Elcykel â Regenerering med BLDC-motor och DC/DC-omriktare
Elcykel â Regenerering med BLDC-motor och DC/DC-omriktare
Elcykel â Regenerering med BLDC-motor och DC/DC-omriktare
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Elcykel</strong> – <strong>Regenerering</strong> <strong>med</strong> <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> <strong>och</strong><br />
<strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-<strong>omriktare</strong><br />
Electric bicycle – Regeneration with <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> and <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-converter<br />
Kandidatarbete inom Civilingenjörsprogrammet Elektroteknik<br />
Christian Du-Bar<br />
Simon Torstenson<br />
Institutionen för Energi <strong>och</strong> miljö<br />
CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA<br />
Göteborg, Sverige 2009
Sammanfattning<br />
De flesta elcyklar som finns på marknaden i dag är inte förberedda för regenerering utan<br />
laddas från elnätet. Genom att ta till vara på rörelseenergi för att ladda elcykelns batteri, kan<br />
räckvidden utökas alternativt ett mindre batteri användas. I arbetet konstrueras därför en<br />
återladdningskrets i form av en <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-<strong>omriktare</strong>, som tillsammans <strong>med</strong> de befintliga delarna<br />
på en elcykel ska möjliggöra för regenerering under färd. Kretsen som konstrueras är av typen<br />
buckboost <strong>och</strong> bygger på kontrollkretsen LM5118 från National Semiconductor.<br />
Bakomliggande teori för en <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> <strong>och</strong> en buckboostkrets behandlas kortfattat.<br />
I utvärderingen av kretsen, som visar sig inte fungera fullt ut, visas att en verkningsgrad på<br />
över 90% kan uppnås <strong>med</strong> den typ av <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-<strong>omriktare</strong> som konstrueras. I slutet av<br />
rapporten ges förslag till hur utvecklingen av kretsen kan fortsättas <strong>och</strong> på intressanta<br />
undersökningar som kan genomföras.
Abstract<br />
The electric bicycles of today are usually not constructed for regeneration, instead the<br />
batteries are only charged from the electric grid. Recharging the battery by reuse of kinetic<br />
energy may increase the range or reduce the size of a suitable battery. Hence, in this project a<br />
<strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-converter, that together with already existing parts of the bicycle, is constructed to<br />
provide the reuse of the kinetic energy. The regenerating circuit is of buck-boost circuit type,<br />
which is based on the integrated control circuit LM5118 from National Semiconductor. The<br />
theories behind a <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> and a buck-boost circuit are briefly described. The analysis of<br />
the circuit, which does not fully work, shows that efficiency above 90% can be reached with<br />
the kind of <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-converter that is constructed. In the end of the report, some suggestions<br />
about further development of the circuit and some interesting studies that can be made, are<br />
given.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING<br />
1 INLEDNING........................................................................................................................... 1<br />
1.1 Syfte ................................................................................................................................. 2<br />
1.2 Metod ............................................................................................................................... 3<br />
1.3 Avgränsningar .................................................................................................................. 3<br />
2 BEFINTLIG UTRUSTNING.................................................................................................. 4<br />
2.1 Nav<strong>motor</strong>n........................................................................................................................ 4<br />
2.2 Styrboxen ......................................................................................................................... 5<br />
2.3 Batteriet ............................................................................................................................ 5<br />
3 BESKRIVNING AV DE PRINCIPER SOM ANVÄNDS..................................................... 6<br />
3.1 <strong>BL<strong>DC</strong></strong> ............................................................................................................................... 6<br />
3.2 Buck/boostkrets................................................................................................................ 6<br />
4 UPPMÄTNING AV MOTORNS KARAKTÄRISTIK.......................................................... 8<br />
4.1 Frekvens som funktion av hastighet................................................................................. 8<br />
4.2 Inducerad spänning som funktion av hastighet .............................................................. 11<br />
5 KONSTRUKTION AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN .................................................... 12<br />
5.1 Kontrollkretsens olika funktioner................................................................................... 12<br />
5.2 Beskrivning av komponenternas funktion...................................................................... 14<br />
5.3 Beräkning av komponentvärden..................................................................................... 16<br />
5.4 Kretskortets layout ......................................................................................................... 20<br />
6 UTVÄRDERING AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN ...................................................... 22<br />
6.1 Återladdningskretsen <strong>med</strong> intern styrning ..................................................................... 22<br />
6.2 Återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning..................................................................... 23<br />
7 SLUTSATS OCH FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE................................................... 25<br />
KÄLLFÖRTECKNING ........................................................................................................... 27<br />
Bilaga 1 – Reflexsensor<br />
Bilaga 2 – Komponentlistor<br />
Bilaga 3 – Återladdningskrets <strong>med</strong> extern styrning<br />
Bilaga 4 – Mätdata för återladdningskrets <strong>med</strong> intern <strong>och</strong> extern styrning
1 INLEDNING<br />
En elcykel ser ut <strong>och</strong> fungerar ungefär som en vanlig cykel <strong>med</strong> skillnaden att det finns en<br />
elektrisk <strong>motor</strong> som hjälper cyklisten vid behov. Vikten på de komponenter som tillkommer<br />
beror till stor del på batteriets storlek men är i storleksordning 10kg. Beroende på vilken typ<br />
av <strong>motor</strong> som används kan ett motstånd tillkomma då cykeln cyklas <strong>med</strong> <strong>motor</strong>n avstängd.<br />
För att en elcykel i lagens mening ska räknas som en cykel ska den konstrueras på följande vis<br />
enligt Vägverket:<br />
“El<strong>motor</strong>n kopplas in när trycket på tramporna ökar, t. Ex. för att underlätta<br />
trampningen i uppförsbackar <strong>och</strong> i stark motvind. Motorn får endast förstärka kraften<br />
från tramporna <strong>och</strong> får inte ge något krafttillskott vid hastigheter över 25 km/tim.<br />
Motorns nettoeffekt får inte överstiga 250 watt.” (Vägverket 2008)<br />
De flesta elcyklar som finns på marknaden idag är inte förberedda för generatordrift utan<br />
laddas från elnätet. Företaget Sanyo har dock utvecklat en elcykel som kan återladdas under<br />
färd. Enligt beräkningar kan återladdningen på deras cykel öka cykelsträckan <strong>med</strong> elhjälp 1,8<br />
gånger jämfört <strong>med</strong> tidigare elcyklar utan generatordrift (Abrahamson 2008).<br />
