Lithiová motobaterie
Péče o baterii do motorky, resp. akumulátor, bývá velká výzva pro každého motorkáře. Olověným akumulátorům prospívá pravidelné nabíjení a vybíjení. V motorkářské sezoně to bývá zajištěno alespoň občasnými výlety na motorce.
Problém nastává v zimním období, kdy bývá motorka odstavena a akumulátor není v provozu. V tomto období lze zvolit jeden z následujících tří postupů, jak o akumulátor pečovat:
- Akumulátor demontovat z motorky, uložit jej v chladném, ale nemrznoucím prostředí a připojit na udržovací nabíječku, případně jej v průběhu zimy několikrát dobít klasickou nabíječkou. Tento postup je z hlediska životnosti akumulátoru nevhodnější.
- Akumulátor demontovat, uložit v chladném nemrznoucím prostředí a ponechat jej bez údržby s tím, že bude dobit až před začátkem sezóny. Tento přístup je funkční, ale méně vhodný než 1.
- Akumulátor ponechat celou zimu v motocyklu bez jakékoliv údržby. Tento způsob je z hlediska degradace akumulátoru nevhodný, protože dochází k jeho samovybíjení a případnému hlubokému vybití, což negativně ovlivňuje jeho kapacitu i celkovou životnost.
Motivace k výrobě lithiové motobaterie
O svou motorku – MZ 150 ETZ – se snažím starat pečlivě. To ale bohužel nemohu říci o akumulátoru, na který přes zimu často úplně zapomenu. V praxi tak můj přístup odpovídá variantě 2 nebo spíše 3.
Je-li olověný akumulátor ponechán přibližně půl roku bez údržby, dochází vlivem samovybíjení k jeho výraznému vybití a následně k sulfataci elektrod. V případě vystavení nízkým teplotám navíc u vybitého akumulátoru hrozí zamrznutí elektrolytu, a to již při teplotách mírně pod bodem mrazu. Výsledkem takovéto péče je výrazné zkrácení životnosti – typicky na přibližně tři roky, po kterých je nutná výměna.
Řešením je samozřejmě důslednější údržba akumulátoru, tedy pravidelné dobíjení nebo používání udržovací nabíječky, čemuž jsem se ale snažil vyhnout. Alternativu dnes představují modernější typy akumulátorů, například lithiové technologie. Konkrétně LiFePO4 články mají výrazně nižší samovybíjení a obecně menší nároky na údržbu.
Vlastnosti baterií LiFePO4
Výhodou článků LiFePO4 je skutečnost, že jejich jmenovité napětí je velmi blízké napětí klasických olověných akumulátorů, což umožňuje jejich přímou záměnu v aplikacích s palubním napětím 12 V. Běžné regulátory dobíjení v autech a motorkách pracují typicky v rozsahu 13,8–14,5 V. Čtyřčlánkový LiFePO4 akumulátor lze přitom nabíjet až na napětí přibližně 14,6 V, což je s těmito regulátory kompatibilní.
Při použití LiFePO4 článků je však nutné věnovat zvýšenou pozornost jejich vzájemnému vybalancování. Nabíjecí charakteristika těchto článků je totiž až do přibližně 99 % stavu nabití (SOC) velmi plochá, což znamená, že napětí článků se během většiny nabíjení mění jen minimálně. V závěrečné fázi nabíjení (mezi cca 99–100 % SOC) však dochází k prudkému nárůstu napětí.
V případě i malého rozbalancování mezi jednotlivými články tak může dojít k tomu, že některý z článků dosáhne limitního napětí dříve než ostatní, což povede k jeho přebíjení a postupné degradaci. Z tohoto důvodu je vhodné zajistit balancování článků.
Rozdíl mezi nabíjecí charakteristikou LiFePO4 a klasického olověného akumulátoru je dobře patrný z grafu níže. Případně více informací lze nalézt zde.
Články LiFePO4 je tedy vhodné vybalancovat při plném nabití, ideálně na napětí cca 3,65 V na článek. Jednoduchý způsob, jak toho dosáhnout, je jejich paralelní spojení a následné nabití na 100 %. Pokud není nutné spěchat, je možné ponechat články v paralelním zapojení i několik dní, aby došlo k jejich co nejlepšímu vyrovnání.
