Elcykel – Regenerering med BLDC-motor och DC/DC-omriktare

Elcykel – Regenerering med BLDC-motor och
DC/DC-omriktare
Electric bicycle – Regeneration with BLDC-motor and DC/DC-converter
Kandidatarbete inom Civilingenjörsprogrammet Elektroteknik
Christian Du-Bar
Simon Torstenson
Institutionen för Energi och miljö
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
Göteborg, Sverige 2009

Sammanfattning
De flesta elcyklar som finns på marknaden i dag är inte förberedda för regenerering utan
laddas från elnätet. Genom att ta till vara på rörelseenergi för att ladda elcykelns batteri, kan
räckvidden utökas alternativt ett mindre batteri användas. I arbetet konstrueras därför en
återladdningskrets i form av en DC/DC-omriktare, som tillsammans med de befintliga delarna
på en elcykel ska möjliggöra för regenerering under färd. Kretsen som konstrueras är av typen
buckboost och bygger på kontrollkretsen LM5118 från National Semiconductor.
Bakomliggande teori för en BLDC-motor och en buckboostkrets behandlas kortfattat.
I utvärderingen av kretsen, som visar sig inte fungera fullt ut, visas att en verkningsgrad på
över 90% kan uppnås med den typ av DC/DC-omriktare som konstrueras. I slutet av
rapporten ges förslag till hur utvecklingen av kretsen kan fortsättas och på intressanta
undersökningar som kan genomföras.

Abstract
The electric bicycles of today are usually not constructed for regeneration, instead the
batteries are only charged from the electric grid. Recharging the battery by reuse of kinetic
energy may increase the range or reduce the size of a suitable battery. Hence, in this project a
DC/DC-converter, that together with already existing parts of the bicycle, is constructed to
provide the reuse of the kinetic energy. The regenerating circuit is of buck-boost circuit type,
which is based on the integrated control circuit LM5118 from National Semiconductor. The
theories behind a BLDC-motor and a buck-boost circuit are briefly described. The analysis of
the circuit, which does not fully work, shows that efficiency above 90% can be reached with
the kind of DC/DC-converter that is constructed. In the end of the report, some suggestions
about further development of the circuit and some interesting studies that can be made, are
given.

INNEHÅLLSFÖRTECKNING
1 INLEDNING........................................................................................................................... 1
1.1 Syfte ................................................................................................................................. 2
1.2 Metod ............................................................................................................................... 3
1.3 Avgränsningar .................................................................................................................. 3
2 BEFINTLIG UTRUSTNING.................................................................................................. 4
2.1 Navmotorn........................................................................................................................ 4
2.2 Styrboxen ......................................................................................................................... 5
2.3 Batteriet ............................................................................................................................ 5
3 BESKRIVNING AV DE PRINCIPER SOM ANVÄNDS..................................................... 6
3.1 BLDC ............................................................................................................................... 6
3.2 Buck/boostkrets................................................................................................................ 6
4 UPPMÄTNING AV MOTORNS KARAKTÄRISTIK.......................................................... 8
4.1 Frekvens som funktion av hastighet................................................................................. 8
4.2 Inducerad spänning som funktion av hastighet .............................................................. 11
5 KONSTRUKTION AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN .................................................... 12
5.1 Kontrollkretsens olika funktioner................................................................................... 12
5.2 Beskrivning av komponenternas funktion...................................................................... 14
5.3 Beräkning av komponentvärden..................................................................................... 16
5.4 Kretskortets layout ......................................................................................................... 20
6 UTVÄRDERING AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN ...................................................... 22
6.1 Återladdningskretsen med intern styrning ..................................................................... 22
6.2 Återladdningskretsen med extern styrning..................................................................... 23
7 SLUTSATS OCH FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE................................................... 25
KÄLLFÖRTECKNING ........................................................................................................... 27
Bilaga 1 – Reflexsensor
Bilaga 2 – Komponentlistor
Bilaga 3 – Återladdningskrets med extern styrning
Bilaga 4 – Mätdata för återladdningskrets med intern och extern styrning

1 INLEDNING
En elcykel ser ut och fungerar ungefär som en vanlig cykel med skillnaden att det finns en
elektrisk motor som hjälper cyklisten vid behov. Vikten på de komponenter som tillkommer
beror till stor del på batteriets storlek men är i storleksordning 10kg. Beroende på vilken typ
av motor som används kan ett motstånd tillkomma då cykeln cyklas med motorn avstängd.
För att en elcykel i lagens mening ska räknas som en cykel ska den konstrueras på följande vis
enligt Vägverket:
“Elmotorn kopplas in när trycket på tramporna ökar, t. Ex. för att underlätta
trampningen i uppförsbackar och i stark motvind. Motorn får endast förstärka kraften
från tramporna och får inte ge något krafttillskott vid hastigheter över 25 km/tim.
Motorns nettoeffekt får inte överstiga 250 watt.” (Vägverket 2008)
De flesta elcyklar som finns på marknaden idag är inte förberedda för generatordrift utan
laddas från elnätet. Företaget Sanyo har dock utvecklat en elcykel som kan återladdas under
färd. Enligt beräkningar kan återladdningen på deras cykel öka cykelsträckan med elhjälp 1,8
gånger jämfört med tidigare elcyklar utan generatordrift (Abrahamson 2008).
Den största fördelen med att kunna återuppladda batteriet under färd är kanske att
återuppladdningen kan göra elcykeln till ett mer attraktivt färdmedel i form av utökad
räckvidd. Alternativt kan elcykeln göras smidigare med ett mindre batteri. En annan fördel är
en liten energibesparing i form av minskad uppladdning från elnätet.
Den typ av motor som är vanligast bland dagens elcyklar är en navmotor av typen BLDC,
monterad antingen på cykelns framhjul eller bakhjul. BLDC-motor står för brushless direct
current motor som på svenska kan översättas till borstlös likströmsmotor. Detta ger dock en
dålig beskrivning av motorn då den inte drivs med likström. Före motorn sitter en styrkrets
som matas med likström och alstrar en eller flera växelspänningar till motorn. Eftersom
uttrycket används flitigt i både böcker och artiklar används det även i den här rapporten. Det
man menar med BLDC är en synkronmotor med permanentmagnetiserad rotor (Yedamale
2003).
Det här kandidatarbetet är delvis en fortsättning på det tidigare kandidatarbetet ”Elcyklar och
dess möjlighet till uppladdning under drift” som gjordes på Chalmers 2008. Det arbetet var
till stor del en litteraturstudie, en marknadsundersökning gällande elcyklar genomfördes och
en elcykel köptes in. Till elcykeln konstruerades en enklare återladdningskrets som aldrig
hann testas (Ivarsson m.fl. 2008). Det här arbetet som till största delen är
konstruktionsinriktat, kommer därför främst att fokusera på att utveckla en fungerande
återladdningskrets till den befintliga elcykeln. Återladdningskretsens uppgift är att ta tillvara
på rörelseenergi och ladda elcykelns batteri under färd, se Figur 1.1.
1

