Tee-se-itse-sähköpyörä

Tein sitten omasta pyörästäni sähköpyörän. Oli taas pitkästä aikaa suurin projektini, joka vaati kaksi muuta asiaa, pistehitsikoneen tekemisen, sekä akkupakettien tekemisen, mutta lopulta sain (melkein) päätökseen. Onhan siinä vielä kaikkea pikkuista näpertämistä…

Ensin ostin 24V DC-moottorin jonka saa ketjuihin kiinni, sekä kontrollerin sitä varten. Moottori osoittautuikin liian hankalaksi kiinnittää pyörään, joten ostin 36V AC-keskiömoottorin sekä ohjaimen sille. Kuvaa pelkästä moottorista tai kontrollerista ei ole, joten näytän tämän kuvan. Eli 36V 350W kolmivaihemoottori.

13882345_10209911011721450_4618382256995206553_n

Liitin joka siinä tuli mukana, oli sen verran outo että vaihdoin sen omaan.
Seuraavaksi piti opetella pinnoitus, eli rihtaus, eli pinnojen asentaminen ja säätäminen. Se oli lopulta aika suoraviivainen homma.
Käytin online-laskuria pinnojen pituuden määritykseen, kävin ostamassa pinnat ja nippelit(päätytapit) paikallisesta pyöräliikkeestä, ja aloin kiinnittämään pinnoja.

13631573_10209902038497125_363091016227672353_n

Rakensin ylläolevan kuvan kehikon, jolla sain säädettyä vanteen suoraan. Puuhun vaan tarkat merkit mikä on keskikohta ja niin edelleen.

13681083_10209910831236938_8882506207875220645_n

Pyöreyden säätäminen oli helpompaa kun tuo oli ylläolevan kuvan mukaisessa asennossa.

13895182_10209910855117535_9096763260316157906_n

Jostain luin että C# olisi aika optimaalinen sävel jossa vanteen pitää resonoida, niin silloin pinnat olisi tarpeeksi kireällä. Todellisuudessa näin ei käynyt. KUn aloin kulkemaan ekoja kertoja tuolla vanteella, kuului välillä pientä kilkutusta ja sain olla koko ajan säätämässä pinnoja. Lopulta kiristin kokonaisen kierroksen jokaista pinnaa tiukemmalle, eikä ole sen jälkeen enää oireillut.

img_20160905_131841_28846505154_o

Siinä eturengas johtoineen asennettuna.

img_20160905_131829_28846503984_o

Ja tässä kuvassa on kontrolleri piilotettuna putkiteipin alle, sekä jatkona 1Ah harjoitusakku. Akuista löydät lisää toisesta artikkelistani.

img_20160905_131835_28846504414_o

Kilikellon vieressä kaasunsäädin. Kaasupoljin, kaasukahva, virransuuruus-säätö-hall-anturi, throttle-in-english. Siihen olisi tarkoitus tehdä jonkinmoinen muokkaus ettei tarvitsisi koko matkaa pitää sormea kaasulla. Todennäköisesti poistan sisäisen jousen tai lisään vastuksen ja kytkimen jolla pyörä liikkuu taloudellisinta nopeutta.

img_20160918_133732_29468602600_o

Ja siinä kokonaisuus. Turhat asiat poistettu kuten 3-nopeus-kytkin josta ei tapahdu mitään merkittävää. Akun voi heittää(laskea varovasti) nyt takakoriin.

Itse kontrolleri on halvin kiinalainen mitä löytyy. Siinä tuli nippu johtoja alunperin. Jarrusignaali jota en saanut toimimaan. Itseoppimismode joka järjestää hall-anturien johdot automaattisesti joka on oikeastaan turha. Jopa peruustussignaali löytyi, mutta sekään ei toiminut. Lopulta ei jäänyt montaa johtoa, kolmivaihe, hall-antureille, kaasu(toimii jännitejaolla), sekä virransyöttö.

1Ah harjoitusakulla pääsi noin 18km polkimilla avustaen. Uudempi akku on 7,6Ah, joten sillä pitäisi päästä ainakin 136km polkimilla avustaen. On vielä mysteeri kuinka pitkälle käytännössä pääsee ilman polkemista. Maksiminopeus kuitenkin on 35km/h polkematta.

