Medidor de potência EBike: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Recentemente, converti uma mountain bike em uma bicicleta elétrica. A conversão foi relativamente tranquila, então, ao concluir o projeto, pulei e parti para um cruzeiro de shakedown. Fiquei de olho no indicador de carga da bateria, sem saber até onde esperar que a moto funcionasse com a energia da bateria. Mais ou menos na hora que o medidor de energia mostrava 80% comigo me sentindo muito bem, porque havia percorrido um longo caminho, parei com a bateria descarregada. Uma ligação infeliz para o fabricante resultou em palavras como "Oh, o indicador de bateria realmente não é bom para muito - a tecnologia simplesmente não existe ainda". Eu precisava de algo melhor do que isso.

Eu queria saber qual marcha me deu a melhor eficiência, quanto estava custando o vento contrário em termos de capacidade da bateria, que nível de potência fornece mais milhas, realmente ajuda pedalar, se sim, quanto? Resumindo, eu queria saber se minha bateria me levaria para casa. Meio crucial, não acha?

Este projeto é o resultado de minha longa viagem para casa com pedal. Basicamente, este pequeno módulo fica entre a bateria e a entrada da fonte de alimentação da e-bike para monitorar a corrente e a tensão da bateria. Além disso, um sensor de velocidade da roda fornece informações de velocidade. Com este conjunto de dados do sensor, os seguintes valores são calculados e exibidos:

• Eficiência instantânea - medida em quilômetros por AmpHour de consumo da bateria
• Eficiência média - desde o início desta viagem, km / AH
• Número total de AmpHours usado desde a última carga
• Corrente da bateria
• Voltagem da bateria

Etapa 1: dados importantes

A eficiência instantânea responde a todas as minhas dúvidas sobre como minimizar o consumo da bateria. Posso ver o efeito de pedalar mais forte, adicionar mais e-power, mudar de marcha ou lutar contra um vento contrário. A eficiência média da viagem atual (desde a inicialização) pode me ajudar a avaliar a energia aproximada necessária para retornar para casa.

O número total de AmpHours usado desde a última carga é crucial para chegar em casa. Eu sei que minha bateria é (supostamente) de 10 AH, então tudo que tenho a fazer é subtrair mentalmente o número exibido de 10 para saber minha capacidade restante. (Eu não fiz isso no software para mostrar AH restante para que o sistema funcione com qualquer tamanho de bateria e eu realmente não acredito que minha bateria seja de 10 AH.)

O consumo de corrente da bateria é interessante, pois pode mostrar o quão duro o motor está funcionando. Às vezes, uma pequena subida íngreme ou um trecho de areia pode diminuir rapidamente a carga da bateria. Você descobrirá que às vezes é melhor descer e empurrar a bicicleta até um declive íngreme do que alcançar aquela tentadora alavanca do acelerador.

A tensão da bateria é um indicador de backup do estado da bateria. Minha bateria de 14 células estará quase totalmente esgotada quando a tensão atingir 44 Volts. Abaixo de 42 Volts, corro o risco de danificar as células.

Também é mostrada uma foto da minha tela montada sob a tela padrão Bafang C961 que vem com o sistema de motor BBSHD. Observe que o C961 está felizmente me garantindo que eu tenho uma bateria cheia, embora, na verdade, a bateria tenha se esgotado em 41% (4,1 AH de uma bateria de 10 AH).

Etapa 2: Diagrama de Bloco e Esquemático

Um diagrama de blocos do sistema mostra que o medidor de energia eBike pode ser usado com qualquer sistema de energia de bateria / eBike. É necessária a adição de um sensor de velocidade de bicicleta padrão.

Um diagrama de blocos mais detalhado ilustra os principais blocos de circuitos que compõem o medidor de energia eBike. O LCD de 1602 caracteres 2x16 possui uma placa de interface I2C PCF8574 anexada.

O circuito é muito simples. A maioria dos resistores e capacitores são 0805 para facilidade de manuseio e soldagem. O conversor buck DC-DC deve ser escolhido para suportar a saída da bateria de 60 volts. A saída de 6,5 Volts é escolhida para exceder a tensão de queda do regulador de 5 Volts integrado no Arduino Pro Micro. O LMV321 possui saída de trilho a trilho. O ganho do circuito do sensor de corrente (16,7) é escolhido de forma que 30 Amps através do resistor de detecção de corrente de 0,01 Ohm produza 5 Volts. O resistor de detecção de corrente deve ser classificado para um máximo de 9 Watts a 30 Amps, no entanto, pensando que não usaria tanta potência (1,5 quilowatts), escolhi um resistor de 2 Watt que é classificado para cerca de 14 Amps (potência do motor de 750 Watt))