Figur 1.1 Då elcykelns navmotor arbetar i generatordrift alstras en trefasspänning vars
amplitud och frekvens är beroende av hastigheten på cykelhjulet. Trefasspänningen
likriktas därefter i en trefaslikriktare och en likspänning vars storlek varierar med
hastigheten på hjulet erhålls. Innan likspänningen matas till batteriet måste den regleras
till en lagom stor, konstant spänning, vilket görs av återladdningskretsen som
symboliseras med den svarta rutan i figuren.
En BLDC-motor i generatordrift fungerar på samma sätt som en permanentmagnetiserad
synkrongenerator vilken ofta används i mindre vindkraftverk. Därför kan innehållet i
rapporten och den typ av krets som konstrueras även vara intressant i detta sammanhang.
1.1 Syfte
Syftet med kandidatarbetet är att konstruera och bygga en återladdningskrets för att kunna
ladda upp elcykelns batteri under färd. Målet är att återladdningskretsen ska vara
användarvänlig och ha en hög verkningsgrad. Med användarvänlig avses att cyklisten själv
kan bestämma när återladdning ska ske.
2

1.2 Metod
Arbetet med kandidatarbetet delades tidigt upp i fyra delar, där den större delen av tiden
ägnades åt konstruktionsarbetet. De olika delarna utfördes i stort sett sekventiellt då varje nytt
moment till stor del byggde på momentet innan.
Den första delen bestod av en litteraturstudie för att samla information om elcyklar, BLDCmotorer
i generatordrift, laddning av NiMH-batterier och DC/DC-omriktare. Under tiden
litteraturstudien pågick sågs även den befintliga elcykeln över och kompletterades med en ny
navmotor.
Då det inte fanns någon tillgänglig data för navmotorn som generator, genomfördes en
mätstudie för att ta fram karaktäristiken för motorn i generatordrift. Under tiden som
mätstudien pågick påbörjades rapportskrivandet.
Framtagen mätdata tillsammans med information från litteraturstudien låg sedan till grund för
konstruktionen av återladdningskretsen. Återladdningskretsen är en DC/DC-omriktare av
typen buckboost som bygger på kontrollkretsen LM5118 från National Semiconductor.
Konstruktionen gjordes i två steg. För att snabbt komma igång konstruerades först en krets
helt baserat på ett färdigt utvecklingskort från tillverkaren av LM5118. Därefter gjordes
beräkningar för att kunna göra ändringar i kretsen så att den skulle fungera tillsammans med
de befintliga komponenterna på elcykeln. Dessvärre fungerade inte styrningen med
kontrollkretsen fullt ut och dessa ändringar kunde därför aldrig genomföras. För att ändå
kunna visa hur kretsen var tänkt att fungera, tillverkades en enklare variant av kretsen med
möjlighet till extern styrning.
I den sista delen utvärderades kretsen i form av ytterligare en mätstudie för att visa hur väl
den färdigbyggda återladdningskretsen fungerade. Mätningar gjordes både på
återladdningskretsen med kontrollkrets och den med extern styrning.
1.3 Avgränsningar
Den enklare kretsen som togs fram i arbetets slutskede för att kunna utvärdera egenskaper för
återladdningskretsen, redovisas inte lika fullständigt som den tidigare. Att detaljerat redogöra
för hur den externa styrningen går till skulle bli allt för omfattande. Detta bedömdes inte
heller tillföra något ytterligare till den typ av återladdningskrets med intern styrning som
rapporten behandlar.
.
3

2 BEFINTLIG UTRUSTNING
Som nämnts i inledningen fanns en färdig elcykel vid arbetets start. Elcykeln är en vanlig
standardcykel med ett monterat elcykelkit. I det här kapitlet beskrivs först de delar som
elcykelkitet består av. Därefter följer en utförligare beskrivning av de delar som förutom
återladdnigskretsen används vid regenerering.
Motor
Trefasig navmotor på 250 W av typen BLDC. Innehåller hallsensorer och är monterad på
framhjulet. Den här motorn ersattes senare med en motsvarande motor på 500 W.
Styrbox
Tar emot signalerna från reglagen och sensorerna och genererar en trefasspänning till motorn.
Batteri
Batteripack med 20 stycken seriekopplade NiMH-celler som tillsammans ger 24 V. Batteriet
sitter på undersidan av pakethållaren.
Pedalsensor
Sensor som känner av när cyklisten trampar. När elcykeln används i trafik krävs att motorn
endast driver då cyklisten trampar.
Bromshandtag
Bromshandtag som förutom att bromsa cykeln även stänger av motorn då cyklisten bromsar.
Gasreglage
Möjliggör drivning av motorn utan signal från pedalsensorn. Praktiskt ur laborationssynpunkt.
2.1 Navmotorn
Elcykeln var från början utrustad med en navmotor som hade ett mekaniskt frihjul i den ena
rotationsriktningen. Detta för att motorn inte var tillverkad för generatordrift, rotorn läts då stå
stilla när hjulet rullade framåt samtidigt som motorn var avstängd. Motståndet när elcykeln
cyklades som en vanlig cykel minskades då genom att ingen spänning inducerades.
För att kunna använda den befintliga motorn som generator krävdes att det mekaniska
frihjulet låstes, spänningar induceras då över statorlindningarna när hjulet roterar. För att ta
reda på hur frihjulet skulle kunna låsas öppnades navmotorn och det observerades att det även
fanns en mekanisk utväxling mellan rotorn och cykelhjulet. Utväxlingen gjorde att momentet
på hjulet blev högre när motorn kördes. Omvänt gjorde utväxlingen vid generatordrift att
rotorn roterade snabbare än hjulet, vilket ledde till att den inducerade spänningen blev högre
och fick högre frekvens.
Förutom navmotorns frihjul i ena rotationsriktningen var även gängorna som används för att
montera hjulet skadade. De skadade gängorna medförde att hjulet inte kunde monteras
korrekt. Ett beslut togs då om inköp av ett nytt hjul med en navmotor utan frihjul.
4

2.2 Styrboxen
På utgången i styrboxen finns sex stycken transistorer som styrs med PWM-signaler så att en
trefasväxelspänning skapas. Över varje transistor sitter en skyddsdiod för att skydda
transistorn, se Figur 2.1. Om styrboxen är avstängd och inga PWM-signaler skickas till
transistorerna, samtidigt som motorn används som generator, kan skyddsdioderna användas
som trefaslikriktare av de inducerade växelspänningarna.
Figur 2.1 Transistorerna och skyddsdioderna på styrboxens utgång.
Skyddsdioderna kan används som trefaslikriktare.
2.3 Batteriet
Elcykelns batteri har en kapacitet på 8,5 Ah. I batteriet finns en temperatursensor som kan
användas för att avbryta laddningen om batteriet blir för varmt. Då den medföljande
batteriladdaren ger en laddström på 1,8 A tar det ca 5 h att ladda upp batteriet när det är helt
urladdat.
Som tidigare nämnts innehåller batteripacket 20 stycken seriekopplade NiMH-celler.
Varje cell har en nominell spänning på 1,2 V, batteriets nominella spänning blir då
20*1,2= 24 V. Beroende på med hur stor ström och vid vilken temperatur batteriet laddas, har
en fulladdad NiMH-cell i god kondition en spänning strax över den nominella spänningen.
Batteriet kan anses fulladdat då cellernas spänning är ca 1,4-1,47 V (Anton m.fl. 2007).
Strömmen som ett batteri kan leverera under en timme betecknas ofta som 1 C, i det här fallet
är således 1 C = 8,5 A. Om NiMH-batterier laddas med en ström större än 0,5 C vid
temperaturer över 23°C kan batterierna skadas till följd av värmeutvecklingen (Anton m.fl.
2007). Laddströmmar över 0,5*8,5 = 4,25 A bör därför undvikas trots temperatursensorn.
5