Moottori on mainosten mukaan 36V 350W joten sen pitäisi ottaa enintään 10A. Silloin 7,6Ah akulla pitäisi päästä 45min täydellä vauhdilla, joka tarkoittaa 26km polkematta.

Akkupaketti sähköpyörään (18650-kennoista)

Maailmalla ollaan innostuttu rakentelemaan Li-Ion-akuista akkupaketteja, tarkemmin sanottuna 18650-Li-Ion-kennoista. Se tuntuu olevan kaikkein paras hinta/laatusuhteeltaan oleva litiumkennotyyppi. Voin olla väärässäkin, mutta kuitenkin se on todella yleinen.

Tässä artikkelissa keskitytään käytettyihin kennoihin, puoli-ilmaisiin, eli hinta-laatusuhteeltaan halvimpaan. Halvin keino olisi hankkia vaikka muutama lyijyakku romuttamolta, jolla saisi ihan kohtuullisen matkan ajettua. Meinaan kyllä testata senkin vaihtoehdon, sitten kun tulee sellaisia vastaan.

Mutta selvennetäänpä nyt muutamat perusasiat;

  • Kenno on yksittäinen akku jossa ei ole mitään suojausta. Akku koostuu useasta kennosta(voi olla yksikin) jossa on lataus/purkusuojaus. Akusto koostuu vähintään kahdesta akusta.
  • Ampeeritunnit (Ah) koostuvat ampeereista sekä tunneista. Esimerkiksi 1Ah akkua voi ihanneoloissa purkaa täydellä 1 ampeerilla tunnin ajan, 2 ampeerilla puoli tuntia, 0,5 ampeerilla 2 tuntia jne. Milliampeeritunti (mAh) on ampeeritunnin (Ah) tuhannesosa, eli 1000mAh = 1Ah.
  • Teho(Watti, W) lasketaan kaavalla P=U*I, eli teho=jännite*virta, eli watit=voltit*ampeerit. Wattitunti saadaan ampeeritunnista kyseisellä kaavalla. teho=jännite*ampeeritunti. Eli 1Ah * 3,6V = 3,6Wh
  • Ainakin litium-akkujen kokoamisessa käytetään merkitsemistapaa montako kennoa on sarjassa ja montako on rinnan. Jos esimerkiksi näet merkinnän 5S10P, niin 5 on sarjassa (Series, S) ja 10 rinnan (Parallel, P). Harjoitusakkuni on 5S10P ja lopullinen 10S10P.
  • Akun heikoin kenno määrää koko akun kunnon. Tähän poikkeuksena on älykäs balansointi.
  • Akut vaativat aina joko balansointimoduulin(BCM, PCB) tai ulkoisen balansoivan laturin, joista ensinnä mainittu on halvempi.

Tavoitteenani oli tehdä Li-Ion-akku sähköpyörään jolla pääsee töihin ja takaisin(18km). Onnistuin siinä tekemällä 36V 7,6Ah, 273Wh akun joka painaa 4,6kg.

img_20160918_134418_29648602132_oimg_20160918_184028_29654057882_o

Kennojen hankkiminen ja testaaminen

Keräsin noin 400kpl kennoja käytetyistä läppärin akuista. Jokaisessa akussa on noin 4-8 kennoa, joten akkuja oli purettavana noin 60kpl. Läppärin akut ovat todella hyvin suljettuja, joten paras keinon niiden purkamiseen tuntuu olevan taltta ja vasara. Myös pakastimessa käyttöä on ehdotettu, mutta kuulin vasta jälkeenpäin.

Läppäriakuista ei kannata ottaa mitään muuta talteen kuin itse kennot. Mukana tulevat latauspiirit ovat turhia lähes mihin tahansa paitsi alkuperäiseen tarkoitukseen.

