ELEKTRITÕUKERATAS – AKU KIIRKURSUS
Aku on elektritõukeratta süda, mis moodustab seadme väärtusest tavaliselt vähemalt poole ning määrab ära masina kõige olulisemad jõudluse parameetrid nagu läbisõit ühe laadimisega, kaudselt ka võimsuse ja kiiruse. See kiirkursus aitab mõista paremini akut, selle tehnilisi eripärasid ja on abiks, kui on eesmärk valida endale sobiva akuga elektritõukeratas. Siit leiad kasulikku infot selle kohta, et millest koosnevad akud, mis on akumoodulid ja mida need sisaldavad, mis on aku haldussüsteem (inglise keeles battery management system ehk BMS), kuidas hoida, laadida akut ja säilitada selle eluiga.
Elektritõukeratas ja aku
Elektrienergia on elektritõukeratta kütus ning aku on justkui kütusepaak. Akus salvestunud elektrienergiat saab kasutada harjadevabades alalisvoolumootoritest, tuledes, kontrollerites ja muudes lisades, millega elektritõukeratas on varustatud.
Suurem osa elektritõukeratastel on kasutusel liitium-ioon (Li-Ion) akud. Liitium-ioon akupaki eeliseks on suurepärased tehnilised omadused, nimelt on liitium-ioon akud väga hea energiatihedusega ja pika elueaga.
Liitium-ioon akud koosnevad moodulitest ja akupaki haldussüsteemist (BMS). Viimase eesmärk on reguleerida aku korrektset töötamist. BMS kontrollib pidevalt aku töö temperatuuri, balansseerib mooduleid ning lülitab väljundist välja toitepinge lühise või mõne teise rikke korral.
Suured akud mahutavad rohkem mooduleid, mistõttu on need ka suurema elektrienergia mahutavusega. Akupaki mahtuvuse mõõtmiseks kasutatakse watt-tundi (Wh) ühikut. Suurema mahtuvusega akuga elektritõukeratas on kahjuks ka kaalult raskem ning tihti keerulisem transportida.
Üldjoontes on aku kõige kallim komponent mida elektritõukeratas sisaldab. Kui elektritõukeratas vajab akupaki vahetamist, siis tuleks üldjoontes arvestada, et vahetus võib maksma minna umbkaudselt pool elektritõukeratta ostuhinnast.
Akutüübid
Elektritõukeratas on varustatud üldjuhul akuga, mis koosneb moodulitest. Üldiselt on kasutusel 18650 standardmõõdus moodulid või rahvale tuntavas keeles, patareid. Samuti on uuemad elektritõukerattad varustatud suuremate, 21700 mõõdus moodulitega, mis võimaldavad ehitada suurema mahtuvusega akupakke ilma ruumis kaotamata. Mooduleid leidub erinevates suurustes ning suuruste markeerimiseks kasutataksegi vastavaid numbreid. Näiteks 18650 markeeringuga mooduli mõõtmed on 18mm x 65mm.
Iga 18650 moodul akus on üsnagi vähese jõudlusega (võrreldes sellega, mida elektritõukeratas liikumiseks vajab), andes välja ~3.6V ja mahutavuse ~2.6Ah, ehk watt-tundides ~9.4Wh.
Täis laetud mooduli pinge on umbes 4.2V (100% laetult) ja tühjas olekus 3.0V (0%).
Liitum-ioon
Liitium-ioon moodulid on enda suuruselt suurepärase energiatihenduse ja mahutavusega. Ühtlasi on moodulil pikk eluiga, mis on oluline, et elektritõukeratas kui transpordivahend säilitaks oma keskkonnasõbralikkuse. Moodulit saab ilma mahutavuse märgatava kaota laadida mitmeid kordi. Enamasti on tänapäevaste Li-Ion aku moodulite eluiga määratletud 500 laadimistsükliga 0-100%, mille möödudes akupakk säilitab 70% oma algsest mahtuvusest.
Liitiumakudes kasutatakse erinevaid kemikaale:
- Liitium mangaanoksiid (LiMn2O4)
- Liitium magneesium nikkel (LiNiMnCoO2)
- Liitium nikkel koobalt alumiiniumoksiid(LiNiCoAlO2)
- Liitium nikkel koobaltoksiid (LiCoO2)
- Liitium koobalt oksiid(LiCoO2)
- Liitium raud fosfaat (LiFePO4)
Iga keemiline element omab endale kohaseid karakteristlikke eripärasid.
Liitium magneesium
Liitium magneesium akud on keemiliste omaduste poolest kõige ohutumad. Elektritõukeratas mis on varustatud liitium magneesium akuga, on kõrge mahutavusega ja voolutugevusega.
