Электроника электромобиля

Мой хороший знакомый задумал сделать электромобиль. Что из этого получилось - можно ознакомиться хотя бы по ссылке Sreampunk Trike Игоря Яровенко. Так уж получилось, что ему попался электродвигатель последовательного возбуждения мощностью ориентировочно 5 кВатт при напряжении 80 Вольт. Откуда этот двигатель - история умалчивает.

Особо следует отметить, что электромобиль - это сильнотоковая электроника, которая не прощает ошибок в монтаже и расположении проводов. За кажущейся простотой принципиальной схемы скрывается важность соблюдения монтажа всех элементов схемы. И если при питании от 12-24 Вольт последствия неправильного монтажа и компоновки не столь значительны, то при использовании напряжения 70-80 Вольт результаты неправильной компоновки могут быть весьма плачевны. Собственно практически найденные косяки и недостатки послужили поводом для написания данной статьи.

Неправильно расположенные провода или элементы, как минимум, могут привести к сильному нагреванию, а чаще всего в проводах происходят паразитные наводки, способные вывести устройство из строя. Неоправданно длинные провода, собранные в один жгут сигнальные и силовые цепи, отсутствие развязок по питанию - это наиболее явные ошибки. Особенно этим грешат конструкции, выполненные навесным монтажом, который чаще всего используют неспециалисты в области силовой электроники. Именно по этой причине и сгорел (именно сгорел с дымом и пламенем) первый комплект электрооборудования (отмечу, что его изготавливал не я). Первый вывод - использовать навесной монтаж нежелательно. Второй (а может даже и первый) - всегда необходимо в силовой части использовать плавкий (именно плавкий, а не электронный) предохранитель. Третье - все коммутации по питанию должны производиться контактными группами.

Перейдем непосредственно к описанию схемы. Питание электромобиля осуществляется от 6 стартерных автомобильных аккумуляторов. Таким образом получаем напряжение питания порядка 80 Вольт. Для управления двигателем применен простейший ШИМ-регулятор на основе микроконтроллера PIC12F675. Почему именно микроконтроллер? Да просто планировалось дальнейшее расширение функционала (правда уже и не помню в какую сторону). Микроконтроллер управляет через драйвер IR4227 четырьмя мощными полевыми транзисторами IRFP260, в цепь стока которых подключен электродвигатель. Таким образом можно разделить управляющую часть схемы (микроконтроллер, драйвер) и силовую часть (транзисторы, электродвигатель). Питание управляющей части реализовано посредством блока питания на микросхеме KA3842, включенной по типовой схеме. Первоначально для этих целей использовался готовый блок питания на данной микросхеме с выходом на 15-18 Вольт. Было проверено штук 5 подобных блоков питания и все они отлично запускались при напряжении вплоть до 60 Вольт. Правда при этом не проверялся максимально выдаваемый ток. Далее через стабилизатор 7805 питается микроконтроллер.

Рассмотрим работу блока электроники.

При замыкании кнопки BUT1 (в электромобиле она соответствует как-бы ключу зажигания) подается питание на реле RL1. В целях снижения нагрева обмотки реле и для защиты от срабатывания реле при разряде аккумуляторов применена схема из конденсатора и резистора C1-R1. Разберем работу этой схемы. При замыкании кнопки BUT1 (поворота ключа зажигания) обмотка реле RL1 подключается к аккумуляторам через конденсатор C1 и резистор R1, соединенные параллельно. В первые моменты ток протекает через конденсатор C1, обеспечивая его заряд. Емкость конденсатора C1 подобрана таким образом, чтобы реле RL1 надежно срабатывало от протекающего зарядного тока. Поскольку первоначально конденсатор C1 разряжен, то протекающий ток имеет достаточную величину для надежного срабатывания реле RL1. По мере заряда конденсатора C1 ток через обмотку реле RL1 уменьшается и при полностью заряженном конденсаторе C1 через обмотку реле протекает только ток, величина которого задается резистором R1. Резистор R1 подбирается таким образом, чтобы обеспечить ток удержания реле RL1, который, как правило, меньше тока срабатывания в 3-5 раз.Через замкнутые контакты реле RL1 питание от аккумуляторов подается на блок питания, питающий управляющую часть, и на схему подключения силовой части. Если по каким-либо причинам аккумуляторы будут разряжены, то и ток через обмотку реле RL1, определяемый резистором R1, будет меньше тока удержания, что приведет к отпусканию контактов реле RL1 и отключению управляющей и силовой частей. В практическом исполнении применялись реле на 24 Вольта. Подбором элементов добивался стабильного срабатывания реле при напряжении порядка 72 Вольта и размыкания контактов реле при напряжении 65 Вольт. Схема подключения силовой части выполнена по аналогичной схеме на элементах, только здесь роль реле играет пускатель с обмоткой на 110 Вольт переменного тока. Кнопка механически через тросик связана с ручкой сцепления.