Den största fördelen <strong>med</strong> att kunna återuppladda batteriet under färd är kanske att<br />
återuppladdningen kan göra elcykeln till ett mer attraktivt färd<strong>med</strong>el i form av utökad<br />
räckvidd. Alternativt kan elcykeln göras smidigare <strong>med</strong> ett mindre batteri. En annan fördel är<br />
en liten energibesparing i form av minskad uppladdning från elnätet.<br />
Den typ av <strong>motor</strong> som är vanligast bland dagens elcyklar är en nav<strong>motor</strong> av typen <strong>BL<strong>DC</strong></strong>,<br />
monterad antingen på cykelns framhjul eller bakhjul. <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> står för brushless direct<br />
current <strong>motor</strong> som på svenska kan översättas till borstlös likströms<strong>motor</strong>. Detta ger dock en<br />
dålig beskrivning av <strong>motor</strong>n då den inte drivs <strong>med</strong> likström. Före <strong>motor</strong>n sitter en styrkrets<br />
som matas <strong>med</strong> likström <strong>och</strong> alstrar en eller flera växelspänningar till <strong>motor</strong>n. Eftersom<br />
uttrycket används flitigt i både böcker <strong>och</strong> artiklar används det även i den här rapporten. Det<br />
man menar <strong>med</strong> <strong>BL<strong>DC</strong></strong> är en synkron<strong>motor</strong> <strong>med</strong> permanentmagnetiserad rotor (Yedamale<br />
2003).<br />
Det här kandidatarbetet är delvis en fortsättning på det tidigare kandidatarbetet ”Elcyklar <strong>och</strong><br />
dess möjlighet till uppladdning under drift” som gjordes på Chalmers 2008. Det arbetet var<br />
till stor del en litteraturstudie, en marknadsundersökning gällande elcyklar genomfördes <strong>och</strong><br />
en elcykel köptes in. Till elcykeln konstruerades en enklare återladdningskrets som aldrig<br />
hann testas (Ivarsson m.fl. 2008). Det här arbetet som till största delen är<br />
konstruktionsinriktat, kommer därför främst att fokusera på att utveckla en fungerande<br />
återladdningskrets till den befintliga elcykeln. Återladdningskretsens uppgift är att ta tillvara<br />
på rörelseenergi <strong>och</strong> ladda elcykelns batteri under färd, se Figur 1.1.<br />
1
Figur 1.1 Då elcykelns nav<strong>motor</strong> arbetar i generatordrift alstras en trefasspänning vars<br />
amplitud <strong>och</strong> frekvens är beroende av hastigheten på cykelhjulet. Trefasspänningen<br />
likriktas därefter i en trefaslikriktare <strong>och</strong> en likspänning vars storlek varierar <strong>med</strong><br />
hastigheten på hjulet erhålls. Innan likspänningen matas till batteriet måste den regleras<br />
till en lagom stor, konstant spänning, vilket görs av återladdningskretsen som<br />
symboliseras <strong>med</strong> den svarta rutan i figuren.<br />
En <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> i generatordrift fungerar på samma sätt som en permanentmagnetiserad<br />
synkrongenerator vilken ofta används i mindre vindkraftverk. Därför kan innehållet i<br />
rapporten <strong>och</strong> den typ av krets som konstrueras även vara intressant i detta sammanhang.<br />
1.1 Syfte<br />
Syftet <strong>med</strong> kandidatarbetet är att konstruera <strong>och</strong> bygga en återladdningskrets för att kunna<br />
ladda upp elcykelns batteri under färd. Målet är att återladdningskretsen ska vara<br />
användarvänlig <strong>och</strong> ha en hög verkningsgrad. Med användarvänlig avses att cyklisten själv<br />
kan bestämma när återladdning ska ske.<br />
2
1.2 Metod<br />
Arbetet <strong>med</strong> kandidatarbetet delades tidigt upp i fyra delar, där den större delen av tiden<br />
ägnades åt konstruktionsarbetet. De olika delarna utfördes i stort sett sekventiellt då varje nytt<br />
moment till stor del byggde på momentet innan.<br />
Den första delen bestod av en litteraturstudie för att samla information om elcyklar, <strong>BL<strong>DC</strong></strong><strong>motor</strong>er<br />
i generatordrift, laddning av NiMH-batterier <strong>och</strong> <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-<strong>omriktare</strong>. Under tiden<br />
litteraturstudien pågick sågs även den befintliga elcykeln över <strong>och</strong> kompletterades <strong>med</strong> en ny<br />
nav<strong>motor</strong>.<br />
Då det inte fanns någon tillgänglig data för nav<strong>motor</strong>n som generator, genomfördes en<br />
mätstudie för att ta fram karaktäristiken för <strong>motor</strong>n i generatordrift. Under tiden som<br />
mätstudien pågick påbörjades rapportskrivandet.<br />
Framtagen mätdata tillsammans <strong>med</strong> information från litteraturstudien låg sedan till grund för<br />
konstruktionen av återladdningskretsen. Återladdningskretsen är en <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-<strong>omriktare</strong> av<br />
typen buckboost som bygger på kontrollkretsen LM5118 från National Semiconductor.<br />
Konstruktionen gjordes i två steg. För att snabbt komma igång konstruerades först en krets<br />
helt baserat på ett färdigt utvecklingskort från tillverkaren av LM5118. Därefter gjordes<br />
beräkningar för att kunna göra ändringar i kretsen så att den skulle fungera tillsammans <strong>med</strong><br />
de befintliga komponenterna på elcykeln. Dessvärre fungerade inte styrningen <strong>med</strong><br />
kontrollkretsen fullt ut <strong>och</strong> dessa ändringar kunde därför aldrig genomföras. För att ändå<br />
kunna visa hur kretsen var tänkt att fungera, tillverkades en enklare variant av kretsen <strong>med</strong><br />
möjlighet till extern styrning.<br />
I den sista delen utvärderades kretsen i form av ytterligare en mätstudie för att visa hur väl<br />
den färdigbyggda återladdningskretsen fungerade. Mätningar gjordes både på<br />
återladdningskretsen <strong>med</strong> kontrollkrets <strong>och</strong> den <strong>med</strong> extern styrning.<br />
1.3 Avgränsningar<br />
Den enklare kretsen som togs fram i arbetets slutskede för att kunna utvärdera egenskaper för<br />
återladdningskretsen, redovisas inte lika fullständigt som den tidigare. Att detaljerat redogöra<br />
för hur den externa styrningen går till skulle bli allt för omfattande. Detta bedömdes inte<br />
heller tillföra något ytterligare till den typ av återladdningskrets <strong>med</strong> intern styrning som<br />
rapporten behandlar.<br />
.<br />
3
2 BEFINTLIG UTRUSTNING<br />
Som nämnts i inledningen fanns en färdig elcykel vid arbetets start. <strong>Elcykel</strong>n är en vanlig<br />
standardcykel <strong>med</strong> ett monterat elcykelkit. I det här kapitlet beskrivs först de delar som<br />
elcykelkitet består av. Därefter följer en utförligare beskrivning av de delar som förutom<br />
återladdnigskretsen används vid regenerering.<br />
Motor<br />
Trefasig nav<strong>motor</strong> på 250 W av typen <strong>BL<strong>DC</strong></strong>. Innehåller hallsensorer <strong>och</strong> är monterad på<br />
framhjulet. Den här <strong>motor</strong>n ersattes senare <strong>med</strong> en motsvarande <strong>motor</strong> på 500 W.<br />
Styrbox<br />
Tar emot signalerna från reglagen <strong>och</strong> sensorerna <strong>och</strong> genererar en trefasspänning till <strong>motor</strong>n.<br />
Batteri<br />
Batteripack <strong>med</strong> 20 stycken seriekopplade NiMH-celler som tillsammans ger 24 V. Batteriet<br />
sitter på undersidan av pakethållaren.<br />
Pedalsensor<br />
Sensor som känner av när cyklisten trampar. När elcykeln används i trafik krävs att <strong>motor</strong>n<br />
endast driver då cyklisten trampar.<br />
Bromshandtag<br />
Bromshandtag som förutom att bromsa cykeln även stänger av <strong>motor</strong>n då cyklisten bromsar.<br />
Gasreglage<br />
Möjliggör drivning av <strong>motor</strong>n utan signal från pedalsensorn. Praktiskt ur laborationssynpunkt.<br />
2.1 Nav<strong>motor</strong>n<br />
<strong>Elcykel</strong>n var från början utrustad <strong>med</strong> en nav<strong>motor</strong> som hade ett mekaniskt frihjul i den ena<br />
rotationsriktningen. Detta för att <strong>motor</strong>n inte var tillverkad för generatordrift, rotorn läts då stå<br />
stilla när hjulet rullade framåt samtidigt som <strong>motor</strong>n var avstängd. Motståndet när elcykeln<br />
cyklades som en vanlig cykel minskades då genom att ingen spänning inducerades.<br />