3 BESKRIVNING AV DE PRINCIPER SOM ANVÄNDS
Detta kapitel beskriver grundläggande teorier dels för motorn som användes samt för den typ
av krets som konstruerades.
3.1 BLDC
Den typ av BLDC-motor som vanligen används i navmotorer har en permanentmagnetiserad
rotor som roterar på utsidan av statorn. I motorn finns tre hallsensorer vilka skickar signaler
till styrboxen som då känner av vilket läge som rotorn befinner sig i. Utifrån den givna
positionen på rotorn generar styrboxen tre fasförskjutna spänningar till statorlindningarna.
I lindningarna skapas ett magnetiskt fält som interagerar med det magnetiska fältet från
permanentmagneterna i rotorn och ett moment mellan stator och rotor uppstår (Yedamale
2003).
Vid generatordrift inducerar magnetfältet från permanentmagneterna i rotorn spänning över
statorlindningarna. Motorn generar då en trefasspänning vars storlek och frekvens är beroende
av rotorns hastighet. Momentet som krävs för att inducera en viss spänning bestäms av hur
mycket effekt som tas ut från statorlindningarna, det vill säga hur stor ström som tas ut vid en
given spänning över statorlindningarna.
3.2 Buck/boostkrets
En buck/boostkrets även kallad step-up/step-downkrets, som visas i Figur 3.1, omvandlar en
inspänning, U in , till en utspänning, U ut , som är högre eller lägre än U in . U ut bestäms av hur stor
ström som tas ut från kretsen tillsammans med pulskvoterna på de PWM-signaler 1 som
transistorerna, Q1 och Q2, switchas med. Beroende på om U ut ska vara större eller mindre än
U in arbetar kretsen på två olika sätt som beskrivs nedan. Kondensatorn, C1, fungerar som en
glättningskondensator för att ta bort spänningsrippel på U ut .
Figur 3.1 Schematiskt bild av en buck/boostkrets.
1 Pulse Width Modulation
6

U in >U ut Buck-/Step-downmode
Q1 switchas och Q2 betraktas som avbrott. När Q1 leder går det ström genom L1 och D2 till
C1 och U ut . Detta leder till att L1 laddar upp energi i ett magnetfält. Därefter blir det avbrott i
Q1 och energin i L1 driver en ström från jord genom D1, L1 och D2 till C1 och U ut .
U in

4 UPPMÄTNING AV MOTORNS KARAKTÄRISTIK
I databladet för den nyinköpta navmotorn fanns ingen data för motorn i generatordrift. För att
kunna dimensionera återladdningskretsen mättes därför karaktäristiken upp för navmotorn i
generatordrift.
4.1 Frekvens som funktion av hastighet
Förutsatt att man vet antalet poler i motorn och utväxlingen mellan hjulet och rotorn, kan man
beräkna hjulets frekvens, f hjul , vid drift enligt ekvation 1.
f
hjul
f
u
= [Hz]
antal polpar ⋅ utväxling
(1)
där f u är frekvensen på den inducerade spänningen över en av faserna.
För att undvika att skruva isär motorn och därefter beräkna utväxlingen och räkna antalet
poler, valdes istället en annan metod för mätning av hjulets frekvens. En enkel krets med en
reflexsensor konstruerades för att mäta upp f hjul med ett oscilloskop, kretsen beskrivs i
Bilaga 1.
För att driva hjulet i olika hastigheter under mätningarna användes en borrmaskin med
rotationshastighet på 0-3000 varv/min. En gummidisk monterades på borrmaskinen som
sedan hölls mot däcket på cykeln, se Figur 4.1.
Figur 4.1 Metod som användes för att simulera cykelns hastighet, V hjul , mot vägbanan.
Borrmaskinens maximala hastighet, f borrmaskin , tillsammans med diskens diameter på 9 cm
gjorde att hastigheten på cykeln, V hjul , beräknades kunna simuleras i upp till ca 51 km/h enligt
ekvation 2.
8

v = 2 ⋅π ⋅ r ⋅ f [ m / s]
(2)
där f är borrmaskinens varvtal [Hz] och r är diskens radie [m].
Insatta värden i ekvation 2 ger:
v
3000 ⋅ 60
= vdisk
= 2 ⋅π ⋅ r ⋅ f
borrmaskin
= 2 ⋅π
⋅ 0,045 ≈ 51km
h (3)
1000
hjul
/
Den maximala hastigheten på 51 km/h ansågs ge en tillräcklig marginal till hur snabbt cykeln
kan tänkas cyklas.
Ett antal tejpremsor placerades symmetriskt utmed kanten på däcket. Reflexsensorn
monterades på framgaffeln och genererade en signal i form av en puls för varje tejpremsa. För
att tydligt kunna visa förhållandet mellan pulserna från reflexsensorn och f u användes åtta
stycken tejpremsor. Genom att jämföra signalen från reflexsensorn med en av motorns
fasspänningar kunde förhållandet mellan f hjul och f u bestämmas. På en av de fyrkantiga
pulserna som utgör 1/16 av ett varv, oscillerar fasspänningen 1,5 period, se bild från
oscilloskopet i Figur 4.2.
Figur 4.2 Bild från oscilloskopet där signalen från reflexsensorn, i form
av en fyrkantsvåg, visas tillsammans med en av fasspänningarna från navmotorn.
9

Förhållandet mellan f hjul och f u ger ekvation 4,
f
f
u
f
u
= [ Hz]
(4)
1,5 ⋅16
24
hjul
=
vilket insatt i ekvation 2 ger förhållandet mellan cykelns hastighet och den inducerade
spänningens frekvens, se ekvation 5.
v
hjul
f
u 3600
= 2 ⋅π ⋅ r ⋅ ⋅ [ km / h]
(5)
24 1000
där r är cykelhjulets radie.
Med ekvation 5 kan cykelns hastighet på ett noggrant sätt bestämmas direkt ur frekvensen på
den inducerade spänningen.
10

4.2 Inducerad spänning som funktion av hastighet
Först mättes de tre olika fasspänningarna, U f , upp vid olika hastigheter, se Figur 4.3. Utifrån
de uppmätta fasspänningarna och ekvation 6 beräknades huvudspänningen, U.
U = 3 ⋅U f
(6)
Därefter beräknades trefaslikriktarens likspänning, U dc , enligt ekvation 7.
3 2
U dc
= ⋅U π
(7)
Under tiden som mätningarna genomfördes upptäcktes att styrboxens skyddsdioder kunde
användas som en trefaslikriktare vilket beskrevs tidigare i kapitel 2.2. För att kontrollera de
beräknade värdena mättes därför U för en fas och den verkliga trefaslikspänningen U dc .
Som tidigare nämnts i teorin om BLDC syns i Figur 4.3 att den inducerade spänningen är
beroende av hastigheten på rotorn. Det framgår även i figuren att det råder ett närmast linjärt
samband. Den likriktade spänningen U dc förhåller sig ungefär 1:1 mot hastigheten på cykeln i
intervallet 0-45km/h.
Figur 4.3 Inducerade spänningar som funktion av hastighet på hjulet.
Hastigheten har beräknats ur de inducerade spänningarnas frekvens enligt ekvation 5.
För att kunna ladda batteriet kontrollerat i hastigheten 0-45 km/h måste återladdningskretsen
kunna kompensera för variationer i den inducerade och likriktade spänningen, U dc , i
intervallet 0-45V.
11

