ERK'2022, Portorož, 15-18 15 Baterijski paket za električ no kolo Rok Friš, Mitja Truntič Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, rač unalništvo in informatiko, Koroška cesta 46, 2000 Maribor E-pošta: rok.fris@um.si Battery pack for electric bicycle Abstract. This paper presents the process of design, implementation and testing of a battery back for an electric bicycle. Our motivation was to design a battery back for an electric bicycle, which will be used in a local competition. For a competitive performance, a battery pack requires sufficient capacity for a two-hour race and power capabilities for a short uphill race. In the second section, we present the mathematical calculations used to anticipate all the drag forces acting on a cycler and bicycle during driving. As a result, we calculated the required battery capacity and power. In the following, the battery pack assembly is presented. For implementation on the bicycle frame, a custom case was fabricated to house the battery pack, BMS unit and all belonging electronics. In the last section, full testing of battery pack performance is presented. The first test was a thermal analysis with a goal to identify any weak connections in the system. Another important test was a range test to determine bicycle range at different speeds. 1 Uvod V tem prispevku je predstavljeno nač rtovanje in izdelava baterijskega paketa za električ no kolo. Cilj je bil izdelati električ no kolo, ki presega zmožnosti komercialno prodajanih različ ic in bo konkurenč no na Tekmovanju v izdelavi kolesa s pomožnim električ nim pogonom in pedali, ki ga organizira Laboratorij za energetiko iz Fakultete za elektrotehniko, rač unalništvo in informatiko v Mariboru. Tekmovanje je razdeljeno na štiri kategorije: ocenitev tehnič ne rešitve, vožnja v strmi klanec, dvourna vzdržljivostna vožnja in premagovanje poligona. Slika 1. Električ no kolo V prispevku bodo najprej predstavljene uporabljene metode za določ itev potrebne kapacitete in največ je moč i baterijskega paketa. V nadaljevanju bo predstavljeno sestavljanje in montaža baterijskega paketa na kolo. Sledil bo preizkus delovanja baterijskega paketa in ocenitev dometa električ nega kolesa. 2 Nač rtovanje baterijskega paketa Prvi korak pri nač rtovanju baterijskega paketa je bila določ itev nazivne napetosti, ki je bila pogojena z izbranim moč nostnim pretvornikom. Ta je bil namenjen za povezavo na 48 V baterijski paket. Izbrana je bila tehnologija celic li-ion, saj nudi največ jo energijsko gostoto na enoto teže za dostopno ceno. Ugotovljeno je bilo, da se iz celic nazivne napetost 3,6 V lahko sestavi baterijski paket z vezavo 13. celic zaporedno, ki bo imel nazivno napetost 46,8 V. 2.1 Izrač un kapacitete baterijskega paketa Postopek je nadaljevan z izrač unom kapacitete baterijskega paketa, ki je potrebna za dvourno vzdržljivostno vožnjo. V tej kategoriji imajo ekipe na voljo dve uri č asa, da prevozijo č im več jo razdaljo, brez poganjanja pedal kolesa. Tekmovanje poteka na hipodromu na utrjeni pešč eni podlagi. Za določ itev hitrosti vožnje so bili uporabljeni rezultati zmagovalnih ekip iz preteklih tekmovanj. Ugotovljeno je bilo, da je ciljna hitrost kolesa 45 km/h. Potrebna kapaciteta je bila izrač unana z enač bami (1) – (22). Upoštevan je bil zrač ni upor in kotalno trenje s podatki pridobljenimi iz [2]. V enač bah so bili uporabljeni spodnji podatki: 1,184 – gostota zraka, 1,1 – koeficient zrač nega upora, 0,5 m – č elna površina kolesa in kolesarja, 45 – hitrost vožnje, 2 h – č as vožnje, 0,006 – koeficient talnega trenja, 80 kg – masa kolesarja, 30 kg – masa kolesa, 46,8 V – nominalna napetost baterijskega sklopa. Na zač etku so bile nekatere velič ine prilagojene v ustreznejše oblike. 