För att kunna använda den befintliga <strong>motor</strong>n som generator krävdes att det mekaniska<br />
frihjulet låstes, spänningar induceras då över statorlindningarna när hjulet roterar. För att ta<br />
reda på hur frihjulet skulle kunna låsas öppnades nav<strong>motor</strong>n <strong>och</strong> det observerades att det även<br />
fanns en mekanisk utväxling mellan rotorn <strong>och</strong> cykelhjulet. Utväxlingen gjorde att momentet<br />
på hjulet blev högre när <strong>motor</strong>n kördes. Omvänt gjorde utväxlingen vid generatordrift att<br />
rotorn roterade snabbare än hjulet, vilket ledde till att den inducerade spänningen blev högre<br />
<strong>och</strong> fick högre frekvens.<br />
Förutom nav<strong>motor</strong>ns frihjul i ena rotationsriktningen var även gängorna som används för att<br />
montera hjulet skadade. De skadade gängorna <strong>med</strong>förde att hjulet inte kunde monteras<br />
korrekt. Ett beslut togs då om inköp av ett nytt hjul <strong>med</strong> en nav<strong>motor</strong> utan frihjul.<br />
4
2.2 Styrboxen<br />
På utgången i styrboxen finns sex stycken transistorer som styrs <strong>med</strong> PWM-signaler så att en<br />
trefasväxelspänning skapas. Över varje transistor sitter en skyddsdiod för att skydda<br />
transistorn, se Figur 2.1. Om styrboxen är avstängd <strong>och</strong> inga PWM-signaler skickas till<br />
transistorerna, samtidigt som <strong>motor</strong>n används som generator, kan skyddsdioderna användas<br />
som trefaslikriktare av de inducerade växelspänningarna.<br />
Figur 2.1 Transistorerna <strong>och</strong> skyddsdioderna på styrboxens utgång.<br />
Skyddsdioderna kan används som trefaslikriktare.<br />
2.3 Batteriet<br />
<strong>Elcykel</strong>ns batteri har en kapacitet på 8,5 Ah. I batteriet finns en temperatursensor som kan<br />
användas för att avbryta laddningen om batteriet blir för varmt. Då den <strong>med</strong>följande<br />
batteriladdaren ger en laddström på 1,8 A tar det ca 5 h att ladda upp batteriet när det är helt<br />
urladdat.<br />
Som tidigare nämnts innehåller batteripacket 20 stycken seriekopplade NiMH-celler.<br />
Varje cell har en nominell spänning på 1,2 V, batteriets nominella spänning blir då<br />
20*1,2= 24 V. Beroende på <strong>med</strong> hur stor ström <strong>och</strong> vid vilken temperatur batteriet laddas, har<br />
en fulladdad NiMH-cell i god kondition en spänning strax över den nominella spänningen.<br />
Batteriet kan anses fulladdat då cellernas spänning är ca 1,4-1,47 V (Anton m.fl. 2007).<br />
Strömmen som ett batteri kan leverera under en timme betecknas ofta som 1 C, i det här fallet<br />
är således 1 C = 8,5 A. Om NiMH-batterier laddas <strong>med</strong> en ström större än 0,5 C vid<br />
temperaturer över 23°C kan batterierna skadas till följd av värmeutvecklingen (Anton m.fl.<br />
2007). Laddströmmar över 0,5*8,5 = 4,25 A bör därför undvikas trots temperatursensorn.<br />
5
3 BESKRIVNING AV DE PRINCIPER SOM ANVÄNDS<br />
Detta kapitel beskriver grundläggande teorier dels för <strong>motor</strong>n som användes samt för den typ<br />
av krets som konstruerades.<br />
3.1 <strong>BL<strong>DC</strong></strong><br />
Den typ av <strong>BL<strong>DC</strong></strong>-<strong>motor</strong> som vanligen används i nav<strong>motor</strong>er har en permanentmagnetiserad<br />
rotor som roterar på utsidan av statorn. I <strong>motor</strong>n finns tre hallsensorer vilka skickar signaler<br />
till styrboxen som då känner av vilket läge som rotorn befinner sig i. Utifrån den givna<br />
positionen på rotorn generar styrboxen tre fasförskjutna spänningar till statorlindningarna.<br />
I lindningarna skapas ett magnetiskt fält som interagerar <strong>med</strong> det magnetiska fältet från<br />
permanentmagneterna i rotorn <strong>och</strong> ett moment mellan stator <strong>och</strong> rotor uppstår (Yedamale<br />
2003).<br />
Vid generatordrift inducerar magnetfältet från permanentmagneterna i rotorn spänning över<br />
statorlindningarna. Motorn generar då en trefasspänning vars storlek <strong>och</strong> frekvens är beroende<br />
av rotorns hastighet. Momentet som krävs för att inducera en viss spänning bestäms av hur<br />
mycket effekt som tas ut från statorlindningarna, det vill säga hur stor ström som tas ut vid en<br />
given spänning över statorlindningarna.<br />
3.2 Buck/boostkrets<br />
En buck/boostkrets även kallad step-up/step-downkrets, som visas i Figur 3.1, omvandlar en<br />
inspänning, U in , till en utspänning, U ut , som är högre eller lägre än U in . U ut bestäms av hur stor<br />
ström som tas ut från kretsen tillsammans <strong>med</strong> pulskvoterna på de PWM-signaler 1 som<br />
transistorerna, Q1 <strong>och</strong> Q2, switchas <strong>med</strong>. Beroende på om U ut ska vara större eller mindre än<br />
U in arbetar kretsen på två olika sätt som beskrivs nedan. Kondensatorn, C1, fungerar som en<br />
glättningskondensator för att ta bort spänningsrippel på U ut .<br />
Figur 3.1 Schematiskt bild av en buck/boostkrets.<br />
1 Pulse Width Modulation<br />
6
U in >U ut Buck-/Step-downmode<br />
Q1 switchas <strong>och</strong> Q2 betraktas som avbrott. När Q1 leder går det ström genom L1 <strong>och</strong> D2 till<br />
C1 <strong>och</strong> U ut . Detta leder till att L1 laddar upp energi i ett magnetfält. Därefter blir det avbrott i<br />
Q1 <strong>och</strong> energin i L1 driver en ström från jord genom D1, L1 <strong>och</strong> D2 till C1 <strong>och</strong> U ut .<br />
U in
4 UPPMÄTNING AV MOTORNS KARAKTÄRISTIK<br />
I databladet för den nyinköpta nav<strong>motor</strong>n fanns ingen data för <strong>motor</strong>n i generatordrift. För att<br />
kunna dimensionera återladdningskretsen mättes därför karaktäristiken upp för nav<strong>motor</strong>n i<br />
generatordrift.<br />
4.1 Frekvens som funktion av hastighet<br />
Förutsatt att man vet antalet poler i <strong>motor</strong>n <strong>och</strong> utväxlingen mellan hjulet <strong>och</strong> rotorn, kan man<br />
beräkna hjulets frekvens, f hjul , vid drift enligt ekvation 1.<br />
f<br />
hjul<br />
f<br />
u<br />
= [Hz]<br />
antal polpar ⋅ utväxling<br />
(1)<br />
där f u är frekvensen på den inducerade spänningen över en av faserna.<br />
För att undvika att skruva isär <strong>motor</strong>n <strong>och</strong> därefter beräkna utväxlingen <strong>och</strong> räkna antalet<br />
poler, valdes istället en annan metod för mätning av hjulets frekvens. En enkel krets <strong>med</strong> en<br />
reflexsensor konstruerades för att mäta upp f hjul <strong>med</strong> ett oscilloskop, kretsen beskrivs i<br />
Bilaga 1.<br />
För att driva hjulet i olika hastigheter under mätningarna användes en borrmaskin <strong>med</strong><br />
rotationshastighet på 0-3000 varv/min. En gummidisk monterades på borrmaskinen som<br />
sedan hölls mot däcket på cykeln, se Figur 4.1.<br />
Figur 4.1 Metod som användes för att simulera cykelns hastighet, V hjul , mot vägbanan.<br />
Borrmaskinens maximala hastighet, f borrmaskin , tillsammans <strong>med</strong> diskens diameter på 9 cm<br />
gjorde att hastigheten på cykeln, V hjul , beräknades kunna simuleras i upp till ca 51 km/h enligt<br />
ekvation 2.<br />
8
v = 2 ⋅π ⋅ r ⋅ f [ m / s]<br />
(2)<br />
där f är borrmaskinens varvtal [Hz] <strong>och</strong> r är diskens radie [m].<br />
Insatta värden i ekvation 2 ger:<br />
v<br />
3000 ⋅ 60<br />
= vdisk<br />
= 2 ⋅π ⋅ r ⋅ f<br />
borrmaskin<br />
= 2 ⋅π<br />
⋅ 0,045 ≈ 51km<br />
h (3)<br />
1000<br />
hjul<br />
/<br />
Den maximala hastigheten på 51 km/h ansågs ge en tillräcklig marginal till hur snabbt cykeln<br />
kan tänkas cyklas.<br />
Ett antal tejpremsor placerades symmetriskt ut<strong>med</strong> kanten på däcket. Reflexsensorn<br />
monterades på framgaffeln <strong>och</strong> genererade en signal i form av en puls för varje tejpremsa. För<br />
att tydligt kunna visa förhållandet mellan pulserna från reflexsensorn <strong>och</strong> f u användes åtta<br />
stycken tejpremsor. Genom att jämföra signalen från reflexsensorn <strong>med</strong> en av <strong>motor</strong>ns<br />
fasspänningar kunde förhållandet mellan f hjul <strong>och</strong> f u bestämmas. På en av de fyrkantiga<br />
