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A.T.
E.B.E. :
LA MIA PRIMA BICI ELETTRICA
8 April 2009
EBE 1 Evo (Electric Bike Experiment 1 Evolution)
• BICICLETTA ELETTRICA CON REGOLATORE PWM
• SENSORE DI PEDALATA ASSISTITA
• SWITCH DI INIBIZIONE ALIMENTAZIONE
Presentazione
Il presente Manuale meticolosamente illustrato e contenente precise spiegazioni per
il facile conseguimento del progetto finale di alta qualità meccanica ed elettronica,
permetterà a chiunque (anche profano), come me, abbia passione per la meccanica,
elettronica o il bricolage in genere, di cimentarsi nella realizzazione di una bici
elettrica, modificandone una personale normale, senza spendere i si fa per dire
“economici” 350 Euro per una cinese irriparabile in caso di guasto o gli esagerati
850-2000 Euro per una italiana ugualmente made in Cina ma targata “ ITALIAN
SPECULATION” . Di seguito schemi ed eventuali precisazioni per la realizzazione.
Il PWM è adatto per motore a spazzole max da 250 W ( come da legge ) e correnti di
esercizio di 7-8 A e massime di picco e non di continuo di 15-20 A .
CARICABATTERIA Intelligente per la ricarica di n. 2 Batt piombo gel 12 V-7Ah o
superiori a seconda delle impostazioni elettroniche.
REGOLATORE DI TENSIONE CON LM317 TARATO A +5 V
Il regolatore ha meritato un capitolo a parte perché è stato causa di parecchi
malfunzionamenti e rotture di componentistica a valle. Seguite attentamente e
riproducete fedelmente lo schema di seguito, in caso di errore si rischia di bruciare
il PWM alla prima accensione. ATTENZIONE !!! Prima di alimentare il PWM è
necessario TARARE LA TENSIONE DI USCITA su 5 V, tramite il Trimmer da 5
K, SUCCESSIVAMENTE si potrà alimentare la scheda PWM tramite l’OUT del
regolatore tarato.
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Regolatore con LM 317
Regolatore Dissipato
PWM : Pulse-width modulation
( modulazione di larghezza d’impulso )
Cenni sul funzionamento del PWM e duty cycle: http://it.wikipedia.org/wiki/
Modulazione_di_larghezza_di_impulso
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Troverete il testo
approfondimento.
completo
alla
fine
del
manuale
come
appendice
di
Lo schema di seguito è quello che ha reso il migliore risultato dopo le varie prove
di componentistica e test su strada in condizioni atmosferiche invernali, maggiori
precauzioni dovranno essere adottate per coloro dovranno utilizzare la bicicletta in
zone atmosferiche particolarmente calde nei periodi estivi.
Si consiglia di abbondare con i dissipatori su LM317, MOSFET e Diodo sia esso
Schottky o Ultrafast. Nelle condizioni estreme, di cui sopra, consiglio di montare una
o più ventole da PC per il raffreddamento dei dissipatori. E’ anche molto importante
porre n. 2 Fusibili di protezione, ALLOGGIATI IN PORTAFUSIBILI ACCESSIBILI
DALL’ESTERNO per una facile e veloce sostituzione, uno da 15 A sul (+) Positivo a 24
V del Motore e l’altro da 20 A sul (+) Positivo delle Batterie poste in serie. Dotarsi di
fusibili di ricambio a bordo della bici !!!
IMPORTANTE !!!
E’ opportuno montare a bordo un AMPEROMETRO per il monitoraggio della corrente
richiesta in marcia, assicurandosi di dosare la potenza gradualmente e senza MAI
superare i 7-10 A continui, fino al raggiungimento delle varie situazioni di coppia
ottimale. Tale coppia la si otterrà giostrando fra Potenziometro acceleratore e sforzo
muscolare aiutandosi con i rapporti del cambio meccanico di cui la Bici dovrebbe
essere sempre dotata. Raggiunta la coppia massima ideale si può smettere di
pedalare assicurandosi però di sollecitare sistematicamente il Sensore di Pedalata
Assistita compiendo rotazioni dei pedali senza sforzo fisico.
IMPORTANTE !!!
La coppia ottimale e l’andatura senza minimo sforzo fisico dipende dalle condizioni
del tragitto ( salite, discese, vento a sfavore, attrito sull’asfalto ecc. ecc. ).
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circuito PWM
NB: cliccare qui per uno schema con maggior risoluzione
PWM Scheda
IL COMPARATORE LM 2903 – collegamenti e data sheet
LM2903 è un comparatore doppio e non un timer.
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Del LM2903 se ne usa solo "la metà".
I pin di alimentazione e massa vanno connessi rispettivamente a Vcc (5 V) e massa
appunto.
Il pin 4 è la Massa e il pin 8 è il Vcc a 5 V.
