Электровелосипед на каждый день

Сегодня я хотел бы рассказать, как я построил электровелосипед. Я использую его каждый день, чтобы доехать в университет. В общей сложности это стоило половину стоимости самых дешевых коммерческих электрических велосипедов, которые мы можем посмотреть здесь в моей стране, но если у Вас нет времени и инструментов для того, чтоб построить велосипед самостоятельно, то вариант покупки в магазине вполне оправдывает вложенные средства. Это самый сложный проект, который я когда-либо делал. На его выполнение у меня ушло больше года, и я многому научился в механике, электронике, пайке, математике и программировании.

Этот проект направлен на создание электровелосипеда. Он должен быть сильным, выносливым и законным. Я хотел иметь возможность разблокировать велосипед с помощью карты RFID и заряжать свой электровелосипед с помощью зарядного устройства LiPo, которое у меня уже есть. Еще я хотел управлять мотором с помощью педалей, а также кнопкой на руле. Вдобавок ко всему у меня был довольно низкий бюджет на электронный велосипед: 600 долларов. Я не только повторно использовал некоторые компоненты старой электроники, чтобы снизить цену, но также построил аккумулятор и плату управления.

Нам понадобится:

• Велосипед
• Мотор
• ESC (электронный регулятор скорости)
• Литий-ионные аккумуляторы
• Ардуино Нано
• Реле
• Считыватель RFID
• Светодиоды 12В
• Никелевые полосы и медные провода
• Понижающие преобразователи
• Датчик педали
• Резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, зуммер (см. Шаг 4)

Код Arduino: https://pastebin.com/vEwyMhg1

Шаг 1: Механика

Прежде всего вам нужно найти байк. Через несколько недель я нашел велосипед, адаптированный к моему размеру, с дисковыми тормозами (я абсолютно хотел иметь дисковые тормоза, так как средняя скорость будет довольно высокой, а велосипед будет тяжелым). После некоторых механических корректировок байк был исправен и готов для этого проекта. (Я забыл сфотографировать байк перед тем, как поставить мотор, извините …)

Я решил купить двигатель, который был встроен в колесо, так как он был прост в установке и не слишком дорог. Я установил мотор на байк, разобрал педали, чтобы установить датчик педали на его место, и вставил четыре куска алюминия, чтобы усилить заднюю вилку (сила, приложенная мотором, может согнуть вилку). Эти детали мы видим на первом фото (они обтянуты карбоновой лентой, потому что так приятнее).

Размещение датчика педали может быть немного сложным, у меня это заняло много времени. Я не буду здесь вдаваться в подробности, потому что множество видео на YouTube объясняют, как установить этот датчик намного лучше, чем я. На втором фото мы видим установленный датчик.

Шаг 2: Решаем, где разместить электронику

Я хотел, чтобы вся электроника была в одном пластиковом ящике с аккумулятором. Купил в интернете пустой батарейный отсек и начал думать, как все внутри поместится. Батарея будет состоять из 18560 литий-ионных элементов, поэтому я могу выбрать, как я буду размещать их в корпусе (соединения будут объяснены в шагах 3 и 5). Мне также нужно было найти место для ESC (бесщеточный контроллер двигателя) и платы управления (см. Шаг 4).

Шаг 3: Подключения

В батарейном отсеке, который я купил в Интернете, всего 5 разъемов. Это было проблемой, так как мне нужно было подключить больше компонентов:

• Мотор (3 провода)
• Датчики холла (3 провода)
• Линия питания 5 В (2 провода)
• Лампы (2 провода)
• Кнопка дроссельной заслонки (1 провод)
• Датчик педали (1 провод)
• Разъемы зарядки аккумулятора (много проводов)
  Я решил оставить пять имеющихся разъемов корпуса для мотора и линии питания 5В. Все остальные провода подключены к одному 7-проводному разъему (белый разъем на первом фото). Остальные разъемы используются для зарядки аккумулятора, как мы увидим на пятом шаге.

Вот электронные схемы электронного велосипеда:

Шаг 4: Главная цепь

Основная печатная плата была самой сложной задачей в этой сборке. Схема должна иметь возможность блокировать и разблокировать велосипед, управлять мощностью дроссельной заслонки от двигателя, контролировать скорость велосипеда (чтобы быть законным на дороге), включать фары, предотвращать чрезмерную разрядку аккумулятора и выключать велосипед в конце поездки.

Основным компонентом этой схемы является Arduino Nano. Большинство компонентов здесь взято из старых электронных проектов или старых электрических устройств. Я даже использовал симистор от старого кухонного робота, так как у меня не было мосфета для управления светом.

Вот более подробное объяснение того, как работает схема:

1. Вход питания: есть два входа питания. Чтобы запустить велосипед, пользователь должен нажать кнопку питания, которая питает карту через первый вход. Arduino ожидает, пока пользователь предъявит карту RFID, прежде чем активировать главное реле (см. Пункт 6), которое питает карту через второй вход. Затем пользователь может отпустить кнопку. Карта питается только от второго входа во время езды. Диоды предотвращают протекание электрического тока обратно в обесточенный вход схемы. Резисторы образуют мост делителя напряжения, который позволяет Arduino считывать напряжение питания (это позволяет Arduino отключать питание, если напряжение слишком низкое).
2. Эта часть содержит два понижающих преобразователя. Входное напряжение (от 30 до 42 В) сначала понижается до 12 В первым модулем. Это напряжение используется для питания ламп велосипеда. Второй модуль понижает напряжение с 12 В до 5 В, что является рабочим напряжением остальной части схемы.
3. Здесь мы находим зуммер, конденсатор и симистор. Зуммер издает шум при разблокировке велосипеда и подает сигнал тревоги, когда напряжение слишком низкое. Конденсатор сглаживает напряжение 5В на выходе понижающего преобразователя. Симистор управляет питанием (и, следовательно, освещением) ламп (здесь лучше было бы использовать мосфет, но у меня его не было под рукой)
4. Arduino Nano занимает много места в этой части схемы, но есть также некоторые разъемы, например, для считывателя RFID, реле и кнопки газа. Реле управляется транзистором, потому что Arduino не может обеспечить достаточный ток для его активации.
5. Последняя часть схемы содержит множество резисторов, образующих цепь R-2R. Это выход дроссельной заслонки, который выходит из Arduino в двоичном виде на четыре цифровых выхода и преобразуется этими резисторами в аналоговый сигнал. Этот аналоговый сигнал проходит через операционный усилитель, чтобы избежать падения напряжения. Затем этот сигнал может быть напрямую интерпретирован ESC (электронным регулятором скорости).

