Ogniwa do baterii roweru elektrycznego – 18650 czy 21700?

Reklama

Czym jest ogniwo akumulatora w rowerze elektrycznym?

Ogniwo jest podstawowym elementem magazynującym energię w baterii. Pojedyncze ogniwo nie wystarcza do zasilania napędu e-bike’a, dlatego wiele takich elementów łączy się w odpowiednio zaprojektowany pakiet.

Wiele popularnych cylindrycznych ogniw litowo-jonowych stosowanych w pakietach ma napięcie nominalne około 3,6–3,7 V i jest ładowanych do około 4,2 V. Nie jest to jednak uniwersalna zasada dla każdej chemii litowo-jonowej. Przykładowo ogniwa LFP mają inne napięcia robocze, dlatego przy ocenie konkretnego ogniwa trzeba korzystać z jego dokumentacji technicznej.

Ogniwa w baterii łączy się szeregowo i równolegle, aby uzyskać wymagane napięcie, pojemność i zdolność do dostarczania prądu. Szczegóły konfiguracji, działania BMS-u, połączeń, przewodów, obudowy i złączy opisujemy w osobnym poradniku o tym, jak zbudowana jest bateria do rowerów elektrycznych. Tutaj skupiamy się na samych ogniwach i ich parametrach.

Jakie parametry ogniwa są naprawdę ważne?

Najłatwiej porównywać pojemność, dlatego to właśnie wartość podana w mAh często przyciąga uwagę kupującego. Sama pojemność nie wystarcza jednak do oceny ogniwa. Model o dużej pojemności może być przeznaczony do innych obciążeń niż ogniwo o mniejszej pojemności, ale większej wydajności prądowej.

Dlatego określenie ogniwo 5000 mAh bez dodatkowych danych mówi znacznie mniej, niż może się wydawać. Do rzetelnej oceny potrzebna jest dokumentacja konkretnego modelu.

Ogniwa 18650 i 21700 – czym się różnią?

Najbardziej rozpoznawalne formaty cylindryczne stosowane w bateriach rowerowych to 18650 i 21700. Nazwy odnoszą się do nominalnego formatu ogniwa: około 18 mm średnicy i 65 mm długości w przypadku 18650 oraz około 21 mm średnicy i 70 mm długości w przypadku 21700.

Nie należy jednak traktować tych liczb jako dokładnego wymiaru każdego produktu. Rzeczywiste maksymalne wymiary określa karta konkretnego modelu i mogą być nieco większe. Przykładowo Molicel P28A ma maksymalnie 18,6 mm średnicy i 65,2 mm wysokości, a P42A odpowiednio 21,7 mm i 70,2 mm.

Format 18650 był przez lata bardzo popularny i nadal pozostaje używany. Większe ogniwa 21700 pozwalają producentom uzyskać dużą pojemność pojedynczego ogniwa, dzięki czemu w określonym projekcie pakietu można zastosować mniej ogniw do osiągnięcia wymaganej pojemności energetycznej.

Czy można zastąpić 18650 ogniwami 21700?

Nie jest to zamiana jeden do jednego. Ogniwa różnią się wymiarami, a cały pakiet jest projektowany pod określoną liczbę i układ ogniw, połączenia, obudowę, BMS oraz parametry elektryczne.

Przejście z jednego formatu na drugi oznacza więc w praktyce zmianę konstrukcji pakietu, a nie prostą wymianę większych ogniw w miejsce mniejszych.

NMC, NCA i LFP – co oznaczają te skróty?

Określenie litowo-jonowe obejmuje wiele różnych konstrukcji elektrochemicznych. W materiałach technicznych można spotkać m.in. skróty NMC, NCA oraz LFP, odnoszące się przede wszystkim do materiału katody.

