Конструктор для сборки электровелосипеда с мотором 48В 1000Вт 26"

Длиннопост о том, как из обычного велосипеда сделать электрический. Краткое содержание: комплект рабочий, но перед покупкой рекомендую подумать ещё раз.

Под катом много фотографий и текста, осторожнее.



На странице заказа данного набора был выбор, в какое колесо будет заспицован мотор: переднее или заднее. Но, как выяснилось уже после покупки, на самом деле выбор несколько шире, и не ограничивается только положением мотора. И в общем-то этому мне и хотелось бы посвятить пост.


Для начала стоит определиться со степенью готовности изделия. Если не хочется совсем заморачиваться, то можно купить сразу готовый электрический велосипед, с уже установленным мотором, контроллером и батареей. Цена вопроса от $500 на али. Если велосипед уже есть, то можно купить готовый комплект для установки. Причём комплект может быть как без аккумулятора (как тот, что приобрёл я), так и с аккумулятором — в таком случае нужно будет всего лишь прикрутить все запчасти к велосипеду и можно идти кататься. В зависимости от ценника комплект может быть разного качества, но если готового варианта нет, то можно закупить все компоненты по отдельности. В таком случае есть вероятность столкнуться с несовместимостью компонентов или, как минимум, их разъёмов, что может вызвать некоторые затруднения. Зато появляется возможность отдельно купить нормальный мотор, выбрать контроллер с необходимым функционалом (возможно даже отечественной разработки), подобрать подходящие по цвету и форме ручки газа и тормоза, ну и конечно же собрать батарею своей мечты.

Теперь о каждом компоненте чуть подробнее.

Главный двигатель электрического велосипеда — он же мотор — может передавать усилие как непосредственно на передней или заднее колесо, так и располагаться в районе каретки и передавать усилие через цепь и звёзды. В случае размещения мотора спереди есть большая вероятность повреждения дропаутов, поэтому рекомендуется их усиливать. На заднем колесе дропауты имеют более мощную конструкцию, но на всякий случай их тоже можно усилить, особенно если применяется мотор большой мощности и планируется использовать рекуперацию. В случае размещения мотора в районе каретки слабым звеном может оказаться цепь, и большие нагрузки будут испытывать звёзды, особенно, если не сбрасывать газ при переключении передач.


Когда мотор устанавливается в переднее или заднее колесо, то он может быть прямого привода, или редукторым. В случае с прямым приводом можно получить меньший расход при большей скорости, но весят они больше редукторных. Редукторные же обладают большей мощность на низких скоростях, весят меньше, но не поддерживают рекуперацию. Это происходит из-за того, что они имеют в своей конструкции фривил (обгонную муфту), который позволяет колесу свободно крутиться, когда его скорость получается ниже скорости двигателя, за счёт это улучшается накат (колесо меньше тормозит при движении). При желании его можно заварить и тоже пользоваться благами рекуперации, но в ущерб ресурсу шестерёнок редуктора. Для установки в область каретки обычно применяют редукторные двигатели.


В России, согласно правилам дорожного движения, если велосипед оснащён двигателем мощностью 250Вт и ниже, а так же двигатель развивает скорость не более 25км/ч — то он по-прежнему остаётся велосипедом. Если же двигатель мощнее или не ограничивает скорость — то после установки такого двигателя на велосипед — это уже мопед. Из этого вытекает — минимальный возраст ездока — 16 лет, необходимость имеет мотошлем и кроме того, требуется наличие водительских прав категории М (или любой другой). Если велосипед будет как на фото выше, то возможно он вызовет нездоровое внимание сотрудников дорожного правопорядка. Но меня ни разу не тормозили гаишники для проверки документов на вождение велосипеда, или для того, чтобы выписать штраф за отсутствие шлема. Но это всё равно стоит учитывать при выборе мощности двигателя.


Сам двигатель может быть коллекторным и бесколлекторным. Комплекты и с тем и с другим можно найти в китайских магазинах. Первые будут дешевле, во вторых не требуется менять щётки. Контроллеры для них отличаются, и между собой не совместимы. Выбирая мощный мотор, нужно также смотреть на мощность контроллера и выбирать (или собирать) подходящую по току аккумуляторную батарейку.


