Например TDA7294

РадиоКот > Чердак

Набор электроники для электровелосипеда

Автор: clawham, 80631655974@mail.ru
Опубликовано 21.09.2015.
Создано при помощи КотоРед.

Здравствуйте!
Сегодня очень популярным становится электротранспорт.
Электромобили, электромотоциклы, электровелосипеды, электросамокаты, электро моноколесаи т.д. это все наше будущее. Очень удобно быстро и беззвучно. Зачастую очень резко и неординарно доставят вас из пункта а в пункт б. не производя выбросов в атмосферу, не шумя, не требуя особого ухода/расходников/внимания.
Но всетаки проблема у всего электротранспорта есть. Это аккумуляторы. На текущее время постоянно ищется баланс между надежностью, весом, энергоёмкостью и токоотдачей.
Потому чуть ли не каждые пол года производители постоянно предлагают новую химию.
Вследствии этого постоянно меняются и требования к устройству, о котором пойдёт речь в статье.
А устройство это Система контроля аккумуляторных батарей. БМС по буржуйски.
Суть в том что напряжения одной ячейки недостаточно практически ни для чего. потому приходится соединять ячейки паралельно для достижения требуемой ёмкости и токоотдачи, Так же приходится соединять такие запаралеленые блоки последовательно для достижения требуемого напряжения.
Проблема в последовательном соединении в том что каждая банка имеет немного разную емкость даже если их тщательно подбирать. Как слоедствие при разряде до пустого бака возникает ситуация когда во всех ячейках ещё есть запас энергии а одна банка уже села в ноль. Разряда ниже своего минимума не допускает большинство акумуляторов - и литийионные и литийполимерные и литийцинковые и кислотники - все они после разряда в ноль (а тем более переполюсовки) если и не уйдут в кз то значительно ухудшат свои характеристики( токоотдача, внутреннее сопротивление, ёмкость).
Потому возникает острейшая необходимость контролировать и как-то ограничивать напряжение каждой ячейки.
Проблема возникает ещё и в огромном разнообразии аккумуляторов.
Для электромобилей 30-40 ячеек последовательно - не предел. Для электромотоциклов и мощных электровелосипедов номинально 20-30 ячеек последовательно. Для электровелосипедов соответствующим законодательству(мотор до 250 ватт и скорость до 25 кмч) обычно 12-20 ячеек последовательно. Для самокатов, моноколес и прочего самобалансирующего транспорта до 20-ти ячеек последовательно.
Далее проблема усугубляется широчайшим выбором химии и порогов предельной эксплуатации. 2,5-4,2 3,3-4,35 2-3,6 1-2,3 и так далее. Потому найти готовое и универсальное устройство для любых аккумуляторов очень проблематично ибо зачастую готовые блоки жестко ограничены и порогами и током и напряжением и кол-вом банок в последовательной цепи.
Так как я долгое время(3 года) являюсь владельцем электровелосипеда(двух) и очень часто меняю аккумуляторы(вы не подумайте что они умирают - просто какие-то уходят жене какие-то в упс какие-то продаются) то мне постоянно нужны были разные пороги, кол-во банок и т.д. тоесть полностью гибкая и легконастраиваемая система.
Не найдя ничего готового я разработал с нуля и откатал на нескольких конфирурациях свою систему контроля и ограничения аккумуляторных батарей.
Основные ТТХ:
1) Любая химия с любыми порогами в промежутке 2...5 вольт на одной банке
2) кол-во последовательных банок минимум 5 максимум 100.
3) Балансировочный ток до 4 ампер.
4) модульная конструкция допускающая дублирование!
5) Связь через блютуз через терминал для удобного контроля и настройки
6) логгирование всех основных параметров и просмотр логов на любом устройстве
7) Дополнительные программы для огромного набора статистики на компьютере и на КПК PocketPC 2003 05 06 с экраном 640х480.

Так как платы прошивки и технологии до сих пор развиваются на просьбы пользователей то в статье могут быть некоторые неточности или несовпадения с некоторыми платами так как все постоянно модифицируется. но впринципе есть форум, есть инструкции и описания под каждой платой каждой версии. Если ктото захочет повторить - проблем быть не должно.

