Строим мини-круизер на электротяге

[DIVAS]

Кажется, я определился с напряжением и приводами.

Изначально я хотел использовать напряжение 60В, потому что у меня второй электропед на таком ездит. Ну, чтобы не бегать с двумя типами зарядок и иметь возможность когда нужно на одном из них уехать куда-то далеко, прихватив в запас батарею от второго.

Почитав разные темы и поизучав чем можно БЫСТРО заряжать такие батареи, я начал склоняться к 48В и переделке старого электропеда тоже на 48В. И вот почему:
1. чем меньше банок - тем проще контролировать их процессы заряда/разряда (меньше проводов, секций балансира и т.п.)
2. при меньшем количестве банок конфинурацию батареи можно подбирать более точно под имеющиеся объёмы. Всё-таки, группы по 16 пакетов занимают немного меньше места, чем группы по 20 пакетов.
3. На 48В доступен широкий ассортимент дешёвых и притом отличных зарядных устройств - телекоммуникационные блоки питания с режимами CC/CV, имеющие безумную мощность в 3 кВт и как раз предназначенные для заряда батарей. Надо только купить и отрегулировать нужное напряжение.

Основной аргумент, конечно, это удобство заряда. Учитывая что проектная ёмкость батареи порядка 6 кВт*ч,  заряжать я её буду явно не 200-ваттной зарядкой.
А если возить с собой трёхкиловаттную зарядку, то можно не сильно беспокоиться о том что аккумулятор разрядится вдали от дома - всегда можно где-нибудь "прикурить" и за 15 минут "налить" энергии ещё километров на 30-40.

Сначала были идеи о располовинивании батареи на две подгруппы для раздельного заряда, но это тот ещё геморрой. К тому же, при напряжении 32В тоже сходу не придумаешь чем их просто и удобно заряжать.

Разумеется, при 48В потери на проводах будут больше, чем при 60В - за счёт большего тока, необходимого для достижения той же мощности. Эту проблему я намерен решить применением нормальных силовых проводов сечением не менее 16кв.мм.

Почитал разные темы в форуме - в общем-то, я пришёл к выводу, что 48В вполне достаточно для моих целей.

На всякий случай напомню, что целью проекта является неспешный мопед-круизер (мини-чоппер). Расчётная предельная скорость - 60-70 км/ч, предполагаемая оптимальная - порядка 40 км/ч.


Снижение напряжения бортовой сети также навеяло решение о полном приводе. При разделении той же мощности на два контроллера и два МК общий КПД системы можно немного повысить, поскольку рабочие токи каждого МК и контроллера будут примерно вдвое меньше. Передний МК пока выбирается... Либо это самый маленький Кваншунь, либо что-то рядовое китайское на 800-1000Вт.
Опыт езды на двух моторах у меня уже есть - на моем старом электропеде. Единственный недостаток МК в переднем колесе - рулить с таким гироскопом тяжелее. Во всём остальном у полнопривода только достоинства. Массу мы особо не экономим, т.к. при весе всего девайса около 150кг вес одного МК ничтожно мал.

[Steel RAT]

КПД не повысить, а понизить. Изучайте нагрузочные кривые электродвигателей.
Идея с полным приводом в вашем случае приводит к неоправданному усложнению технической начинки проекта и его стоимости.
Вы и так аккумуляторов на 100 тыр. запланировали.

[TRO]

КПД не повысить, а понизить. Изучайте нагрузочные кривые электродвигателей....

Аргументируйте без посылов в никуда, или неможете? желательно хоть с какими то циферками, хоть в теории... Я лично с вами не согласен.

[aleks17121960]

По мне-КПД не поменяется,если в обоих случаях моторы используются однотипные(по конструктиву) и при номинальной мощности.Схема с одним мотором проще,надежность же-вопрос спорный,при случае и на одном доехать можно при наличии двух.

[Steel RAT]

Аргументируйте без посылов в никуда, или неможете? желательно хоть с какими то циферками, хоть в теории... Я лично с вами не согласен.

Могу. Чем выше нагрузка, тем выше КПД. Примерно до 85% максимальной долговременной мощности.

[TRO]

Могу. Чем выше нагрузка, тем выше КПД. Примерно до 85% максимальной долговременной мощности.