Контроллеры отличаются не только максимальной мощностью, но и набором функций. В самых простых может быть только кнопка включения и ручка газа. Дополнительно могут быть функции педального ассистента (PAS), дисплей с возможностью настраивать некоторые параметры, управление внешними световыми приборами, рекуперация, Bluetooth. Как мне кажется, обычного Noname китайского контроллера будет достаточно для большинства. Кто любит настраивать всё под себя стоит обратить внимание на более дорогие, брендовые контроллеры. Кроме того, есть контроллеры от энтузиастов, в том числе и из России.


Ну и конечно же, аккумулятор. От него будет зависеть максимальная мощность и скорость велосипеда, а также дальность автономного пробега. При кажущейся простоте, это, пожалуй, самая дорогая, сложная, тяжёлая и опасная часть электрического велосипеда. Чем больше будет напряжение батареии — тем быстрее будет крутиться двигатель. Чем больше тока сможет отдать батарея — тем больше будет мощности. Больше ёмкость — дальше пробег. Батарею можно купить готовую, а можно собрать самому. Можно купить новые элементы или б/у с taobao, а некоторые и вовсе потрошат дохлые ноутбучные батарейки в поисках живых элементов за недорого (но это такое себе удовольствие).


Есть разные варианты химии: Li-Ion — лёгкий, не очень дорогой, но теряет способность отдавать ток на холоде; LiFePo4 — в меньшей степени боится холода, но стоит дороже, реже самовоспламеняется; LTO — дорогой, тёжлый, не боится холода и больших токов; Pb (свинец) — очень дешевый, тяжёлый, с низкими токами заряда, и малой ёмкости; NiCd/Ni-Mh — дешёвые, недолговечные. Подробнее о плюсах и минусах конкретных типов химии можно прочитать в википедии.


От форм-фактора элементов также будет зависеть вес батареии, а также её устойчивость ко внешним воздействиям. Можно купить призматические элементы, типа Li-pol для радиоуправляемых моделек и квадрокоптеров, но стоит хорошо подумать о механической защите для них. Мягкую упаковку пакета легко замять и в результате образуется короткое замыкание между слоями внутри пакета, из-за чего аккумулятор может сильно разогреться, загореться и сгореть за считанные минуты. В случае с элементами в жёсткой упаковке, типа 18650/26650, всё чуточку лучше, но они тяжелее и собирать из них батарею немного сложнее (требуется точечная сварка или аккуратная пайка).


Кроме того, важность частью батареи является плата защиты и балансировки (BMS). Так как батарея состоит из нескольких последовательно соединённых элементов, то при её использовании (зарядке и разрядке) обязательно нужно следить не только за общим напряжением всей батареи, но и за напряжением каждого элемента в отдельности. В случае, если во время разрядки на каком-то элементе напряжение просело ниже минимального, то BMS должна отключить всю батарею, дабы не допустить повреждение данного элемента. При зарядке элементы так же заряжаются неравномерно, и для правильно зарядки в BMS может быть интегрирована схема балансировки, которая в простейшем случае (пассивная балансировка) шунтирует элементы, которые уже зарядились на балластный резистор. При использовании активной балансировки излишки заряда не расходуются в тепло, а перебрасываются на соседние или на все остальные ячейки.


И даже при наличии защиты, никогда не стоит оставлять без присмотра заряжающийся литий-ионный аккумулятор. А в идеальном случае для его зарядки стоит выделить отдельное помещение, оборудованное подобным девайсом, способным выдержать большие температуры горения и отвести продукты горения в дымовую трубу. Интересное видео о том, как горят литий-полимерные АКБ.


Само зарядное устройство обычно представляет из себя простой блок питания с ограничением максимального тока (CC). Литий-ионный аккумулятор безопасно заряжать током 1С — это означает, что в теории аккумулятор любой ёмкости можно зарядить за один час, если зарядное устройство позволяет отдать соответствующий ток. В действительности зарядка до 100% занимает чуть больше времени, так как по мере приближения к полному заряду аккумулятор начинает потреблять меньше тока, а в случае с пассивной балансировкой в конце заряда ещё и на неё будет затрачено прилично времени. Энтузиасты часто переделывают б/у телекоммуникационные блоки питания, так как они стоят недорого, имеют примерно подходящее напряжение, выдают большой ток, с небольшой доработкой напильником поддерживают режим постоянного тока (CC). На taobao можно купить уже переделанный блок с возможностью регулировки напряжения и тока в широком диапазоне.

Теперь можно вернуться к обозреваемому набору.


