Мощный недорогой электровелосипед своими руками
Однажды, еще будучи обычным деревенским школьником, в автомобильном журнале я увидел небольшую заметку о электровелосипеде, построенным каким-то иностранным энтузиастом, и который умел разгоняться до 40 км/ч и имел запас хода в 70 километров. После этой небольшой заметки я бросил безуспешные попытки завести старый двигатель от бензопилы Дружба и понял, что будущее наступило. На дворе было начало двухтысячных.
Потом была учеба в ВУЗе, и первая постоянная работа. Работа была не ахти какая, 4-хдневка сменялась трехдневкой, времени было много, а денег мало, и мысли потихоньку снова возвращались к идее построить электровелосипед. Интернет был мне не так доступен как сейчас, да и он, интернет, не был завален таким количеством информации по самодельному и не очень самодельному электротранспорту, не было такого количества всевозможных комплектующих. И в голове рождались сумасшедшие идеи и фантастические конструкции из болгарок, электрорубанков, стартеров… Помню даже была идея разместить на ободе неодимовые магниты, а на перьях с двух сторон от колеса электромагниты.
Невоплощенная мысль то забывалась, то разгоралась с новой силой, но потребовалось еще лет 10 для того, чтобы она начала превращаться в реальность.
Я не пошел стандартным для многих путем — купить готовый набор и установить его на велосипед. Во-первых, потому, что не готов был тратить значительные суммы на покупку комплекта, а во-вторых, это бы точно не удовлетворило жажды конструирования и созидания. Вообще, я изначально поставил цель построить велосипед мощностью под 1 кВт с бюджетом 10 000р. Вполне амбициозная цель.
Итак, на тот момент у меня уже был «горный» велосипед Forward Sporting 103, тяжелый, стальной, с зубастым протектором, он хорошо ехал по любому бездорожью, даже по булыжникам на обочине трассы, но очень плохо ездил по гладкому асфальту, издавая почти самолетное жужжание, нарастающее с ростом скорости, протектор покрышек очень быстро съедал накат. Но он верой и правдой служит уже больше 10 лет. Конечно, это идеальный вариант для электрификации).
Из одного полезного сайта про электротранспорт узнал, что автомобильный генератор, оказывается, прекрасно работает в режиме мотора с дешевыми китайскими контроллерами для мотор-колес. В гараже как раз валялся генератор на 80 ампер от вазовской классики. Карты сошлись, старая мечта вспыхнула с новой силой, и я понял, что пора!
Тут же с одного китайского интернет-магазина были заказаны:
- Аккумуляторы 18650 – 2.6 а*ч, 40 шт
- Плата балансировки и защиты – 1шт
- Бессенсорный контроллер для электросамокатов на 1 квт номинальной мощности
- Вольт-, ампер-, ваттметр с вынесенным шунтом
- DC-DC преобразователь, умеющий делать из 60вольт 12
На местном базаре были куплены:
- Трещотка (вместе с задней осью)
- Цепь велосипедная
- Звездочка на 10 зубов от веломотора F50
В гараже были найдены звездочка от велосипеда передняя – на 48 зубов, задняя на 22 зуба, куски прямоугольных труб, болты, гайки, провода, изолента и прочая мелочь.
Изначально было решено пожертвовать рекуперацией в пользу сохранения наката и легкого педального хода, считаю эту функцию более полезной в плане увеличения пробега. Передняя звездочка от советского велосипеда теперь стала задней звездой электробайка. Левый фривил не нашел, поэтому обычная правая трещетка была переделана на левое вращение – с помощью бормашинки и алмазной шарошки были переделаны посадочные места собачек, а сами собачки развернуты в другую сторону.