45 km h 12,5 m s "1# 80 kg→ % 9,81 m s ∙80 kg785 N "2# 30 kg→ % 9,81 m s ∙30 kg294 N "3# V nadaljevanju je bil izrač unan zrač ni upor F u1 pri izbrani hitrosti vožnje. 16 % 1 2 = (4) = 1 2 ∙1,1∙1,184 kg m * ∙0,5 m ∙ +12,5 m s , =50,9 N Dobljen rezultat velja v primeru brezvetrja. Ker tekmovanje poteka na progi ovalne oblike, se v primeru vetra sila zrač nega upora na eni strani proge zmanjša, na drugi pa poveč a. V primeru enakomernega vetra se v povpreč ju dodatne sile iznič ijo. Pri izrač unu sile kotalnega trenja F k1 je bila predvidena masa kolesarja 80 kg in kolesa 30 kg. % - = (% +% )=0,006∙ (785 N+294 N )= (5) =6,5 N V primeru slabe ocene skupne mase se izrač unana vrednost bistveno ne spremeni. V primeru dodatnih 30 kg se bo F k1 poveč al za 1,8 N. Ker je tekmovalna podlaga makedam, je bilo izrač unani sili trenja v (5) dodanih še 50 % vrednosti. V (6) je predstavljena kot sila kotalnega trenja z rezervo F kr. % -/ =% - ∙150 %=6,5 N∙1,5=9,8 N (6) Sile, ki delujejo med vožnjo dobljene iz (4) in (6) so bile seštete v skupno zaviralno silo F z1. % 1 =% +% -/ =50,9 N+9,8 N=60,7 N (7) Potrebna moč elektromotorja P 1, ki je potrebna za vzdrževanje želene hitrosti, je bila izrač unana v (8). 2 =% 1 =60,7 N∙12,5 m s =759 W (8) Ker je na zač etku bilo predpostavljeno, da je potrebna konstantno moč , lahko potrebno energijo W preprosto izrač unamo na naslednji nač in. 4 =2 ∙ =759 W∙2 h=1518 Wh (9) Pri (9) niso upoštevane izgube celotnega sistema prenosa energije iz baterijskega paketa na pogonsko kolo. Zato je bil predpostavljen 85 % izkoristek sistema in to upoštevano pri izrač unu realne potrebne energije W real. 4 /567 = 4 85 % = 1518 Wh 0,85 =1786 Wh (10) Zaradi varnostnega faktorja pred napač nimi predpostavkami v prerač unih (2) – (10) je bilo k izrač unani realni energiji W real dodanih še 20 % rezerve. Ta je bila poimenovana energija z rezervo W rez. 4 /51 =4 /567 ∙120 %=1786 Wh∙1,2 (11) =2143 Wh Dobljena energija z rezervo v (11) je bila pretvorjena v kapaciteto C b, kar je tudi podan podatek pri nakupu baterijskih celic. 8 9 = 4 /51 = 2143 Wh 46,8 V =45,8 Ah (12) Konč ni rezultat tega prerač una je potrebna kapaciteta baterijskega paketa 45,8 Ah. Zaradi več jega števila uporabljenih predpostavk je dobljen rezultat natanč en le do neke mere. Zato so bile med koraki rač unanja uporabljene več je rezerve. 2.2 Izrač un toka baterijskega paketa Za določ itev ustreznih parametrov baterijskega paketa, je bil še potreben podatek o maksimalnem toku, ki ga mora zagotavljati. V tekmovalni kategoriji vožnja v klanec je izziv premagati 200 m dolg klanec z naklonom 18 % v č im krajšem č asu. Kot izhodišč e so bili ponovno uporabljeni rezultati tekmovanj iz prejšnjih let. Ugotovljeno je bilo, da je potrebna hitrost vožnje v klanec v k 38 km/h ali 10,6 m/s. Izrač un maksimalne moč i baterijskega paketa je bil zač et z izrač unom kota klanca α . ; =tan ? (18 %)=10,2 ° ( 13) Iz dobljenega podatka α je bila izrač unana zaviralna sila na klancu F zk in sila podlage na kolo F p. % 1- =sin;∙% B =sin;∙ (% +% )= (14) =sin10,2 °∙ (785 N+294 N )=191 N % C =cos;∙% B =cos;∙ (% +% )= (15) =cos10,2 °∙ (785 N+294 N )=1062 N Postopek je bil nadaljevan z izrač unom sile zrač nega upora F z2, kjer je bil ponovljen prerač un (4), in kotalnega trenja F