Aktualne i przyszłe trendy w akumulatorach do rowerów elektrycznych

© bike-eu.com

Najpopularniejsze ogniwa stosowane w akumulatorach do rowerów elektrycznych to 18650 i 21700 oparte o technologię NMC (jest to rodzaj baterii litowo – jonowych, w których elektroda dodatnia składa się z niklu, manganu i kobaltu w różnych proporcjach, a elektroda ujemna jest grafitowa). Coraz więcej akumulatorów wykorzystuje większe rozmiary ogniw z kilku ważnych powodów, z których najważniejszym wynika z faktu, że do osiągnięcia pożądanej pojemności potrzeba mniej komórek. Aby osiągnąć pojemność blisko 10 Ah w 18650 potrzebne są trzy ogniwa połączone równolegle, podczas gdy 21700 będzie wymagał dwóch ogniw. Różnica w masie nie jest pomijalna - waga ogniw 18650 w konfiguracji 10S3P to około 1,5 kg, podczas gdy 21700 w konfiguracji 10S2P o podobnej energii jest o około 0,1 kg lżejsze. Ponadto, w akumulatorze o wyższym napięciu ta różnica będzie większa.

Również największa teoretyczna pojemność nominalna dla obudowy 18650 wynosi 3,5Ah, podczas gdy dla 21700 jest to 5,0Ah. Obecnie maksymalna grawimetryczna gęstość energii technologii NMC wynosi 250-260 Wh/kg. Zapowiedziano ogniwa o większej pojemności, ale tylko w rozmiarze 21700. Docelowo ma dojść do 5,5-5,65Ah, a być może nawet do 6Ah, co po zmniejszeniu zakresu napięć, pozwoli na wydłużenie całkowitej pojemności baterii lub cykli. Aby osiągnąć wyższą wydajność, obecnie dostawcy starają się wykorzystywać w ogniwach nowe pierwiastki, takie jak krzem, a także - aby zoptymalizować koszty - sód.

Optymalizacja mechaniczna

Każda część mechaniczna zwiększa wagę i rozmiar akumulatora. Baterie zintegrowane, które są ukryte obudowie, bardzo często mają konstrukcję blokową. Jeden blok zawiera górne i dolne uchwyty na ogniwa, 4-10 ogniw połączonych w odpowiedniej konfiguracji oraz złącza z zaciskami do podłączenia do następnej sekcji. Zwykle występują również dodatkowe izolacje, szynoprzewody lub przewody, które często są źródłem przegrzewania się i spadków napięcia.

Z kolei umieszczenie ogniw poprzecznie do najdłuższej osi wymaga tylko dwóch uchwytów ogniw, a prąd przepływa tylko przez złącza ogniw. Dodatkowy BMS można zamontować po jednej stronie pakietu rdzenia z łatwym dostępem do każdego punktu napięcia, dzięki czemu zestawy przewodów nie są już potrzebne. Akumulator jest lżejszy, ponieważ zawiera mniej elementów, a montaż jest łatwiejszy i szybszy.

Niebagatelny wpływ na wagę ma również sama obudowa. Obecnie najczęściej stosowanymi materiałami są aluminium i tworzywa sztuczne, natomiast użycie włókna węglowego powinno zmniejszyć masę akumulatora, chociaż zwiększa to koszt konstrukcji.

Obecnie przepisy europejskie zmierzają w kierunku ułatwienia naprawy akumulatorów i zapewnienia ich długiej żywotności, tak aby zmniejszyć wpływ na środowisko. W związku z tym nowe akumulatory będą prawdopodobnie łatwiejsze do naprawy przez osoby trzecie.

Funkcje BMS

Obecnie systemy zarządzania baterią to coraz bardziej złożone urządzenia o różnych funkcjach. Niemal każdy BMS w akumulatorach do e-rowerów zawiera takie funkcje jak:

- CANBus umożliwiający komunikację między wszystkimi elektronicznymi komponentami e-rowerów i wymianę informacji.

- monitorowanie stanu baterii (State of Health, SoH), niezbędne w analizie tempa degradacji baterii. Zazwyczaj akumulator o 80% początkowej pojemności jest uważany za niezdatny do dalszego funkcjonowania (End of Life, EoL).

- algorytm stanu naładowania (State of Charge, SoC) służy do oszacowania zasięgu e-roweru. Aby zwiększyć precyzję systemu SoC, obecnie istnieją algorytmy oparte na napięciu ogniw, temperaturze, SoH, przepływie prądu itp.