5 KONSTRUKTION AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN
Konstruktionsprocessen började med att en uppskattning av kraven på återladdningskretsen
gjordes med hjälp av information om batteriet i kapitel 2.3 och mätdata i kapitel 4.2.
• Inspänning U in 0-50V
• Utspänning U ut 20-30V
• Laddström 1-4A
• Hög verkningsgrad
En av de få kontrollkretsar som uppfyllde kraven och som gick att få tag på var LM5118 från
National Semiconductor som därför användes. National Semiconductor tillverkar och säljer
även ett utvecklingskort, LM5118 Evaluation Board, med en färdig buckboostkrets. Det var
svårt att hitta återförsäljare av utvecklingskortet, dessutom var det dyrt och leveranstiden ca
två månader. Därför togs beslut om att konstruera en helt egen återladdningskrets men med
utgångspunkt från kretsschemat för det färdiga utvecklingskortet.
Första steget i konstruktionen av återladdningskretsen var att tillverka en fungerande krets
med samma egenskaper som utvecklingskortet för att snabbt komma igång med kretsen och
förstå dess funktioner. Utvecklingskortet levererar en utspänning på 12 V, en ström på 3 A
och kan matas med 5-75 V. Komponentlistan i databladet för utvecklingskortet användes som
utgångspunkt för att ta fram motsvarande komponenter för hålmontering till
återladdningskretsen (National Semiconductor 2008b). Komponenterna som användes är
samlade i Tabell 1 i Bilaga 2.
Andra steget var sedan att beräkna nya komponentvärden och byta ut komponenter på kortet
för att anpassa återladdningskretsen så att den skulle fungera tillsammans med de befintliga
komponenterna på elcykeln.
5.1 Kontrollkretsens olika funktioner
Information om kontrollkretsens olika funktioner är hämtad ur databladet för LM5118
(National Semiconductor 2008a). De viktigaste funktionerna för att förstå kontrollkretsen är
beskrivna nedan.
PWM-signaler
Kontrollkretsens huvudsakliga uppgift är att skapa en stabil utspänning genom att generera
pulser som switchar de externa effekttransistorerna på kortet, Q1 och Q2 i kapitel 3.2. Genom
en återkoppling känner kontrollkretsen av utspänningen och reglerar pulsvidden på pulserna
till transistorerna så att en konstant utspänning erhålls. Kontrollkretsen innehåller en intern
ställbar oscillator som bestämmer frekvensen på PWM-signalerna till transistorerna,
frekvensen kan väljas i området 50-500kHz.
Mjukstart
Mjukstartfunktionen gör att spänningen höjs gradvis under uppstarten av kretsen. Mjukstarten
pågår i storleksordningen några millisekunder.
12

Strömbegränsning
Strömbegränsningsfunktionen begränsar strömmen i kretsen och används både för att skydda
interna komponenter i återladdningskretsen och externa komponenter, i det här fallet batteriet
som ska laddas.
Överhettningsskydd
För att skydda kontrollkretsen mot överhettning finns ett skydd som stänger av den om dess
temperatur uppnår ca 165 ° C. När temperaturen sjunkit ca 25 ° C startas kretsen med mjukstart
igen.
Underspänningsskydd
För att kontrollkretsen inte ska börja arbeta med för låg spänning, U in =3V enligt databladet,
finns ett underspänningsskydd som bestämmer vid vilken inspänning som kontrollkretsen
startar. Spänningen då kontrollkretsen ska starta kan väljas i intervallet U in = {3-75V}.
13

5.2 Beskrivning av komponenternas funktion
I Figur 5.1 visas kretsschemat för återladdningskretsen. Information om komponenternas
olika funktion är hämtad ur databladet för LM5118 och beskrivs nedan (National
Semiconductor 2008a).
Figur 5.1Kretsschemat för återladdningskretsen med komponentvärdena för
utvecklingskortet (National Semiconductor 2008b).
C1-C5
Ingångskondensatorer som har till uppgift att ta bort rippel på inspänningen. Kondensatorerna
ska kunna lagra tillräckligt mycket laddning så att spänningen hålls konstant när strömmen
switchas in.
R1, R3, C21
Spänningsdelningen mellan R1 och R3 bestämmer vid vilken spänning som kontrollkretsen
ska startas. Kontrollkretsen startar då spänningen på ben 2 är 1,23 V. Kondensatorn gör att
signalen lågpassfiltreras så att inte kretsen startas och stängs av flera gånger då spänningen
1,23 V passeras.
R7
Storleken på resistansen bestämmer frekvensen för oscillatorn i kontrollkretsen.
R6, C15
Resistansen tillsammans med kondensatorn bestämmer egenskaperna för kretsens
strömbegränsningsfunktion.
14

C16
Storleken på kondensatorn bestämmer hur lång tid mjukstarten tar när kontrollkretsen startar.
R4, C17, C18
Motståndet och kondensatorerna bestämmer karaktäristiken för förstärkningen av felsignalen.
R2
Kontrollkretsen startas då ben 4, enable, får en potential 3 V över jord. Genom R2 sätts
spänningen på ben 4 till U in , om TP2 sätts till jord stängs kontrollkretsen av.
R10, C6
Motståndet och kondensatorn utgör en dämpning i form av ett lågpassfilter som skyddar
kontrollkretsen mot transienter på U in .
R8, R9, R12, C19
R8 och R9 utgör den huvudsakliga spänningsdelningen i återkopplingen av U ut . Genom att
ändra spänningsdelningen ändras utspänningen U ut . Kontrollkretsen reglerar hela tiden för att
få 1,23 V över R9. R12 tillsammans med C19 lågpassfiltrerar återkopplingssignalen.
C20
Utgångskondensator för kontrollkretsens interna spänningsregulator på 7 V.
D5
Avlastningsdiod för kretsens interna bootstrapdiod.
C8
Bootstrapkondensator som laddas upp så att Q1 är helt till när den switchas.
R11, R13, C22
R13 är ett lågohmigt effektmotstånd som används för att mäta strömmen genom D4.
Spänningsfallet som blir över R13 utgör signalen som lågpassfiltreras genom R11 och C22
innan den matas vidare till kontrollkretsen.
Q1, Q2, D4, D1, L1
Dessa komponenter utgör huvudkomponenterna i en buck-/boostkrets och deras funktion
beskrivs i kapitel 3.2.
R5, C7
Om U ut är mellan 4-15V kan ben 17, VCCX, anslutas via R5 och C7 vilka utgör ett
lågpassfilter. Med en hög inspänning till buckboostkretsen minskas värmeutvecklingen om
den interna spänningsregulatorn istället matas från den lägre utspänningen via VCCX-benet.
C9-C12
Utgångskondensatorer som tar bort rippel från utspänningen.
15