При подаче питания на управляющую часть начинает работать ШИМ-генератор на базе микроконтроллера PIC12F675 (U1) и драйвера TC4427 (U2). Отношение импульс/пауза задается напряжением на входе АЦП микроконтроллера, которое в свою очередь определяется положением ползунка резистора RV2 механически связанного тросиком с ручкой скорости. Всего реализовано как-бы 8 ступеней скорости, но это легко меняется в программе для микроконтроллера. Желательно использование именно специализированного драйвера для управления полевыми транзисторами, поскольку любой завал фронтов импульсов при переключении может привести к перегреву и выходу силовых транзисторов из строя. Осциллограммы импульсов, вырабатываемых генератором, показаны ниже:

Импульсы на выходе драйвера TC4427 когда электромобиль стоит.	Импульсы на выходе драйвера TC4427 3-я скорость

В процессе наладки выяснилось, что даже когда электромобиль стоит, то на двигатель желательно подавать небольшое напряжение (левая осциллограмма). Тогда электромобиль трогается с места плавно, без рывков. В электромобиле силовая часть подключается отдельным пускателем, связанным с ручкой "сцепление". Как правило в режиме остановки электромобиля ручка "сцепление" отпущена и силовая часть не подключена к аккумуляторам, соответственно и потребление энергии не происходит. Переключение скоростей в дальнейшем диапазоне происходит довольно плавно. Между микроконтроллером U1 и резистором RV2 включен эммитерный повторитель на базе транзистора Q2. Он предназначен для согласования достаточно высокого сопротивления резистора RV2 с аналоговым входом микроконтроллера U1, для которого требуется источник аналогового сигнала с внутренним сопротивлением не более 2,5 кОм. В процессе отладки выяснилось, что в случае если электромобиль стоит и в это время выкрутить ручку скорости почти на максимум, а потом уже выжать сцепление, тем самым подав питание на силовую часть, через силовые транзисторы Q1 происходит большой скачок тока, приводящий к их пробою. Чтобы этого избежать резистор задания скорости RV2 запитан от силовой части, что гарантирует подачу напряжения на регулятор скорости только при выжатом сцеплении. Конденсатор C3 обеспечивает плавное изменение напряжения на резисторе, что исключает броски тока через транзисторы силовой части.

Силовая часть - это мощные IGBT транзисторы (на схеме показан только один Q1), дроссель DR1, защитный диод D3, RC-цепочка C4-R8 и электродвигатель. Теоретически для управления электродвигателем достаточно установить только транзистор Q1. Но теория и практика - разные вещи. Для примера приведу некоторые осциллограммы.