- algorytm SoP (State of Power), który służy do informowania sterownika silnika o maksymalnym prądzie, jaki może być pobrany z akumulatora w dowolnym momencie, zapewniając najlepszą wydajność, szczególnie przy niskim stanie naładowania.

- dodatkowe wyjścia do użytku z elementami takimi jak światła, ładowarki do telefonów i moduły GPS.

Co więcej, systemy BMS są teraz bezpieczniejsze niż kiedykolwiek wcześniej. Są wyposażone w podwójną ochronę, a ponadto zawierają takie elementy, jak analiza trybów i skutków awarii (Failure Mode and Effect Analysis, FMEA) oraz funkcjonalna analiza bezpieczeństwa.

Inteligentne ładowanie

W ostatnich latach producenci ładowarek dodali nowe funkcje do swoich gotowych rozwiązań. Obecnie akumulator i ładowarka komunikują się za pomocą dodatkowej magistrali. Zwiększa to bezpieczeństwo, ponieważ krytyczne parametry, takie jak napięcie i prąd, są mierzone przez obie części systemu i można je ze sobą porównywać. Jeśli różnica jest znacząca, ładowanie zostaje przerwane, ponieważ stan taki wskazuje na potencjalną awarię. Aby wydłużyć cykl życia, inteligentna ładowarka może ładować z ograniczeniem napięcia. Jeśli chcemy przechowywać akumulator przez długi czas bez użycia, istnieje możliwość naładowania akumulatora do 50-60% SoC, tak aby ograniczyć naturalną degradację ogniw.

Szybkie ładowanie to trend, możliwy dzięki zwiększeniu maksymalnego prądu ładowania. jednak szybkie ładowanie skraca żywotność baterii, co oznacza, że potrzebny jest kompromis. Na przykład maksymalny prąd może zostać wykorzystany do osiągnięcia 80% naładowania a następnie system może być przełączony na prąd standardowy.

Rodzaje akumulatorów do rowerów elektrycznych

Akumulatory do rowerów elektrycznych można podzielić na trzy grupy:

- O niskiej pojemności, do około 360 Wh

- O średniej pojemności, w przedziale 360 - 700 Wh

- O wysokiej pojemności, ponad 700 Wh

Akumulatory o niskim zużyciu energii są na ogół smukłe i lekkie, często prawie niewidoczne po integracji z konstrukcją e-roweru. System często współpracuje z systemem przedłużania zasięgu, a jednostka napędowa musi mieć ograniczenia mocy, ponieważ napięcie akumulatora spada pod obciążeniem.

Zastosowanie akumulatorów o dużej energii zapewnia duży zasięg i rezerwę energii na przeciążenie silnika. Zazwyczaj są one montowane w motocyklach terenowych, w których moc ma kluczowe znaczenie. Aby osiągnąć rozsądny czas ładowania, tego typu  akumulatory muszą być ładowane za pomocą ładowarki wysokoprądowej. Jest to też najdroższy rodzaj baterii. Nowym trendem w przypadku akumulatorów tego typu jest konfigurowanie akumulatora w taki sposób, aby z boku wyglądał bardziej smukło, ale był szerszy i dłuższy, aby zachować wysoką pojemność.

Baterie średniej mocy to kompromis pomiędzy wielkością, energią i ceną. Rynek jest obecnie nasycony akumulatorami o średniej mocy, więc producenci szukają możliwości wprowadzania innowacji, aby wyróżnić się na tle konkurencji. Jednak obecnie większość nowych trendów koncentruje się na dwóch pozostałych typach baterii.

Ogniwa LFP w rowerach cargo

Baterie LFP (w tej technologii elektroda dodatnia jest litowo-żelazowo-fosforanowa, a elektroda ujemna grafitowa) zapewnia dłuższą żywotność niż chemia NMC, a ponadto jest trwalsza. Sprawia to, że jest to odpowiednia chemia dla rowerów cargo, ponieważ są one przeznaczone do pracy, a nie do wypoczynku. Co więcej, baterie LFP oferują zwiększone bezpieczeństwo w porównaniu do chemii LFP. Z drugiej strony gęstość energii i napięcie nominalne są niższe, co oznacza, że akumulator musi być większy i cięższy.

Celem producentów jest opracowanie ogniw LFP o gęstości energii zbliżonej do ogniw NMC, tak aby mogły być wykorzystywane w coraz większej liczbie zastosowań, w tym także w standardowych e-rowerach używanych do celów rekreacyjnych.

Źródło: bike-eu.com

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!