Magneesium vähendab moodulite sisepinget. Nii väljub moodulitest rohkem voolu, hoides temperatuuri madalana. Ühtlasi seetõttu väheneb ka tõenäosus termolüüsi tekkiks ning väheneb risk, et elektritõukeratas leiab oma lõpu põlengu tõttu.
Pliihape
Pliiakusid leidub peamiselt suurtemates sõidukites, näiteks: autodes, laotõstukites ja golfiautodes. Elektritõukeratas millel on kasutusel pliiaku, on mõeldud väikeste sõidudistantside läbimiseks ning on üldjoontes ebaefektiivne sõiduk. Pliiakud on sageli kasutuses vanemates, harjadega ja kettülekandega elektrilistes tõukeratastes.
Pliiakude eeliseks on nende soodne hind, kuid need on mahutavuselt ebaefektiivsed ning kaaluvad palju. Võrreldes liitium-ioon akuga on pliiakul kümme korda väiksem mahutavus oma kaalu kohta.
Elektritõukeratas ja akupakid
Akupakkide ehitamiseks on vaja, olenevalt akupaki soovitud mahtuvusest, kümneid või sadu 18650 mooduleid. Moodulid ühendatakse jadamisi ja rööbiti üheks suureks akupakiks. Akusse sisenevat ja väljuvat voolu reguleerib akupaki haldussüsteem.
Elektritõukeratas sisaldab endas akut, kus olevad moodulid on ühendatud jadamisi, mistõttu moodulite pinged summeeruvad. Nii on võimalik ehitada elektritõukeratas, mille nominaal toitepinge on 36V, 48V, 52V, 60V või rohkem.
Väljuva voolutugevuse ja mahtuvuse suurendamiseks ühendatakse jadamisi ühendatud moodulitele omakorda juurde paralleele.
Üldine suund elektriliste tõukerataste maailmas on teha nii kõrge pingega aku kui see on võimalik, sest kõrge pingega töötavas elektrisüsteemis on energiakaod väiksemad. Parema energia kasutuse ja väiksemate kadude tõttu juhtmetes ja mootorikontrolleris on sama sõidu distantsi läbimiseks nii vaja vähem energiat.
Akupaki tööpinge
Moodulid on ette nähtud toimima 3.0V (0%) ja 4.2 (100%) vahemikus. Näiteks 36V akud, milles on seerias 10 moodulit, toimivad vahemikus 30V (0%) ja 42V (100%). Aku korrektset laadimist ja tühjenemist õigete pingeteni kontrollib BMS. Mõni elektritõukeratas on varustatud ka pinge indikaatoriga, mis kuvab akupinget ning teeb laetuse taseme jälgimise kasutaja jaoks eriti lihtsaks ja täpseks.
Pingelang
Iga elektritõukeratas või muu elektriline seade kannatab nähtuse all, mida kutsutakse pingelanguks. Selle suurust mõjutavad näiteks akus kasutavad keemilised koostisosad, temperatuur, pinge tase ja suurenenud vooluvajadus, nendest sõltuv mooduli sisetakistus.
Voolu vajaduse tõustes langeb koheselt akus pinge. Selle tulemusel on raske määrata akupatarei mahtuvust ilma koormuseta / tühijooksul. Elektritõukeratas millel on pingeindikaator, võib näidata kiirendades tegelikkusest palju väiksemat aku pinget.
Voolu vajaduse katkemisel (elektritõukeratas seiskub) normaliseerub akus pinge.
Pingelangus on täheldatav ka pikkade sõidu distantside läbimisel. Akus olevad keemilised elemendid vajavad aega, et taastada pingelangusest tekkinud ebatasasused. Aja möödudes pinge normaliseerub.
Mahutavus
Akude mahtu mõõdetakse watt-tundides (Wh). Antud energiaühik on lihtsasti mõistetav. Näiteks 1Wh energia sisaldusega aku suudab oma spetsifikatsioonis ette nähtud tingimustes anda tund aega välja 1W võimsust.
Suurema mahutavusega akud suudavad välja anda ühes tunnis rohkem võimsust. Suure mahutavusega elektritõukeratas suudab läbida ühe laadimisega pikemaid distantse. Väiksema mahutuvusega elektritõukeratas suudab läbida umbes 15km sõites 25km/h. Tasub märkida, et palju oleneb sõitja kaalust ning paljudest teistest teguriteks, näiteks: vastutuul, tõusud-langused ja rehvirõhk. Mõni elektritõukeratas suudab välja anda tuhandeid watt-tunde energiat ning sõita ühe laadimisega üle 100km.