k2, kjer je bila kot sila podlage uporabljena F p. % = 1 2 - = (16) = 1 2 ∙1,1∙1,184 kg m * ∙0,5 m ∙+10,6 m s , =36,6 N % - = // ∙% C =0,006∙1062 N=6,4 N (17) Izrač unane sile so bile seštete v skupno zaviralno silo F z2. Dodana je bila še zaviralna sila na klancu F zk, ki deluje zardi gravitacijskega pospeška. % 1 =% +% - +% 1- = (18) =36,6 N+6,4 N+191 N=234 N V naslednjem koraku je bil izrač unan navor M, ki ga mora zagotavljati pogonsko kolo za vzdrževanje izbrane hitrosti pri vožnji v klanec. Upoštevan je bil premer kolesa R = 0,7 m. F =% 1 ∙ G 2 =234 N∙ 0,7 m 2 =81,9 Nm (19) Za izrač un potrebne moč i elektromotorja P 2 je bil zmnožen navor M in kotna hitrost ω kolesa. 2 =F∙H =2∙F∙ G = (20) =2∙81,9 Nm∙ 10,6 m s 0,7 m =2480 W Pri dobljenem rezultatu potrebne moč i motorja je bil še upoštevan izkoristek sistema 85 % za dobljen rezultat realne moč baterijskega paketa P real. 2 /567 = 2 85 % = 2480 4 0,85 =2918 4 (21) Podatki o moč i baterijskega paketa so bili pretvorjeni v potreben tok I real, ki ga mora baterijski paket zagotavljati pri nazivni napetosti. I /567 = 2 /567 = 2918 W 46,8 V =62,4 A (22) Rezultat tega poglavja je maksimalni konstantni tok 62,4 A, ki ga mora baterijski paket zagotavljati. Ta podatek bo v nadaljevanju uporabljen za izbiro primernih baterijskih celic. 2.3 Izbira baterijskih celic Z razvojem baterijske tehnologije li-ion so na trg prišle celice v različ nih oblikah. Najpogosteje uporabljana je 17 celica z oznako 18650, kar pomeni premer 18 mm in dolžina 650 mm. Zaradi enostavne dostopnosti je bila izbrana ta velikost. V tabeli 1 so predstavljene štiri različ ne celice proizvajalca Samsung enakih velikosti. Tabela 1. Primerjava baterijskih celic Model CB [mAh] IMAX [A] IPULZ [A] INR18650-20R 2000 22 38 INR18650-25R 2500 20 35 INR18650-30Q 3000 15 26 INR18650-35E 3500 8 13 Kot prikazano, tokovne sposobnosti celic padajo z narašč anjem kapacitete. Zaradi tekmovalne kategorije vzdržljivostne vožnje je bil sprejet kompromis, da je v tem primeru pomembnejša kapaciteta baterijskega paketa kot velike tokovne sposobnosti. Izbrane so bile celice INR18650-35E s kapaciteto 3500 mAh. Ciljna kapaciteta baterijskega paketa je 45,8 Ah, č emur se je mogoč e približati z vezavo 13. celic vzporedno, kar znaša 45,5 Ah. Tokovne sposobnosti predlagane vezave so do 104 A konstantne obremenitve in 169 A kratkotrajne, kar presega zahteve določ ene v poglavju 2.2. Iz podatkovnega lista proizvajalca so bile pridobljene informacije o polnilnem toku predlagane vezave baterijskih celic. Ta je do 13,2 A za normalno polnjene in do 26 A za hitro polnjenje. Na zač etku poglavja 2 je bila določ ena vezava 13. celic zaporedno za doseganje želene napetosti. Iz zahtevane kapacitete je bila nato določ ena še vezava 13. celic vzporedno in tako dobljen baterijski paket vezave 13S13P s 169 celicami. 3 Implementacija baterijskega paketa Pri oblikovanju baterijskega paketa je bila oblika prostorsko omejena z obliko okvirja kolesa ter željo po optimalni razporeditvi teže. Tako je bil paket umešč en v sredino okvirja kolesa, pomaknjen č im bolj naprej. Pri sestavi paketa je bil uporabljen šest kotni distanč nik za bolj kompaktno postavitev celic. To je posledič no povzroč ilo slabšo hlajenje celotnega paketa, kar je bilo ocenjeno, da ne bo problematič no, saj bo baterijski paket več ino č asa deloval s tokovi do 10 A. Višji tokovi pomenijo moč no pospeševanje ali zelo hitro vožnjo, ki ne mora trajati dlje č asa. Slika 2. Sestavljen baterijski paket Sestavljen baterijski