczególnymi celami akumulatora). Jest kilka firm na świecie, które produkują i sprzedają takie układy. Zależało mi na regulacji prądu balansowania w zależności od pojemności i napięcia a także rodzaju zastosowanych ogniw. Chciałem też żeby układ był włączalny, żeby dało się nim załączyć akumulator. Nie znalazłem na rynku takiego BMSa ponad to istniejące BMSy ni jak nie pasowały mi do nowo zaprojektowanej kompaktowej obudowy. Należało więc taki układ od podstaw zaprojektować.

Po nitce do kłębka.
Projektując, wykonując i testując kolejne elementy akumulatora doszedłem w końcu (niestety po dość długim czasie) do modelu, który spełnia moje oczekiwania a zbudowany jest tak:

Obudowa.
Obudowa zaprojektowana jest tak żeby była jak najbardziej kompaktowa i wytrzymała jednocześnie. Posiada na narożach 4 uchwyty mocowania. Pewnie trzyma się dowolnej ramy roweru jeśli wykorzystamy tylko dwa przeciwległe uchwyty. W wersji prototypowej pudełka obudowy wykonywane są jako odlewy ze specjalnej żywicy poliestrowej podobnej do polipropylenu. Model obudowy na formę wykonywany był różnymi technikami wydruku 3D i wykończony ręcznie stąd jakość wizualna gotowego elementu pozostawia nieco do życzenia ale funkcjonalnie prototyp spełnia wszystkie wymagania. Obudowa skręcona jest czterema solidnymi wkrętami ze stali nierdzewnej i uszczelniona oringiem na całej powierzchni styku.

System mocowań.
System mocowań był projektowany tak, żeby dało się akumulator pewnie przymocować do dowolnej rury o średnicy od 30 co 50mm (środek ramy roweru, rura sterowa hulajnogi, rura podsiodłowa roweru i inne).

Założenie było takie, żeby raz mocowanie było pewne, dwa nie zajmowało dużo miejsca, trzy dało się go wykorzystać nawet przy rurach wzdłuż których idą linki, cztery było estetyczne, pięć nie posiadało ostrych czy wystających elementów, sześć żeby było bezpieczne dla rury i nie uszkadzało jej w żaden sposób tak w trakcie jego mocowania jak i w eksploatacji siedem żeby dało się łatwo wyjmować i zakładać akumulator.

Tym sposobem system mocowań przechodził ewolucję podczas całego okresu projektowania akumulatora i nawet wersja przedstawiona na zdjęciach nie jest jeszcze ostateczną choć funkcjonalnie spełnia swoje zadanie.

Innowacją w tym systemie jest sposób mocowania elementu trzymającego się rury za pomocą cienkiej plecionki nylonowej. Sposób przetestowany na różne sposoby, sprawdza się idealnie.

Jedyną wadą tego systemu jest fakt, że po zdjęciu akumulatora elementy mocowania zostają na ramie roweru, żeby je zdjąć należy rozpleść linkę mocującą. Nie ma możliwości zdejmowania i zakładania ich na szybko. Może to komuś przeszkadzać jednak według mnie jest w to akceptowalne. Elementy te są malutkie, nie przeszkadzają w niczym, poprostu są.

Akumulator można też przymocować w inny dowolny sposób na przykład do bagażnika rowerowego za pomocą linki elastycznej.

Ogniwa.
Wersje testowe zostały wykonane na bazie wysokoprądowych ogniw litowo jonowych firmy Samsung model 22P. Sprawdzają się wyśmienicie.
Ogniwa zgrzane są w pakiet.

Monitor stanu naładowania.
Monitorek posiada wystawione 4 diody (4 >75%, 3 >50%, 2 >25%, 1<25%).

Załączanie.
Jeden przycisk typu TACT o średnicy 6mm lekko wystający poza obudowę, uszczelniony oringiem. Włączanie i wyłączanie odbywa się jednym przyciskiem.