• NMC – rodzina materiałów katodowych opartych na niklu, manganie i kobalcie. Spotyka się również skrót NCM; chodzi o tę samą rodzinę materiałów Ni-Mn-Co, a różnica wynika z kolejności liter w nazwie.
• NCA – chemia oparta m.in. na niklu, kobalcie i aluminium.
• LFP – fosforan litowo-żelazowy; chemia charakteryzująca się dobrą stabilnością termiczną i dużą trwałością cykliczną, ale zazwyczaj niższą gęstością energii niż wysokoenergetyczne chemie niklowe.

Dla właściciela roweru sama nazwa chemii nadal nie wystarcza do oceny baterii. Znaczenie mają również parametry konkretnego ogniwa, konstrukcja całego pakietu, BMS oraz sposób zarządzania temperaturą i ładowaniem.

Ogniwa renomowanych producentów a ogniwa bez jasnego pochodzenia

Przewagą produktów uznanych producentów jest przede wszystkim możliwość zweryfikowania ich parametrów w dokumentacji technicznej. Samsung SDI oferuje m.in. ogniwa cylindryczne 18650 i 21700 wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w mikromobilności. Dobrym przykładem tego, jak bardzo konkretne modele mogą różnić się parametrami, są również karty i dokumenty techniczne Molicel.

Sama marka nie gwarantuje jednak, że ogniwo będzie odpowiednie do każdej baterii. Producent może oferować modele projektowane pod różne proporcje pojemności, mocy, trwałości i temperatury pracy. Dlatego bardziej wartościowa jest informacja o dokładnym oznaczeniu modelu niż samo hasło ogniwa znanej marki.

Ostrożność jest szczególnie wskazana wtedy, gdy sprzedawca deklaruje bardzo dużą pojemność, ale nie podaje producenta ani modelu ogniw, parametrów prądowych czy wiarygodnej dokumentacji baterii.

Reklama

Jak ogniwa wpływają na pracę i zasięg baterii?

Zasięg roweru elektrycznego zależy przede wszystkim od ilości energii, którą bateria rzeczywiście może dostarczyć, oraz od zużycia energii podczas jazdy. Wpływają na nie m.in. tryb wspomagania, masa roweru i rowerzysty, ukształtowanie terenu, wiatr, temperatura oraz opony.

Nie oznacza to, że dwa pakiety o tej samej deklarowanej wartości Wh będą w każdych warunkach zachowywały się identycznie. Charakterystyka zastosowanych ogniw wpływa m.in. na spadek napięcia pod dużym obciążeniem, nagrzewanie i utrzymywanie parametrów wraz ze starzeniem.

Nie należy jednak przypisywać samym lepszym ogniwom dodatkowego zasięgu niezależnie od pojemności energetycznej baterii. Jeśli chcesz porównać energię całych akumulatorów, zobacz poradnik czym różni się Ah od Wh w rowerze elektrycznym. Czynniki wpływające na rzeczywisty dystans opisujemy szerzej w artykule jaki zasięg mają rowery elektryczne.

Co przyspiesza starzenie ogniw?

Ogniwa litowo-jonowe starzeją się zarówno podczas użytkowania, jak i z upływem czasu. Tempo tego procesu zależy m.in. od chemii ogniwa, temperatury, stanu naładowania, obciążenia i warunków przechowywania. Badania starzenia kalendarzowego ogniw 18650 pokazują, że znaczenie mają zarówno temperatura przechowywania, jak i poziom naładowania, przy czym zależność od SoC nie jest prostą linią.

Wysoka temperatura

Podwyższona temperatura może przyspieszać procesy starzenia ogniw. Z praktycznego punktu widzenia warto więc unikać pozostawiania baterii przez długi czas w nagrzanym samochodzie lub w miejscu wystawionym na bezpośrednie działanie słońca.

Długie przechowywanie przy wysokim lub bardzo niskim poziomie naładowania

Długotrwałe przechowywanie przy wysokim poziomie naładowania może przyspieszać starzenie części ogniw litowo-jonowych. Niekorzystne jest również pozostawienie całego akumulatora na długi czas w stanie głębokiego rozładowania. Nie istnieje jednak jeden procent naładowania właściwy dla wszystkich baterii e-bike.