Poi si può scegliere se usare +, - e Out sui pin 3, 2, 1, oppure sui pin 5, 6, 7, è
indifferente.
Se si sceglie di usare i pin 1, 2, 3, fateli coincidere con +, - e Out dello schema,
collegando il pin 6 a massa (4) e gli altri inutilizzati.
Viceversa se si sceglie la tripletta 5, 6, e 7, collegare il pin 2 a massa (4) e gli altri
inutilizzati
Così fatto se i pedali non girano entro i (circa) dieci secondi il PWM si interrompe.
Allo stesso modo appena si frena si commuta lo switch d’inibizione sulla leva, si
interrompe il PWM, quando si mollano i freni il PWM si riabilita.
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data sheet
CIRCUITO E SENSORE DI PEDALATA ASSISTITA
La parte inferiore dello schema riguarda il comparatore LM 2903 il quale così
montato fungerà da timer della durata di circa 10 s, trascorsi i quali, in assenza
di rotazione dei pedali e quindi in assenza della sollecitazione del sensore, taglierà
alimentazione al PWM con conseguente arresto della forza motrice fino a nuova
sollecitazione.
Il sensore e di tipo REED sensibile ai campi magnetici, nel ns caso generati da un
piccolo magnete. Entrambi saranno appositamente fissati a piacimento su telaio e
pedale.
ATTENZIONE !!!
E’ possibile inibire il sensore di pedalata per ottenere forza motrice continua, ma ciò
renderebbe la bici FUORILEGGE !!!
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Sensore reed
Sensore Pedalata
Magnete Sensore Pedalata
CARICABATTERIA INTELLIGENTE
Ovviamente elemento essenziale per il corretto utilizzo della bicicletta elettrica è
l’indispensabile Caricabatteria, definito intelligente per la particolarità che deve
interrompere automaticamente la ricarica a batterie completamente ricaricate, al
fine di evitarne il possibile danneggiamento.
Questo è possibile tramite la taratura di una tensione FISSA a circa 14 V tramite
trimmer e la taratura di una CORRENTE MASSIMA, 700-800 mA, tramite calcolo
della resistenza sul transistor.
Tale corrente massima si ridurrà progressivamente man mano le batterie
raggiungeranno la loro tensione massima di immagazzinamento nelle celle al piombo.
IMPORTANTE !!!
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In genere le Batterie dovrebbero essere ricaricate ad una corrente max di circa 1/10
di quella nominale, quindi per Batt piombo gel da 7 A la taratura dovrà essere fatta a
circa 700 mA.
Spiegazioni Tecniche
Ricavate dal sito
caricabatteria.htm
Adrirobot
,
LINK:
http://www.adrirobot.it/caricabatteria/
Caratteristiche per la progettazione del caricabatteria:
La corrente di carica dovrebbe essere circa un decimo della capacità ella batteria.
Per cui per esempio una batteria da 10 Ah dovrebbe essere alimentata con una
corrente di 1 A (10 x 0.1 = 1). La batteria non deve essere forzata (carica veloce),
questa è la via per assicurarsi una lunga vita della batteria.
La tensione di carica deve essere 2.3-2.4 V per cella da 2 V. Così per una batteria da
12 V (6 celle da 2 V) è caricata a 6 x 2.3 = 13.8 V, mentre una da 6 V lo sarà a 3 x
2.3= 6.9 V.
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Il trasformatore usato per l'alimentazione del caricabatteria dovrebbe possedere
la tensione di carica della batteria più 3V per il regolatore più 1.4 per il diodo
rettificatori (due diodi) più 10% per sicurezza. Così per una batteria da 12 volt la
tensione AC sarà 12 V + 3 V +0,7 V +0,7 V= 16,4 V + 10% =18 V mentre per una
batteria da 6 V la tensione AC sarà 6 V + 3 V +0,7 V +0,7 V= 10,4 V + 10% =12 V
La corrente di carica è limitata dalla resistenza R4 di basso valore. Il valore della
resistenza può essere calcolato con la formula R = 0.6 V / massima corrente. Per cui
per un massimo di 0.5 A, sarà necessaria 0.6 V / 0.5 A = 1.2
Ω.
La tensione di 0.6 V è la tensione richiesta per la conduzione del transistor. A carica
completata la tensione di 0,6 V presente ai capi della resistenza R4 scende a 0 e
da questo istante la batteria non assorbe più nessuna corrente anche se sull'uscita
dell'alimentatore è ancora presente al tensione di carica.
La tensione di uscita può essere regolata tramite il trimmer R5 da 4,7
kΩ.
Il diodo D1 posto in serie sull'uscita serve come protezione per evitare, nel caso
venisse a mancare la tensione di rete, che la batteria si scarichi sull'integrato LM317.