Набор состоит из:
— мотор-колесо 48В 1000Вт заспицованное в заднее колесо 26"
— контроллер бесколлекторного двигателя
— бортовой компьютер с дисплеем
— две рукоятки (грипсы), одна из них с датчиком газа
— две тормозные ручки с датчиками нажатия
— сумка для аккумулятора
— транспортная стяжка
— провода для подключения батареи
— датчик педального ассистента


Весь комплект весит 12кг. Установить его я планировал на велосипед Wheeler Pro 39, вес которого 17кг в сборе (из них 3кг вес заднего колеса). Итоговый вес велосипеда без аккумулятора получился 26кг — примерно столько весил мой предыдущий, стальной, конь — Stels Navigator 750.


В качестве батареи у меня нашлось 4 штуки ZOP Power 4S 1800mAh 65C. И по глупости своей, я соединил их последовательно, получив батарею 16S. Почему-то мне тогда казалось, что 16S — это как раз конфиг 48В, даже несмотря на то, что полностью заряженная батарея имела напряжение 67.2В, а 48.0В она выдавала только при полном разряде.

В качестве защиты была выбрана плата BMS Li-Ion 16S 60V 45A. BMS была выбрана симметричная — то есть у неё порты заряда и разряда соединены, что позволяет использовать рекуперацию. В качестве высокотокового разъёма для аккумулятора китайцы предложили использовать сетевой разъём IEC 320 (как у компьютерного блока питания) — спорить не стал, других всё равно не было под рукой на тот момент.


Установка комплекта не заняла много времени, но по ходу возникли некоторые проблемы. Датчик педального ассистента не подошёл по размеру к каретке и потому установлен не был. На старом колесе была установлена кассета на 9 звёзд, а на новом их только 7, и крепления кассет между собой не совместимы. Правая ручка тормоза совмещена с переключателем скоростей, поэтому теперь справа две ручки тормоза. Ну а всё остальное легко и просто — установил, подключил и поехал.


В сумку для аккумулятора был помещён контроллер, а для аккумуляторов был отрезан кусок пластикового вентиляционного короба, и с помощью транспортной стяжки закреплён сзади.


На руле нашлось немного места под бортовой компьютер


Первая поездка после установки была просто неописуемой. Крутишь ручку газа и неведомая сила толкает тебя сзади и разгоняет до 50км/ч. Правда не долго, аккумулятора 1.8Ач (фактически 1.3Ач) хватало всего на 5км хода, если не крутить педали и давить газ на максимум. Кроме того огорчило отсутствие рекуперации. Но я тогда подумал, что возможно стоит прочитать инструкцию и просто включить её. Ну а самое печальное было то, что примерно каждую минуту экран бортового компьютера гас и контроллер тоже отключался. Приходилось по новой его включать, увеличивать уровень поддержки (ускорения) и продолжать движение.


При переписке с продавцом выяснилось, что рекуперацию данный контроллер не поддерживает, а что с БК он не знает, но то, что на нём наклейка 36В — это не страшно. Впрочем, и в настройках БК был выбор напряжения 24/36/48В (влияет на показания уровня зарядка АКБ), поэтому пришлось поверить. Но опытным путём было установлено, что при напряжении выше 56В контроллер начинает глючить, показывать неверное напряжение батареи и отключаться. Ну а позже я обнаружил, что правильная конфигурация лития для 48В батареи — 13S — при этом максимальное напряжение будет 54.6В, а минимальное 39.0В.


Но так как я использовал готовые пакеты липолек 4S, то сделать 13S не представлялось возможным, поэтому решено было использовать конфигурацию 12S. Из-за этого максимальная скорость упала до 40км/ч, но зато БК больше не выключался. Хотя отсутствие рекуперации огорчало, ведь вроде бы всё для этого есть — но не работает.


В результате изучения форумов, выяснилось, что во многих китайских noname контроллерах заложено немного больше функционала, чем они предоставляют из коробки. И дополнительный функционал можно активировать подпаяв перемычки к определённым точкам на плате, которые для удобства ещё и подписаны.


Например вот тут Q означает «круиз», и если поставить перемычку между этой точкой и землёй рядом расположенной, то при длительном удержании ручки газа в одном положении будет активироваться функция круиза. А если X соединить с GND — то рекуперация будет активна постоянно, пока не нажата ручка газа. SH и SL — высокий и низкий уровень сигнала от ручек тормоза, в моём случае используется SL, т.е. ручка тормоза замыкает пин на землю. DS — выход, который замыкается на землю при нажатии ручки тормоза.