Корпус трещотки немного расточен для посадки на левую сторону колеса, туда, где барабан колеса выходит за пределы фланца. У многих велосипедов без дисковых тормозов там достаточно места для установки такого самодельного фривила. У 48 зубовой звездочки была отрезана педаль, и средняя часть была выпилена болгаркой. Звезда соединена с трещоткой винтами с гайками. Вся эта конструкция крепится к колесу как задняя звездочка любого бензодырчика – длинными болтами через спицы и резиновые прокладки, изнутри в межспицевое пространство колеса вставляются полушайбы и все сжимается, крепко обхватывая с двух сторон фланец колеса.
На вал генератора нужно установить звездочку на 10 зубов, для этого я приварил ее к гайке, которая раньше крепила шкив генератора. Гайка навинчивается на вал генератора, и сверлится насквозь вместе с валом и в получившееся отверстие вставляется длинный винт м6 с гайкой на конце.
Звездочки от веломотора пришлось немного обточить бормашиной – их зубья расчитаны на более широкую цепь.
Передаточного отношения 10/48 не хватит для резвого старта, будет чрезмерное потребление энергии, я это на тот момент уже прекрасно понимал. Требуется повысить передаточное число. Готового редуктора я не нашел, различные решения на основе редукторов дрелей/болгарок отмел сразу, хоть и мощности они передают сопоставимые, но эти мощности получаются за счет высоких оборотов, мне же требовалось передавать большой крутящий момент при сравнительно низких — до 3 тыс. в минуту – оборотах.
Поэтому было решено сделать промежуточный вал.
Изначально планируемая компоновка с мотором над задним колесом была отметена. Не хотелось терять возможность возить какой-нибудь багаж, ну или закрепить там детское кресло. Нужно было разместить все в треугольнике рамы. После многочисленных примерок была изготовлена рама для двигателя и промежуточного вала.
Промежуточный вал, изготовленный из строительной шпильки, вращается в двух подшипниках, и передает вращение с правой стороны рамы на левую. Звездочки крепятся так же как на валу мотора – они приварены к гайкам, зашплинтованным на валу винтами м6.
Общее передаточное число получилось 10.56. На этом с механической частью пожалуй все.
Батарея имеет конфигурацию 13S3P- 48 вольт и емкость 7.8а*ч, собрана из 39 банок 18650.
Банки спаяны паяльником 60 вт кратковременными касаниями. В процессе одна банка зашипела – то ли перегрел, то ли в газовый клапан попала паяльная кислота, благо акумов было 40 штук, а потребовалось 39.
Электрическая часть отличается от классического электровелосипеда необходимостью постоянного питания якоря генератора — ведь мой мотор, в отличие от готового мотор-колеса, не имеет постоянных магнитов. Задачу понижения батарейного напряжения до требуемого якорю, выполняет понижающий DC-DC преобразователь, который переваривает до 60 вольт входного и выдает регулируемое выходное напряжение.
В остальном ничего необычного – батарея, контроллер, ручка газа в виде переменного резистора даже пока без возврата в исходное положение)…. Китайский ваттметр с синей подсветкой в качестве бортового компьютера для контроля разряда батареи….
Но, несмотря на то, что это все больше похоже на самоходную бомбу, это поехало, и поехало весьма неплохо. С моим весом 75 кг в первую выездку удалось разогнаться до 37,7км/ч. Ускорение получилось весьма резвое, максималка тоже устраивает. Запас хода получился небольшой — в смешанном цикле с резвыми разгонами до максималки и ездой внатяг с небольшой скоростью вокруг гаража удалось выжать 10 км без помощи педалями, впрочем для батареи это был только первый цикл заряд – разряд. Ваттметр показал 350 с чем то ватт-часов, и напряжение 40 вольт в конце цикла.