pulserna som utgör 1/16 av ett varv, oscillerar fasspänningen 1,5 period, se bild från<br />
oscilloskopet i Figur 4.2.<br />
Figur 4.2 Bild från oscilloskopet där signalen från reflexsensorn, i form<br />
av en fyrkantsvåg, visas tillsammans <strong>med</strong> en av fasspänningarna från nav<strong>motor</strong>n.<br />
9
Förhållandet mellan f hjul <strong>och</strong> f u ger ekvation 4,<br />
f<br />
f<br />
u<br />
f<br />
u<br />
= [ Hz]<br />
(4)<br />
1,5 ⋅16<br />
24<br />
hjul<br />
=<br />
vilket insatt i ekvation 2 ger förhållandet mellan cykelns hastighet <strong>och</strong> den inducerade<br />
spänningens frekvens, se ekvation 5.<br />
v<br />
hjul<br />
f<br />
u 3600<br />
= 2 ⋅π ⋅ r ⋅ ⋅ [ km / h]<br />
(5)<br />
24 1000<br />
där r är cykelhjulets radie.<br />
Med ekvation 5 kan cykelns hastighet på ett noggrant sätt bestämmas direkt ur frekvensen på<br />
den inducerade spänningen.<br />
10
4.2 Inducerad spänning som funktion av hastighet<br />
Först mättes de tre olika fasspänningarna, U f , upp vid olika hastigheter, se Figur 4.3. Utifrån<br />
de uppmätta fasspänningarna <strong>och</strong> ekvation 6 beräknades huvudspänningen, U.<br />
U = 3 ⋅U f<br />
(6)<br />
Därefter beräknades trefaslikriktarens likspänning, U dc , enligt ekvation 7.<br />
3 2<br />
U dc<br />
= ⋅U π<br />
(7)<br />
Under tiden som mätningarna genomfördes upptäcktes att styrboxens skyddsdioder kunde<br />
användas som en trefaslikriktare vilket beskrevs tidigare i kapitel 2.2. För att kontrollera de<br />
beräknade värdena mättes därför U för en fas <strong>och</strong> den verkliga trefaslikspänningen U dc .<br />
Som tidigare nämnts i teorin om <strong>BL<strong>DC</strong></strong> syns i Figur 4.3 att den inducerade spänningen är<br />
beroende av hastigheten på rotorn. Det framgår även i figuren att det råder ett närmast linjärt<br />
samband. Den likriktade spänningen U dc förhåller sig ungefär 1:1 mot hastigheten på cykeln i<br />
intervallet 0-45km/h.<br />
Figur 4.3 Inducerade spänningar som funktion av hastighet på hjulet.<br />
Hastigheten har beräknats ur de inducerade spänningarnas frekvens enligt ekvation 5.<br />
För att kunna ladda batteriet kontrollerat i hastigheten 0-45 km/h måste återladdningskretsen<br />
kunna kompensera för variationer i den inducerade <strong>och</strong> likriktade spänningen, U dc , i<br />
intervallet 0-45V.<br />
11
5 KONSTRUKTION AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN<br />
Konstruktionsprocessen började <strong>med</strong> att en uppskattning av kraven på återladdningskretsen<br />
gjordes <strong>med</strong> hjälp av information om batteriet i kapitel 2.3 <strong>och</strong> mätdata i kapitel 4.2.<br />
• Inspänning U in 0-50V<br />
• Utspänning U ut 20-30V<br />
• Laddström 1-4A<br />
• Hög verkningsgrad<br />
En av de få kontrollkretsar som uppfyllde kraven <strong>och</strong> som gick att få tag på var LM5118 från<br />
National Semiconductor som därför användes. National Semiconductor tillverkar <strong>och</strong> säljer<br />
även ett utvecklingskort, LM5118 Evaluation Board, <strong>med</strong> en färdig buckboostkrets. Det var<br />
svårt att hitta återförsäljare av utvecklingskortet, dessutom var det dyrt <strong>och</strong> leveranstiden ca<br />
två månader. Därför togs beslut om att konstruera en helt egen återladdningskrets men <strong>med</strong><br />
utgångspunkt från kretsschemat för det färdiga utvecklingskortet.<br />
Första steget i konstruktionen av återladdningskretsen var att tillverka en fungerande krets<br />
<strong>med</strong> samma egenskaper som utvecklingskortet för att snabbt komma igång <strong>med</strong> kretsen <strong>och</strong><br />
förstå dess funktioner. Utvecklingskortet levererar en utspänning på 12 V, en ström på 3 A<br />
<strong>och</strong> kan matas <strong>med</strong> 5-75 V. Komponentlistan i databladet för utvecklingskortet användes som<br />
utgångspunkt för att ta fram motsvarande komponenter för hålmontering till<br />
återladdningskretsen (National Semiconductor 2008b). Komponenterna som användes är<br />
samlade i Tabell 1 i Bilaga 2.<br />
Andra steget var sedan att beräkna nya komponentvärden <strong>och</strong> byta ut komponenter på kortet<br />
för att anpassa återladdningskretsen så att den skulle fungera tillsammans <strong>med</strong> de befintliga<br />
komponenterna på elcykeln.<br />
5.1 Kontrollkretsens olika funktioner<br />
Information om kontrollkretsens olika funktioner är hämtad ur databladet för LM5118<br />
(National Semiconductor 2008a). De viktigaste funktionerna för att förstå kontrollkretsen är<br />
beskrivna nedan.<br />
PWM-signaler<br />
Kontrollkretsens huvudsakliga uppgift är att skapa en stabil utspänning genom att generera<br />
pulser som switchar de externa effekttransistorerna på kortet, Q1 <strong>och</strong> Q2 i kapitel 3.2. Genom<br />
en återkoppling känner kontrollkretsen av utspänningen <strong>och</strong> reglerar pulsvidden på pulserna<br />
till transistorerna så att en konstant utspänning erhålls. Kontrollkretsen innehåller en intern<br />
ställbar oscillator som bestämmer frekvensen på PWM-signalerna till transistorerna,<br />
frekvensen kan väljas i området 50-500kHz.<br />
Mjukstart<br />
Mjukstartfunktionen gör att spänningen höjs gradvis under uppstarten av kretsen. Mjukstarten<br />
pågår i storleksordningen några millisekunder.<br />
12
Strömbegränsning<br />
Strömbegränsningsfunktionen begränsar strömmen i kretsen <strong>och</strong> används både för att skydda<br />
interna komponenter i återladdningskretsen <strong>och</strong> externa komponenter, i det här fallet batteriet<br />
som ska laddas.<br />
Överhettningsskydd<br />
För att skydda kontrollkretsen mot överhettning finns ett skydd som stänger av den om dess<br />
temperatur uppnår ca 165 ° C. När temperaturen sjunkit ca 25 ° C startas kretsen <strong>med</strong> mjukstart<br />
igen.<br />
Underspänningsskydd<br />
För att kontrollkretsen inte ska börja arbeta <strong>med</strong> för låg spänning, U in =3V enligt databladet,<br />
finns ett underspänningsskydd som bestämmer vid vilken inspänning som kontrollkretsen<br />
startar. Spänningen då kontrollkretsen ska starta kan väljas i intervallet U in = {3-75V}.<br />
13
5.2 Beskrivning av komponenternas funktion<br />
I Figur 5.1 visas kretsschemat för återladdningskretsen. Information om komponenternas<br />
olika funktion är hämtad ur databladet för LM5118 <strong>och</strong> beskrivs nedan (National<br />
Semiconductor 2008a).<br />
Figur 5.1Kretsschemat för återladdningskretsen <strong>med</strong> komponentvärdena för<br />
utvecklingskortet (National Semiconductor 2008b).<br />
C1-C5<br />
Ingångskondensatorer som har till uppgift att ta bort rippel på inspänningen. Kondensatorerna<br />
ska kunna lagra tillräckligt mycket laddning så att spänningen hålls konstant när strömmen<br />
switchas in.<br />
R1, R3, C21<br />
Spänningsdelningen mellan R1 <strong>och</strong> R3 bestämmer vid vilken spänning som kontrollkretsen<br />
ska startas. Kontrollkretsen startar då spänningen på ben 2 är 1,23 V. Kondensatorn gör att<br />
signalen lågpassfiltreras så att inte kretsen startas <strong>och</strong> stängs av flera gånger då spänningen<br />
1,23 V passeras.<br />
R7<br />
Storleken på resistansen bestämmer frekvensen för oscillatorn i kontrollkretsen.<br />
R6, C15<br />
Resistansen tillsammans <strong>med</strong> kondensatorn bestämmer egenskaperna för kretsens<br />
strömbegränsningsfunktion.<br />
14
C16<br />
Storleken på kondensatorn bestämmer hur lång tid mjukstarten tar när kontrollkretsen startar.<br />
R4, C17, C18<br />
Motståndet <strong>och</strong> kondensatorerna bestämmer karaktäristiken för förstärkningen av felsignalen.<br />
R2<br />
Kontrollkretsen startas då ben 4, enable, får en potential 3 V över jord. Genom R2 sätts<br />
spänningen på ben 4 till U in , om TP2 sätts till jord stängs kontrollkretsen av.<br />
R10, C6<br />
Motståndet <strong>och</strong> kondensatorn utgör en dämpning i form av ett lågpassfilter som skyddar<br />
kontrollkretsen mot transienter på U in .<br />
R8, R9, R12, C19<br />
R8 <strong>och</strong> R9 utgör den huvudsakliga spänningsdelningen i återkopplingen av U ut . Genom att<br />
ändra spänningsdelningen ändras utspänningen U ut . Kontrollkretsen reglerar hela tiden för att<br />