Если соединить DS и X, то рекуперация будет активироваться при нажатии тормоза. K1 отвечает за какую-то функцию, связанную со скоростным ограничением, возможно ограничивает скорость до легальных 25км/ч. K2 замкнут на землю, но не понятно за что отвечает. ZL и L к чему-то уже подключены, но записать, к чему именно — не догадался.


На всякий случай вместо перемычки взял 100Ом сопротивление. Поехал проверять, и было дело расстроился, так как рекуперация не заработала. Но в какой-то момент она неожиданно включилась. Причём настолько неожиданно, что мне сначала показалось, что что-то заклинило. Вернувшись домой подключил вместо аккумулятора регулируемый блок питания, и определил, что рекуперация начинает работать, когда напряжение опускается ниже 46,2В — что больше подходит для батареи 11S, но на тот момент я ездил на 12S, поэтому рекуперация и не работала, пока батарея не разряжалась до напряжение ниже 46,2В.

Также на плате была надпись 60В рядом с местом под пайку. Трассировка показала, что замыканием данном перемычки мы добавляем дополнительное сопротивление в цепь делителя измерителя напряжения батареи. Состоит он из двух последовательно соединённых резисторов 24кОм и 2.2кОм, средняя точка которых шунтирована на землю резистором 2.7кОм. А перемычка 60V добавляет ещё 7.5кОм параллельно тому резистору, что на входе. Опытным путём было установлено, что если запаять добавочное сопротивление номиналом 23.5k, то напряжение рекуперации будет 51В, что идеально подходит для зарядки батареи конфигурации 13S с балансировкой.


После этого рекуперация заработала так, как и хотелось, и тормоза стали использоваться значительно реже. При этом чем выше скорость — тем больше тормозное усилие от двигателя. Но режима дотормаживания нет, и на скоростях ниже 10км/ч рекуперация не эффективна в качестве тормозов. Кроме того, в случае торможения рекуперацией появляется эффект ABS, так как если колесо блокируется, то эффективность торможения падает. Но если разгоняется велосипед довольно плавно, то при торможении на больших скоростях даже при сильной затяжке колеса, ось всё равно слегка гуляет, и замяла мягкий металл дропаута. Дабы не рисковать, решил изготовить усилители.


С помощью болгарки, сварочного аппарата и какой-то магии из четырёх треугольников нержавейки были изготовлены две загогулины. Финальный вид которых я забыл сфотографировать, но они не сильно отличались от того, что получилось на фотографии выше.


Усилители крепятся в штатные места перьев велосипеда, и кроме того служат креплением для багажника, который до этого не получалось установить из-за дисковых тормозов.


После установки багажника на него установил сумку с аккумулятором, контроллер для лучшего охлаждения был вытащен из сумки, а в ней остались только лишние провода и все коннекторы. К тому времени аккумулятор получил пополнение ёмкости за счёт потрошения 6 повербанок Yoobao на 20000мАч. Часть из них давно были подарены друзьям, но ради такого дела они согласились обменяться их на другие, имеющиеся у меня повербанки.


Из двух повербанков получилась одна батарея конфигурации 4S4P и ёмкостью 10Ач. Из АКБ вывел провод с разъёмом XT-60 и разъём для балансировки.


К сожалению, аккумуляторы из данных повербанок не могут похвастаться высокими показателями токаотдачи, поэтому выжать все 10Ач из данной батареи можно только на малом ходу. В ближайшем будущем планирую её заменить на батарею из более мощных банок, но новая батарея пока ещё в процессе сборки:


После увеличения ёмкости батареи запас автономного хода увеличился до 20-30км, в зависимости от рельефа местности. При этом в совсем крутые горки двигатель тянет очень плохо, но расходует много энергии. При попытке заехать на горнолыжный склон, вначале, когда уклон был в районе 15% велосипед ещё тащил, но на уклоне 20-25% скорость упала до 5км, и при этом контроллер потреблял киловатт электрической мощности. После нескольких таких заездов длинной около 500 метров батарейка практически полностью села. А по приезду домой был обнаружен нежданчик


Из-за плохого контакта коннекторы фазных проводов двигателя нагрелись и на них оплавилась изоляция, и лишь каким-то чудом они не коротнули друг о друга. Не смотря на наличие токовой защиты у контроллера, к/з фазных проводов практически наверняка привело бы к выгоранию одной или нескольких групп силовых ключей.


