BLDC Regenerativ bromsning hålla koll på laddning

[Elst]

Jag har växande ambitioner med mitt BLDC-kort men det får inte kosta vare sig pengar eller pinnar på atmega328. Jag vill ladda batteriet när jag bromsar med motorn. Men det är ett lithiumbatteri som garanterat flyger i luften om jag gör fel.

Jag har bara en ledig AD-ingång på atmegan och den ska fixa att mäta strömmen vid drift av motorn för att hålla koll på vridmoment och stänga ner kretsen vid fel eller kortslutning. Dessutom ska den mäta laddström vid inbromsning och dessutom måste den hålla ett öga på att spänningen inte överstiger max (så att CC/CV kan uppnås).

Funktion:

Vout läses alltså av mjukvaran.

Om Vout < 2.4 volt så är V1 > V2 dvs batteriet driver motorn
Drivströmmen (vridmoment) fås då enligt I = (2.4-Vout)*k
Om I > FörHögStröm frikoppla motorn = "stäng ner kretsen" (varpå ingen ström dras alls)

Om Vout > 2.4 volt så är V2 > V1 dvs motorn laddar batteriet
Kan mäta laddströmmen enligt I = (Vout-2.4v)*k

Beroende på laddström så gör man sedan allt mellan ingenting (ser glad ut medans elektroner flödar in) till att pulsa laddningar (för att begränsa strömmen) ömsom frikoppla/kortsluta motorn lite beroende på hur hårt man bromsar. Jag har inte forskat jättedjupt i detaljer ännu.

Om laddströmmen är över ett visst maxvärde så är det samma sak som att för-hög-spänning uppnåtts och då stängs laddning ner helt. Nu när jag tänker efter så är det samma sak som att jag antar att strömmen ökar först och sist kommer hög spänning. Så behöver det kanske inte vara. Nu har jag glömt bort varför jag antog det. Det finns alltså ingen CV -fas i denna laddning.

Vad tror expertpanelen? Kommer det funka?

[bearing]

Du kan ju simulera i LTSPICE för att se om det funkar. Ser onödigt komplicerat ut.

Om du sätter shunten på negativa sidan av batteriet, kommer det bli en positiv spänning vid regen. Om det duger med en grov mätning av strömmen kan du nog bara koppla direkt från shunten till en analog ingång.

Har du endast 1 pinne över?
Du kanske kan använda en switch styrd av processorn för att välja mellan spänning och ström-mätning, annars, om det finns fn pinne till.

Vad är det för fordon, och har den så kraftig regen att det finns risk att skada batteriet?

[Elst]

Kretsen funkar i simulator men har inte testat den i verkligheten. Om den är "optimal" eller om det finns enklare lösningar är jag osäker på.

Fördelen med att mäta på high-side som i exemplet är ju att jag med några få komponenter extra får ett spänningsmätare också (eller åtminstone en flagga när laddspänningen är över önskad nivå, vilket räcker) och att man kan köra in det på samma ingång. Så tänkte jag.

Det mitt labbande tagit sikte på är sådana här hoverboard -hjul (se bild) och eventuella fordon man kan bygga av det.

Jag har ingen aning vilka strömmar de kan skapa, om man bromsar i en nerförsbacke... Eventuellt är det inget problem. Eventuellt är det. Någon som vet? Jag måste nog snickra ihop någon slags rigg och testa... Jag är absolut ingen expert på motorer. Jag fick mig ett ryck och började undersöka vad man kunde använda en gammal skrotad hoverboard till. Jag har nu kommit till själva regenereringen av energi vid broms

Men oavsett om laddströmmen måste regleras eller inte är det intressant se hur mycket motorerna konsumerat och hur mycket som återvunnits vid bromsande.

[bearing]

Om du har ett litet batteri och lång nedförsbacke finns det nog risk med för hög spänning.

Jag tänkte mig två resistorer och en småsignal mosfet, samt 1 digital utgång och 1 analog, samt lite mjukvara. Så kan du mäta både sträm och spänning.

Har du gjort motorstyrningen med din AVR?

[Elst]

Har du någon skiss hur du tänker dig? Låter väldigt minimalistiskt och bra.

All styrning ligger i MCUn. 2 latchar trollar fram lite extra utportar och agerar samtidigt stroboskop för PWM. Man är inte tvungen använda latcharna för PWM, men kommer runt lite begränsningar vad gäller frekvenser på PWM.

[danei]

Så länge du inte börja med att köra nerför set kag inte att det kan bli ett problem. Varken ström eller spänning.

[bearing]

Jo. (pga batteriets impedans)

[Elst]

Man vill väl inte chansa?

Laddning av ett lithiumbatteri är en CC/CV -process. Inledningsvis begränsar man strömmen och gör man det så behöver man inte snegla på spänningen. Allt eftersom man laddar stiger spänningen och vid någon magisk tidpunkt når vi cellspänningen. Därifrån håller man istället spänningen konstant, dvs först där framme är det intressant mäta spänning.

Om man tänker sig ett fordon som är ute och bränner, så kommer det vid laddning alltid handla om CC -fasen som jag förstår det. Det är först om man bromsar/laddar väldigt länge som man kommer ta sig förbi CC -fasen och tvingas reglera spänningen.