få 1,23 V över R9. R12 tillsammans <strong>med</strong> C19 lågpassfiltrerar återkopplingssignalen.<br />
C20<br />
Utgångskondensator för kontrollkretsens interna spänningsregulator på 7 V.<br />
D5<br />
Avlastningsdiod för kretsens interna bootstrapdiod.<br />
C8<br />
Bootstrapkondensator som laddas upp så att Q1 är helt till när den switchas.<br />
R11, R13, C22<br />
R13 är ett lågohmigt effektmotstånd som används för att mäta strömmen genom D4.<br />
Spänningsfallet som blir över R13 utgör signalen som lågpassfiltreras genom R11 <strong>och</strong> C22<br />
innan den matas vidare till kontrollkretsen.<br />
Q1, Q2, D4, D1, L1<br />
Dessa komponenter utgör huvudkomponenterna i en buck-/boostkrets <strong>och</strong> deras funktion<br />
beskrivs i kapitel 3.2.<br />
R5, C7<br />
Om U ut är mellan 4-15V kan ben 17, VCCX, anslutas via R5 <strong>och</strong> C7 vilka utgör ett<br />
lågpassfilter. Med en hög inspänning till buckboostkretsen minskas värmeutvecklingen om<br />
den interna spänningsregulatorn istället matas från den lägre utspänningen via VCCX-benet.<br />
C9-C12<br />
Utgångskondensatorer som tar bort rippel från utspänningen.<br />
15
5.3 Beräkning av komponentvärden<br />
Komponentvärdena från utvecklingskortet räknas om för att återladdningskretsen ska ladda<br />
batteriet <strong>med</strong> en lagom stor ström, I ut , <strong>och</strong> slutligen avbryta laddningen då batteriet är<br />
fulladdat. Laddningen avbryts genom att spänningen, U ut , från återladdningskretsen är lika<br />
stor som spänningen över det fulladdade batteriet. Då båda spänningarna är lika stora flyter<br />
inte längre någon ström in i batteriet. Med utgångspunkt från informationen om NiMH-celler i<br />
kapitel 2.3 betraktas batteriet som fulladdat när spänningen över varje cell är 1,4 V.<br />
Spänningen som återladdningskretsen ska nå blir då 1,4*20= 28 V.<br />
När batteriets spänning är låg bestäms I ut genom strömbegränsningsfunktionen i<br />
återladdningskretsen till I utmax . Då batteriets spänning närmar sig 28V <strong>och</strong> villkoret<br />
i ekvation 8 är uppfyllt begränsas istället strömmen av batteriets inre resistans.<br />
I<br />
> I<br />
28 −U<br />
=<br />
batteri<br />
ut max ut<br />
R<br />
(8)<br />
batteri<br />
U inmin väljs till 10 V så att underspänningsskyddet startar återladdningskretsen först när<br />
U in > 10 V. Genom att begränsa U inmin till 10 V reduceras de maximala strömmarna i<br />
återladdningskretsen kraftigt, då den arbetar i buckboostmode. För att kunna ladda batteriet<br />
i hastigheter upp till ca 50 km/h väljs U inmax = 50 V enligt sambandet som togs fram i<br />
kapitel 4.2.<br />
Beräkningarna av komponentvärdena är delvis en iterativ process som följer exemplet i<br />
databladet för LM5118, där även ekvationerna är hämtade (National Semiconductor 2008a).<br />
Samma switchfrekvens <strong>och</strong> storlek på induktansen som för utvecklingskortet används<br />
(f = 300kHz, L= 12µH). De nya komponentvärdena beräknas så att återladdningskretsen<br />
uppfyller nedanstående mer specificerade krav. De beräknade värdena finns samlade i den<br />
kompletterande komponentlistan i Tabell 2 i Bilaga 2.<br />
• U ut = 28 V<br />
• U in = 10-50 V<br />
• I utmax < 4,25 A (0,5 C)<br />
16
R13<br />
Beroende på om återladdningskretsen jobbar i buck- eller buckboostmode blir strömmarna,<br />
I utmax , I max <strong>och</strong> I rippel olika. Med I utmax menas den maximala strömmen som batteriet laddas<br />
<strong>med</strong>. I max avser den maximala strömmen genom induktansen <strong>och</strong> I rippel är strömripplet i<br />
induktansen.<br />
Buckmode<br />
buck mod e<br />
⎛ I<br />
buck mod e<br />
buck mod e rippel<br />
I<br />
ut max<br />
0,8 I<br />
max<br />
2 ⎟ ⎞<br />
= ⋅ ⎜ −<br />
⎝<br />
⎠<br />
[ A]<br />
(9)<br />
där<br />
I<br />
buck mod e<br />
max<br />
<strong>och</strong><br />
I<br />
buck mode<br />
rippel<br />
= 1,25<br />
[ A]<br />
10 ⋅ R13<br />
(10)<br />
Uut<br />
( U<br />
inmax<br />
−Uut<br />
)<br />
= [ A]<br />
U ⋅ f ⋅ L<br />
(11)<br />
inmax<br />
Buckboostmode<br />
I<br />
buckboost mod e<br />
ut max<br />
buckboost mod e<br />
⎛<br />
I ⎞<br />
buckboost mod e rippel 0,8 ⋅U<br />
in min<br />
= ⎜ I<br />
max<br />
−<br />
⎟ ⋅<br />
[ A]<br />
2 (12)<br />
⎝<br />
⎠<br />
U<br />
ut<br />
+ U<br />
in min<br />
där<br />
I<br />
buckboost mod e<br />
max<br />
= 2,5<br />
[ A]<br />
10 ⋅ R13<br />
(13)<br />
<strong>och</strong><br />
I<br />
buckboost mod e<br />
rippel<br />
U<br />
ut<br />
⋅U<br />
in min<br />
= [ A]<br />
U + U ) ⋅ f ⋅ L<br />
(14)<br />
(<br />
ut in min<br />
Som tidigare beskrivits beror strömbegränsningen på hur R13 väljs. Med insatta värden i<br />
ekvation 9-14 <strong>och</strong> R13= 15mΩ, samma komponentvärde som på utvecklingskortet,<br />
beräknades strömmarna som presenteras i Tabell 5.1.<br />
Tabell 5.1 Strömmarna i återladdningskretsen <strong>med</strong> samma<br />
komponentvärden som i utvecklingskortet.<br />
I utmax [A] I max [A] I rippel [A]<br />
Buckmode 5,30 8,33 3,42<br />
Buckboostmode 3,29 16,67 2,05<br />
17
I Tabell 5.1 syns att villkoret för I utmax < 4,25 A inte är uppfyllt <strong>med</strong> R13 = 15 mΩ. För att få<br />
en säkerhetsmarginal sätts I utmax = 3 A. Ett nytt värde för R13 beräknas <strong>med</strong> hjälp av ekvation<br />
9-14 <strong>och</strong> blir 23 mΩ. R13 väljs till närmaste standardvärde som är 22 mΩ. De nya<br />
strömmarna beräknas på samma sätt som tidigare <strong>och</strong> resultatet visas i Tabell 5.2. På grund av<br />
buckboost mod e<br />
buck mod e<br />
att strömbegränsningsfunktionen alltid tillåter I<br />
max dubbelt så stor som I<br />
max , se<br />
ekvation 10 <strong>och</strong> 13, kan inte batteriet laddas <strong>med</strong> 3 A när återladdningskretsen arbetar i<br />
buckboostmode.<br />
Tabell 5.2 Strömmarna i återladdningskretsen <strong>med</strong> den nya<br />
strömbegränsningen. På grund av kontrollkretsens egenskaper<br />
kan inte I utmax väljas lika i både buck- <strong>och</strong> buckboostmode.<br />
I utmax [A] I max [A] I rippel [A]<br />
Buckmode 3,18 5,68 3,42<br />
Buckboostmode 2,18 11,36 2,05<br />
C15<br />
C15<br />
=<br />
−6<br />
L ⋅10<br />
2 ⋅ R13<br />
[ F]<br />
(15)<br />
Ekvation 15 <strong>med</strong> insatta värden ger<br />
−6<br />
C 12µ<br />
⋅10<br />
15 = = pF<br />
2 ⋅ 22m<br />
273<br />
(16)<br />
I databladet för LM5118 står att C15 <strong>med</strong> fördel kan väljas lägre än det uträknade värdet i<br />
applikationer <strong>med</strong> högre utspänning, därför väljs C15 till 220pF som är närmaste<br />
standardvärde (National Semiconductor 2008a).<br />
C9-C12<br />
För att garantera en utspänning utan rippel beräknades kondensatorerna på utgången enligt<br />
ekvation 17.<br />
C<br />
min<br />
buckboost mod e<br />
I<br />
ut<br />
⋅ Dmax<br />
= [ F]<br />
(17)<br />
f ⋅ ∆U<br />
ut<br />
där<br />
U<br />
ut<br />
Dmax =<br />
U + U<br />
(18)<br />
in min<br />
ut<br />
18
<strong>med</strong> insatta värden fås<br />
C 2,37 25<br />
uF<br />
300k<br />
50m<br />
25 10<br />
113<br />
min<br />
= ⋅ =<br />
(19)<br />
⋅ +<br />
Nivån på det accepterade ripplet på utspänningen väljs till samma som för utvecklingskretsen,<br />
∆U ut = 50 mV (National Semiconductor 2008a). Därefter kan den maximala tillåtna<br />
ekvivalenta serieresistansen, ESR max , beräknas enligt ekvation 20.<br />
∆U<br />
ESR<br />
max<br />
= ut [ Ω]<br />
buckboost mod e<br />
(20)<br />
I<br />
max<br />
<strong>med</strong> insatt värde<br />
50m<br />
ESRmax = = 4, 4 mΩ<br />
(21)<br />
11,36<br />
Kraven på utgångskondensatorerna för återladdningskretsen är lägre än för utvecklingskortet,<br />
därför kan samma kondensatorer användas.<br />
D4<br />
D4 som används tidigare klarar strömmar på upp till 40 A <strong>och</strong> kan <strong>med</strong> marginal användas<br />
buckboost mod e<br />
<strong>med</strong> den maximala strömmen i återladdningskretsen I<br />
max = 11,36 A.<br />
R8, R9<br />
Spänningsdelningen för återkopplingen beräknas enligt ekvation 22.<br />
R8<br />
R9<br />
U ut<br />
= −1<br />
1,23<br />
(22)<br />
Med en ström på 5 mA genom resistanserna, för en säker spänningsdelning, beräknas R8, R9<br />