Шаг 5: Батарея

Внимание: создание собственной батареи может быть опасным, если вы не знаете, что делаете. Воспроизводите только в том случае, если вы уверены в том, что делаете!

Я построил свой собственный аккумулятор по нескольким причинам: я хотел, чтобы он был в той же коробке, что и остальная электроника (чтобы он имел определенную форму), я не хотел, чтобы он был слишком дорогим, я хотел иметь возможность заряжать его с помощью зарядного устройства LiPo, и (что наиболее важно) я хотел узнать, как создать свой собственный аккумулятор.

Это литиевая батарея на 36 В (10S) емкостью около 10 Ач. Я использовал 18650 ячеек от Sanyo. Эта конфигурация позволяет мне иметь около 40 км автономии (что неплохо, зная, что место, где я живу, не плоское)

Моя батарея состоит из 30 литий-ионных элементов (18650), соединенных последовательно и параллельно (по схеме 10S3P). На самом деле это скорее две батареи 5S3P, которые можно соединить последовательно благодаря небольшому разъему (см. Рисунок). Эта конфигурация позволяет иметь батарею 10S во время разряда, но две батареи 5S во время зарядки. Зарядное устройство LiPo, которое у меня уже было, не позволяет заряжать батареи более 6S, но я все еще могу использовать его с конфигурацией «две батареи 5S»: миссия выполнена.

Я не использовал BMS (систему управления батареями) в этом проекте, поскольку она напрямую интегрирована в зарядное устройство. Итак, мое зарядное устройство LiPo отвечает за балансировку ячеек и их правильную зарядку. Для разряда Arduino отвечает за отключение тока, если напряжение слишком низкое (если батарея слишком разряжена), а предохранитель позволяет отключать цепь в случае короткого замыкания или слишком высокого тока. Поэтому я не использовал BMS, но все функции безопасности по-прежнему выполняются другими компонентами.

Все ячейки были соединены с точечной сваркой и никелевыми полосами группами по три параллельно, а затем эти группы были соединены последовательно. Затем я припаял провода баланса и разряда к никелевым полосам. Наконец, я заизолировал контакты изолентой (я знаю, что это не лучший способ действовать).

Два желтых разъема (XT60) на задней панели обеспечивают прямой доступ к обеим частям аккумулятора для зарядки. Мы также находим два балансировочных разъема сзади, они необходимы для балансировки ячеек во время зарядки.

Я разработал и напечатал на 3D-принтере крышку для защиты разъемов от дождя.

Шаг 6: Огни

Я хотел, чтобы велосипедные фары подключались напрямую к батарее велосипеда, чтобы они включались автоматически, и мне не нужно было заряжать что-либо, кроме батареи велосипеда.

В стране, где я живу, электрические велосипеды обязательны. Это также очень важная функция безопасности, поэтому я положил их на свой велосипед.

Я использовал старые светодиодные ленты (подарил им вторую жизнь, они были у меня на книжном шкафу :)), которые сварил и приклеил эпоксидной смолой на пластиковую пластину. Поскольку это были светодиоды RGB, я смог соединить провода так, чтобы у меня был белый свет спереди и красный свет сзади. Эти фонари подключаются к батарее с помощью электрических кабелей (которые также являются спасательными), помните разъемы для ламп 12 В на схеме в шаге 4?

Но поскольку все идет не так, как планировалось, свет начал отключаться от их поддержки. Поэтому я спроектировал и напечатал на 3D-принтере новые опоры для светодиодных лент. Они идеально подходят по форме к трубкам велосипеда и имеют окошко из оргстекла для защиты светодиодов от дождя и пыли.

Шаг 7: Отладка

Я мог бы назвать этот раздел программированием, но мы всегда тратим больше времени на отладку, чем на программирование.

В моем случае отладка заняла около 6 месяцев, прежде чем я понял, что проблема, которая также была совершенно случайной, была не в моем коде, а в печатной плате: медный чип соединял две дорожки, которые не должны быть соединены.

В любом случае, код для Arduino Nano моего электронного велосипеда теперь работает (наконец-то!) И доступен здесь по бесплатной лицензии. Я не буду объяснять это подробно, это не очень долго, и я постарался дать достаточно комментариев, объясняющих, как это работает.

Это позволяет Arduino блокировать и разблокировать велосипед с помощью RFID-карты, контролировать состояние батареи, управлять входом дроссельной заслонки и вычислять сигнал для отправки на контроллер мотора. Он также управляет велосипедными фарами и зуммером.

Шаг 8: Наслаждайтесь поездкой!

После нескольких месяцев работы мой электровелосипед, наконец, полностью исправен! Я использую его каждый день, чтобы пойти в университет, и он работает очень хорошо.