Описание стоит начать с самого главного - сердца системы - микросхемы BQ77PL900. Это микросхема контроля и ограничения напряжений аккумуляторных литиевых батарей. К сожалению хоть она и программируема но её пороги и логика работы далека от оригинала и используется она в моей схеме только как комутатор высокого напряжения для переноса потенциала на землю.
Остальная работа по логике настройке и т.д. выполняется микроконтроллером AtMega328P в корпусе TQFP.
Примерная структурная схема всей системы представлена на картинке:

на ней с фотографиями расставлены элементы в виде аккумуляторных ячеек, блока умощнения балансировочного тока, собственно спаренной бмс-ки, блока силовых размыкателей и бока блютуз адаптера.
Пройдёмся по пунктам.

1) блок умощнения балансировочного тока. Эта плата призвана увеличить базовый балансировочный ток в 35 миллиампер средствами самой микросхемы до требуемого уровня. туда можно впаять полевик в sot23 и 1 омный резистор и иметь 4 ампера балансировочного тока для больших и разбалансированных ячеек с ёмкостью в 30-60 амперчасов. максимально что испытывал я - 1 ампер без дополнительного охлаждения.

 

2) Плата спаренных бмс. Это главный модуль. На картинке выше изображена предыдущая версия. Работа платы заключается в следующем. Она опрашивает раз в секунду все ячейки( каждая бкюшка и атмега только 10 ячеек) и сравнивает напряжение с записанными в еепроме. там есть пороги на выключения зарядного тока, выключение разрядного тока ну и собственно алгоритм балансировки. попутно первая плата( первая ячейка которой минусом на земле) считает ваттчасы амперчасы и кол-во полных-неполных циклов батареи. Также к ней можно подключить геркон спидометра или через оптопару завести междуфазную частоту от мотора. в результате в статистике появится пробег на заряде, остаток пробега, расход ваттчасов на километр и так далее. ещё к первой плате можно подключить термометры 18,20 для измерения температуры аккумуляторной батареи и прекращения заряда/разряда по температурному порогу.Кроме этого ещё контролируется и ограничивается максимальный ток заряда-разряда при превышении которого тоже блокируется разряд заряд). Плата выдаёт 3 сигнала:
оптоизолированный UART
разрешение на разряд
разрешение на заряд



3) Плата силового размыкателя. Это платка для разрыва тока при разряде и при зарядке. так как обычно в электротранспорте ток заряда очень мал то на него и выделено меньше транзисторов. В наличии разработаны и маленькие платки под 1/5 транзисторов и мощные под 4/20 корпусов то220. На плате есть система предзаряда силовых конденсаторов на компараторе, она же выполняет функции защиты от КЗ. У платы есть переключатель режимов Вкл-Выкл-Авто. тоесть силовые транзисторы можно принудительно открыть, принудительно закрыть и можно переключить в режим управления платами БМС. Разрядный и зарядный каналы будут открыты только в том случае если все смартплаты разрешили разрядный или зарядный ток. В основном платы расчитаны на пару смартбмсок. но последняя миниатюрная версия расширена до 3-х. как показала практика - боьлше и ни нужно. но если надо - просто припаиваются блоки по две оптопары в разрыв оптопар на плате и все. я пробовал работать с 6-ю платами.

 


4) плата блютуз можуля. Это просто блок питания импульсный на микросхеме топсвич. прелесть в том что работает от 20-ти вольт и до 400. от розетки выпрямленное напряжение - пережевывает. ну а сам блютуз это HC-06 стандартный китаймодуль. его задача передавать в терминал и обратно данные из линини. на линию смартплаты вешаются просто паралельно. ничего необычного там нет.