5.3 Beräkning av komponentvärden
Komponentvärdena från utvecklingskortet räknas om för att återladdningskretsen ska ladda
batteriet med en lagom stor ström, I ut , och slutligen avbryta laddningen då batteriet är
fulladdat. Laddningen avbryts genom att spänningen, U ut , från återladdningskretsen är lika
stor som spänningen över det fulladdade batteriet. Då båda spänningarna är lika stora flyter
inte längre någon ström in i batteriet. Med utgångspunkt från informationen om NiMH-celler i
kapitel 2.3 betraktas batteriet som fulladdat när spänningen över varje cell är 1,4 V.
Spänningen som återladdningskretsen ska nå blir då 1,4*20= 28 V.
När batteriets spänning är låg bestäms I ut genom strömbegränsningsfunktionen i
återladdningskretsen till I utmax . Då batteriets spänning närmar sig 28V och villkoret
i ekvation 8 är uppfyllt begränsas istället strömmen av batteriets inre resistans.
I
> I
28 −U
=
batteri
ut max ut
R
(8)
batteri
U inmin väljs till 10 V så att underspänningsskyddet startar återladdningskretsen först när
U in > 10 V. Genom att begränsa U inmin till 10 V reduceras de maximala strömmarna i
återladdningskretsen kraftigt, då den arbetar i buckboostmode. För att kunna ladda batteriet
i hastigheter upp till ca 50 km/h väljs U inmax = 50 V enligt sambandet som togs fram i
kapitel 4.2.
Beräkningarna av komponentvärdena är delvis en iterativ process som följer exemplet i
databladet för LM5118, där även ekvationerna är hämtade (National Semiconductor 2008a).
Samma switchfrekvens och storlek på induktansen som för utvecklingskortet används
(f = 300kHz, L= 12µH). De nya komponentvärdena beräknas så att återladdningskretsen
uppfyller nedanstående mer specificerade krav. De beräknade värdena finns samlade i den
kompletterande komponentlistan i Tabell 2 i Bilaga 2.
• U ut = 28 V
• U in = 10-50 V
• I utmax < 4,25 A (0,5 C)
16

R13
Beroende på om återladdningskretsen jobbar i buck- eller buckboostmode blir strömmarna,
I utmax , I max och I rippel olika. Med I utmax menas den maximala strömmen som batteriet laddas
med. I max avser den maximala strömmen genom induktansen och I rippel är strömripplet i
induktansen.
Buckmode
buck mod e
⎛ I
buck mod e
buck mod e rippel
I
ut max
0,8 I
max
2 ⎟ ⎞
= ⋅ ⎜ −
⎝
⎠
[ A]
(9)
där
I
buck mod e
max
och
I
buck mode
rippel
= 1,25
[ A]
10 ⋅ R13
(10)
Uut
( U
inmax
−Uut
)
= [ A]
U ⋅ f ⋅ L
(11)
inmax
Buckboostmode
I
buckboost mod e
ut max
buckboost mod e
⎛
I ⎞
buckboost mod e rippel 0,8 ⋅U
in min
= ⎜ I
max
−
⎟ ⋅
[ A]
2 (12)
⎝
⎠
U
ut
+ U
in min
där
I
buckboost mod e
max
= 2,5
[ A]
10 ⋅ R13
(13)
och
I
buckboost mod e
rippel
U
ut
⋅U
in min
= [ A]
U + U ) ⋅ f ⋅ L
(14)
(
ut in min
Som tidigare beskrivits beror strömbegränsningen på hur R13 väljs. Med insatta värden i
ekvation 9-14 och R13= 15mΩ, samma komponentvärde som på utvecklingskortet,
beräknades strömmarna som presenteras i Tabell 5.1.
Tabell 5.1 Strömmarna i återladdningskretsen med samma
komponentvärden som i utvecklingskortet.
I utmax [A] I max [A] I rippel [A]
Buckmode 5,30 8,33 3,42
Buckboostmode 3,29 16,67 2,05
17

I Tabell 5.1 syns att villkoret för I utmax < 4,25 A inte är uppfyllt med R13 = 15 mΩ. För att få
en säkerhetsmarginal sätts I utmax = 3 A. Ett nytt värde för R13 beräknas med hjälp av ekvation
9-14 och blir 23 mΩ. R13 väljs till närmaste standardvärde som är 22 mΩ. De nya
strömmarna beräknas på samma sätt som tidigare och resultatet visas i Tabell 5.2. På grund av
buckboost mod e
buck mod e
att strömbegränsningsfunktionen alltid tillåter I
max dubbelt så stor som I
max , se
ekvation 10 och 13, kan inte batteriet laddas med 3 A när återladdningskretsen arbetar i
buckboostmode.
Tabell 5.2 Strömmarna i återladdningskretsen med den nya
strömbegränsningen. På grund av kontrollkretsens egenskaper
kan inte I utmax väljas lika i både buck- och buckboostmode.
I utmax [A] I max [A] I rippel [A]
Buckmode 3,18 5,68 3,42
Buckboostmode 2,18 11,36 2,05
C15
C15
=
−6
L ⋅10
2 ⋅ R13
[ F]
(15)
Ekvation 15 med insatta värden ger
−6
C 12µ
⋅10
15 = = pF
2 ⋅ 22m
273
(16)
I databladet för LM5118 står att C15 med fördel kan väljas lägre än det uträknade värdet i
applikationer med högre utspänning, därför väljs C15 till 220pF som är närmaste
standardvärde (National Semiconductor 2008a).
C9-C12
För att garantera en utspänning utan rippel beräknades kondensatorerna på utgången enligt
ekvation 17.
C
min
buckboost mod e
I
ut
⋅ Dmax
= [ F]
(17)
f ⋅ ∆U
ut
där
U
ut
Dmax =
U + U
(18)
in min
ut
18

med insatta värden fås
C 2,37 25
uF
300k
50m
25 10
113
min
= ⋅ =
(19)
⋅ +
Nivån på det accepterade ripplet på utspänningen väljs till samma som för utvecklingskretsen,
∆U ut = 50 mV (National Semiconductor 2008a). Därefter kan den maximala tillåtna
ekvivalenta serieresistansen, ESR max , beräknas enligt ekvation 20.
∆U
ESR
max
= ut [ Ω]
buckboost mod e
(20)
I
max
med insatt värde
50m
ESRmax = = 4, 4 mΩ
(21)
11,36
Kraven på utgångskondensatorerna för återladdningskretsen är lägre än för utvecklingskortet,
därför kan samma kondensatorer användas.
D4
D4 som används tidigare klarar strömmar på upp till 40 A och kan med marginal användas
buckboost mod e
med den maximala strömmen i återladdningskretsen I
max = 11,36 A.
R8, R9
Spänningsdelningen för återkopplingen beräknas enligt ekvation 22.
R8
R9
U ut
= −1
1,23
(22)
Med en ström på 5 mA genom resistanserna, för en säker spänningsdelning, beräknas R8, R9
och väljs till närmaste standardvärde.
R8 = 4,75 kΩ
R9 = 246 Ω
R3
För att återladdningskretsen ska starta och börja ladda batteriet när U in >10 V beräknas R3
enligt ekvation 23.
19