<strong>och</strong> väljs till närmaste standardvärde.<br />
R8 = 4,75 kΩ<br />
R9 = 246 Ω<br />
R3<br />
För att återladdningskretsen ska starta <strong>och</strong> börja ladda batteriet när U in >10 V beräknas R3<br />
enligt ekvation 23.<br />
19
R3<br />
=<br />
U<br />
1,23 ⋅ 75k<br />
+ 5 ⋅ 75k<br />
−1,23<br />
in min<br />
µ<br />
vilket <strong>med</strong> insatt värde ger<br />
[ Ω]<br />
(23)<br />
1,23 ⋅ 75k<br />
R3<br />
= = 10, 1 kΩ<br />
10 + 5µ<br />
⋅ 75k<br />
−1,23<br />
(24)<br />
R3 väljs till 11 kΩ för att återladdningskretsen garanterat ska starta då U in >10 V.<br />
5.4 Kretskortets layout<br />
Designen på kretskortet valdes <strong>med</strong> tanken att det skulle vara lätt att laborera <strong>med</strong> det samt att<br />
byta ut komponenter på det. Därför är samtliga komponenter utom kontrollkretsen<br />
hålmonterade. Tillsammans ledde detta till att kretskortet valdes att göras i storleken<br />
100x160 mm, vilket kan tyckas stort i jämförelse <strong>med</strong> det färdiga utvecklingskortet som var<br />
67,31x87,63 mm (National Semiconductor 2008b).<br />
Kretskortet etsades fram på glasfiberlaminat <strong>med</strong> dubbelsidigt kopparskikt på 105 µm, där det<br />
tjocka kopparskiktet valdes för att reducera resistansen i kopparbanorna. Således minskas<br />
spänningsfallen <strong>och</strong> effektutvecklingen som de höga strömmarna på kortet orsakar.<br />
Kontrollkretsen <strong>och</strong> dess ledningar är koncentrerade till kortets nedre vänstra hörn för att<br />
avståndet till de stora strömmarna på kortet ska vara så stort som möjligt. Jordledaren som<br />
syns längst ner i Figur 5.2 <strong>och</strong> Figur 5.3 förstärktes senare upp <strong>med</strong> en större jordledare till<br />
höger om kontrollkretsen. Detta för att kontrollkretsen helt skulle ligga utanför<br />
strömlooparna.<br />
Anledningen till att det sitter parallellkopplade kondensatorer på flera ställen på kortet är att<br />
minska komponenternas ESR 3 .<br />
På grund av att induktansen som kortet designades för inte gick att få tag på, ersattes denna<br />
utav två stycken seriekopplade mindre induktanser. Dessa ytmonterades sedan på undersidan<br />
av kortet.<br />
3 Ekvivalent serieresistans<br />
20
Figur 5.2 Ovansidan av återladdningskretsen.<br />
Figur 5.3 Undersidan av återladdningskretsen sett från ovansidan.<br />
21
6 UTVÄRDERING AV ÅTERLADDNINGSKRETSEN<br />
Som tidigare nämnts fungerade inte den interna styrningen <strong>med</strong> kontrollkretsen fullt ut.<br />
Därför presenteras funktionen av återladdningskretsen <strong>med</strong> intern respektive extern styrning<br />
samt uppmätt data för dem i följande två kapitel.<br />
6.1 Återladdningskretsen <strong>med</strong> intern styrning<br />
På grund av att transistorerna som från början valdes till återladdningskretsen gick sönder <strong>och</strong><br />
att det inte fanns fler tillgängliga, ersattes de <strong>med</strong> två liknande transistorer under mätningarna,<br />
dessa finns i Tabell 3 i Bilaga 2.<br />
Återladdningskretsen matades <strong>med</strong> ett variabelt spänningsaggregat <strong>och</strong> lastades <strong>med</strong> ett<br />
ställbart effektmotstånd. Utan last fungerade återladdningskretsen som förväntat i buck- <strong>och</strong><br />
buckboostmode <strong>och</strong> då U in varierades i området 6-30 V erhölls en stabil utspänning på 12 V.<br />
Problem uppstod då kretsen arbetade i buckboostmode, i takt <strong>med</strong> att lasten ökades sjönk U ut .<br />
Däremot när kretsen arbetade i buckmode kunde lasten maximeras <strong>och</strong> 3 A tas ut. En mätserie<br />
av verkningsgraden som funktion av uttagen ström <strong>med</strong> U in = 25 V visas i Figur 6.1, data för<br />
mätserien finns i Tabell 1 i Bilaga 4.<br />
Figur 6.1 Verkningsgraden för återladdningskretsen <strong>med</strong> Uin= 25 V. Verkningsgraden<br />
ökar närmast linjärt tills I ut uppnår 0,5 A för att sedan stabiliseras på 85%. Avvikelsen<br />
vid 1,4 A beror troligtvis på ett mätfel.<br />
22
6.2 Återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning<br />
För att kunna göra mätningar på återladdningskretsen utan kontrollkretsen tillverkades en<br />
variant av denna för extern styrning, detta beskrivs kort i Bilaga 4. Detta <strong>med</strong>förde att en mer<br />
fullständig mätserie i hela återladdningskretsens arbetsområde kunde tas fram.<br />
En mikroprocessor av typen Atmega16 användes för att generera <strong>och</strong> styra PWM-signalerna<br />
till transistorerna. Mikroprocessorns interna klockfrekvens på 8 MHz gjorde att<br />
switchfrekvensen valdes till 50kHz för att kunna ändra signalernas pulskvot 0-100% i 80 steg.<br />
En högre switchfrekvens skulle ha lett till att pulskvoten inte hade kunnat väljas i lika många<br />
steg.<br />
Återladdningskretsen lastades <strong>med</strong> ett ställbart effektmotstånd <strong>och</strong> matades <strong>med</strong> ett variabelt<br />
spänningsaggregat, U in varierades inom intervallet 10-50 V. Pulskvoterna på PWM-signalerna<br />
till transistorerna ställdes sedan in manuellt vid varje ändring av U in så att en konstant<br />
spänning U ut = 28 V erhölls. Pulskvoterna ställdes in genom att gradvis öka pulskvoten i<br />
buckmode från 0% till max 75% 4 (PWM-signalen till Q1 i kapitel 3.2). Därefter ökades<br />
pulskvoten gradvis från 0% i buckboostmode (PWM-signalen till Q2 i kapitel 3.2). För att få<br />
en uppfattning om hur kretsen påverkas av vilken effekt som tas ut, varierades<br />
effektmotståndet så att en ström på 1 A respektive 3 A togs ut.<br />
I verkningsgraden för återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning är, till skillnad från kretsen<br />
<strong>med</strong> intern styrning, inte effekten för styrningen inräknad. I Figur 6.2 syns att<br />
verkningsgraden för både I ut = 1 A <strong>och</strong> I ut = 3 A har en topp då U in ≈ U ut förutsatt att man<br />
bortser från mätvärden då U in = 50 V. På grund av värmeutvecklingen i kretsen då U in = 10 V<br />
avbröts mätningen innan I ut = 3 A <strong>och</strong> U ut = 28 V uppnåtts. Värmeutvecklingen syns tydligt i<br />
Figur 6.2 i form av att verkningsgraden var väsentligt lägre.<br />
Figur 6.2 Verkningsgrad för återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning.<br />
Verkningsgraden sjunker avsevärt då U in = 9,6 V, mätningen avbröts på<br />
grund av värmeutvecklingen då I ut = 2,6 A <strong>och</strong> U ut = 23,6 V.<br />
4 Då U in = 10 V <strong>och</strong> I ut = 3 A måste pulskvoten ökas ytterligare.<br />
23
I Figur 6.3 visas hur pulskvoten på PWM-signalerna till transistorerna ställdes in vid olika<br />
spänningar U in . Ändringen av signalernas pulskvot i både buck- <strong>och</strong> buckboostmode ser<br />
ungefär likadan ut men blir förskjuten beroende på hur stor ström, I ut , som tas ut. Eftersom<br />
effekten som tas är tre gånger så stor när I ut = 3A jämfört <strong>med</strong> när I ut = 1A måste pulskvoten<br />
ökas så att mer effekt switchas in i kretsen även om spänningarna U in <strong>och</strong> U ut är lika i de båda<br />
fallen. Där kan även ses ett samband mellan att kretsen börjar arbeta i buckboostmode <strong>och</strong><br />
verkningsgraden i Figur 6.2 sjunker. För I ut = 1 A sker detta då U in ≈ 25V <strong>och</strong> för I ut = 3 A sker<br />
det när U in ≈ 30 V.<br />
Figur 6.3 Styrsignalerna till återladdningskretsens transistorer som funktion av Uin.<br />
Till följd av att kretsen switchas uppstår spänningsrippel på U ut . Storleken på ripplet beror på<br />
hur stor ström I ut som tas ut <strong>och</strong> skillnaden mellan U in <strong>och</strong> U ut , se Figur 6.4.<br />
Figur 6.4 Spänningsrippel på återladdnigskretsens utgång som funktion av Uin.<br />
24
7 SLUTSATS OCH FÖRSLAG PÅ FORTSATT ARBETE<br />
I arbetet har det visats att en återladdningskrets i form av en <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-<strong>omriktare</strong> tillsammans<br />
<strong>med</strong> de befintliga komponenterna på elcykeln kan möjliggöra regenerering under färd. För att<br />
möta uppsatta krav om användarvänlighet kan en 2-polig strömbrytare användas för att<br />