Montaggio e taratura
Una volta realizzato il circuito stampato si può passare al montaggio dei componenti
iniziando dalle resistenze e diodi passando alle morsettiere, al ponte raddrizzatore e
al condensatore orizzontale.
Si passerà poi al transistor e l'integrato da montare sull'aletta di raffreddamento.
Si dovrà prestare attenzione all'esatto montaggio dei componenti polarizzati.
A montaggio ultimato si procederà alla taratura, collegato alla morsettiera J1 l'idoneo
trasformatore con l'aiuto di un tester si verificherà la tensione a vuoto presente sulla
morsettiera J2 modificando con l'aiuto di un cacciavite a punta piatta la posizione del
potenziometro R5 sino a leggere una tensione di 13.8 V per caricare una batteria da
12 V o 6.9 V per una batteria da 6 V.
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Schema
Realizzazione
IMPORTANTE !!!
Nel nostro caso ( Batt 12 V – 7A h ) il valore di R4 deve essere 0.6 / 0.75 A = 0.8
Ω, valore che si otterrà mettendo in parallelo 2 Resistenze da 1.6 Ω, in mancanza
andranno bene anche 2 da 1.5, più facili da trovare, avremo una corrente max di circa
800 mA. Ovviamente la scheda in foto comprende 2 Caricabatteria indipendenti per
ricaricare la Batt separatamente.
ATTENZIONE !!!
Come si nota in foto (SOPRA ) i 2 LM317 dovranno essere dissipati ( con piastrine di
alluminio ) ed eventualmente ventilati.
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E’ NECESSARIO SAPERE CHE LA PARTE METALLICA del LM317, CHE ANDRA’
A CONTATTO CON IL DISSIPATORE, CORRISPONDE ALL’USCITA ( OUT ) e PER
NESSUN MOTIVO LE DUE USCITE OUT DEVONO VENIRE A CONTATTO FRA
LORO, le conseguenze sarebbero disastrose !!!
Isolate gli LM 317 ( con apposito kit al costo di 50 cent. ) se li montate sullo stesso
dissipatore, oppure usate 2 dissipatori separati.
COMPONENTISTICA – Elenco
• Diodi Schottky, tipi utilizzabili:
◦ STPS40L45CT
◦ STPS40L45CW
◦ STTH1502
◦ STTH2002D
◦ STTH3002W
◦ STTH8003CY
◦ STTH6003CW
◦ MBR20200CT
◦ MBR2060CT
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◦ MBR2080CT
◦ MBR2090CT
◦ MBR20100CT
◦ MBRB30H60CT−1G
◦ MBR30H60CTG
◦ MBR60H100CT
◦ MBRP3010N
◦ FYP2010DN
• Diodi Ultrafast compatibili:
◦ FEP30DP
◦ D83-004
Andranno bene anche altri tipi di ULTRAFAST da 30-40 A
REGOLATORE con LM317 Tarato a + 5 V
• LM317T
• 1N4007 ( n. 3 )
μF > 60 V ( 100 V )
Condensatore Elettrolitico 10 μF > 50 V
Condensatore Elettrolitico 100 μF > 50 V
Condensatore Poliestere 0.1 μF ( 100 nF )
Resistenza 240 Ω
Trimmer 5 KΩ
• Condensatore Elettrolitico 470
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PWM
• R: 500
Ω ( n. 2 )
• Potenziometro lineare 100
kΩ
kΩ ( n. 5 )
R: 1 MΩ( 1.000.000 Ω )
R: 22 Ω ( n. 2 )
R: 1 kΩ ( n. 2 )
R: 220 Ω
• R: 10
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μF
• Condensatore elettrolitico 1 μF
• Condensatore elettrolitico 10
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Condensatore Poliestere 10 nF
Condensatore Poliestere 100 nF ( n. 2 )
Diodo 1N4148 ( N. 2 )
Diodo di Potenza Schottky o Ultrafast ( Vedi elenco sigle sopra )
Diodo Zener BZX84C12L ( oppure BZX84C15L )
Transistor 2N2222 ( n. 2 )
Transistor 2N2907
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• Sensore Magnetico REED ( come da foto sopra – NO sigle ma solo dimensioni
)
• Integrato Timer NE555N o NE555P ( consigliato zoccolo )
• Integrato Comparatore LM2903 ( consigliato zoccolo )
• Integrato di potenza MOSFET : IRFZ44N
• Interruttore : Normalmente Aperto
Motore
DC 24 V – 250 W - 14 A Rated Current
PROGETTO EBE 1 Evo realizzato by :
A.T. ( Anthony ) e-mail : [email protected]
CURATORI Esperti della parte Elettronica
Stefano79
Davidde
Tramite il forum di Electroportal. La completa storia in questo topic
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Foto e video
EBE 1
EBE 1: Front
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EBE 1: Comandi
KIT Aperto
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KITChiuso con Indicatore di Carica
Flash
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Appendice
TEST UFFICIALI N. 1 e N. 2
Ecco i DATI UFFICIALI, dopo i TEST UFFICIALI, percorrendo il tragitto per cui EBE
è stata progettata.