Przykładowo Bosch zaleca dla swoich akumulatorów podczas dłuższego przechowywania poziom około 30–60% oraz suche miejsce w temperaturze pokojowej. Zalecenia dla innych systemów należy sprawdzić w ich dokumentacji. Więcej praktycznych informacji znajdziesz w poradniku o przechowywaniu roweru elektrycznego zimą.

Ładowanie zimnej baterii

Zakres temperatur dopuszczalnych podczas ładowania i rozładowania zależy od ogniw, elektroniki oraz konstrukcji całego akumulatora. Z tego powodu parametr pojedynczego ogniwa nie powinien być automatycznie traktowany jako zakres pracy kompletnej baterii.

Dobrym przykładem jest Bosch. W jego akumulatorach układ kontroli temperatury zezwala na ładowanie w zakresie 0–40 °C. Producent zaleca też, aby zimą akumulator przechowywany i ładowany był w temperaturze pokojowej, a do roweru wkładany bezpośrednio przed jazdą. W innych systemach wartości mogą być inne, dlatego pierwszeństwo ma instrukcja producenta konkretnej baterii.

Jak rozpoznać zużycie ogniw?

Naturalna degradacja ogniw prowadzi przede wszystkim do zmniejszenia dostępnej pojemności oraz pogorszenia ich zachowania pod obciążeniem. Dla użytkownika najbardziej zauważalnym objawem jest zwykle stopniowe skracanie zasięgu w podobnych warunkach jazdy.

Podejrzenie problemu może również pojawić się wtedy, gdy bateria znacznie szybciej traci wskazanie naładowania pod dużym obciążeniem, napęd niespodziewanie się wyłącza albo zachowanie baterii wyraźnie zmieniło się względem wcześniejszego okresu użytkowania.

Żaden z tych objawów nie dowodzi jednak sam w sobie, że winne są ogniwa. Podobne problemy mogą powodować BMS, połączenia elektryczne, ładowarka lub inne elementy systemu. Dlatego dokładniejszą diagnostykę opisujemy osobno w poradniku jak rozpoznać zużytą baterię w rowerze elektrycznym.

Czy można wymieniać ogniwa w baterii e-bike’a?

Odpowiedź zależy od konstrukcji baterii i stanowiska jej producenta. Na rynku działają wyspecjalizowane firmy zajmujące się przebudową niektórych pakietów, ale nie oznacza to, że każda bateria może być w ten sposób bezpiecznie naprawiana.

W przypadku Bosch stanowisko producenta jest jednoznaczne: uszkodzonych, starych i zużytych akumulatorów Bosch eBike nie należy naprawiać ani odświeżać, lecz przekazać do właściwego recyklingu. Bosch wskazuje również, że otwarcie obudowy ingeruje w certyfikowany stan baterii i może powodować m.in. utratę szczelności, uszkodzenia izolacji lub połączeń oraz ryzyko zwarcia. Otwarcie obudowy producent rezerwuje dla wykwalifikowanego i przeszkolonego personelu.

Reklama

Wymiana pojedynczych przypadkowych ogniw w mocno zużytym pakiecie również nie powinna być traktowana jako prosta domowa naprawa. Ocena możliwości przebudowy wymaga sprawdzenia całego zestawu oraz zgodności ogniw i elektroniki. Więcej na ten temat znajdziesz w poradniku o tym, kiedy regeneracja baterii rowerowej ma sens.

Jak ocenić baterię pod kątem zastosowanych ogniw?

Przy zakupie zamiennej baterii hasła Samsung cells, 21700 czy ogniwa premium są znacznie mniej użyteczne niż pełna i możliwa do zweryfikowania specyfikacja.

Najlepiej, jeśli producent lub sprzedawca potrafi podać dokładny model ogniw, napięcie i energię całej baterii, jej dopuszczalne obciążenie, informacje o BMS-ie, ładowarce, zabezpieczeniach, kompatybilności i gwarancji.