Následně lze články zapojit do série a vytvořit výsledný akumulátor. Pro dlouhodobý provoz je vhodné baterii doplnit o balancer, který bude kompenzovat případné rozbalancování článků, například vlivem jejich stárnutí.
Ve srovnání s olověnými akumulátory mají LiFePO4 články několik výhod. Patří mezi ně výrazně nižší samovybíjení (řádově kolem 2 % za měsíc) a podstatně vyšší počet nabíjecích cyklů, typicky okolo 4000, což je přibližně o řád více než u běžných olověných akumulátorů. Při použití v motorce nebo v autě sice počet cyklů není kritickým parametrem, ale ilustruje celkovou životnost technologie.
Další výhodou je absence sulfatace, která je typickým problémem olověných akumulátorů. Z hlediska bezpečnosti jsou LiFePO4 články obecně bezpečnější než například Li-ion články – při jakékoli poruše nejsou náchylné ke vznícení nebo explozi.
Tyto vlastnosti předurčují LiFePO4 akumulátory pro aplikace s nepravidelným používáním a minimální údržbou.
Výroba Lithiové motobaterie
Na AliExpressu jsem si oblíbil čínského výrobce článků – LiitoKala. Z mých zkušeností mají jejich baterie parametry odpovídající deklaraci a zároveň rozumný poměr cena/výkon.
Pro tento projekt jsem od nich objednal čtyři články formátu 32700 s kapacitou 6,5 Ah a maximálním vybíjecím proudem 55 A. Pro zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti jsem baterii doplnil balancerem, který jsem rovněž zakoupil na Aliexpressu.
Poté, co články dorazily, jsem je vybalancoval, dle výše uvedeného návodu.
Návrh obalu baterie
Jedinou komplikací při výrobě motobaterie z jednotlivých článků byl návrh vhodného obalu, respektive držáku článků. Měl jsem požadavek zachovat rozměry původního olověného akumulátoru. Výšku i hloubku se mi podařilo dodržet, nicméně šířku jsem zvětšil přibližně o 5 mm kvůli vyšší mechanické odolnosti– což se ukázalo jako problém, protože baterie se následně nevešla do původního prostoru v motorce. Nakonec jsem proto musel držák dodatečně mechanicky upravit (zbrousit), místo úpravy modelu a opětovného tisku, na což se mi nechtělo čekat.
Konstrukčně je držák řešen jako dvoudílný – skládá se ze dvou polovin, mezi které jsou vloženy jednotlivé články. Tyto poloviny jsou sešroubovány bočními stěnami. V horní části baterie je vyhrazen prostor pro umístění balanceru.
Návrh jsem vytvořil standardně ve FreeCADu a obal vytiskl z materiálu PETG.
Sestavení lithiové motobaterie
Po vytištění potřebných dílů přišlo na řadu složení baterie. Články jsem vložil do jedné poloviny obalu, propojil a vyvedl vodiče na připojení balanceru. Poté jsem obal zavřel, přišrouboval bočnice a připojil balancer. Po následném otestování funkce jsem baterii naistaloval do motorky.
Akumulátor v motorce. Na druhé fotce je vidět potřebné ubroušení jedné bočnice.
Zhodnocení projektu lithiové motobaterie
S lithiovým akumulátorem jsem zatím odjezdil jednu sezónu, takže nemohu posoudit jeho dlouhodobou životnost ani chování po zimním odstavení ve srovnání s olověným akumulátorem. Dosavadní provoz je však bezproblémový.
Z obecnějšího pohledu výsledkem projektu není pouze náhrada motobaterie, ale univerzální LiFePO4 akumulátor o kapacitě 6,5 Ah s relativně vysokým povoleným vybíjecím proudem, který lze využít i v jiných aplikacích, například v záložním zdroji.
Samotná výroba je po dokončení návrhu mechanických dílů poměrně jednoduchá a rychlá – zahrnuje vytištění obalu, osazení článků, jejich propojení a doplnění balanceru. V případě jiného použití (např. v UPS nebo v jiné motorce) by navíc pravděpodobně ani nebylo nutné provádět dodatečné mechanické úpravy obalu.
Celkové náklady na výrobu akumulátoru se v roce 2024 pohybovaly přibližně kolem 500 Kč, což bylo dokonce méně než cena běžného olověného akumulátoru obdobné kapacity.