Легкий последовательный велогибрид

[Andrew_A]

Привет друзья !   

За несколько лет и много километров катания на веле с подвесным бензомотором пришел к двум выводам:
а. Мотовелосипед - это моя страсть 
б. Самое слабое звено в конструкции мотовела - это трансмиссия. Т.е. передача крутящего момента на колесо, сцепление и в идеале переключение скоростей.

Было решено устранить проблему кардинально - просто избавится от этого звена, заменив его безредукторным BLDC мотор-колесом - с технической точки зрения узла практически безупречного. Чего не скажешь о батарее - тратить безумные деньги на ампер-часы и зависеть от розетки совсем не хотелось.

И вот пришла идея скрестить ежа с ужом классический электровел с бензогенератором.

Итак что имеем:

1. Старый мотовел как донор:



2. Комплект из мотор-колеса MXUS 750 Вт + 30А контроллер + LiFePo4 16S1P 10 ач аккумулятор с зарядкой
3. Легкий инверторный бензогенератор Foxweld GIN-1200 с 40см2 4Т ДВС XY139F мощностью в 1 лс.

Идея использовать генератор "как есть" отпала сразу ибо:
- 220В между ног стремно, особенно в дождь
- Блок инвертора (AVR) эта самая ненадежная деталь генератора, и практически неремонтнопригодная
- Блок AVR + преобразователь 220VAC-48VDC это драгоценные вес, место и потеря КПД.

Самый правильный вариант - обычный трехфазный выпрямитель после альтернатора, подключенный сразу к батарее. Регулировка тока - оборотами ДВС.
Итак, предстояло перемотать альтернатор на 55В. Задача оказалась тяжелее чем я думал . Сначала немного мучений по снятию колокола. Пришлось для этого сделать такие вот приблуды:



Потом, собственно, перемотка. Это была жесть, дорогие мои ... Детали опущу, дам лишь несколько советов после набитых шишек:

1. Диаметр родного провода нужно мерить только микрометром, после обжига и снятия лака. Поверьте, ошибка > 0,05мм в выборе диаметра провода может стать роковой.

2. "Масса" провода должна остаться постоянной - сечение (которое равно (3.14 х диаметр) / 4) должно быть ровно в столько же раз больше, во сколько раз меньше делается витков. И забудьте про "запас" по сечению, иначе просто не хватит места !

3. При расчете кол-ва витков (от которых зависит напряжение) нужно понимать, что штатный инвертор после выпрямления делает переменное напряжение с действующим значением 220В. Т.е. значение постоянного напряжения после выпрямителя это (Vд = Vампл / √2) - КПД инвертора. Как правило, около 350В. Т.е. если вам нужно 55В, то коэффициент будет 350/55.

4. Перед снятием сфоткайте и зарисуйте старую обмотку. Считайте кол-во витков на каждой катушке, хоть оно и должно быть одинаковым. Ошибаются и тот кто сматывает, и тот кто мотал.

Вот что получилось у меня:



В собранном виде:



Зеленая штука на альтернаторе - цифровой датчик холла для измерения оборотов ДВС.

Провел испытания, максимальная нагрузочная способность получилась 13...14А при 55В. Считаю, что эксперимент с перемоткой в целом удался.

Блок ДВС + альтернатор оказался весьма компактный и легкий:



и прекрасно поместился в раму вместо прежнего ДВС (сорри, пока нет фотки). Бак останется от старого вела.

Расчетный вес всего вела получается около 35 кг. Приемлемо.

Отмечу, что у китайцев можно заказать за ~1 т.р. электронный стартер для низковольтных генераторов - поскольку альтернатор это фактически тот же BLDC как и мотор-колесо, его можно использовать для старта. Контроллер подключается к альтернатору и к батарее, запуск производится кнопкой (проверено, работает):



Если поставить мост внутри этой штуковины, вся силовая часть генератора будет в одной коробке. Я для этого сделал такой мост из диодов Шоттки 30А/250В:



Также я разработал вот такой контроллер:



Его функции:
- Измерять напряжение батареи
- Измерять ток мотор-колеса
- Измерять ток генератора
- Регулировать заслонку генератора штатным ШД, поддерживая заданный ток заряда
- Открывать / закрывать "подсос" генератора в зависимости от температуры цилиндра
- Мерить температуру батареи и мотор-колеса
- Считать скорость вела и его общий пробег
- Считать мотор-часы генератора
- Отключать контроллер мотор-колеса или глушить генератор по сигналам от BMS батареи (на разряд и заряд, силовая часть BMS при этом не используется)

Интерфейс - через RS-232 (и переходник в USB) или Bluetooth модуль с планшетом на руле. Как-то так:



Программу интерфейса естественно тоже писал сам, на фото все видно, описывать не буду. Интегрирована с 7ways для навигации.