Т.е. если мотор на своих номинальных оборотах работает на мех нагрузку 250вт, а потом 500вт, то в первом случае КПД хуже? Вы бы электровелокалькулятор хоть бы покурили прежде чем такие заявки делать, там и графики есть, которые вы так любите. В реале у меня есть двухмоторник, когда работает один то жрёт заметно больше чем двое на одной и той же скорости, я лично не удивлён потому как знаю расклад с циферками. Вы тут предлагали поизучать нагрузочные кривые электродвигателей, ну так давайте их сюда, поизучаем вместе, сразу станет всё понятно, а то может мы не поняли друг друга.

[TRO]

[user]Andrey K[/user], нафига тут этот ликбез без выводов? Или вы думаете кто то тут не знает что такое КПД?
Сами как думаете? Два конструктивно одинаковые МК на веле КПДшнее чем один, или наоборот?
Или вы так, сами с собой разговариваете? абстрактно от темы? У вас монолог, а тут диалог бы не помешал.

[Steel RAT]

У меня нет в запасе готовой кривой для частичных нагрузок BLDC мотора.
Только для полного газа.
Может у вас есть?

[DIVAS]

Цифры, графики и формулы - это всё конечно круто.
Но без логики, которая их связывает, они бессмысленны и беспощадны.
Сначала надо с логикой работы системы разобраться и учесть все потери и нюансы, а потом уже привлекать цифры и графики.

В каком случае КПД мотора запредельно низок? - При разгоне и подъёме в горку.
Почему? - Потому что при повышенном токе (полный газ + низкие обороты) магнитопровод уходит в насыщение, мотор жрёт (точнее, контроллер в него дует) больше в два раза (условно), а тянет(имеется в виду только момент) больше всего на четверть (условно). Причём, поскольку жрёт он в этом случае двойную мощность, а на выходе почти нет оборотов (т.е. на выходе работа по перемещению крайне низка), в этом случае КПД просто чудовищно падает.

Известно, что магнитная система МК может выдавать какой-то максимальный момент, который ограничен железом и магнитами. Далее с повышением тока наступает насыщение, повышается нагрев железа и обмоток и снижается КПД МК.
Для разгона или подъёма в гору нужен некий немалый момент, который обычно выжимается из МК путём подачи на него завышенного тока. При превышении номинального тока в два раза прирост момента будет ни разу не двухкратный, а в лучшем случае на треть - потому что магнитопровод уже насыщен, потери на активном сопротивлении обмоток квадратично растут, а магнитная система больший момент выдать уже физически неспособна.

Что даёт второй мотор?
Да элементарно - для получения того же момента нам не нужно загонять в насыщение МК, т.к. два мотора запросто выдадут тот же момент в штатном режиме без перегрузок. Кроме того, при затяжном подъёме в гору два мотора обеспечат значительно большую скорость подъёма, соответственно значительно меньшее время подъёма и более высокий КПД, т.к. моторы работают на большей скорости, чем работал бы один. При разгоне КПД МК в очень грубом приближении пропорционален скорости, т.к. на входе мощность одинаковая, момент на выходе одинаковый, а скорость растёт. А работа на выходе, как помнится, равна произведению силы на перемещение, т.е. момента на условую скорость.

Эта теория работает на слабых моторах, как на моем старом электропеде - там два МК по 450Вт.
Это реально проверено и это работает. Сначала я ездил на одном моторе, потом прикрутил второй и запас хода по городу увеличился на ~10-15%.
На более мощных конфигах скорее всего такого острого дефицита момента уже не будет и прирост КПД будет менее заметен.

Однако, низкие напряжения и большие мощности всё равно нельзя оставлять без внимания. В принципе, всё лечится - берём провода потолще и тем самым снижаем потери примерно до тех же %, что и при 60В. Но надо помнить несколько нюансов.
1. провода от мотора до контроллера, а также сечение обмоток не очень-то поддаются замене на более толстые.
2. импульсная нагрузка на конденсаторы тем больше, чем больше ток. А если конденсаторы не справляются, то потери возрастут, т.к. импульсные токи будут действовать на провода питания контроллера, просаживать его питание и снижать амплитуду напряжения, доходящего до МК после контроллера.

Ну и не стоит забывать про такие плюшки полнопривода, как:
1. повышение маневренности на малой скорости по малым радиусам (я освоил несколько приемов, возможных только на полноприводе  )
2. повышение проходимости, в т.ч. при закатывании по лестницам (полнопривод по ним скачет как горный козёл - иногда это очень удобно)
3. возможность электромагнитного торможения двумя колёсами - может пригодиться на скользкой дороге.
4. все основные ходовые системы электропеда оказываются полностью дублированы - если что-нибудь сдохнет в дальней дороге, всегда можно будет доехать на другом моторе.