R3
=
U
1,23 ⋅ 75k
+ 5 ⋅ 75k
−1,23
in min
µ
vilket med insatt värde ger
[ Ω]
(23)
1,23 ⋅ 75k
R3
= = 10, 1 kΩ
10 + 5µ
⋅ 75k
−1,23
(24)
R3 väljs till 11 kΩ för att återladdningskretsen garanterat ska starta då U in >10 V.
5.4 Kretskortets layout
Designen på kretskortet valdes med tanken att det skulle vara lätt att laborera med det samt att
byta ut komponenter på det. Därför är samtliga komponenter utom kontrollkretsen
hålmonterade. Tillsammans ledde detta till att kretskortet valdes att göras i storleken
100x160 mm, vilket kan tyckas stort i jämförelse med det färdiga utvecklingskortet som var
67,31x87,63 mm (National Semiconductor 2008b).
Kretskortet etsades fram på glasfiberlaminat med dubbelsidigt kopparskikt på 105 µm, där det
tjocka kopparskiktet valdes för att reducera resistansen i kopparbanorna. Således minskas
spänningsfallen och effektutvecklingen som de höga strömmarna på kortet orsakar.
Kontrollkretsen och dess ledningar är koncentrerade till kortets nedre vänstra hörn för att
avståndet till de stora strömmarna på kortet ska vara så stort som möjligt. Jordledaren som
syns längst ner i Figur 5.2 och Figur 5.3 förstärktes senare upp med en större jordledare till
höger om kontrollkretsen. Detta för att kontrollkretsen helt skulle ligga utanför
strömlooparna.
Anledningen till att det sitter parallellkopplade kondensatorer på flera ställen på kortet är att
minska komponenternas ESR 3 .
På grund av att induktansen som kortet designades för inte gick att få tag på, ersattes denna
utav två stycken seriekopplade mindre induktanser. Dessa ytmonterades sedan på undersidan
av kortet.
3 Ekvivalent serieresistans
20

Figur 5.2 Ovansidan av återladdningskretsen.
Figur 5.3 Undersidan av återladdningskretsen sett från ovansidan.
21

6 UTVÄRDERING AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN
Som tidigare nämnts fungerade inte den interna styrningen med kontrollkretsen fullt ut.
Därför presenteras funktionen av återladdningskretsen med intern respektive extern styrning
samt uppmätt data för dem i följande två kapitel.
6.1 Återladdningskretsen med intern styrning
På grund av att transistorerna som från början valdes till återladdningskretsen gick sönder och
att det inte fanns fler tillgängliga, ersattes de med två liknande transistorer under mätningarna,
dessa finns i Tabell 3 i Bilaga 2.
Återladdningskretsen matades med ett variabelt spänningsaggregat och lastades med ett
ställbart effektmotstånd. Utan last fungerade återladdningskretsen som förväntat i buck- och
buckboostmode och då U in varierades i området 6-30 V erhölls en stabil utspänning på 12 V.
Problem uppstod då kretsen arbetade i buckboostmode, i takt med att lasten ökades sjönk U ut .
Däremot när kretsen arbetade i buckmode kunde lasten maximeras och 3 A tas ut. En mätserie
av verkningsgraden som funktion av uttagen ström med U in = 25 V visas i Figur 6.1, data för
mätserien finns i Tabell 1 i Bilaga 4.
Figur 6.1 Verkningsgraden för återladdningskretsen med Uin= 25 V. Verkningsgraden
ökar närmast linjärt tills I ut uppnår 0,5 A för att sedan stabiliseras på 85%. Avvikelsen
vid 1,4 A beror troligtvis på ett mätfel.
22

6.2 Återladdningskretsen med extern styrning
För att kunna göra mätningar på återladdningskretsen utan kontrollkretsen tillverkades en
variant av denna för extern styrning, detta beskrivs kort i Bilaga 4. Detta medförde att en mer
fullständig mätserie i hela återladdningskretsens arbetsområde kunde tas fram.
En mikroprocessor av typen Atmega16 användes för att generera och styra PWM-signalerna
till transistorerna. Mikroprocessorns interna klockfrekvens på 8 MHz gjorde att
switchfrekvensen valdes till 50kHz för att kunna ändra signalernas pulskvot 0-100% i 80 steg.
En högre switchfrekvens skulle ha lett till att pulskvoten inte hade kunnat väljas i lika många
steg.
Återladdningskretsen lastades med ett ställbart effektmotstånd och matades med ett variabelt
spänningsaggregat, U in varierades inom intervallet 10-50 V. Pulskvoterna på PWM-signalerna
till transistorerna ställdes sedan in manuellt vid varje ändring av U in så att en konstant
spänning U ut = 28 V erhölls. Pulskvoterna ställdes in genom att gradvis öka pulskvoten i
buckmode från 0% till max 75% 4 (PWM-signalen till Q1 i kapitel 3.2). Därefter ökades
pulskvoten gradvis från 0% i buckboostmode (PWM-signalen till Q2 i kapitel 3.2). För att få
en uppfattning om hur kretsen påverkas av vilken effekt som tas ut, varierades
effektmotståndet så att en ström på 1 A respektive 3 A togs ut.
I verkningsgraden för återladdningskretsen med extern styrning är, till skillnad från kretsen
med intern styrning, inte effekten för styrningen inräknad. I Figur 6.2 syns att
verkningsgraden för både I ut = 1 A och I ut = 3 A har en topp då U in ≈ U ut förutsatt att man
bortser från mätvärden då U in = 50 V. På grund av värmeutvecklingen i kretsen då U in = 10 V
avbröts mätningen innan I ut = 3 A och U ut = 28 V uppnåtts. Värmeutvecklingen syns tydligt i
Figur 6.2 i form av att verkningsgraden var väsentligt lägre.
Figur 6.2 Verkningsgrad för återladdningskretsen med extern styrning.
Verkningsgraden sjunker avsevärt då U in = 9,6 V, mätningen avbröts på
grund av värmeutvecklingen då I ut = 2,6 A och U ut = 23,6 V.
4 Då U in = 10 V och I ut = 3 A måste pulskvoten ökas ytterligare.
23

I Figur 6.3 visas hur pulskvoten på PWM-signalerna till transistorerna ställdes in vid olika
spänningar U in . Ändringen av signalernas pulskvot i både buck- och buckboostmode ser
ungefär likadan ut men blir förskjuten beroende på hur stor ström, I ut , som tas ut. Eftersom
effekten som tas är tre gånger så stor när I ut = 3A jämfört med när I ut = 1A måste pulskvoten
ökas så att mer effekt switchas in i kretsen även om spänningarna U in och U ut är lika i de båda
fallen. Där kan även ses ett samband mellan att kretsen börjar arbeta i buckboostmode och
verkningsgraden i Figur 6.2 sjunker. För I ut = 1 A sker detta då U in ≈ 25V och för I ut = 3 A sker
det när U in ≈ 30 V.
Figur 6.3 Styrsignalerna till återladdningskretsens transistorer som funktion av Uin.
Till följd av att kretsen switchas uppstår spänningsrippel på U ut . Storleken på ripplet beror på
hur stor ström I ut som tas ut och skillnaden mellan U in och U ut , se Figur 6.4.
Figur 6.4 Spänningsrippel på återladdnigskretsens utgång som funktion av Uin.
24