Была одна проблема - генератор должен быть постоянно подключен к батарее, ибо она выполняет не только роль буфера, не давая ДВС заглохнуть при большой нагрузке, но и ограничителя напряжения - при резком снятии нагрузки ДВС набирает обороты и напряжение на выпрямителе может скакнуть до 150В, пока регулятор не снимет "газ".

В родном инверторе этот скачок компенсируется с помощью шустрого ПИД регулятора заслонки и электронного выпрямителя на тиристорах - сложно и ненадежно. В случае с батареей в параллель она примет на себя весь скачок.

Но как вы знаете, у батареи есть схема БМС, которая может отключить нагрузку в любой момент (полный разряд, КЗ, перезаряд и т.п.) Если в этот момент будет работать генератор, теоретически может сгореть вся электроника: нужно подключать батарею к генератору минуя БМС. И обеспечить при этом защиту от КЗ, которая бы отключала обе силовые цепи.
Самым простым решением явился сдвоенный автомат на 63А. Многие утверждают что на постоянку пойдут обычные "переменные", но все-таки лучше брать специализированный - у него другие искрогасительные камеры, что как минимум продлит срок службы. У нас это экзотика, но из Китая можно привезти за вполне вменяемую сумму даже "фирменный" (с голограммой !):



Также в Китае был приобретен преобразователь 24-72VDC -> 12VDC, 20А:



Наконец-то сбудется моя мечта о нормальной бортовой сети с настоящим автомобильным прикуривателем, 240 ватт на секундочку !

Также накупил разной мелочевки, в основном на руль:



Справа налево:

- крутецкие грипсы а-ля колхоз имени дедушки Ляо, с газом для мотор-колеса, клавишами включением контроллера и ограничителя мощности
- кнопки запуска и остановки генератора
- 6-скоростная манетка Shimano (ибо к мотор-колесу идет 6-скоростная кассета)
- авто-прикуриватель с разъемом USB 1.5А
- фара с 6 х Cree XM-L U2 (6000 люмен). может с люменами и врут, но светит бесподобно, угол рассеивания очень удачный. Была мысль взять фирменные мотоциклетные противотуманки из серии "transformers", но там линза и очень узкий луч, толку никакого. От фары идет провод на внешнюю кнопку управления (3 режима).
- блок кнопок управления фарой, сигналом и поворотниками
На переднем плане - спортивный автомобильный сигнал Когда его включил, понял что погорячился   

Для питания фары от 12В (ей нужно 7,2В) купил за смешные 4 юаня такой регулируемый DC-DC на 4А:



Прикинул компоновку блока батареи и электроники, предполагается установить на багажник (серая коробка - это мой контроллер, под ним - контроллер МК):



Размеры получились 380x145x110 мм. Вес около 5,6 кг:



Короб планирую делать из листа и уголков дюралюминия, с заклепками. Все провода будут выходить через два кабель-канала с гофрой, одна к генератору, другая к рулю. Ну и еще вниз провод к МК.

Продолжение следует ...

[ShorCann]

Весьма интересный проект. А каки скорости планируются? Вопрос не из серии "как переть будет", просто если собирать на существующей раме, то получается следующая картина:
1. Масса МК в сборе - примерно 7-9кг.
2. Масса ДВС - 5кг.
3. Масса АКБ+контроллер - 6кг.
4. Бак - 5кг
Итог: примерно 24 кг, жестко закрепленной на раме массы.
Если оставить раму типа хардтеил, то довольно сильно возрастет ударная нагрузка на обод спицы и задние дропы. Может имеет смысл прикинуть перенос на двухподвес?