Какие выявились недостатки? Ясно, что все провода надо собрать в жгуты, это пока еще только стенд для ходовых испытаний. Цепь в первичной передаче весьма шумит, требует натяжителя-успокоителя, но скорее всего буду переделывать на зубчатый ремень. Нужна ручка газа – в планах сделать в виде курка, с концевиком, запитывающим якорь только в момент нажатия. И целого отдельного исследования требует возможность регулирования мотора током якоря — это второй канал управления двигателем. Да, у моего двигателя нет постоянных магнитов, зато есть электромагнит, индукцию которого мы можем менять в широких пределах. Преимущество ли это? Не знаю. Ведь якорь требует дополнительной электрической мощности 30-50 вт. Зато, не меняя передаточного числа механической трансмиссии, мы можем менять характеристику мотора в широчайших пределах. Повышение тока на якоре снижает обороты, но повышает крутящий момент, понижение же — наоборот, повышает обороты, но понижает момент. Может быть, получится оптимально настроить его под свою конфигурацию «железа»? Или как вариант вывести регулятор на руль и получить этакую электронную коробку передач – на разгоне и на подъемах повышать тягу, а на прямых участках и больших скоростях повышать обороты, таким образом выжимая из своей конфигурации максимум. У кого есть мысли, как можно всесторонне исследовать эту тему? Сейчас думаю над методологией.
Немного о зарядном устройстве. Моя батарея требует зарядного напряжения 54 в при токе до 3 ампер. Для зарядки был приобретен регулируемый повышающий DC-DC преобразователь – вход от 12 до 50 вольт, выход от 12 до 60.
Ему на вход подается 12 вольт выпрямленного напряжения от блока питания для светодиодных лент. Этот блок питания может выдавать до 12 ампер. Все собрано в корпусе из фанеры, сделанном на самодельном лазерном резаке, снабжено регуляторами тока и напряжения и вольтамперметром. В корпусе установлены два кулера – один работает на вход, другой на выход воздуха, таким образом, наиболее горячие части (радиаторы) обоих электронных блоков постоянно обдуваются. Зарядное устройство используется также для периодической подзарядки автомобильного аккумулятора. Весьма полезная в хозяйстве вещь получилась!
Доволен ли я результатом – более чем! Ведь при таких характеристиках удалось получить работоспособный аппарат с неплохими характеристиками с бюджетом меньше 10 000р!
Подобной компоновки я нигде на просторах интернета не встречал. Но она дает возможность каждому самодельщику за совсем небольшие деньги получить вполне неплохой электротранспорт, превосходящий по характеристикам, как мне кажется, многие серийные образцы, прикоснуться к этому увлекательному и, безусловно, прогрессивному направлению развития техники, получить радость творчества и незабываемое ощущение от езды на электротяге…
Источник
721 Ваттметр-счётчик электроэнергии для электровелосипеда
Вниманию читателей предлагается ваттметр-счётчик электроэнергии с внешним датчиком тока. Он предназначен для применения на электровелосипеде. На индикаторе прибора отображаются напряжение батареи, потребляемые от неё ток и мощность, а также расход электроэнергии с момента включения прибора. Устройство собрано на микроконтроллере PIC16F690-I/SO с использованием доступной элементной базы. Оно несложно в повторении.
Для контроля режима работы аккумуляторных батарей электровелосипедов и радиоуправляемых моделей применяют различные измерительные приборы, наиболее популярные из которых — ваттметр-счётчик электроэнергии Turnigy 130А [1] и его аналог G.T. Power RC 130А [2], построенные на микроконтроллерах ATtiny26. Но им свойственны некоторые недостатки. Первый — невысокая надёжность. При использовании ваттметров таких типов на электровелосипеде с аккумуляторной батареей номинальным напряжением 48 В отмечены частые отказы приборов. Чаще всего — по причине выхода из строя линейного интегрального стабилизатора напряжения LM2936HVBMA-5.0, хотя и рассчитанного на максимальное входное напряжение 60 В, но работающего без теплоотвода.
Второй недостаток ваттметров указанных типов — датчик тока, установленный на печатной плате прибора внутри его корпуса. Вследствие этого приходится прокладывать от аккумуляторной батареи и двигателя электровелосипеда к месту установки ваттметра на руле толстые силовые провода, что очень неудобно. К тому же падение напряжения на длинных проводах достигает 0,5 В, что существенно увеличивает погрешность измерения напряжения батареи.