[TRO]

У меня нет в запасе готовой кривой для частичных нагрузок BLDC мотора.
Только для полного газа.
Может у вас есть?

Я так понимаю вы послали человека изучать кривые которых сами не видели, и где взять незнаете. Нет BLDC - давайте хоть колекторник на ПМ, в нашем случае кривые будут практически теже.
Курите электровелосимулятор, меняйте параметры и хоть засмотритесь на кривые. Если они вам не понравятся, можно будет и обсудить.

[Steel RAT]

и где взять незнаете. Нет BLDC - давайте хоть колекторник на ПМ, в нашем случае кривые будут практически теже.

Такой вас устроит?

[DIVAS]

и где взять незнаете. Нет BLDC - давайте хоть колекторник на ПМ, в нашем случае кривые будут практически теже.

Такой вас устроит?

Таки как раз оно и есть - наибольшая эффективность на 2/3 мощности нагрузки. И я даже знаю почему.
Тут снова всё элементарно - у любого мотора есть ток ХХ, который всегда потребляется и не производит работы на выходе. Он условно фиксированный, а при добавлении нагрузки начинает расти мощность как на выходе, так и на входе. Если при вращении без нагрузки выходная мощность условно равна нулю, то входная мощность равна к примеру 5% номинала, а ток ХХ условно составляет 100% от входной мощности, т.е. КПД тоже равен нулю. А при 100% нагрузке ток ХХ составляет всё те же 5%, при этом КПД, не считая прочих потерь, будет составлять 95%.

Итак, разобрались с ХХ - он задаёт первую часть графика, где КПД растёт одновременно с ростом нагрузки.
А правую часть графика, где КПД падает с ростом нагрузки, задаёт уже не ток ХХ, а потери на активных сопротивлениях обмоток и в магнитопроводе. Эти потери растут по мере увеличения нагрузки (т.е. входной и выходной мощности).

Это что я могу сказать по графику.
А теперь вернёмся к электропеду.
Берём МК, подключаем к контроллеру, включаем последнюю скорость, давим "тапку в пол" и замеряем этот злосчастный ток ХХ - убедились, он есть.
Но если поставить этот МК на электропед и поехать на нём, то преодоление сил трения, сопротивления воздуха и т.п. заставит МК работать уже далеко не на ХХ, а под вполне ощутимой нагрузкой, на фоне которой ток ХХ "потеряется" и мы попадём в правую половину графика, достигнув баланса между скоростью и мощностью.
Если поставить второй мотор, то мощность системы увеличится и мы сможем снова достигнуть баланса скорости и мощности, увеличив скорость. Система автобалансируется.
Хотя, если брать медленный тяговый МК, то баланс между скоростью и мощностью сможет быть достигнут только на подъёме в горку, тогда на горизонтальной плоскости он не будет соблюдён и система окажется в левой части графика.

Но на этот случай у полнопривода есть лекарство - если ставить два МК разной мощности, то можно сделать систему управления ими, чтобы в таких случаях отключать тот МК, работа которого неоптимальна.
Но это уже на самом деле фигня. Особенно если посмотреть не только на форму графика, но и на цифры слева - вся суета происходит вокруг несчастных 3% КПД, если не насиловать МК на запредельно низкой нагрузке.

А теперь посмотрим ещё один нюанс.
Что делать, если мы хотим ехать медленно?
Казалось бы - ведь тогда скорость будет меньше, нагрузка меньше и баланс скорости и мощности будет нарушен.

А не будет! Почему? Да потому что для того чтобы медленно ехать мы приотпустим ручку газа и снизится мощность, которую дует контроллер в МК. Снизится среднедействующее на него напряжение, а вместе с ним и ток ХХ.
Ток ХХ будет составлять всё те же условные 5% от номинальной мощности, но тольно не от той, которая написана на МК или контроллере, а от той, которую фактически пытается вдуть контроллер в МК в данный конкретный момент. А баланс скорости и мощности опять автоматически сбалансируется. И вот это как раз самая главная мысль всего этого разбора полётов.