[ElectricBus]

Спойлер

Увы, механическая трансмиссия-одно из слабых звеньев почти всех ТС с ДВС...

А вообще, интересная задумка.

Спойлер

Я бы даже мог сказать, что Ваш проект - это «велосипедный тепловоз» или «тепловозный велосипед», если бы не принятая компоновка и СУ...
Кстати, как-то сталкивался в Сети с проектом гибридного привода для велосипеда, но поскольку такое оборудование является достаточно тяжелым, там используется иной принцип компоновки-прицепной "пушер" (моя любимая велосипедная "фишка")...

[Andrew_A]

[user]ShorCann[/user],

Про двухподвес думал, но во-первых, хардтейл уже есть, во-вторых, компоновка и развесовка с генератором "на положенном месте" крайне привлекательна. В двухподвесе только если батарею на руль а все остальное на багажник. Получится ужас.

Про вес: МК без обода - 6,5 кг, полный бак < 3 кг, все остальное верно. Около 20 кг выходит. И я с одеждой ~100кг. Т.е. нагрузка на вел около 120 кг. На заднем колесе максимально широкая резина на широком ободе, качать буду до 4.5атм. Поменяю обод на мотоциклетный если совсем беда будет.

Скорость до 50 км/ч.

[Kmovly]

Можете показать, как вы его в раме разместили? Если с наклоном, то в какую сторону? (При наклонном размещении не будет ли на подъёмах/спусках глохнуть от сигнала датчика уровня масла?) У меня в раму он не влезает, ни, тем более, прежний здоровый kg144 не влезал, потому я в ней использовал пространство под батарею и контроллер, а ДГ место только на багажнике остаётся.

[Andrew_A]

[user]Kmovly[/user],
Хоть по уровню выставляй:

Сорри за фон, скотч и дочкины наклейки на фильтре 

Заодно выложу "боевую раскладку" руля:

[Kmovly]

Спасибо. Да, у вас места достаточно. Ещё вопрос, а обратку топливного контура в бак как завели, впаяли штуцер?

[spb-e]

  Особенно впечатлил контроллер собственной разработки.
Мне кажется что емкость батареи можно сделать меньше. Она же буфером работает как я понимаю.

[Andrew_A]

[user]Kmovly[/user], там после бака будет автомобильный топливный фильтр висеть, перед ним хочу тройник сделать и обратку туда воткнуть. Неправильно конечно, но думаю должно прокатить.

[user]dl[/user], спасибо. Если есть желающие, идеей контроллера (схема, разводка, прошивка, интерфейс) могу поделиться. Одну голую плату могу подарить, если для дела. Ну и советы приветствуются. На одном АКБ предполагается ездить где-нибудь в парках ибо не смущать окружающих. Думаю, 10ач в самый раз.

[spb-e]

5 Ач 12S липолей мне хватало пол города проехать (10-15 км) Что ж там у вас за такие парки гиганские 

[Andrew_A]

[user]dl[/user], ну моему агрегату далеко до Вашей стрелы в плане веса и аэродинамики. Думаю, 10ач 16S будет как раз эти же 15 км.

[MaF]

Эт конечно не мое дело,но приблуды ТС прямо просятся к установке на лигерад,имхо.
Получится,как я понимаю, достаточно дальнобойный агрегат,да и места на лигераде тупо больше - можно моторку в пару ЛС приспособить.
Да и вообще ,имхо, до коммерческого продукта не так далеко.

[Andrew_A]

[user]MaF[/user], как-то стрёмно мне ехать лежа. Опыт правильной группировки при падениях (а они, увы, неизбежны) накопил, а тут как представлю лететь ногами вперед ... Да, голова сзади, но фиг сгруппируешься.

Еще езда у меня часто по пересеченной местности и вечером / ночью, подозреваю у лигерада не такая маневренность, да и не так видно что в паре метрах перед тобой.

Но это все теория, надо конечно попробовать проехаться. Переставить все оборудование на другую раму это не проблема если что.

[MaF]

Дык я не говорю лично Вам срочно пересаживаться на лигерад)
Просто есть форумчане с электролигерадами, по общайтесь с ними - у Вас вполне неплохой продукт выклевывается именно для них.