И наконец, третий недостаток этих ваттметров — высокая цена.
По этим причинам был разработан предназначенный преимущественно для применения на электровелосипеде ваттметр-счётчик электроэнергии на микроконтроллере, имеющий выносной датчик тока. Программа для его микроконтроллера PIC16F690-I/SO разработана в графической среде Flowcode [3].
Схема ваттметра изображена на рис. 1. После подачи на его выводы «+U» и «Общ.» напряжения аккумуляторной батареи на экран ЖКИ HG1 в течение 0,8 с выводится строка приветствия, затем ваттметр переходит в рабочий режим. Двухстрочный ЖКИ показывает одновременно четыре параметра: напряжение, ток, мощность и расход электрической энергии с момента включения прибора.
Микроконтроллер DD1 работает от внутреннего генератора частотой 8 МГц. Коды из файла VAWWh.hex следует загрузить в программную память микроконтроллера. Для подключения программатора (автор использовал PICkit2) на плате предусмотрен разъём Х1.
Напряжение аккумуляторной батареи поступает для измерения на аналоговый вход AN8 (RC6) микроконтроллера через делитель из резисторов R1, R3, R7, R8. Конденсатор С1 — фильтрующий, он устраняет воздействие на прибор помех от работающего электродвигателя велосипеда.
Для измерения тока напряжение с его датчика по цепи «+LU» через ФНЧ R6C4 поступает на вход усилителя на ОУ DA2, а после усиления — на аналоговый вход AN9 (RC7) микроконтроллера. Предел измерения тока — 102,3 А, но исходя из максимальной мощности, рассеиваемой на датчике, ток не должен превышать 20 А.
Измерения напряжения и тока выполняет внутренний 10-разрядный АЦП микроконтроллера. По их измеренным значениям микроконтроллер вычисляет мощность нагрузки аккумуляторной батареи и количество израсходованной электроэнергии. Эти параметры выводятся на ЖКИ HG1 с округлением до целых значений.
Питается прибор от контролируемой аккумуляторной батареи через линейный стабилизатор напряжения, образованный регулирующим транзистором VT1 и микросхемой параллельного стабилизатора напряжения TL431ID (DA1). Перед стабилизатором установлена цепь VD1, R5, СЗ, снижающая помехи от работы электродвигателя. Наибольшее допустимое напряжение аккумуляторной батареи 70 В определяется максимальным напряжением коллектор-эмиттер транзистора VT1, размерами его теплоотвода и мощностью рассеяния резисторов R9—R11.
Прибор выполнен на односторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертёж печатных проводников этой платы и расположение элементов на ней показаны на рис. 2. На плате имеются четыре перемычки типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Все элементы, кроме разъёмов, монтируют со стороны печатных проводников. Разъём Х1 (угловую штыревую колодку PLS-5R) устанавливают с обратной стороны платы. Там же располагают штыревую часть разъёма Х2 (колодку PLS-16). В монтажные отверстия платы индикатора HG1 впаивают ответную гнездовую часть этого разъёма. Можно обойтись и без неё, надев плату индикатора непосредственно на штыри установленного на плате разъёма и пропаяв их. Но это сделает конструкцию трудноразборной.
В ваттметре применены резисторы типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. При сборке прибора резисторы R3 и R18 монтировать на плату не следует. Они будут установлены на этапе его налаживания.
Конденсаторы С1, С2, С4, С5 — керамические типоразмера 1206 или 0805. Конденсатор СЗ — тоже керамический, но типоразмера 2220. Заменить его может конденсатор любого типа ёмкостью 1 мкФ на напряжение не менее 100 В.