Aku tootjad
Akumoodulite tootjaid on maailmaturul üsna vähe. Kvaliteetseid mooduleid toodavad tuntud nimed nagu näiteks: LG, Samsung, Panasonic ja Sanyo. Elektritõukeratas milles on kasutatud kvaliteetseimaid mooduleid on pikema elueaga ning nende akudega esineb vähem tootmisvigu. Samuti on kvaliteetbrändide moodulid turvalised, omades integreeritud kaitset lühiste vastu ning süsteemi üle kuumenedes liitium-iooni ventileerimiseks / tulekahjude vältimiseks. Elektritõukeratas mis kasutab LG mooduleid on näiteks: Vsett 10+ 25.6Ah, Kaabo Wolf King+, Kaabo Wolf King GT, Dualtron Victor 30Ah, Dualtron Thunder 2.
Taskukohasem elektritõukeratas on soodsam just seetõttu, et lisaks teistele soodsamatele komponentidele on kasutusel ka soodsamad moodulid ning need on vahelduva kvaliteediga.
Üldiselt on tuntumatel tootjatel võrreldes teiste tootjatega ka parem kvaliteedikontroll. Seetõttu on ka suurem tõenäosus, et elektritõukeratas toimib pikaajaliselt ilma probleemideta.
Teised tuntumad tootjad on Xiaomi ja Segway. Elektritõukeratas mis on valmistatud Xiaomi ja Segway poolt on üldjoontes näidanud viimastel aastatel head kvaliteeti ning on leidnud turul enda koha.
Aku haldussüsteem (BMS)
Vaatamata liitium-ioon 18650 moodulite suurepärastele kasuteguritele on need vähem andeks andvad kui mõned teised tehnoloogiad. Valesti kasutades on oht, et aku saab ülekoormust ning rikneb, kehvemate moodulite puhul on võimalik süttimine. Aku tulekahju korral kuulub elektritõukeratas peaaegu alati täielikule maha kandmisele, samuti võib saada kahjustada ümbritsev keskkond. See on ka üks põhjusteks, et miks akudes kasutatakse aku haldussüsteemi.
Aku haldussüsteem jälgib akus olevat pinget ning juhib aku laadimist ja tühjenemist. Ülelaadimine võib lühendada aku eluiga või hoopiski tekitada aku üle kuumenemist. Aku haldussüsteem aitab ära hoida ka aku üle laadimist.
Paljud aku haldamise süsteemid katkestavad laadimise enne kui aku on täis laetud. Vaatamata aku haldussüsteemile tasuks elektritõukeratast laadida ennem kui aku on täiesti tühjaks sõidetud.
Arenenumad aku haldussüsteemid jälgivad lisaks pingele ka aku temperatuuri ning katkestavad vooluahela kui peaks tekkima moodulite üle kuumenemine.
C-reiting
Kodutööd tehes võib ette tulla nimetus, C-reiting. C-reiting näitab kui kiiresti on võimalik moodulit täis laadida.
1C näitab seda, et mooduli täis laadimiseks kulub üks tund, 2C see eest tähendab aga, et kulub täis laadimiseks pool tundi.
Näiteks 1C reitinguga 100Ah aku laadimiseks, kasutades laadimiseks 100A laadijat, kulub ajaliselt üks tund.
Aku eluiga
Aku mahutavus langeb keskmiselt pärast 300-500 laadimistsüklit. Elektritõukeratas on selleks ajaks enamasti läbinud 10000 kuni 25000km!
Meeles tasuks pidada, et akupaki mahutavuse langus ei tähenda seda, et aku lõpetaks töötamise, kuid muutus ühe laadimisega läbitavas sõidu distantsis on märgatav.
Tänapäeva aku haldussüsteemid aitavad kaitsta akupaki eluiga. Siiski on mõned head tavad mida tasuks jälgida, et aku kestaks kaua:
- Elektritõukeratas tuleks pikaajaliseks hoiustamiseks laadida 60-80 protsendini
- Täis laadimise korral oleks hea kui elektritõukeratas ühendatakse lahti vooluvõrgust
- Elektritõukeratas ei tohi jääda seisma tühja akuga. Moodulite vaheline pinge võib langeda alla normaalse piiri mistõttu võib hooaja alates avastada, et elektritõukeratas ei lülitu enam sisse
- Elektritõukeratas ei tohiks leida kasutust kohtades, kus temperatuur on alla 0°C või üle 45°C
KOKKUVÕTTEKS
Elektritõukeratas millel on akus kvaliteetsed moodulid on kestvam ning väiksem tõenäosus on tootmisvigade tekkeks. Elektritõukeratas ja selle aku ei ole mõeldud pikaajaliseks ilma laadimata seismiseks. Enne seisma jätmist tuleks kontrollida, et akupaki laetuse tase oleks korrektne ning aeg-ajalt tuleks vajadusel seda laadida.
Viited: Electric Scooter Guide