[eureur_net]

Я хотел поставить высокооборотный дизельный ДВС МК-12 типа... от авиамоделирования в соединении с генератором. Но тот был 200Вт надо было как то до 500 поднять. В солиде переделал на двух-цилиндровый оппозитник... 
Потом решил всё посчитать...  Посчитал всё и понял, что до меня всё посчитано тойотой и хондой иначе бы они тоже ДВС к генератору сначала приделывали. Слишком большие потери на преобразовании короче... даже соединение через цепь всё равно лучше.... если сыпиться искать коструктивные решения, но напрямую...

Единственный вариант у меня остался найти турбину на 500 - 1000Вт... которых собсвенно нет... там удельный вес должен быть оооочень хорошим...  но ещё надо генератор искать на 100 000 оборотов.... идея тоже отпала...

Короче Литий полимер зимой свинец + МК победили гибрид в этом раунде...

[Andrew_A]

Наконец-то откалибровал оба датчика тока и датчик напряжения контроллера. Теперь он показывает реальные значения 
В подобных проектах просто необходим нагрузочный стенд, у меня он из 12-вольтовых 50Вт ламп, 6 линий по 4А при 55В:



Также заморочился с автоматическим управлением "подсосом" генератора.
Поставил датчик температуры на цилиндр, как и в МК это TMP36 (диапазон -40...+125С), в термоусадке на экранированном проводе (будет еще один такой же для батареи):



Потом самое сложное - привод "курка" заслонки. Условия поставил два - сохранение возможности ручного управления и сохранение внешних габаритов генератора. Сюда напрашивалась мини-серва, но в закромах валялся 12В мотор с редуктором, решил использовать его. Получилась такая чудовищная конструкция, не судите строго, слесарь из меня хреновый. Зато работает:



На контроллере для управления заслонкой предусмотрен силовой Н-мост с внешним питанием, т.е. подключить можно любой привод постоянного тока.

Ну и поставил мотор-колесо на раму - аппарат стал приобретать формы:



Тема изъезженная, скажу лишь что поскольку рекуперация не планируется (в гибриде она не нужна, да и вообще сомнительная вещь на практике), поставил только один титановый усилитель дропаутов от e4bike, точнее его половину. Он прочно упирается в раму при повороте оси в ускорении, в дополнительных деталях смысла не вижу.

Ну и совет тем кто пересаживается с F50/F80 и использовал ведущую звезду с посадкой вместо дискового тормоза - из нее получается просто идеальная проставка под задний ротор (болгаркой выпиливается центральная часть). Штатную пластиковую можно смело выкидывать - тонкая и проминается при затягивании болтов на роторе.

[kazap]

Приветствую! тоже прорабатывал эту идею по поводу гибрида , но планировал реализацию частично по другому.
1. Изначально хотел реализовать это в прицепе с моноколесом (поскольку большой пробег нужен редко, а по городу вполне на батарейках можно), который мог бы кроме помощи в передвижении разгрузить вел от багажа.
2. Использовать контроллер с рекуперацией в качестве обратного преобразователя(зарядки аккумов), и его же использовать для запуска. в нем и напряжение (ре)генерации регулируется.
3. управление дроссельной заслонкой использовать от генератора(есть модели с выделенным из платы инвертера блоком управления ДЗ), но тут пока изучил вопрос поверхностно, т.к не до конца понятно как блок управления получает сигнал с платы преобразователя, в виде чистого напряжения с катушек генератора или как то обработанный.

а по поводу рекуперации энергии от колеса самого вела тоже согласен что баловство.

[ElectricBus]

Приветствую! тоже прорабатывал эту идею по поводу гибрида , но планировал реализацию частично по другому.
1. Изначально хотел реализовать это в прицепе с моноколесом (поскольку большой пробег нужен редко, а по городу вполне на батарейках можно), который мог бы кроме помощи в передвижении разгрузить вел от багажа.

То есть, Вам тоже нравилась концепция использования велобустера ("пушера", "толкача")?
 
Перекликается с такими темами:
https://electrotransport.ru/index.php?topic=20310.0
https://electrotransport.ru/index.php?topic=770.msg8105#msg8105

Мне думается, что для велобустера все же лучше не моноколесо, а внешний ЭД, характеристики которого подобрать легче, в.т.ч для гибридного привода...