- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -
Приветствую всех кто увлекается электроникой! Меня зовут Василий Сухопаров, я технический директор компании Eczo.bike. Хочу рассказать о том, как мы разрабатывали комплект электрификации велосипеда, с какими подводными камнями пришлось столкнуться и на какие инженерные хитрости пойти. Впереди будет немного программирования STM32, схем, тонкостей проектирования силовых плат и пару слов о механической составляющей КЭВ (Комплект Электрификации Велосипеда).
[1]
Комплект электрификации с максимальной мощностью 2600 Вт, бортовым компьютером, трекером, и сменными аккумуляторами.
Имея опыт самостоятельной сборки электробайка по частям и большое количество набитых шишек в процессе, привело меня к пониманию того, что на данный момент на рынке нет предложений соответствующих всем моим потребностям.
Каждую деталь приходилось подгонять, колхозить, что-то изобретать с нуля. Нельзя просто взять и воткнуть на велосипед электронику, как новую видеокарту в компьютер. Отсутствовала система Plug and Play Ride.
Своя собственная система могла бы обеспечить:
— модульность
— «юзер-френдли» интерфейс
— возможность тонкой настройки под себя
— отсутствие необходимости проводить пайку разъемов и вообще наличия познаний в электронике
— небольшой вес
Все вышеописанное — это то, с чем придется столкнуться обычному пользователю, пожелавшему переоборудовать велик китайскими комплектующими. С таким подходом электро-велосипедостроение останется надолго уделом гиков и электронщиков, неспособное войти в массы.
Промышленно выпускаемые решения не блещут особой мощностью (до 1000Вт) и зачастую встроены в собственные рамы велосипедов. В домашнем пылесосе «лошадей» и то больше :) Про конфигурируемость и подключение дополнительных возможностей вообще говорить не приходится.
Постепенно, начиная от разработки бортового компьютера в подвале своего дома (буквально) и заканчивая инвертором, системой управления аккумуляторной батареей и всего комплекта в целом, приходило понимание, как должно все выстраиваться, чтобы обеспечить максимальный комфорт от использования данного девайса. При этом, чтобы вещь работала на пользователя, а не пользователю приходилось тратить время, чтобы заставить ее работать.
Прототип на картинке до ката был собран по большей части ручным трудом, платы паяли прямо в офисе, и тут же программировали. На ЧПУ были фрезерованы корпуса из цельных брусков пластика, металлический каркас делался на производстве. Сборку аккумуляторов производили своим трудом, по технологии а-ля Tesla, базовым составляющим которого является элемент в форм-факторе 18650, подобные ячейки стоят и в большинстве ноутбуков. Да, формально Tesla катается на ноутбучных батарейках :-)
Бортовой компьютер показывает не только напряжение аккумулятора или процент заряда (что порой малоинформативно) но и расход в Вт*ч, удельное энергопотребление Вт*ч/км, и дальность хода, три основных параметра, которые хочется знать, когда едешь куда-то далеко, и необходимо спланировать маршрут. C увеличением скорости увеличивается и сопротивление воздуха, причем в прогрессии, и оно вносит основной вклад в расход энергии при движении. Экономить можно меньше нажимая тапку в пол, либо подкручивая педали.
Инвертор (в простонародье — контроллер) управляет мотором, позволяет настраивать под себя режимы езды, управление тягой, скоростью, мощностью, в общем, позволяет достаточно широко сконфигурировать систему. В нем встроены аппаратная защита от КЗ, контроль температуры транзисторов, мотора, реализована поддержка бессенсорного режима и возможность автоопределения параметров мотора.
Максимальные ТТХ такой железяки — IN: 30~90V 150A, OUT: 200A. В КЭВ используется упрощенная версия контроллера с более слабыми характеристиками.
BMS (Battery management system) — система управления аккумуляторной батареей. Подсчитывает заряд/разряд, контролирует процесс зарядки элементов и производит их балансировку, при необходимости. Отличие от обычных BMS опять же в надежности, чаще всего китайские BMS при КЗ с пламенем выгорали. Видно напряжение на каждом элементе батареи, под нагрузкой можно контролировать их внутреннее сопротивление. Основной брак аккумуляторов это повышенный саморазряд и ухудшение вн. сопротивления, что может привести к повреждению всей батареи, если вовремя не заметить.
Встроен термоконтроль. Добавление этого модуля в систему позволяет использовать заряд батареи максимально полностью без ущерба для ее здоровья, например снижать мощность при почти полном разряде или очень холодной/горячей температуре, ускоряет процесс зарядки используя собственный алгоритм балансировки.
Для переоборудования велосипеда был выбран подвесной мотор, т.к. только он позволяет получить хороший момент на колесе и большую мощность при меньшем весе. Этот моторчик весит 3кг. Для сравнения мотор колёса бывают двух типов: Direct drive — «прямой привод» — бывают мощностью в 1000W и даже более, но весят они от 6 кг до 23 кг только за мотор. Geared — редукторные — до 500W вес от 2 кг, и буквально пару моторов 1000W до 4,5 кг. В первом случае приходится ставить усиленные обода на велосипед, и обязательно наращивать железо в месте крепления оси мотора, дабы раму не свернуло. Но ни одно мотор колесо в подобной весовой категории не позволяет получить момента порядка 160 Nm на заднем колесе.
Пиковая мощность до 2600 Вт электрической
Максимальный ток мотора 70А
Максимальный ток батареи 50А
Напряжение батареи 36,4~54.6V
Максимальный ток заряда 1C (~1 час)
CAN шина
DC-DC OUT: 13V 13W + 10W для модулей
Бортовой компьютер с FSTN экраном 240x128 2.8"
Bluetooth 4,0 на BMS или в инверторе
Чтобы обеспечить универсальность в подключении была выбрана CAN шина с бортовым напряжением 13V и отдельно силовая шина, с батарейным напряжением.
Сердцем всей системы является контроллер, управляющий мотором. Он преобразует постоянное напряжение с батареи в переменное с частотой до 1500 Гц. (Частота ШИМ выше — до 20 кГц) Сигналы управления поступают к нему либо напрямую, либо с бортового компьютера (экрана) через CAN шину. Также в нем встроен преобразователь Uбат. в 13V для обеспечения работы модулей.
Батарея подключается в общую сеть через BMS, как уже сказал выше, она следит за батареей, чтобы обеспечить ей долгий срок службы. Также имеет в себе преобразователь 13V для работы модулей.
Бортовой компьютер подключается по CAN шине c бортовым напряжением, отображает информацию которую получает с модулей, а также может вести запись данных на SD-карту.
Трекер также подключается по CAN + 13V и имеет в своем распоряжении небольшой АКБ для защиты от угона велосипеда, когда основной аккумулятор отсутствует.
Система поддерживает подключение до 4 батарей и контроллеров одновременно, например для управления четырёхколёсными ТС.
В следующих статьях подробнее расскажу про разработку бортового компьютера, контроллера, системы управления аккумуляторной батареей и про то, как мы собирали батареи из элементов. Если будет интересно, отдельной статьей напишу про тестирование привода на диностенде или как в домашних условиях измерить КПД связки мотор + контроллер.
Автор: Eczo.bike
Источник [3]
Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru
Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/e-lektronika/208782
Ссылки в тексте:
[1] Image: https://geektimes.ru/company/eczobike/blog/282516/
[2] Мозгом: http://www.braintools.ru
[3] Источник: https://geektimes.ru/post/282516/
Нажмите здесь для печати.