Sain testattua kaikki kennot yksitellen 3A kuormalla ja 3V alarajalla, ja tällainen oli jakauma:

  • 5% – 20kpl – 1000-1200mAh
  • 5% – 20kpl – 600-700mAh
  • 7,5% – 30kpl – 800-900mAh
  • 10% – 40kpl – 900-1000mAh
  • 10% – 40kpl – 700-800mAh
  • 12,5% – 50kpl – 100-600mAh
  • 25% – 100kpl – 5-100mAh
  • 25% – 100kpl – alle 5mAh

Ei kovin häävi. Tästä näkee että jos haluaa 10S10P akun(100 kennoa), niin heikoin tulee olemaan noin 700-800mAh. Tein kyseisen 10S10P akun(7,6Ah), mutta jälkeenpäin ajateltuna 2kpl 10S5P olisi ollut parempi(4,6Ah ja 3,8Ah), sillä tuota kaikkea kapasiteettia ei kovinkaan usein tarvitse kerralla ja sitä paitsi kapasiteetit tulisi tehokkaammin käytettyä.

Käytin kolmea Li-Ion-laturia joihin sai yhteensä 12 kennoa kerrallaan. Sen jälkeen purin ne 3A kuormalla käyttäen elektronista keinokuormaa ZPB30A1, jonka jälkeen merkkasin kapasiteetin joka kennoon.

Käytin 3A kuormaa sen takia että saisin karsittua huonomman sisäisen resistanssin omaavat kennot pois. Ylläoleva lista näyttäisi noin 500-1000mAh/kenno hienommalta jos olisin käyttänyt 2A kuormaa, ja vielä hienommalta 1A kuormalla.

Akkujen rakentaminen

Akkujen yhteenliittämiseen käytin tekemääni pistehitsauskonetta(katso artikkeleitani). Pistehitsaus on parhaimpia tapoja tehdä akkupaketti, sillä se ei kuumenna kennoja liikaa, ja työkin käy nopeasti.

Kennot kannattaa liittää yhteen nikkeliliuskoilla. Mitä tehokkaamman akun rakentaa, sitä tärkeämpää on että nikkeliliuskat ovat täyttä nikkeliä, eikä nikkelipäällystettyä terästä, sillä nikkeli johtaa paremmin kuin teräs. Useilta foorumeilta löytyy tästä tietoa.

Sillä aikaa kun kaikki kennot olivat testauksessa, tein huonoimmista kennoista 10S4P-paketin, josta tuli 36V/1Ah. Sillä pääsi 18km matkan juuri ja juuri polkimilla avustaen. Tästä päätellen jopa 2Ah akku olisi moiseen matkaan vallan sopiva.

img_20160902_131231_29293507432_o

Alla näet ensimmäisen kunnon 1S10P (1,1Ah) paketin. Jos nuo olisivat sarjassa, niin niissä olisi yhtä paljon kapasiteettia kuin ylläolevassa.

img_20160831_224352_29259770642_o

Käytetyistä kennoista kun on kyse, niin sarjaankytkettyjen välissä kannattaa käyttää esimerkiksi Kapton-teippiä tai edes jotain eristettä oikosulkujen varalta. Allaolevassa kuvassa näet oikein tehtyjä paketteja.

img_20160917_213840_29760342735_o

Allaolevassa kuvassa olen jo kytkenyt kaikki paketit sarjaan.

img_20160917_222756_29724664146_o

Seuraavassa kuvassa olen asentanut balansointimoduulin akkuun. Tämä ei tee muuta kuin perusjutut, eli pitää kaikki sarjaankytketyt akkupaketit samassa jännitteessä sekä valvoo ylilatausta(>4,2V) ja ylipurkausta(<2,7V).

img_20160918_001103_29678272641_obrand-new-battery-protection-bms-pcb-board-for-10-packs-36v-li-ion-cell-max-40a-w-balance

Sitten vaan suojausta. Kapton-teippiä ja vähän lasikuituteippiä.

img_20160918_003604_29468601920_o

Kokeilin ylläolevaa suojausta käytännössä, pyörän takakorissa, mutta se pääsi liikkumaan, naarmuuntui liikaa ja toi esiin oikosulkuvaaran. Seuraavassa kuvassa olen vuorannut paketin vielä pahvilla ja lasikuituteipillä. Lisäsin siihen vielä kantokahvan.

img_20160918_134418_29648602132_o

Akku on 36V nimellisjännitteeltään, ja sitä saa ladata 42V jännitteeseen asti, joten sopiva virtalähde siihen on 42V. Valitsin siihen 42V/2A virtalähteen, jonka pitäisi pystyä ladata kyseinen akku täyteen 3-4 tunnissa.