cyklisten smidigt ska kunna växla mellan regenerering <strong>och</strong> drift. Detta genom att den ena<br />
polen på strömbrytaren styr signalen till styrboxens ingång för elcykelns bromshandtag<br />
samtidigt som den andra polen styr enable-signalen till kontrollkretsen.<br />
Att verkningsgraden som visas i kapitel 6.1 för kretsen <strong>med</strong> intern styrning ligger 5-10% lägre<br />
än den som visas i kapitel 6.2 för kretsen <strong>med</strong> extern styrning, beror delvis på att<br />
kontrollkretsen förbrukar effekt. Men troligtvis också på att olika transistorer användes. De<br />
transistorer som från början köptes in till kretsen gick sönder <strong>och</strong> var därför tvungna att<br />
ersättas. När mätningarna på kretsen <strong>med</strong> extern styrning genomfördes fanns transistorerna<br />
åter tillgängliga. Beslut togs då om att använda dessa transistorer, eftersom syftet <strong>med</strong><br />
mätningarna var att visa hur återladdningskretsen <strong>med</strong> intern styrning skulle ha kunnat<br />
fungera <strong>med</strong> de avsedda komponenterna.<br />
För att få en mer komplett bild av vad regenereringen innebär för cyklisten måste hela<br />
systemet, elcykelns komponenter <strong>och</strong> återladdningskretsen, kopplas ihop <strong>och</strong> testas<br />
tillsammans. I arbetet visas att verkningsgraden för återladdningskretsen i bästa fall kan hållas<br />
över 90% för regenerering i större delen av intervallet 10-50 km/h. Detta betraktas av<br />
författarna som en tillfredställande hög verkningsgrad. För att lösa problemet <strong>med</strong><br />
värmeutvecklingen i återladdningskretsen vid lägre hastigheter kan underspänningsskyddet<br />
höjas så att kontrollkretsen startas först vid till exempel U in =15 V, det vill säga vid ca 15<br />
km/h. Alternativt kan strömmen, I utmax , sänkas så att batteriet laddas <strong>med</strong> mindre effekt, vilket<br />
också är en lösning ifall cyklisten anser att regenereringen orsakar en allt för stor<br />
inbromsning. I det kompletta systemet tillkommer förutom förlusterna i återladdningskretsen<br />
förluster i <strong>motor</strong>n, trefaslikriktaren (i styrboxen) <strong>och</strong> batteriet. Först när hela systemet har<br />
satts ihop kan momentet som krävs på cykelns hjul för att ladda batteriet vid de olika<br />
hastigheterna bestämmas. Då kan även verkningsgraden för hela systemet bestämmas, det vill<br />
säga hur stor del av den rörelseenergin som tas upp på hjulet som kan omvandlas <strong>och</strong> lagras<br />
som elektrisk energi i batteriet. Vad som kan vara ännu mer intressant att undersöka är hur<br />
mycket av rörelseenergin som tas upp under regenereringen, lagras i batteriet <strong>och</strong> sedan<br />
genom drivsystemet kan återföras i form av rörelseenergi till hjulet.<br />
Innan systemet kan kopplas ihop <strong>och</strong> ovan nämnda undersökningar genomföras, återstår ett<br />
fortsatt utvecklingsarbete av återladdningskretsen. Det kan vara intressant att fortsätta <strong>med</strong><br />
utveckling av både kretsen <strong>med</strong> intern styrning <strong>och</strong> den <strong>med</strong> extern styrning.<br />
När det gäller utvecklingen av den första kretsen finns troligtvis de största möjligheterna till<br />
förbättring i designen av kretskortet. Kretsen fungerade trots allt tillfredställande i buckmode<br />
<strong>och</strong> även om inte kretsen kunde lastas nämnvärt i buckboostmode reglerades spänningen<br />
korrekt vid mycket liten last. Layouten bör göras om <strong>med</strong> högre krav på minskade avstånd<br />
mellan effektkomponenterna. Även positioneringen av strömlooparna <strong>och</strong> jordledarna på<br />
kortet måste göras bättre. Kanske är switchfrekvensen på 300 kHz onödigt hög <strong>med</strong> tanke på<br />
förlusterna som följer. Det är möjligt att en lägre switchfrekvens kan väljas <strong>och</strong> ripplet ändå<br />
kan hållas nere <strong>med</strong> större utgångskondensatorer. Nämnas bör också att den övre gränsen av<br />
U in som under konstruktionen sattes till 50 V inte innebär att återladdningskretsen går sönder<br />
25
då U in > 50 V. Kretsen klarar spänningar på upp till 75 V men detta innebär att<br />
spänningsripplet på U ut beräknas överstiga 50 mV som följd.<br />
Ett alternativ är att fortsätta <strong>med</strong> utvecklingen av återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning.<br />
Ripplet som mättes upp på U ut var betydligt högre än vad som hade beräknats. Detta beror på<br />
att utgångskondensatorerna var beräknade för en switchfrekvens på 300 kHz. På samma sätt<br />
som nämnts tidigare kan utgångskondensatorerna ökas eller switchfrekvensen höjas. Redan<br />
<strong>med</strong> mikroprocessorn (Atmega16), som användes vid mätningarna, hade en switchfrekvens på<br />
100 kHz kunnat användas om den drivits <strong>med</strong> en extern klockkristall på 16 MHz istället för<br />
den interna på 8 MHz. Information om hur strömbegränsningen <strong>och</strong> återkopplingen i LM5118<br />
fungerar kan användas för att utveckla ett liknande reglerprogram till en extern<br />
mikroprocessor. Om U in mäts av mikroprocessorn kan dessutom en funktion implementeras<br />
för att reglera effekten som batteriet laddas <strong>med</strong> utifrån hastigheten på cykeln om så önskas.<br />
Med en mikroprocessor kan också problemet <strong>med</strong> olika strömbegränsning, I utmax , i buck- <strong>och</strong><br />
buckboostmode för LM5118 lösas.<br />
26
KÄLLFÖRTECKNING<br />
Abrahamson, H. (2008) Återladdning ger elcykeln längre räckvidd. Ny Teknik, 2 december.<br />
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article470568.ece (2009-05-02)<br />
Anton, J.C., Campo, J.C., Ferrero, F.J., Gonzalez, M., Valledor, M <strong>och</strong> Viera, J.C. (2007)<br />
NiMH vs NiCd Batteries under High Charging Rates. Telecommunications Energy<br />
Conference, 2006. INTELEC ‘06. 28 th Annual International. 10-14 september 2006 Rhode<br />
island, USA. S 1-6.<br />
Ivarsson, P., Nordvall, A., Svennung, J. (2008) Elcyklar <strong>och</strong> dess möjlighet till uppladdning<br />
under drift. http://webfiles.portal.chalmers.se/et/MSc/Ivarsson&Nordvall&SvennunMSc.pdf<br />
(2009-05-08).<br />
Jaschke. R. (2007) Conduction Losses in <strong>DC</strong>/<strong>DC</strong>-Converters as buckboost/boostbuck<br />
synchronous rectifier types. Compatibility in Power Electronics. 2007. CPE’07 2007; 29 maj-<br />
1 juni 2007 Gdansk-Jelitkowo. S1-10.<br />
National Semiconductor. (2008a) LM5118 Wide Voltage Range Buck-Boost Controller.<br />
http://www.national.com/ds/LM/LM5118.pdf (2009-05-04)<br />
National Semiconductor. (2008b) LM5118 Evaluation board.<br />
http://www.national.com/an/AN/AN-1819.pdf (2009-04-24).<br />
Vägverket. (2008) Moped klass I, II <strong>och</strong> elcykel – Vad skiljer de olika klasserna åt?<br />
http://publikationswebbutik.vv.se/upload/1699/88358_moped_klass_i_ii_<strong>och</strong>_elcykel_utg_10<br />
.pdf (2009-03-31).<br />
Yedamale, P. (2003) AN885- Brushless <strong>DC</strong> (<strong>BL<strong>DC</strong></strong>) Motor Fundamentals.<br />
http://ww1.micr<strong>och</strong>ip.com/downloads/en/AppNotes/00885a.pdf (2009-05-05)<br />
27
BILAGA 1. Sid 1(1)<br />
Reflexsensor<br />
Reflexsensorn som användes för att ta fram förhållandet mellan f hjul <strong>och</strong> f u var en GP2S07 från<br />
Sharp. Reflexsensorn innehåller en diod som sänder ut infrarött ljus <strong>och</strong> en fototransistor.<br />
Fototransistorn känner av hur mycket av det utsända ljuset som reflekteras tillbaka mot<br />
reflexsensorn. R1 tillsammans <strong>med</strong> R2 i Figur 1 bestämmer hur mycket ström som går genom<br />
dioden. R3 bestämmer strömmen genom fototransistorn. Signalen till oscilloskopet tas ut<br />
mellan R3 <strong>och</strong> kollektorn på fototransistorn.<br />
Figur 1 Kretsschema för reflexsensorkretsen (GP2S07 har dock ingen anslutning för basen<br />
på fototransistorn).<br />
Kretskortet till reflexkretsen etsades ut på glasfiberlaminat <strong>med</strong> enkelsidigt kopparskikt på<br />
35 µm, se Figur 2.<br />
Figur 2 Kretsen <strong>med</strong> reflexsensor som konstruerades för att mäta frekvensen på<br />
cykelhjulet, kretskortets storlek är 18x35 mm.