Znaczenie ma również dostępność wiarygodnej dokumentacji. Producenci ogniw mogą udostępniać m.in. raporty z testów transportowych UN 38.3, dokumenty dotyczące zgodności z odpowiednimi normami IEC lub UL oraz karty SDS. Przykładowo Molicel publikuje takie dokumenty dla swoich ogniw P28A i P42A. Nie oznacza to jednak, że sam raport dotyczący pojedynczego ogniwa jest certyfikatem jakości gotowego pakietu – kompletny akumulator trzeba oceniać jako cały system.

Nie wszystkie szczegóły dotyczące samych ogniw są udostępniane użytkownikowi końcowemu, szczególnie w zamkniętych systemach renomowanych producentów rowerów. Brak oznaczenia pojedynczego ogniwa nie oznacza więc automatycznie słabej baterii. Znacznie większą ostrożność powinny budzić tanie zamienniki o imponujących deklaracjach pojemności, których producent nie przedstawia wiarygodnej dokumentacji technicznej.

Same ogniwa są tylko jednym z elementów dobrego pakietu. Równie ważne są elektronika zabezpieczająca i sposób zarządzania baterią. Ich rolę szerzej opisuje artykuł o BMS-ie w baterii roweru elektrycznego.

Podsumowanie

O jakości ogniwa nie decyduje samo oznaczenie 18650 lub 21700 ani najwyższa liczba mAh w specyfikacji. Ważne są parametry konkretnego modelu, jego dopasowanie do wymaganego obciążenia oraz warunki, w których ma pracować.

Większy format 21700 daje producentom więcej przestrzeni na materiał aktywny i często pozwala uzyskać większą pojemność pojedynczego ogniwa, ale nie czyni automatycznie baterii lepszą. O jakości całego akumulatora decyduje również projekt pakietu, BMS, połączenia, obudowa, ładowarka i sposób zarządzania temperaturą.

Jeśli więc porównujesz dwie baterie, nie zatrzymuj się na nazwie producenta ogniw ani ich formacie. Więcej mówi kompletna specyfikacja całego systemu i wiarygodna dokumentacja techniczna.

Źródła i materiały referencyjne

• Samsung SDI, Battery101: Cylindrical Batteries
  – materiał producenta dotyczący cylindrycznych ogniw 18650 i 21700, chemii NCA/NCM oraz zastosowania ogniw cylindrycznych m.in. w e-bike’ach i mikromobilności.
• Molicel INR-18650-P28A
  – oficjalna strona ogniwa 18650 z napięciem nominalnym, pojemnością, prądami, wymiarami oraz odnośnikami do dokumentacji UL, UN, IEC i SDS.
• Molicel INR-21700-P42A
  – oficjalna strona ogniwa 21700 z danymi technicznymi i dokumentacją producenta.
• Molicel / AnTek – raport testów UN 38.3 dla INR-18650-P28A
  – przykład raportu potwierdzającego przeprowadzenie i zaliczenie testów transportowych UN 38.3 dla konkretnego modelu ogniwa.
• Bosch eBike Systems – Przewodnik po akumulatorach
  – polskojęzyczny przewodnik producenta dotyczący m.in. ładowania, temperatury, przechowywania, poziomu naładowania i bezpieczeństwa baterii Bosch eBike.
• Bosch eBike Systems – Naprawa i części zamienne
  – oficjalne stanowisko Bosch dotyczące otwierania, naprawy i odświeżania baterii eBike oraz związanych z tym zagrożeń.
• Keil P. i in., Calendar Aging of Lithium-Ion Batteries – I. Impact of the Graphite Anode on Capacity Fade
  – recenzowana praca w Journal of The Electrochemical Society dotycząca wpływu temperatury i stanu naładowania na starzenie kalendarzowe różnych ogniw 18650. DOI: 10.1149/2.0411609jes.
• Stampatori D., Raimondi P.P., Noussan M., Li-Ion Batteries: A Review of a Key Technology for Transport Decarbonization
  – recenzowany przegląd technologii litowo-jonowych, w tym chemii LFP, NCA i NMC oraz różnic między ich właściwościami. DOI: 10.3390/en13102638.