После этого случая было принял решение заменить разъёмы, а заодно и провода. Для подключения аккумулятора были выбраны провода калибром 10 и разъём EC-5, а под фазные провода запаял 12 AWG и коннектор MT-60. Так же поменял фазные провода в двигателе, взяв тот же 12 AWG (3.3мм^2 вместо штатных 1). Для того, чтобы они влезли в ось, пришлось снять с них изоляцию и намотать поверх два слоя каптона.


После этих изменений ни провода, ни разъёмы больше не греются даже при длительных нагрузках на максимальной мощности


Для уменьшения длины силовых проводов контроллер был перемещён поближе к батарее, и расположился под багажником


Что касается зимней эксплуатации, то никаких особых проблем я пока что не заметил. Больше всего я переживал за жгут проводов, который идёт к рулю, но даже при движении в -25°C и активном маневрировании рулём по рыхлому снегу ничего страшного с ним не случилось. Если не хранить батарею на улице, то за 1-2 часа покатушек он не успевает замёрзнуть настолько, чтобы его ёмкость существенно упала. При более длительных поездках возможно придётся задуматься о дополнительном его утеплении.


Пару слов наверное стоит рассказать о бортовом компьютере. На его экране слева отображается потребляемая (либо генерируемая) мощность в условных единицах, заряд батареи (опять же, в попугаях), уровень поддержки, который можно изменять от 0 до 5. Справа сверху на выбор может показывать текущую, максимальную или среднюю скорость. Снизу также на выбор отображается: общий пробег, пробег с момента включения, напряжение аккумулятора, время с момента включения. Справа посередине расположен блок статусных иконок: ошибка двигателя, ошибка ручки газа, ошибка контроллера, нажат тормоз, аккумулятор разряжен. БК может управлять одной не очень мощной нагрузкой, например, фарой. А также может включать круиз путём удержания одной кнопки при нажатой ручке газа.

В меню настроек можно изменять параметры: размер колеса, количество магнитов в двигателе, яркость дисплея, километры/мили, 24/36/48В (для индикатора заряда АКБ), время автоотключения при неактивности, лимит максимальной скорости, режим работы датчиков двигателя.

БК общается с контроллером по UART на скорости 1200 бод, описание протокола найти не удалось, но поковыряться некоторое время удалось понять каким образом шифруются пакеты от контроллера к БК, но вот в обратную сторону не получилось. Но наверное это не очень то и нужно, для того, чтобы просто кататься на велосипеде.



Если говорить в целом о впечатлениях, то я безусловно рад тому, что поставил мотор-колесо на велосипед. В соревнованиях я не участвую, кататься выезжаю для того, чтобы отвлечься от работы, переключиться, отдохнуть. По времени катаюсь так же, как и раньше, но проделанный путь получается больше. Особенно понравилось кататься зимой. Если раньше, когда колесо съезжало в рыхлый снег, скорость резко падала и нужно было успеть понизить передачу, чтобы продолжить движение. То теперь достаточно добавить газу и спокойно переключиться, если это требуется. При подъёме в горку теперь не требуется менять передачу — добавил недостающее усилие мотором и продолжаешь крутить педали в своём темпе.

Обычно я стараюсь держать скорость в районе 25км/ч, а уровень поддержки включен на максимальную скоростью 20км/ч, и использую двигатель только когда скорость падает ниже 20км/ч.


У меня всё ещё остались сомнения на тему того, правильно ли я выбрал двигатель прямого привода, отдав предпочтение рекуперации и надёжности, а не меньшему весу; действительно ли стоило торопиться и брать готовый кит, или лучше было бы собрать всё по частям, предварительно почитав отзывы о них; не лучше ли было бы взять мотор с размещением в районе каретки (хотя и у него хватает недостатков); стоило ли собирать батарею на Li-Ion аккумуляторах или надо было сразу брать LiFePo4. Но что однозначно — это того стоило.

Пожалуй на этом всё.

Изначально я планировал написать обзорную статью обо всём, чтобы читатель даже с нулевыми знаниями о электровелосипедах смог с головой окунуться и сразу идти в магазин, зная, что ему нужно. Но в процессе написания понял, что получается не так хорошо, как задумывалось, а местами совсем плохо, и не выходит нормально структурировать информацию. Поэтому с вопросами милости прошу в комментарии, я хоть и сам недавно приобщился к теме е-байков, но что знаю — подскажу, а что не знаю — подскажут другие.