BILAGA 2. Sid 1(1)<br />
Komponentlistor<br />
Tabell 1 Komponentlista till återladdningskretsen <strong>med</strong> spec. 12V 3A.<br />
Antal Referens Värde Beteckning Tillverkare<br />
5 C1-C5 2,2 µF - -<br />
4 C6, C8, C16, C21 0,1 µF - -<br />
4 C7, C7b, C20, C20b 0,47 µF - -<br />
2 C9, C10 47 µF - -<br />
2 C11,C12 0,47 µF - -<br />
2 C13,C14 180 µF - -<br />
3 C15, C19, C22 330 pF - -<br />
1 C18 4700 pF - -<br />
1 D1 Schottky 10A 40V PBYR1040 Philips NXP<br />
1 D4 Schottky 40A 100V 40CPQ100GPBF Vishay<br />
1 D5 Schottky 1A 40V - -<br />
2 L1,L2 6 µH, 33,8A HC3-6R0-R Coiltronics<br />
2 Q1, Q2 NFET IRLIZ44GPBF Vishay<br />
1 R1 75 kΩ - -<br />
1 R2 1 MΩ - -<br />
1 R3 29,4 kΩ - -<br />
1 R4 10 kΩ - -<br />
1 R5 N/A - -<br />
1 R6 N/A - -<br />
1 R7 16,2 kΩ - -<br />
1 R8 2,67 kΩ - -<br />
1 R9 309 Ω - -<br />
2 R10, R11,R12 10 Ω - -<br />
1 R13 0,015 Ω 20W MHP20S0R015F BI Technologies<br />
1 U1 IC, PWM LM5118MH National<br />
Semiconductor<br />
Tabell 2 Kompletterande komponentlista för de komponenter som ersätts då U ut = 28 V.<br />
Antal Referens Värde Beteckning Tillverkare<br />
1 R3 11 kΩ - -<br />
1 R8 4,75 kΩ MHP20S022F BI Technologies<br />
1 R9 246 Ω - -<br />
1 R13 22 mΩ - -<br />
1 C15 220 pF - -<br />
Tabell 3 Kompletterande komponentlista för transistorerna som ersatte IRLIZ44GPBF<br />
under utvärderingen av återladdningskretsen <strong>med</strong> intern styrning .<br />
Antal Referens Värde Beteckning Tillverkare<br />
2 Q1, Q2 NFET IRF2804 International Rectifier
BILAGA 3. Sid 1(2)<br />
Återladdningskrets <strong>med</strong> extern styrning<br />
Frånsett komponenterna innanför det streckade området i Figur 1 <strong>och</strong> 2 används samma<br />
komponenter som i återladdningskretsen <strong>med</strong> LM5118. Kretskorten är av samma storlek <strong>och</strong><br />
typ men designen har gjorts om något. Footprinten 1 för de seriekopplade spolarna har bytts ut<br />
<strong>och</strong> strömlooparna har minskats på kortet genom att effektkomponenterna sitter närmare<br />
varandra.<br />
Innanför det streckade området finns en drivkrets <strong>och</strong> spänningsregulatorer för 5 V <strong>och</strong> 15 V.<br />
Spänningsregulatorerna kan användas för att mata drivkretsen <strong>och</strong> en extern mikroprocessor<br />
direkt från U in . Dessa användes inte under mätningarna, istället användes ett separat<br />
spänningsaggregat till detta. Drivkretsen möjliggör styrning av transistorerna <strong>med</strong> logiska<br />
signaler 0-5V. För ytterligare information om hur drivkretsen fungerar hänvisas till databladet<br />
för IR2010 från International Rectifier 2 .<br />
Figur 1 Ovansidan av återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning. Komponenterna utanför<br />
det streckade området är samma som för återladdningskretsen <strong>med</strong> intern styrning.<br />
1 Utformning av de kopparöar som komponenten ska lödas på.<br />
2 International Rectifier. (2004) High and low side driver. http://www.irf.com/productinfo/datasheets/data/ir2010.pdf<br />
(2009-05-19)
BILAGA 3. Sid 2(2)<br />
Figur 2 Undersidan av återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning, sett från ovansidan.
BILAGA 4. Sid 1(2)<br />
Mätdata<br />
Tabell 1 Mätdata för återladdningskretsen <strong>med</strong> intern styrning,<br />
U in = 25 V, U ut = 12 V.<br />
U in I in U ut I ut Verkningsgrad Uttagen effekt<br />
[V] [A] [V] [A] [%] [W]<br />
24,98 0,15 11,99 0,2 64,00 2,40<br />
24,98 0,2 11,95 0,304 72,71 3,63<br />
24,94 0,25 11,95 0,4 76,66 4,78<br />
24,97 0,3 11,96 0,517 82,54 6,18<br />
24,96 0,34 11,93 0,603 84,77 7,19<br />
24,95 0,39 11,92 0,689 84,40 8,21<br />
24,94 0,45 11,91 0,804 85,32 9,58<br />
24,93 0,51 11,9 0,906 84,80 10,78<br />
24,93 0,56 11,9 0,998 85,07 11,88<br />
24,92 0,62 11,89 1,108 85,27 13,17<br />
24,91 0,66 11,89 1,187 85,84 14,11<br />
24,9 0,72 11,88 1,298 86,01 15,42<br />
24,88 0,82 11,88 1,4 81,52 16,63<br />
24,87 0,83 11,87 1,503 86,43 17,84<br />
24,87 0,88 11,87 1,595 86,51 18,93<br />
24,86 0,94 11,87 1,701 86,40 20,19<br />
24,85 1 11,86 1,804 86,10 21,40<br />
24,84 1,05 11,85 1,905 86,55 22,57<br />
24,83 1,11 11,83 2,004 86,02 23,71<br />
24,82 1,16 11,83 2,108 86,62 24,94<br />
24,82 1,23 11,81 2,207 85,38 26,06<br />
24,8 1,33 11,8 2,417 86,47 28,52<br />
24,78 1,43 11,77 2,6 86,36 30,60<br />
24,76 1,54 11,71 2,809 86,27 32,89<br />
24,75 1,65 11,66 3,007 85,86 35,06
BILAGA 4. Sid 2(2)<br />
Tabell 2 Mätdata för återladdningskretsen <strong>med</strong> extern styrning, U ut = 28 V, I ut = 1 A <strong>och</strong><br />
I ut = 3 A.<br />
Pulskvot<br />
Q1<br />
Pulskvot<br />
Q2 U in I in U ut I ut Verkningsgrad U ut rippel<br />
[%] [%] [V] [A] [U] [A] [%] [V]<br />
17,5 0 50 0,55 28,12 0,96 98,16 0,28<br />
21,25 0 45 0,647 27,97 0,998 95,88 0,25<br />
26,25 0 40 0,718 27,89 0,995 96,62 0,22<br />
38,75 0 34,84 0,843 28,3 1,009 97,22 0,015<br />
72,5 0 29,91 0,948 27,98 0,998 98,48 0,06<br />
75 10 24,9 1,163 28 1 96,69 0,1<br />
75 17,5 19,84 1,481 28,04 1,001 95,52 0,18<br />
75 31,25 14,71 2,089 28,4 1,013 93,62 0,2<br />
75 58,75 9,73 3,265 28,17 1,006 89,20 0,2<br />
32,5 0 50 1,86 27,94 3,14 94,34 0,4<br />
38,75 0 44,9 2,05 27,95 3,13 95,04 0,42<br />
48,75 0 39,9 2,303 28,05 3,147 96,06 0,32<br />
67,5 0 34,93 2,603 27,98 3,15 96,94 0,3<br />
75 12,5 29,95 3,073 27,96 3,146 95,57 0,3<br />
75 28,75 24,55 3,939 28,2 3,185 92,88 0,3<br />
75 45 19,8 4,98 28,17 3,182 90,91 0,35<br />
75 65 14,58 7,19 28,34 3,202 86,56 0,4<br />
77,5 77,5 9 9,61 23,56 2,631 71,67 -