Выбор тяговой литиевой батареи – важный этап в процессе модернизации электротранспорта. Если она не соответствует трансмиссии, то желаемая мощность и дальность хода могут быть не достигнуты. Также появляется риск повреждения двигателя, контроллера или самого аккумулятора.
Конструкцию аккумуляторной батареи определяют следующие факторы:
- требуемая дальность хода, а в случае с рабочей техникой – время автономной работы;
- мощность двигателей транспортного средства;
- свободное место, необходимое для установки в машину;
- рекомендуемая рабочая температура;
- требования к безопасности.
Дальность хода
Сначала нужно определить теоретический запас хода или времени автономной работы, чтобы перевести его в емкость в кВт·ч. Это ключевое требование для выбора аккумуляторной батареи. Например, если электромобиль расходует 0,2 кВт/ч на км, то можно рассчитать емкость, достаточную для желаемой дальности пробега. Для этого умножаем количество километров на 0,2 и получаем приблизительную оценку минимальной емкости будущей литиевой батареи.
Расчет мощности
Размер и тип литий-ионной батареи выбираются исходя из количества энергии, необходимой транспортному средству. Максимальный ток разряда зависит от пиковой мощности двигателя, а ток непрерывного разряда – от постоянной мощности, поддерживаемой двигателем во время работы. Поэтому ищем ответы на следующие вопросы:
- Какова пиковая выходная мощность двигателя?
- Какой пиковый ток будет потреблять двигатель?
Эти два вопроса определяют максимальный разрядный ток батареи.
- Сколько энергии будет потребляться постоянно? Ответ на этот вопрос определяет значение непрерывного разрядного тока.
При последовательном соединении аккумуляторов указанные выше значения считаются максимальными для каждого из них. Если два или более аккумуляторов соединяются параллельно друг другу, то для расчета максимального тока разряда аккумуляторного блока необходимо умножить значения токов разряда на количество параллельно подключенных аккумуляторов.
Пример 1: Если 20 аккумуляторов с пиковым разрядом 30А и непрерывным разрядом 15A соединены последовательно в один блок, то его:
- максимальный разрядный ток: 1 x 30A = 30A;
- непрерывный разрядный ток: 1 x 15A = 15A.
Пример 2: Если 20 аккумуляторов с пиковым разрядом 30А и непрерывным разрядом 15A соединены последовательно в четыре параллельных блока, то для всей аккумуляторной батареи:
- максимальный разрядный ток: 4 x 30A = 120A;
- непрерывный разрядный ток: 4 x 15A = 60A.
Ограничения размера литий-ионной батареи
Доступное пространство для размещения батареи может влиять на выбор ее химического состава. Например, литий-ионные элементы NCA отличаются более высокой плотностью энергии, чем LiFePO4. Это означает, что при аналогичном размере они содержат больше энергии.
Доступность свободного места также важно учитывать при проектировании. Конструкция аккумуляторного отсека часто представляет собой настоящую головоломку.
Ход действий следующий:
- Исходя из требуемой мощности выберите элементы или аккумуляторы, которые вы собираетесь использовать.
- Рассчитайте, сколько элементов или аккумуляторов нужно подключить параллельно для достижения требуемой мощности. Количество рядов элементов должно быть кратно количеству элементов, которые находятся параллельно друг другу, иначе будет сложно все подключить.
Напряжение определяет общую емкость и мощность аккумуляторного блока. Если двигатель и контроллер уже выбраны, то величина нужного напряжения известна. Каждый последовательно подключенный аккумулятор увеличивает общее напряжение.
Рабочая температура и химический состав
В каком диапазоне температур окружающей среды будет эксплуатироваться транспортное средство? Если придется иметь дело с температурами ниже 0°C, то важен химический состав ячеек.
Для электрического транспорта подходят такие типы литий-ионных аккумуляторов, как NCA, NMC, LFP. Рабочие температуры элементов NCA находятся в пределах от +10°C до 60°C, а LFP – от -20°C до +60°C. Если температуры ниже 0°C обычное явление в вашем регионе и отсутствует место для установки системы обогрева, то элементы LFP (LiFePO4) подходят больше. В иных случаях предпочтение отдается другим Li-Ion батареям с большей плотностью энергии.
Однако стоит помнить, что высокая плотность энергии ухудшает безопасность, особенно при перегреве аккумуляторных ячеек. Если температура поднимается выше 60°C, то возрастает риск возгорания или взрыва. Для элементов NCA критическая температура нагрева составляет 150°C, однако тепловой разгон может произойти даже при 65°C. Критические температуры для NMC и LFP составляют 210°C и 270°C соответственно, поэтому они лучше с точки зрения безопасности. Важно всегда держать литиевые аккумуляторы в диапазоне рабочих температур, чтобы не снизить их срок службы и производительность.