EBE Velocità max raggiungibile a vuoto 56 Km/h
TEST UFFICIALE N. 1
Tragitto (ANDATA): Corsivo
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Km 10, 3/4 lieve discesa
Temp. Esterna 20°
Temp. Asfalto 18-20°
Vento: Assente
Forza Muscolare: 10 %
Vel Max: 33 Km/h ( miglior condizione )
Tempo percorrenza 20 min
PWM al 50 %
Assorbimento medio 5-7 A continui ( 20 min )
Tragitto (RITORNO)Corsivo
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Km 10, oltre 3/4 lieve SALITA
Temp. Esterna 37°
Temp. Asfalto 60° - 70°
Vento: Abbastanza forte ( controvento )
Forza Muscolare: 40 %
Vel Max: 17 Km/h
Tempo percorrenza 31 min
PWM al 50 % ( causa 37° - forte surriscaldamento cavi )
Assorbimento medio 7-8 A continui ( 31 min )
Il giorno seguente Sostituzione cavi alimentazione Motore 2.5 mm sez interna,
avendo un NOTEVOLE INCREMENTO POTENZA A TUTTI I REGIMI.
Installato Switch ( indispensabile ) per il TAGLIO ALIMENTAZIONE in frenata fino a
rilascio leva freno.
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PROGETTO EBE RESISTENTE E FUNZIONALE !!!!
Prossimo TEST in settimana, temperature previste, estreme in rialzo, spingerò il
PWM in salita fino a 10 A e oltre. Vediamo se regge !!
Alla prossima by
Anthony ( A.T. )
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TEST UFFICIALE N. 2
Il test di ieri 26/5/2009 è stato eseguito in condizioni più estreme del primo, ovvero
ferme restando le condizioni precedenti ( stesso tragitto quasi tutta salita ), il PWM è
stato utilizzato con una temperatura ancora più elevata ( 35° aria e 70°-75° asfalto),
condizioni ventose considerevoli e soprattutto la CORRENTE ASSORBITA è stata
mantenuta PER l'80% del tragitto, su 11-12 A continui ( contro 7-8 A del Test n. 1 ). In
alcuni tratti particolarmente impegnativi nei quali a causa della maggiore pendenza
e delle turbolenze ventose, è stata richiesta potenza massima, OLTRE 20 A anche se
solo per una decina di secondi, ritornando poi ai 12 A del test.
EBE 1 Evo ....................... HA RETTO ANCORA BENE !!!!!
CONSTATAZIONI all'arrivo e durante il tragitto IN SALITA:Corsivo
- Cavi da 2.5 mm su Amperometro intiepiditi, stranamente solo intiepiditi anche quelli
da 1.5 mm su motore ( piattina a 220 V inguainata ). - Motore considerevolmente
caldo ( al tatto credo 50°-60° ). - Forza muscolare applicata 25-30 % continua,
corrente 12 A = percorrenza stabile e costante, affaticamento trascurabile. - Forza
muscolare applicata NULLA, corrente 12 A = progressiva perdita di velocità e coppia.
- Batterie N. 2 x 12 V - 7 A/h in serie CALDE, avendo richiesto in media correnti
doppie. - Indicatore di carica Batterie all'arrivo 23 V - +/- 5 % di perdita su tensione
nominale 24 V - +/- 10 % di perdita su tensione a piena ricarica 27 V - Scheda
regolatore LM317 abbastanza calda
CONSIDERAZIONI: Corsivo
- PWM molto resistente ma solo se ben dissipato. - Consumo elevato batterie su
potenze medie di 12 A, ma sufficiente per percorrenze di oltre 15 Km in piano. Velocità di punta elevata anche in condizioni sfavorevoli ( 27 Km/h tragitto di ritorno
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salita-controvento ). - Velocità media condizioni sfavorevoli accettabile ( 20 Km/h
tragitto di ritorno salita-controvento ).
Credo di confermare la CONCLUSIONE dei TEST UFFICIALI, tentare di farne un
altro su 20 A continui per 10 Km con le attuali condizioni atmosferiche estreme
del luogo ( 35° - 40 ° Aria e 70° - 80° Asfalto ), ritengo sia un "OMICIDIO
ELETTRONICO".
TEST SUPERATI A PIENI VOTI !! PROGETTO EBE 1 Evo QUALITATIVAMENTE
ELEVATO A COSTI BASSI !! Buona realizzazione a chi vorrà dedicarsi
by
Anthony ( A.T. ) -- [email protected]
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Estratto
da
"http://www.electroyou.it/mediawiki/
index.php?title=UsersPages:Admin:bicielettrica"
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