Заменой транзистора BTD1816J3 в стабилизаторе напряжения может служить другой транзистор той же структуры в корпусе ТО-252 (DPAK) с допустимым напряжением коллектор—эмиттер более 80 В. Например, MJD31CT4, MJD340, 10NC60HT4, 7NM60N, 8N65M5 и другие транзисторы, имеющие аналогичное назначение выводов. К выводу коллектора транзистора дополнительно припаивают полоску тонкой листовой меди площадью приблизительно 6 см2, служащую теплоотводом.
Для улучшения считывания информации при ярком дневном свете в ваттметр установлен приобретённый на EBay ЖКИ YB1602A [4] с жёлтыми символами на чёрном фоне. Но можно использовать любой другой ЖКИ серии 1602 с напряжением питания 5 В, габаритными размерами 80×36 мм, имеющий такое же назначение выводов.
Прибор собран в корпусе от вышедшего из строя ваттметра G.T. Power RC 130А. Его внешний вид показан на рис. 3. При отсутствии такого корпуса ваттметр можно собрать и в любом другом корпусе подходящего размера из изоляционного материала.
Выносной датчик тока сопротивлением 5 мОм состоит из двух размещённых на отдельной печатной плате (рис. 4) из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и соединённых параллельно проволочных токоизмерительных шунтов Пш1 и Пш2 сопротивлением по 10 мОм от мультиметров М830, М838 и им подобных. Такой датчик выдерживает длительную работу при токе до 20 А. Для измерения большего тока резисторы Пш1 и ИШ2 должны быть сделаны из более толстых высокоомных проводов. Можно использовать и стандартный измерительный шунт сопротивлением 5 мОм, например, 75ШИСВ.2-0,5-15 или аналогичный.
Сигнал датчика, пропорциональный протекающему через него току, усиливает операционный усилитель ОРА340 (DA2). Коэффициент усиления устанавливают подборкой резистора R18 в цепи обратной связи ОУ. Вместо ОРА340 может быть применён практически любой одинарный rail-to-rail ОУ в корпусе SO-8, например, ОРА241 или TS507.
Схема подключения ваттметра к аккумуляторной батарее GB1 и нагрузке RH изображена на рис. 5. Утолщёнными линиями показана цепь, по которой протекает ток нагрузки. Для уменьшения погрешности измерения датчик тока следует располагать как можно ближе к минусовому выводу аккумуляторной батареи. К ваттметру Р1 датчик можно подключать проводами небольшого сечения (на рис. 5 они показаны тонкими линиями).
При налаживании прибора вместо аккумуляторной батареи можно использовать лабораторный источник питания с выходным напряжением 25. 50 В и допустимым током нагрузки не менее 5 А. В качестве эквивалента нагрузки можно применить мощный проволочный резистор (ПЭВ или аналогичный) сопротивлением 5. 10 Ом.
Налаживают прибор в следующем порядке. Сначала калибруют его вольтметр. Для этого в печатную плату вместо резистора R3 впаивают многооборотный подстроечный резистор сопротивлением 2. 4,7 кОм. Далее подают на прибор напряжение от аккумуляторной батареи или от лабораторного источника питания, параллельно подключают точный цифровой вольтметр. Изменением сопротивления подстроечного резистора добиваются одинаковых показаний цифрового вольтметра и налаживаемого прибора. После этого подстроечный резистор выпаивают, измеряют его сопротивление и впаивают в плату постоянный резистор такого же сопротивления.
Затем калибруют измеритель тока. В плату вместо резистора R18 впаивают подстроечный многооборотный резистор сопротивлением 2. 4,7 кОм. Последовательно с нагрузкой включают точный цифровой амперметр. Подав напряжение питания, добиваются изменением сопротивления подстроечного резистора одинаковых показаний образцового амперметра и налаживаемого прибора. Затем подстроечный резистор выпаивают, измеряют его сопротивление и впаивают в плату постоянный резистор такого же сопротивления.
При необходимости подборкой резистора R16 устанавливают оптимальную контрастность изображения на индикаторе.
Источник