BMS.
BMS składa się z dwóch niezależnych elementów, płytki monitorującej poszczególne cele i plytki głównej załączającej zasilanie, na której umieszczona jest również kontrola natężenia ładowania i rozładowania.

Płytka monitorująca posiada 16 niezależnych sekcji dzięki czemu możliwe jest monitorowanie akumulatora posiadającego od 1 do 16 cel. Kontrola prądu balansowania od 0 do 1000mA w zależności od użytego rezystora. Całość w pełni analogowa, bardzo odporna na czynniki zewnętrzne. Układ nie ma prawa się zawiesić bo nie jest sterowany żadnym procesorem.

Płytka główna.
Płytka główna również w pełni analogowa. Działa zawsze, w każdych warunkach, układ bardzo trudny do uszkodzenia. Załączenie zasilania następuje poprzez wysokoprądowe tranzystory mocy typu MOSFET.

Sterownik posiada zabezpieczenia:

  • przed nadmiernym rozładowaniem którejkolwiek celi – współpraca z płytką monitorującą
  • przed zbyt wysokim prądem rozładowania
  • przed zbyt wysoką temperaturą wewnątrz obudowy
  • przed zbyt wysokim prądem ładowania

Dodatkowo układ działa tak, że w przypadku gdy akumulator osiąga minimalną dopuszczalną pojemność zmniejszona zostaje moc wyjściowa ale nadal działa. Informuje to użytkownika, że trzeba się zatrzymać i naładować akumulator bo dalsze jego używanie doprowadzi do całkowitego rozłączenia zasilania.

Jeśli na przykład z tego samego akumulatora wzięte jest zasilanie oświetlenia to mamy pewność, że światło nagle nie zgaśnie gdy akumulator zostanie rozładowany.

Ładowanie.
Akumulator ładować można dowolną ładowarką do akumulatorów li-ion o napięciu dostosowanym do wersji akumulatora i maksymalnym prądzie ładowania określonym dla danej wersji. Dostępne ładowarki mają w większości przypadków niższy prąd ładowania niż prąd dopuszczalny dla danej wersji akumulatora. W przypadku użycia modelarskich ładowarek wysokoprądowych, gdy dopuszczalny prąd ładowania zostanie przekroczony sterownik akumulatora sam zadba o ograniczenie prądu ładowania, jeśli dopuszczalny prąd na wejściu przekroczony zostanie dwukrotnie proces ładowania zostanie przerwany.

Akumulator posiada oddzielne gniazdo ładowania dzięki czemu nie trzeba rozpinać zasilania. Akumulator można ładować gdy jest włączony oraz gdy jest wyłączony.

Parametry akumulatorów testowych.

Napięcie Pojemność Prąd roboczy do Moc robocza do
25,9V 390Wh 60A 1554W
37V 397Wh 40A 1480W
48V 413Wh 30A 1440W

Istnieje możliwość wykonania akumulatora o napięciu 60V w tej samej obudowie ale na ta wersja póki co nie została zaprojektowana.

Masa gotowego akumulatora.
Akumulator waży do 3 kg w zależności od wersji.

Testy praktyczne.
Wersja 48V używana jest w rowerze z silnikiem elektrycznym w piaście koła przedniego. Jest to silnik przekładniowy BLDC o mocy 500W. Masa roweru 14,5 kg, masa napęd + akumulator – 6kg, masa rowerzysty 80 kg.

Zasięg na samym akumulatorze około 30km. Zasięg z użyciem siły mięśni rowerzysty około 40km. Po przejechaniu 1200 km nie widać żadnych problemów z akumulatorem jak i elektroniką sterującą. Użyte ogniwa sprawują się bardzo dobrze. Spadek mocy napędu odczuwalny jest dopiero gdy kończy się energia akumulatora. Mocowania akumulatora nadal trzymają pewnie, mimo że około połowa przejechanego dystansu odbyła się w terenie.