Э/мобиль стоит без диода	3-я скорость без диода	Э/мобиль стоит с диодом

Осциллограммы сняты "сток-питание", т.е. на нагрузке "дроссель+мотор". Дроссель - 9 витков шины 4*1 мм на сердечнике ТВК-90, т.е. фактически дроссель влияния не оказывает, хотя греется прилично. С 22 витками сложенными 2-мя медными проводами диам. примерно 1 мм каждый, дроссель буквально сгорел. Сразу отмечу, что дроссель для эффективной работы должен быть раз в пять больше, но, тем не менее, даже в таком исполнении дроссель не дает возникнуть паразитным колебаниям в момент переключения. Диод D3 также препятствует возникновению паразитных колебаний. При включении без диода D3 в цепи стока двигатель не вращается на малых оборотах. По-моему это связано с импульсами обратного хода (синусоида), которые сопоставимы по величине с прямым ходом (ступенька). Это хорошо видно на 2-х левых осциллограмах. Двигатель начинает вращаться только на 6-8 скоростях, причем 8-я скорость - это постоянно открытые транзисторы. Без защитного диода очень сильно (1-3 секунды) греются резисторы в RC-цепочках параллельно обмоткам двигателя (одна цепочка включена параллельно обмотке возбуждения, вторая - ротора. Обмотки разделены, поскольку реверс двигателя происходит именно переключением обмоток. Но это особенность данного двигателя, поэтому в статье я об этом больше нигде не упоминаю и на схеме показана одна цепочка R8-C4). При установке диода КД213А в цепь "сток-питание" синусоида обратного хода срезается. Двигатель управляется как и положено от 1 до 8 скорости. Т.е. в режиме "стоим" есть небольшое усилие двигателя. Резисторы в RC-цепочках на двигателе чуть теплые. Но диод даже на радиаторе примерно 25 кв.см. разогревается свыше 100 град. Цельсия. Параллельно диоду КД213 включен конденсатор 0,1 мкФ * 100 Вольт. Диод стал греться меньше. Импортные диоды установки конденсатора не требуют, но все-же их необходимо также устанавливать на радиатор.

И дополнительная информация по компоновке деталей. Рассмотрим фото собранного и установленного блока.

Отмечу, что было собрано два таких блока, один из них установлен в электромобиль, второй находится в резерве. Фотографию резервного блока также привожу, поскольку на ней лучше видна компоновка элементов.

Думаю, что комментарии излишни, тем более, что файл печатной платы прилагается. Особо хочется отметить, что дополнительно к конденсатором, установленным на плате, емкостью по 3300мкФ*100 Вольт непосредственно возле аккумуляторов было установлено два конденсатора по 10000 мкФ*100 Вольт (на фото их нет). Все печатные проводники, относящиеся к силовой части, дополнительно усилены медными проводами.

Дополнительно, по результатам 2-х сезонов эксплуатации первого варианта блока выявились следующее. Максимальные токи потребления, естественно, при старте электромобиля. Средний ток потребления составляет не более 20 Ампер. Это проверялось установкой предохранителя. Предохранитель на 15 Ампер периодически сгорал, 20-ти Амперный предохранитель выдерживает даже старт электромобиля. Электролитические конденсаторы по силовой цепи все-таки вздулись. Причем сильнее всего вздулись конденсаторы, установленные непосредственно возле аккумуляторных батарей. Исследований, с чем это связано, не проводилось. Просто вместо конденсаторов на плате были установлены новые, а возле аккумуляторов установлен один конденсатор 68000 мкФ*100 Вольт. По возможности также добавлены пленочные конденсаторы 0,1 мкФ*100 Вольт в параллель электролитам. Аккумуляторы использовались автомобильные фирмы VARTA на 45 Ампер*часов и пока они еще живые, хотя емкость уже не та. Зарядное устройство для аккумуляторов построено по стандартной схеме: трансформатор - диодный мост - ограничительный резистор - контроль напряжения. Схема рекуперации (возврат электроэнергии при торможении) не использовалась.

Программа для микроконтроллера написана в среде Oshon Pic Simulator IDE на диалекте BASIC. Программа содержит комментарии и ее рассматривать не будем. Тем более, что основная цель статьи - описание силовой части. А управляющая часть легко реализуема и без микроконтроллера.

Список используемых элементов не привожу, поскольку целью статьи является практическая реализация правильной компоновки силовой и управляющих частей, порядок подключения управляющей и силовой части, развязки по питанию, гашения паразитных колебаний в силовой части. Двухлетняя эксплуатация в реальных условиях показала, насколько правильно это все удалось реализовать. А насколько это удалось раскрыть в статье - судить читателям.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• Proteus