paket prikazuje slika 2. Za povezavo celic so bile uporabljene lasersko izrezane plošč e iz nikljeve zlitine, ki so bile toč kovno privarjene na posamezne celice. Sestavljen paket je tehtal 8,2 kg. Za zašč ito baterijskega paketa in umestitev na kolo je bilo izdelano temu namenjeno ohišje iz tehnič ne plastike, ki je prikazano na sliki 3. Na okvir kolesa je bilo pritrjeno na treh toč kah z jeklenimi nosilci, ki hkrati podpirajo težo baterijskega paketa. Oblikovanje je bilo omejeno s širino ohišja, saj to ne sme ovirati kolesarja med poganjanjem koles s pedali. Zastavljena je bila omejitev na maksimalno dovoljeno širino 150 mm, konč no ohišje je zoženo na 95 mm. Med baterijski paket in ohišje je bila dodana blažilna pena za enakomernejšo porazdelitev sil med vožnjo in blažitev tresljajev. Nad baterijskim paketom je nosilna plošč a iz tanke ploč evine na kateri je BMS enota in druga podporna elektronika. V primeru padca kolesa na stran, baterijski paket zadržijo stranski nosilci za pritrditev stranic ohišja, v primeru poskakovanja med vožnjo nudi oporo nosilna ploč evina nad paketom. Stranice baterijskega paketa so bile na koncu oblepljene z izolacijskim papirjem za prepreč itev morebitnih kratkih stikov pri delu. Slika 3. Baterijski paket v ohišju Konč ana implementacija baterijskega paketa na kolo z oddanim elektromotorjem v zadnjem kolesu in moč nostnim pretvornikom je prikazana na sliki 1. Dodatek baterijskega paketa z ohišjem na kolo je dodal 15 kg mase. Po dodanem elektromotorju je skupna masa kolesa znašala 35,3 kg. Težišč na os je pri tem bila premaknjena za 3,9 cm nazaj, kar bistveno ne vpliva na vodljivost kolesa. 4 Testiranje delovanja Pred prvo uporabo baterijskega sklopa za pogon električ nega kolesa so bili izvedeni testi, ki so potrdili pravilno delovanje sistema. Testiranje je zajemalo termič no analizo ob obremenitvi paketa z višjimi tokovi, delovanje izklopa v sili, izvedbo cikla polnjenja, meritev kapacitete in ocenitev dometa kolesa s kombinacijo terenskega in laboratorijskega testa. 4.1 Testiranje termike Test termike je bil izveden s postopnim več anjem toka baterijskega paketa od 1 do 35 A č ez daljše č asovno obdobje. Ambientalna temperatura je bila 22 °C. Ob vsakem višanju toka je bilo stanje sistema preverjeno s toplotno kamero ob pozornosti na vroč e toč ke, ki bi se pojavile ob slabem kontaktu. Več ja pozornost je bila usmerjena v segrevanje toč kovnih zvarov med baterijskimi celicami in plošč ami iz nikljeve zlitine. Na sliki 4 je termalna slika sistema ob obremenitvi 35 A po 15 min delovanja v zadnji fazi testiranja. Baterijske celice so dosegle temperaturo približno 40 °C, kar je zadovoljiv rezultat, saj je najvišja dovoljena 18 temperatura 60 °C. Povezovalne plošč e med celicami so prikazane kot hladna mesta, vendar je zaznava kamere napač na zaradi svetleč e odbojne površine. Ostale vroč e toč ke nad baterijskim paketom na sliki 4 so releji pri delovni temperaturi. Slika 4. Termalna slika obremenjene baterijske paketa 4.2 Cikel polnjenja Prvi cikel polnjenja je bil izveden podobno kot termič ni test. Polnilni tok je bil postopoma povišan od 1 do 10 A in pri tem je bil sistem opazovan s termič no kamero. Med delovanjem je bila spremljana napetost celic, ki je na zač etku odstopala za 0,1 V, proti koncu pa le za nekaj milivoltov, saj je BMS izenač il napetosti vseh celic. 