7 SLUTSATS OCH FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE
I arbetet har det visats att en återladdningskrets i form av en DC/DC-omriktare tillsammans
med de befintliga komponenterna på elcykeln kan möjliggöra regenerering under färd. För att
möta uppsatta krav om användarvänlighet kan en 2-polig strömbrytare användas för att
cyklisten smidigt ska kunna växla mellan regenerering och drift. Detta genom att den ena
polen på strömbrytaren styr signalen till styrboxens ingång för elcykelns bromshandtag
samtidigt som den andra polen styr enable-signalen till kontrollkretsen.
Att verkningsgraden som visas i kapitel 6.1 för kretsen med intern styrning ligger 5-10% lägre
än den som visas i kapitel 6.2 för kretsen med extern styrning, beror delvis på att
kontrollkretsen förbrukar effekt. Men troligtvis också på att olika transistorer användes. De
transistorer som från början köptes in till kretsen gick sönder och var därför tvungna att
ersättas. När mätningarna på kretsen med extern styrning genomfördes fanns transistorerna
åter tillgängliga. Beslut togs då om att använda dessa transistorer, eftersom syftet med
mätningarna var att visa hur återladdningskretsen med intern styrning skulle ha kunnat
fungera med de avsedda komponenterna.
För att få en mer komplett bild av vad regenereringen innebär för cyklisten måste hela
systemet, elcykelns komponenter och återladdningskretsen, kopplas ihop och testas
tillsammans. I arbetet visas att verkningsgraden för återladdningskretsen i bästa fall kan hållas
över 90% för regenerering i större delen av intervallet 10-50 km/h. Detta betraktas av
författarna som en tillfredställande hög verkningsgrad. För att lösa problemet med
värmeutvecklingen i återladdningskretsen vid lägre hastigheter kan underspänningsskyddet
höjas så att kontrollkretsen startas först vid till exempel U in =15 V, det vill säga vid ca 15
km/h. Alternativt kan strömmen, I utmax , sänkas så att batteriet laddas med mindre effekt, vilket
också är en lösning ifall cyklisten anser att regenereringen orsakar en allt för stor
inbromsning. I det kompletta systemet tillkommer förutom förlusterna i återladdningskretsen
förluster i motorn, trefaslikriktaren (i styrboxen) och batteriet. Först när hela systemet har
satts ihop kan momentet som krävs på cykelns hjul för att ladda batteriet vid de olika
hastigheterna bestämmas. Då kan även verkningsgraden för hela systemet bestämmas, det vill
säga hur stor del av den rörelseenergin som tas upp på hjulet som kan omvandlas och lagras
som elektrisk energi i batteriet. Vad som kan vara ännu mer intressant att undersöka är hur
mycket av rörelseenergin som tas upp under regenereringen, lagras i batteriet och sedan
genom drivsystemet kan återföras i form av rörelseenergi till hjulet.
Innan systemet kan kopplas ihop och ovan nämnda undersökningar genomföras, återstår ett
fortsatt utvecklingsarbete av återladdningskretsen. Det kan vara intressant att fortsätta med
utveckling av både kretsen med intern styrning och den med extern styrning.
När det gäller utvecklingen av den första kretsen finns troligtvis de största möjligheterna till
förbättring i designen av kretskortet. Kretsen fungerade trots allt tillfredställande i buckmode
och även om inte kretsen kunde lastas nämnvärt i buckboostmode reglerades spänningen
korrekt vid mycket liten last. Layouten bör göras om med högre krav på minskade avstånd
mellan effektkomponenterna. Även positioneringen av strömlooparna och jordledarna på
kortet måste göras bättre. Kanske är switchfrekvensen på 300 kHz onödigt hög med tanke på
förlusterna som följer. Det är möjligt att en lägre switchfrekvens kan väljas och ripplet ändå
kan hållas nere med större utgångskondensatorer. Nämnas bör också att den övre gränsen av
U in som under konstruktionen sattes till 50 V inte innebär att återladdningskretsen går sönder
25

då U in > 50 V. Kretsen klarar spänningar på upp till 75 V men detta innebär att
spänningsripplet på U ut beräknas överstiga 50 mV som följd.
Ett alternativ är att fortsätta med utvecklingen av återladdningskretsen med extern styrning.
Ripplet som mättes upp på U ut var betydligt högre än vad som hade beräknats. Detta beror på
att utgångskondensatorerna var beräknade för en switchfrekvens på 300 kHz. På samma sätt
som nämnts tidigare kan utgångskondensatorerna ökas eller switchfrekvensen höjas. Redan
med mikroprocessorn (Atmega16), som användes vid mätningarna, hade en switchfrekvens på
100 kHz kunnat användas om den drivits med en extern klockkristall på 16 MHz istället för
den interna på 8 MHz. Information om hur strömbegränsningen och återkopplingen i LM5118
fungerar kan användas för att utveckla ett liknande reglerprogram till en extern
mikroprocessor. Om U in mäts av mikroprocessorn kan dessutom en funktion implementeras
för att reglera effekten som batteriet laddas med utifrån hastigheten på cykeln om så önskas.
Med en mikroprocessor kan också problemet med olika strömbegränsning, I utmax , i buck- och
buckboostmode för LM5118 lösas.
26

KÄLLFÖRTECKNING
Abrahamson, H. (2008) Återladdning ger elcykeln längre räckvidd. Ny Teknik, 2 december.
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article470568.ece (2009-05-02)
Anton, J.C., Campo, J.C., Ferrero, F.J., Gonzalez, M., Valledor, M och Viera, J.C. (2007)
NiMH vs NiCd Batteries under High Charging Rates. Telecommunications Energy
Conference, 2006. INTELEC ‘06. 28 th Annual International. 10-14 september 2006 Rhode
island, USA. S 1-6.
Ivarsson, P., Nordvall, A., Svennung, J. (2008) Elcyklar och dess möjlighet till uppladdning
under drift. http://webfiles.portal.chalmers.se/et/MSc/Ivarsson&Nordvall&SvennunMSc.pdf
(2009-05-08).
Jaschke. R. (2007) Conduction Losses in DC/DC-Converters as buckboost/boostbuck
synchronous rectifier types. Compatibility in Power Electronics. 2007. CPE’07 2007; 29 maj-
1 juni 2007 Gdansk-Jelitkowo. S1-10.
National Semiconductor. (2008a) LM5118 Wide Voltage Range Buck-Boost Controller.
http://www.national.com/ds/LM/LM5118.pdf (2009-05-04)
National Semiconductor. (2008b) LM5118 Evaluation board.
http://www.national.com/an/AN/AN-1819.pdf (2009-04-24).
Vägverket. (2008) Moped klass I, II och elcykel – Vad skiljer de olika klasserna åt?
http://publikationswebbutik.vv.se/upload/1699/88358_moped_klass_i_ii_och_elcykel_utg_10
.pdf (2009-03-31).
Yedamale, P. (2003) AN885- Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals.
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00885a.pdf (2009-05-05)
27

BILAGA 1. Sid 1(1)
Reflexsensor
Reflexsensorn som användes för att ta fram förhållandet mellan f hjul och f u var en GP2S07 från
Sharp. Reflexsensorn innehåller en diod som sänder ut infrarött ljus och en fototransistor.
Fototransistorn känner av hur mycket av det utsända ljuset som reflekteras tillbaka mot
reflexsensorn. R1 tillsammans med R2 i Figur 1 bestämmer hur mycket ström som går genom
dioden. R3 bestämmer strömmen genom fototransistorn. Signalen till oscilloskopet tas ut
mellan R3 och kollektorn på fototransistorn.
Figur 1 Kretsschema för reflexsensorkretsen (GP2S07 har dock ingen anslutning för basen
på fototransistorn).
Kretskortet till reflexkretsen etsades ut på glasfiberlaminat med enkelsidigt kopparskikt på
35 µm, se Figur 2.
Figur 2 Kretsen med reflexsensor som konstruerades för att mäta frekvensen på
cykelhjulet, kretskortets storlek är 18x35 mm.