По смартплате можно добавить что там есть 3 набора всех настроек которые можно друг-в-друга копировать и изменять на ходу. это очень удобно например когда эксплуатируеш аккумуляторы в щадащем режиме. и тут надо выжать максимум - просто переключил набор и теперь пороги более крутые.
Смартплатки знают о напряжении банок своих соседок и если где-то есть одна ячейка ниже других и все условия балансировки соблюдены - включатся балансировочные цепь для всех банок на всех платках кроме этой одной самой низшей банки. все смартплатки ждут сообщения первой. она сама каждую секунду кидает в компорт строку со статистикой побаночным напряжением , состоянием балансировки и температурой. сразу за ней отвечает такой же строкой вторая плата.а за ней третья четвертая и так далее. и так каждую секунду. тоесть подключив андроид телефон с любой програмкой терминала вы уже сможете лазить в менюшках каждой смартплатки и менять настройки. настройка каждой платки индивидуальна. и можно подключать к акб две платы впаралель на одной критичные пороги и её выходы управляют силовым размыкателем а у второй пороги помягче и выходы у неё на лампочки-сирены. так сказать дублирование/предупреждение.
При переполюсовках и любых неурядицах - выгорает бкюшка. за два года эксплуатации 7-ю людьми - ниразу небыло случая потери настроек, зависаний или умираний аккумулятора по вине бмс. Так же небыло и выгорания процев и прочей обвязки - только бкюшка мрет при неправильном подключении.
Силовой размыкатель имеет особенности. например даже в разомкнутом состоянии разрядный канал может воспринимать заряд и при этом не сможет бмс этот заряд прекратить. так же и через зарядный канал можно безпрепятственно разряжать аккумулятор в обход защит. причина кроется в паразитных диодах внутри мосфетов. обойти это можно симетничным вариантом разводки силового размыкателя когда транзисторы стоят дрейнами вместе. недостаток у такой системы очевиден - два последовательных перехода и греются больше и места занимают больше и собственно транзисторов нужно в два раза больше ибо через зарядный канал потечет разрядный ток.

Если записать то что выдают смартплаты в файл и скормить программе BatteryLogView то на экране нарисуется диаграмма потребления и напряжения. ток выше нуля это заряд/рекуперация а ниже нуля разряд. в строке состояния рассчитается средний ток максимальный ток и ваттчасы амперчасы за тот период что показан на экране, если диаграмму увеличить то значения статистики пересчитаются для выделенной области. при наведении на линию любой банки она выделяется цветом. при наведении на точку в подсказке будет показано точное напряжение. К одному файлу лога можно подгружать ещё - в контекстном меню есть пункт. Ещё работает через команду открыть с помощью. А через тоталкомандер в программу можно передавать несколько файлов.

Программа для КПК ещё в стадии написания но у неё уже есть настройки выбора компорта(сохраняется в файле. Она собирает огроменную статистику с подробнейшим логом состояния. рисует красивые и наглядные графики и таблицы. пишет лог в память устройства и можно сохранять промежуточные параметры статистики. Программа сама поддерживает соединение и если прерывается - пытается его восстановить.

Впринципе это не все ибо небыло бы полного комплекта электроники без самой главной детали - ходового силового контроллера BLDC электродвигателя на постоянных магнитах и с датчиками холла.

На текущий момент это зародыш который может просто ехать тормозить и не сгорать. Но в дальнейшем в него добавится море функций как поцикловое ограничение тока, синус, векторное управление, автообучение и т.д. и т.п.

На текущий момент выглядид он так. Процессор аналогичен - atmega 168 328. Полевики любые на соответствующий ток и напряжение. Питание через кренку. до 40 вольт рабоатет а дальше надо будет чтото думать. в финале будет импульсник.

На текущий момент он успешно крутит маленький моторчик 250 ватт редукторный на велосипеде моей жены.

Вот впринципе и все чем хотел поделиться. Это полностью готовая и обкатанная система для любого электротранспорта. я старался делать очень компактно и минималистично по деталям. платы не нуждаются в настройке и при исправных деталях работать начинают сразу. допускается отклонение почти любых номиналов в два раза.

Все схемы и печатки с описаниями - есть в архиве Релиз или папке дропбокса .

 


Файлы:
Полный архив со всем необходимым


Все вопросы в Форум.


ID: 2441

Как вам эта статья?

 Нравится
 Так себе
 Не нравится

Заработало ли это устройство у вас?

 Заработало сразу
 Заработало после плясок с бубном
 Не заработало совсем

12 7 23
4
Подробно