4.3 Meritev energije Meritev energije je bila izvedena z namenom ugotovitve realne energije shranjene v baterijskem paketu. Oglaševana kapaciteta posamezne celice INR18650-35E je 3500 mAh, vendar ob pregledu podatkovnega lista [3] opazimo, da je minimalna zagotovljena 3350 mAh. Test je bil izveden po navodilih proizvajalca s praznjenjem vsake celice s konstantnim tokom 680 mA. Zaradi vezave 13. celic vzporedno je bil uporabljen praznilni tok 8,84 A. Izvedena sta bila dva testa. Prvič so bile uporabljene priporoč ene nastavitve za dolgo življenjsko dobo celic. To pomeni, da so bile njihove napetosti omejene med 4,1pV in 3,0 V. Izmerjeno je bilo 1646 Wh porabljene energije, kar je 77,3 % do teoretič ne energije 2129 Wh. Drugi test je bil izveden z napetostnimi limitami med 4,2 V in 2,65 V, kar so mejne dovoljene vrednosti iz podatkovnega lista [3]. Izmerjeno je bilo 1956 Wh porabljene energije, kar je 18,8 % več kot pri prvem testu in je 91,9 % teoretič ne energije. Funkcija nastavljanja napetostnih limit bo posebej koristna na tekmovanju, saj bo mogoč e iz baterijskega paketa dobiti več energije za ceno življenjske dobe celic. Ker BMS enota zašč iti baterijski paket z odklopom, ko ena od celic doseže minimalno napetost, bo nekaj energije vedno ostalo neporabljene v preostalih celicah. To je možno potrditi s podatki izmerjenimi tik pred odklopom. Celica z najnižjo napetostjo je imela 2,663 V, medtem ko je celica z najvišjo napetostjo imela 2,774 V. 4.4 Testiranje dometa Testiranje dometa je bilo izvedeno s kombinacijo terenskega in laboratorijskega testa. Iskan je bil podatek o dometu kolesa pri različ nih hitrostih na ravni asfaltni površini. Zaradi več urnega trajanja vsakega testa je bila uporabljena kombinirana izvedba testa, predstavljena v nadaljevanju. Izbran je bil ravni del asfaltirane ceste z dolžino 2,5 km na katerem je bil izveden terenski del preizkusa. Vožnja je potekala s konstantnimi hitrostmi v obe smeri in pri tem je bila merjena potrebna moč elektromotorja. Z vožnjo v obe smeri je bil nekoliko iznič en vpliv rahlega vetra in hribovitost ceste. Izrač unana je bila povpreč na moč pri vsaki vožnji in to je bilo uporabljeno za nadaljevanje laboratorijskega testa. Ta je potekal s priključ itvijo baterijskega paketa na breme konstantne moč i, ki je bilo nastavljeno na prej izmerjeno moč . Rezultati so predstavljeni v sliki 5. Slika 5. Domet kolesa pri različ nih hitrostih Dobljeni rezultati prikazujejo hitro padanje dometa z narašč anjem hitrosti vožnje. Ob analizi enač b (4) in (8) je razvidno, da se hitrost pojavi pod tretjo potenco, kar je razlog za eksponentno več anje zrač nega upora pri narašč anju hitrosti. Vsi testi so bili izvedeni z limitami napetosti celic do 4,1 V do 3,0 V. Ob premiku limit na skrajne meje bi lahko domet še nekoliko izboljšali. 5 Zaključ ek V tem prispevku je opisan proces nač rtovanja baterijskega paketa za električ no kolo, njegova implementacija in testiranje. S teoretič nimi prerač uni so bile ocenjene potrebne karakteristike paketa in tudi upoštevane pri izdelavi. Ti so se izkazali za ustrezne saj je bila z izvedenimi testi potrjena ustreznost baterijskega paketa za konkurenč nost na omenjenem tekmovanju. Literatura [1] Friš R. Snovanje baterijskega sklopa in elektronike za električ no kolo, Maribor. FERI, 2021. [2] Gross A., Kyle C., Malewicki D., The Aerodynamics of Human-powered Land Vehicles. ZDA: Scientific American, 1983. Dostopno na: http://www.zzipper.com/ documents/HPV_Paper.pdf [21.6.2022]. [3] Samsung. Specification of product: INR18650-35E. Dostopno na: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1266159/ Samsung/INR 18650-35E/1 [27.6.2022].