Какие выводы из этого можно сделать?
А вот такие: вышеприведённый график - ни что иное, как график КПД от нагрузки на двигатель при неизменных входных условиях. Но у нас-то случай немного не тот. А точнее, совсем не тот - мы можем менять условия на входе.

PS. Когда я говорю, что что-то "условно" или "например" - это означает что число абстрактно и взято "от балды" и не нужно его воспринимать как что-то значащее в реальности число. Ну не люблю я эти любимые математиками "примем за икс" и т.п.... Поэтому "условно [число]". 

А если продолжить анализировать эту тему дальше, то можно сделать ещё несколько интересных выводов... Но я уже спать хочу.

[TRO]

Источник графика пожалуйста. Что значит загрузка? (нагружали мотор внешней нагрузкой при полном газе или ручку газа крутили с пропеллером? Очень разные вещи знаете ли...) Короче к графику больше вопросов чем он даёт ответов.

Теперь вернёмся к двигателю. У него есть сопротивление обмоток, это активная нагрузка на которой выделяется в тепло основная потеря. Теперь дадим полный газ и нагрузим двигатель на 50% и на 100% (типа два движка при езде по прямой и один). Поскольку момент пропорционален току, то токи будут один к двум. А активные потери на сопротивлении обмоток будут 1 к 4, поскольку потери пропорциональны квадрату тока. В итоге нагрузка увеличилась в 2 раза, а потери в 4. Для меня очевидно падение КПД при росте нагрузки, почему это не очевидно для других, я незнаю. Практика при езде на двух моторах это подтверждает. Симулятор кстати тоже, достаточно поигратся газом так чтобы уменьшить момент (нагрузку) вдвое по сравнению с номинальным и сравнить КПД на одной и той же скорости.

Как видим на одной скорости с разницей моментов и токов в 2 раза, на меньшей нагрузке КПД 80,1% против 74.2% на полной нагрузке. А если взять хорошую батарею и мощный контроллер, и ездить с ускорениями и горками, то разница в КПД станет ещё более заметной:

Спойлер

[Steel RAT]

В итоге нагрузка увеличилась в 2 раза, а потери в 4.

Формулу можно?
Вообще, как активная мощность, так и мощность потерь возрастут в одинаковой пропорции.
Если поднять напряжение, в два раза, то ток возрастет в два раза и напряжение в два раза.
Мощность на нагрузке в 4 раза. P=U*I=U^2/R

И еще. Сравнивать один двигатель и два двигателя той же мощности это как-то неинтересно.
Тут вы правы.
Я понял, что мы сравниваем 1 двигатель и два половинной мощности.
В таком случае один более мощный будет иметь больший КПД, чем два более мелких при одинаковой общей мощности на нагрузке.

[DIVAS]

В таком случае один более мощный будет иметь больший КПД, чем два более мелких при одинаковой общей мощности на нагрузке.

Обоснуйте...

[andruxxa]

Подшипников в 2 раза больше вот 1 мотор и выиграет у 2х. Ну и по весу 1 легче будет.

[Steel RAT]

В таком случае один более мощный будет иметь больший КПД, чем два более мелких при одинаковой общей мощности на нагрузке.

Обоснуйте...

Чем мощнее мотор, тем более толстым проводом намотаны обмотки, меньше сопротивление обмоток, меньше потери на нагрев. Опять же при больших магнитах и магнитопроводах лучше сфокусировано магнитное поле в внутри мотора. Больше площадь магнитного зазора.
Хороший мотор - тяжелый мотор. (с)

[DIVAS]

Подшипников в 2 раза больше вот 1 мотор и выиграет у 2х. Ну и по весу 1 легче будет.

Э.... А какая разница между подшипниками в обычном колесе и в МК...? Или у Вас обычное колесо без подшипников в воздухе висит...? 

А вес мотора при 130кг веса электропеда с 100кг водителем, 90кг пассажиром и с 50кг багажа - это уже даже не смешно.

В таком случае один более мощный будет иметь больший КПД, чем два более мелких при одинаковой общей мощности на нагрузке.

Чем мощнее мотор, тем более толстым проводом намотаны обмотки, меньше сопротивление обмоток, меньше потери на нагрев. Опять же при больших магнитах и магнитопроводах лучше сфокусировано магнитное поле в внутри мотора. Больше площадь магнитного зазора.
Хороший мотор - тяжелый мотор. (с)

Пока что эти доводы по убедительности не превышают утверждения о том, что езда на 100км/ч экономичнее езды на 40км/ч.