Det primära är alltså att mäta strömmen. När man kommer in i CV -fasen kan man i praktiken betrakta detta som "max ström", dvs stänga ner laddningen. Det är inte så mycket man förlorar, det mesta är redan laddat och det är ytterst sällan detta bör hända.

Men att ladda i CC -fasen bör väl hända rätt ofta. Frågan är bara om det är 0.1C eller 2C eller hur laddningen blir. Har ingen aning. Någon som vet? Är laddströmmen typiskt pytteliten, så skulle man kanske kunnat skippa mäta strömmen, fast jag tror inte riktigt på detta.

[bearing]

Här är min lösning, simulerad och klar! =)

Komponenterna som behövs är R1, R2 och M1, samt shunten då, förstås. Och förutsätter att din AVR ansluts till jorden på shunten...
Jag älskar minimalism... =)

2018-06-04 10_35_11-LTspice XVII - Draft2.asc.png

Strömmen rampar till 40A urladdning, och sedan 20A laddning på slutet. AVR-en räknar ut ett rätt bra värde på spänning och ström, om jag får säga det själv! Dock fungerar detta bara för positiva strömmar, då ju ADCn inte kan mäta negativ spänning. Men det var ju laddningen du var intresserad av! =)

[Elst]

Härligt! Men det kommer tyvärr bara göra halva jobbet, då båda riktningar på strömmen måste mätas.

Vid normal drift måste jag även hålla koll på att motorn inte överbelastas, kortsluts och sånt. Dvs, att något fel inträffar. Om fordonet fastnar någonstans, vill man ju inte att strömmen skenar, motorn brinner upp eller lithiumbatteriet flyger i luften.

Om kravspecen druknat i alla ord, så ser den alltså ut såhär:

- Mäta ström i båda riktningar (kortslutningskydd, fel, och vridmoment i ena riktningen och laddström i andra)
- Minst något sätt att flagga att spänningen passerar cellspänning (jag har i mitt utkast tillåtit att detta hårdkodas med en zenerdiod, t.ex. en hoverboard-hjul-applikation använder batteri som inte får laddas över 42 volt).

Egentligen vill man ju mäta mer grejer (t.ex. att spänningen sjunker under en viss nivå = stänga av motorn så att inte batteriet skadas), men ovan är mest kritiskt och kan tryckas in på den lediga 1 analogporten.

[bearing]

Så du mäter inte fas-strömmar?

Vad använder du för AVR? Har du baserat koden på någon färdigt, eller skrivit själv?

Kanske går det att hitta på något finurligt sätt att få in ström i andra riktningen i detta också...

[bearing]

Med en till switch, ett motstånd från 5V, och en digital utgång, går det att få fram urladdningsströmmen också. Men då känner minimalisten i mig att det börjar bli lite för mycket komponenter... =)

3 motstånd, 2 switchar, 3 pinnar... tja, det är väl inte helt dåligt.

[Elst]

Fast 3 pinnar är lite mycket. Mitt utkast klarar sig med 1 pinne men då mäter jag iofs inte spänningen utan varnar bara för den.

Vad är poängen med att mäta fas-strömmarna?

Finns inga speciella features i grundversionen. Bara allt basic. Har gjort programmet själv. Har gjort det mesta själv, inkl. med reverse engineering dokumenterat trådar och timeing av hoverboardhjulen då jag inte hittade någon dok. på nätet. Jag använder en atmega328 för detta hobbyprojekt.

På todolistan står kretskort så att jag kommer ifrån mina sladdinfernon i labbet. När versionerna börjar stabilisera sig drar jag iväg en beställning. Främsta kvaliten är att konstruktionen är billig och enkel/logisk att labba med. Men det här är ett läro-projekt så om du kan motivera poängen med att mäta fas-strömmar, så kan man ju montera dit en annan MCU med femtioelva AD -ingångar i framtida version....

[Elst]

Du menar inte EMF (BEMF) -strömmar? Det behövs ju inte eftersom jag har hall-givare. Jag hade ett tag en ide' om att montera dit elektronik för det också och att man kunde välja hall eller emf med jumpers, men kretskortet är fullt. Jag vill hålla kretskortet på 80 mm storlek, samma storlek som en passande fläkt. Om processorn haft 6 portar lediga hade man kunnat få kortet använda emf automatiskt om hall inte var närvarande.

Edit: Jag hade faktiskt snickrat ihop en lösning för att detektera EMF -strömmar med bara 2 AD och 1 digital port , för 2 motorer. Men det hjälps inte när portarna och utrymme är slut! (OBS eg. 2 x 2-portars XOR i nedan, funktionen samma)

[bearing]

Du kör ju lite "blint" utan att mäta fas-ström. Men så länge du inte kommer ur synk, eller pressar motorn in i mättning fungerar det nog. I princip alla RC-controllers och elcyklar kör ju så. Fast så skjuter de också transistorerna ibland.

BEMF är ju spänningen motorn skapar när den inte står still, men hör ju ihop med fas-strömmen och -spänningen.