Latausliittiminä käytän yleistä 2,5mm DC-plugia/jakkia, ja virtaliittiminä 25A virran kestäviä liittimiä. Aion vaihtaa liittimet johonkin toiseen 3 pinniseen(yhteinen positiivinen napa, lataus sekä purku). Audioliittimet ovat yleensä hyviä.

Aion vielä testata akun 2A purkuvirralla. Näkee millainen kyseinen akku on löysemmillä arvoilla.

Pistehitsikone

Miksi?

Kaikki alkoi siitä kun halusin tehdä sähköpyörän. Valitsin moottoriksi 350W 36V keskiömoottorin. 10Ah akkupaketin luulisi riittävän näin alkuun. Eli 3,6V kennoja 10 sarjassa ja 10 rinnan. Kennot ovat alakanttiin laskettuna ainakin 1Ah arvoisia. Se jääköön toiseen artikkeliin.

Mikä on pistehitsikone, mitä se tekee?

Pistehitsillä tarkoitetaan pienen pisteen äkkinäistä kuumentamista, joka sulattaa kappaleet toisiinsa kiinni. Pistehitsaaminen ei vaadi väliaineita kuten perinteinen hitsaaminen. Tämä kuumentaminen tapahtuu useiden satojen ampeerien ja muutaman voltin jännitteellä. Virta on se joka kuumentaa. Jos jännitettä on liikaa, niin se vain aiheuttaa kipinöintiä.
Oma pistehitsikoneeni antaa enintään noin 2kA ja 1,7V, eli 3,6kW mitä verkosta saa. En ole mitannut virtaa koska en ole nähnyt sitä tarpeelliseksi. Joku päivä saatan ehkä mitata sen.

Pistehitsikoneen voi tehdä verkkosähkömuuntajalla, kondensaattoripaketilla tai suoraan riittävästä akustosta. Tässä artikkelissa puhutaan verkkosähkömuuntajalla toteutetusta laitteesta.

Muuntaja

Yleisin tapa tehdä pistehitsauskone tee-se-itse -hengessä, on rakentaa se mikroaaltouunin muuntajasta ja hitsauskaapeleista. Näin tein kutakuinkin minäkin.

Toisiokäämi poistettu.
Toisiokäämi poistettu.

Mikroaaltouunin muuntaja sopii asiaan hyvin koska ensiö- ja toisiokäämit ovat toisistaan erillään. Tähä voi käyttää siis mitä vaan muuntajaa, mutta mikroaaltouunin muuntaja on helpoin.

Mikroaaltouunin muuntajassa on verkkosähköinen ensiökäämi ja korkeajännitteinen toisiokäämi. Toisiokäämi pitää poistaa jotta sen tilalle saa laitettua paksua johtoa joka kestää virtaakin.

Paras tapa poistaa toisiokäämi on sahata se pois ja naputella puupalalla loput irti. Myös ”magneettishuntit” kannattaa ottaa pois, sillä ne rajoittavat virtaa.

Magneettishuntti.
”Magneettishuntti”

Ensin tein koneen yhden mikroaaltouunin muuntajasta, teholtaan noin 1150W, joka tuottaisi noin 670A 1,7V. Olin lukenut ”netistä” että tämä pitäisi riittää. No kyllä se riittääkin jos nappiparistoja tai muuta pientä hitsailee.

13612274_10209744660402771_1384557956601109501_n
Ensimmäinen versio laitteesta. Yhdellä muuntajalla.
13731690_10209806683433308_4150710485570623579_n
Näyttää hitsaavan hyvin, mutta ei pidä.

Ensimmäisessä versiossa oli tosiaan vain yksi muuntaja, joka oli liian tehoton. En siinä vaiheessa tiennyt että se oli liian tehoton, vaan syytin huonoja liitoksia ja putkestä leikattuja elektrodeja.