BILAGA 2. Sid 1(1)
Komponentlistor
Tabell 1 Komponentlista till återladdningskretsen med spec. 12V 3A.
Antal Referens Värde Beteckning Tillverkare
5 C1-C5 2,2 µF - -
4 C6, C8, C16, C21 0,1 µF - -
4 C7, C7b, C20, C20b 0,47 µF - -
2 C9, C10 47 µF - -
2 C11,C12 0,47 µF - -
2 C13,C14 180 µF - -
3 C15, C19, C22 330 pF - -
1 C18 4700 pF - -
1 D1 Schottky 10A 40V PBYR1040 Philips NXP
1 D4 Schottky 40A 100V 40CPQ100GPBF Vishay
1 D5 Schottky 1A 40V - -
2 L1,L2 6 µH, 33,8A HC3-6R0-R Coiltronics
2 Q1, Q2 NFET IRLIZ44GPBF Vishay
1 R1 75 kΩ - -
1 R2 1 MΩ - -
1 R3 29,4 kΩ - -
1 R4 10 kΩ - -
1 R5 N/A - -
1 R6 N/A - -
1 R7 16,2 kΩ - -
1 R8 2,67 kΩ - -
1 R9 309 Ω - -
2 R10, R11,R12 10 Ω - -
1 R13 0,015 Ω 20W MHP20S0R015F BI Technologies
1 U1 IC, PWM LM5118MH National
Semiconductor
Tabell 2 Kompletterande komponentlista för de komponenter som ersätts då U ut = 28 V.
Antal Referens Värde Beteckning Tillverkare
1 R3 11 kΩ - -
1 R8 4,75 kΩ MHP20S022F BI Technologies
1 R9 246 Ω - -
1 R13 22 mΩ - -
1 C15 220 pF - -
Tabell 3 Kompletterande komponentlista för transistorerna som ersatte IRLIZ44GPBF
under utvärderingen av återladdningskretsen med intern styrning .
Antal Referens Värde Beteckning Tillverkare
2 Q1, Q2 NFET IRF2804 International Rectifier

BILAGA 3. Sid 1(2)
Återladdningskrets med extern styrning
Frånsett komponenterna innanför det streckade området i Figur 1 och 2 används samma
komponenter som i återladdningskretsen med LM5118. Kretskorten är av samma storlek och
typ men designen har gjorts om något. Footprinten 1 för de seriekopplade spolarna har bytts ut
och strömlooparna har minskats på kortet genom att effektkomponenterna sitter närmare
varandra.
Innanför det streckade området finns en drivkrets och spänningsregulatorer för 5 V och 15 V.
Spänningsregulatorerna kan användas för att mata drivkretsen och en extern mikroprocessor
direkt från U in . Dessa användes inte under mätningarna, istället användes ett separat
spänningsaggregat till detta. Drivkretsen möjliggör styrning av transistorerna med logiska
signaler 0-5V. För ytterligare information om hur drivkretsen fungerar hänvisas till databladet
för IR2010 från International Rectifier 2 .
Figur 1 Ovansidan av återladdningskretsen med extern styrning. Komponenterna utanför
det streckade området är samma som för återladdningskretsen med intern styrning.
1 Utformning av de kopparöar som komponenten ska lödas på.
2 International Rectifier. (2004) High and low side driver. http://www.irf.com/productinfo/datasheets/data/ir2010.pdf
(2009-05-19)

BILAGA 3. Sid 2(2)
Figur 2 Undersidan av återladdningskretsen med extern styrning, sett från ovansidan.

BILAGA 4. Sid 1(2)
Mätdata
Tabell 1 Mätdata för återladdningskretsen med intern styrning,
U in = 25 V, U ut = 12 V.
U in I in U ut I ut Verkningsgrad Uttagen effekt
[V] [A] [V] [A] [%] [W]
24,98 0,15 11,99 0,2 64,00 2,40
24,98 0,2 11,95 0,304 72,71 3,63
24,94 0,25 11,95 0,4 76,66 4,78
24,97 0,3 11,96 0,517 82,54 6,18
24,96 0,34 11,93 0,603 84,77 7,19
24,95 0,39 11,92 0,689 84,40 8,21
24,94 0,45 11,91 0,804 85,32 9,58
24,93 0,51 11,9 0,906 84,80 10,78
24,93 0,56 11,9 0,998 85,07 11,88
24,92 0,62 11,89 1,108 85,27 13,17
24,91 0,66 11,89 1,187 85,84 14,11
24,9 0,72 11,88 1,298 86,01 15,42
24,88 0,82 11,88 1,4 81,52 16,63
24,87 0,83 11,87 1,503 86,43 17,84
24,87 0,88 11,87 1,595 86,51 18,93
24,86 0,94 11,87 1,701 86,40 20,19
24,85 1 11,86 1,804 86,10 21,40
24,84 1,05 11,85 1,905 86,55 22,57
24,83 1,11 11,83 2,004 86,02 23,71
24,82 1,16 11,83 2,108 86,62 24,94
24,82 1,23 11,81 2,207 85,38 26,06
24,8 1,33 11,8 2,417 86,47 28,52
24,78 1,43 11,77 2,6 86,36 30,60
24,76 1,54 11,71 2,809 86,27 32,89
24,75 1,65 11,66 3,007 85,86 35,06

BILAGA 4. Sid 2(2)
Tabell 2 Mätdata för återladdningskretsen med extern styrning, U ut = 28 V, I ut = 1 A och
I ut = 3 A.
Pulskvot
Q1
Pulskvot
Q2 U in I in U ut I ut Verkningsgrad U ut rippel
[%] [%] [V] [A] [U] [A] [%] [V]
17,5 0 50 0,55 28,12 0,96 98,16 0,28
21,25 0 45 0,647 27,97 0,998 95,88 0,25
26,25 0 40 0,718 27,89 0,995 96,62 0,22
38,75 0 34,84 0,843 28,3 1,009 97,22 0,015
72,5 0 29,91 0,948 27,98 0,998 98,48 0,06
75 10 24,9 1,163 28 1 96,69 0,1
75 17,5 19,84 1,481 28,04 1,001 95,52 0,18
75 31,25 14,71 2,089 28,4 1,013 93,62 0,2
75 58,75 9,73 3,265 28,17 1,006 89,20 0,2
32,5 0 50 1,86 27,94 3,14 94,34 0,4
38,75 0 44,9 2,05 27,95 3,13 95,04 0,42
48,75 0 39,9 2,303 28,05 3,147 96,06 0,32
67,5 0 34,93 2,603 27,98 3,15 96,94 0,3
75 12,5 29,95 3,073 27,96 3,146 95,57 0,3
75 28,75 24,55 3,939 28,2 3,185 92,88 0,3
75 45 19,8 4,98 28,17 3,182 90,91 0,35
75 65 14,58 7,19 28,34 3,202 86,56 0,4
77,5 77,5 9 9,61 23,56 2,631 71,67 -