Etapa 3: PCB

O layout pcb foi feito para minimizar o tamanho do projeto. A fonte de comutação DC-DC está na parte superior da placa. O amplificador de corrente analógico está na parte inferior. Após a montagem, a placa concluída será conectada ao Arduino Pro Micro com cinco cabos sólidos (RAW, VCC, GND, A2, A3) presos nos resistores de orifício. O sensor de roda magnética é conectado diretamente ao pino "7" do Arduino (rotulado assim) e ao aterramento. Solde um pigtail curto e um conector de 2 pinos para conectar ao sensor de velocidade. Adicione outro pigtail a um conector de 4 pinos para o LCD.

O LCD e a placa de interface I2C são montados no invólucro de plástico e presos ao guidão (usei cola quente).

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Notas breves - Usei o DipTrace para captura e layout esquemáticos. Vários anos atrás, experimentei todos os pacotes de captura esquemática de freeware / layout de PCB disponíveis e resolvi no DipTrace. No ano passado fiz uma pesquisa semelhante e concluí que, para mim, o DipTrace foi, sem dúvida, o vencedor.

Em segundo lugar, a orientação de montagem do sensor de roda é importante. O eixo do sensor deve ser perpendicular ao caminho do ímã conforme ele passa pelo sensor, caso contrário, você obterá um pulso duplo. Uma alternativa é montar o sensor de forma que a extremidade aponte para o ímã.

Por fim, por ser uma chave mecânica, o sensor toca por mais de 100 uS.

Etapa 4: Software

O projeto usa um Arduino Pro Micro com processador ATmega32U4. Este microcontrolador tem alguns recursos a mais do que o processador Arduino ATmega328P mais comum. O Arduino IDE (Integrated Development System) deve ser instalado. Defina o IDE para TOOLS | BOARD | LEONARDO. Se você não está familiarizado com o ambiente do Arduino, não deixe que isso o desencoraje. Os engenheiros do Arduino e a família mundial de colaboradores criaram um sistema de desenvolvimento de microcontrolador verdadeiramente fácil de usar. Uma grande quantidade de código pré-testado está disponível para acelerar qualquer projeto. Este projeto usa várias bibliotecas escritas por colaboradores; Acesso à EEPROM, comunicações I2C e controle e impressão de LCD.

Você provavelmente terá que editar o código para alterar, por exemplo, o diâmetro da roda. Pule dentro!

O código é relativamente direto, mas não simples. Provavelmente demorará um pouco para entender minha abordagem. O sensor da roda é acionado por interrupção. O debouncer do sensor de roda usa outra interrupção de um temporizador. Uma terceira interrupção periódica forma a base para um agendador de tarefas.

O teste de bancada é fácil. Usei uma fonte de alimentação de 24 volts e um gerador de sinal para simular o sensor de velocidade.

O código inclui um aviso crítico de bateria fraca (display piscando), comentários descritivos e generosos relatórios de depuração.

Etapa 5: Resumindo

A almofada identificada como "MTR" vai para a conexão positiva com o circuito de controle do motor. A almofada identificada como "BAT" vai para o lado positivo da bateria. As derivações de retorno são comuns e estão no lado oposto do PWB.

Depois que tudo tiver sido testado, coloque o conjunto em uma embalagem plástica e instale entre a bateria e o controlador do motor.

Observe que o conector USB no Arduino Pro Micro permanece acessível. Esse conector é bastante frágil, por isso reforcei-o com uma generosa aplicação de cola quente derretida.

Se você decidir construí-lo, entre em contato para obter o software mais recente.

Como comentário final, é lamentável que o protocolo de comunicação entre o controlador do motor Bafang e o console de exibição não esteja disponível porque o controlador "conhece" todos os dados que este circuito de hardware coleta. Dado o protocolo, o projeto seria muito mais simples e limpo.

Etapa 6: Fontes

Arquivos DipTrace - você terá que baixar e instalar a versão freeware do DipTrace e, em seguida, importar o esquema e o layout dos arquivos.asc. Os arquivos Gerber estão incluídos em uma pasta separada -

Arduino - Baixe e instale a versão apropriada do IDE -

Gabinete, "DIY Plastic Electronics Project Box Enclosure Case 3,34" L x 1,96 "L x 0,83" A "-

LM5018 -

LMV321 -

Indutor -

LCD -

Interface I2C -

Arduino Pro Micro -