Joten yritin etsiä tehokkaampaa mikroaaltouunia, tuloksetta, joten yhdistin kolme muuntajaa rinnan. Kytkin muuntajat niin että voi valita onko kaksi vai kolme käytössä. Myöhemmin haen on-off-on-kytkimen jolla saa valittua onko 1, 2 vai 3 muuntajaa käytössä. Akkukennojen hitsaamiseen 0,2mm nikkelinauhalla riittää kaksi muuntajaa.

Elektrodit

Elektrodit – eli johtavat kappaleet jotka eivät hitsaannu kiinni kappaleeseen, ovat tärkeä osa. Kokeilin ensin kupariputkesta leikattuja suiroja, jotka toimivat yllättävän hyvin, mutta eivät kestä paljoa mekaanista rasitusta.

Kokeilin fosforikuparitankoja jota käytetään jossain hitsauksessa väliaineena. Johtavuus oli huono. Kokeilin myös kaarihitsaustankoja, tehty hiilestä, mutta niiden johtavuus oli tässä käytössä käytännössä nolla.

Monestakaan paikasta ei oikestaan löydy pelkkää kuparitankoa, joten tilasin yllättäen eBayn kautta, ja halvalla. Romuttamolta olisi varmaan löytynyt, mutta en ole ehtinyt käymään. Käytän nyt 8mm kuparitankoa.

Hitsausaika ja kontrolleri

Pistehitsauksessa tärkeää on myös hitsausaika. Toki sitä voi myös käsivaralta tehdä, mutta haluan tasaisempaa jälkeä.

Tein tämän nettisivun ohjeiden pohjalta osan laitteestani. http://www.avdweb.nl/tech-tips/spot-welder.html

Kyseiseltä sivulta löytyy myös ohjeet kontrollerin tekemiseen: http://www.avdweb.nl/arduino/hardware-interfacing/spot-welder-controller.html

Sivulla kerrotaan että paras tapa tehdä pistehitsaus on pehmentää metalli noin 50ms pulssilla jonka jälkeen itse hitsaus tapahtuu.
Tein sivuilla näkyvästä piirikaaviosta oman levyni. Piirilevyn suunnittelin EAGLE-suunnitteluohjelmalla ja teetätin levyt http://dirtypcbs.com/ avulla.

Johdotus

Liitokset on jämeriä!
Liitokset pitää olla jämeriä!

Ensin tein liitokset erilaisilla viritelmillä, ja totesin että menee liikaa virtaa hukkaan. Viimeisessä versiossa kaikki liitokset on paukutettu kupariputkesta.

Kaapelit löysin romuttamolta vitosella. Noin 30mm2 paksuista joka riittää hyvin yhteen muuntajaan ja noin 50mm jolla jatketaan elektrodeille.

Jokaiseen muuntajaan kieputin 1,5 kierrosta johtoa. Yksi kierros on aina noin yhden voltin verran.

Valmis!

Viimeistelty versio laitteesta. Ei johtosotkuja eikä tule tällejä.
Viimeistelty versio laitteesta. Ei johtosotkuja eikä tule tällejä.

Pikkunen AVR-piirien fuse-resetointilaite

Aina sama juttu!

Meinaan tehdä laitteen pitkästä aikaa läpijuotoskomponenteilla. Jaa eipä löydy sitä eikä tätä, mut pintaliitoksena on…
Ja tulee korvattua lopulta kaikki osat pintaliitoksilla. Eikä sitä protolevyäkään viittisi paljoa tuhlata…
Lopputulos; pieni kuin mikä. Ja jos tulee vikaa, niin voivoi. Mutta tällä kertaa sentään onnistui!

Eli kyseinen laite nollaa AVR-piirien fuset, jos on vaikka vahingossa säätänyt ulkoiseen kelloon(jota ei löydy laatikosta).

http://homepage.hispeed.ch/peterfleury/avr-hvsp-fuse-restore.html

Itse tarvitsin sitä kun tein 8-bittisen Nintendon pelikasetteihin Attiny13-pohjautuvaa ”AVRCIC”-piiriä isompia määriä, ja väkisin jotkut niistä vaan ei toiminut millään.

12620943_10208348582581698_1715585093_o