Апгрейд 500Вт электросамоката Pat Ranger Comfort до 750Вт и увеличение максимальной скорости

    Я думаю, что каждый, кто имел опыт общения с электротранспортом, таким как электро-велосипеды и/или электросамокаты (электроскутеры), со временем задумывался о апгрейде своего электрического помощника. Такие мысли возникают, в основном, по причине острого желания увеличить мощность двигателя, максимальную скорость электро-велосипеда или емкость аккумуляторной батареи. И если в случае самодельного варианта, который собирался из компонентов по отдельности, это реализовать достаточно просто,- покупай мотор / контроллер по-мощнее, или аккумулятор более емкий, то в варианте, когда приобреталось готовое устройство, где мотор-контроллер-аккумулятор жестко подогнаны под заданные габариты рамы или корпуса, такая  переделка может быть от «достаточно затруднительной» до «невозможной».

Но все же… Как можно улучшить мощностные характеристики элекро-транспорта (в дальнейшем, под этим определением мы будем подразумевать именно электровелосипеды/самокаты/скутеры) не прибегая к замене тех или иных блоков целиком? В этой статье мы постараемся подробно рассмотреть процесс апгрейда на примере электросамоката, который в России продается под маркой Pat Ranger Comfort.

    Почему именно на этой модели? На наш взгляд данный электро-самокат несколько практичнее чем классические электровелосипеды так как имеет компактные габариты и в разобранном виде влезает в любой пассажирский лифт а в сложенном- в багажник обычной легковушки.

Но при этом этот компактный скутер имеет ряд неоспоримых достоинств: грузоподъемность до 120кг, изначально установленный литиевый аккумулятор 48В, что дает хорошую возможность апгрейда батареи путем замены ячеек на более емкие без изменения габаритов, мощный 500Вт 10” хаб-мотор, который в стоке, по заявлению продавца, может развивать скорость до 45км/ч, большую платформу, на которой можно достаточно комфортно перевозить еще одного маленького пассажира, такого как ребенок. Кроме этого доступны такие мелочи как 3ех-ступенчатое ограничение мощности электродвигателя, поворотники, полноценный стоп-сигнал совмещенный с задним габаритом, передняя фара и бибика :). Все это позволяет эксплуатировать электро-самокат Pat Ranger Comfort как на пешеходных тротуарах так и на обычных дорогах общего пользования.

Вот фото с техническими характеристиками с одного из сайтов-продавцов:

    Для экспериментов была приобретена именно эта модель в сентябре 2016года. До конца сезона, а в 2016м году он в Московской области резко закончился в конце октября, когда выпал и лег первый снег, было накатано около 240км без каких-либо переделок.

Надо признать, что даже в стоковом исполнении скутер доставил массу приятных впечатлений. С автором этой статьи, весом в 67кг, электро-самокат Pat Ranger Comfort спокойно разгонялся до скорости в 40-42 км/ч (скорость в 45км/ч, заявленная продавцом, оказалась недостижимым значением), а на холостом ходу с вывешенным колесом показывал скорость в 60км/ч на полностью заряженной батарее, уверенно тянул в горку, возил, кроме взрослого водителя еще и одновременно двух(!) детей возрастом 7 и 3 года вызывая неизменные улыбки всех очевидцев этой процессии. Батареи хватало на 50-60км пробега (но не на 90км, как было заявлено), что позволяло заряжать скутер всего пару раз в неделю.

За все время эксплуатации обошлось без каких-либо поломок. Из недостатков стоит отметить то, что при емкости батареи около 30% от номинальной скутер едет откровенно вяло и то, что приходилось довольно часто регулировать тормоза, что я связываю с недостаточной жесткостью рамы в месте крепления заднего колеса.

Но перейдем к непосредственно апгрейду.
Что хотелось улучшить: как обычно, всё! Мощность, максимальную скорость и дальность пробега, хотя последний параметр вызывал наименьшее количество нареканий- 60км более чем достаточно.

Что для этого нужно сделать:
    -для поднятия максимальной скорости- увеличить напряжение батареи вольт на 10, желательно без ущерба для емкости. Расчетно, это даст прирост к максималке километров 10/час.
    -Для увеличения мощности надо увеличивать максимальную мощность контроллера. Для этого надо посмотреть модель установленных мосфетов чтобы оценить на что мы можем рассчитывать.
    -Для увеличения емкости надо рассчитать, какое количество ячеек мы можем поставить в данный корпус и прикинуть какую конфигурацию батареи мы можем изготовить, применив ячейки максимальной емкости, а для типоразмера 18650 она составляет 3400-3500мАч. 

Что мы можем сказать, не прибегая к вскрытию? Только то, что у нас установлен мотор мощностью 500Вт.

Но это только паспортная мощность мотора. На какой мощности он работает на самом деле зависит от контроллера мотор-колеса, а тут мы пока ничего сказать не можем. Но даже той информации, что у нас есть достаточно, для того, чтобы допустить, что мы можем спокойно увеличивать мощность контроллера до 750Вт. Обычно, электродвигатели достаточно равнодушно относятся к увеличению мощности в 1,5-2раза относительно номинальной. Если эксплуатировать мотор в нормальных условиях, т.е. по обычным дорогам, а не по рыхлому грунту в крутой подъем исключительно против ветра, то перегреть или, тем более, сжечь двигатель можно не опасаться.

Для оценки диапазона возможных улучшений приступаем к разборке электро-самоката.

Доступ к электрической начинке открывается поле снятия нижней крышки. Она держится на 8ми винтах.

Внутри мы видим Li-ion аккумулятор 48В 21Ач (даже здесь обманули,- обещали 24Ач), крохотный контроллер мотор-колеса и соединительные провода.

Все упаковано очень плотно, места для маневров, таких как замена штатного контроллера более мощным а значит более габаритным , нет. Остается только пробовать улучшать характеристики имеющихся узлов без какого-либо изменения габаритов.

Теперь пройдемся более подробно по каждому из компонентов.

Батарея:

Штатная Li-ion батарея имеет прямоугольную форму и размеры 420х115х55мм и вес 5,16кг. Судя по всему, батарея не имеет контроллера заряда-разряда,- зашита по минимальному напряжению встроена в контроллер мотор-колеса в виде ограничения минимального входного напряжения в 41В., при заряде батареи никакого локального нагрева мы не заметили, что может свидетельствовать о отсутствии балансира, который неизменно бы нагревался и очень сильно при балансировке ячеек в конце процесса заряда.

Разбирать батарею мы не будем. Смысла в этом нет, так как все, что от нее требовалось – это габариты.

Если мы не хотим уменьшать емкость новой батареи относительно старой,-21Ач и у нас есть ячейки с максимальной емкостью 3,5Ач, то нам нужно запараллелить:

21/3,5=6 ячеек.

В габариты нашего корпуса очень удобно вписать такую конфигурацию ячеек:

Как мы видим получается 6 рядов и 3 столбца. В такой конфигурации удобно собирать батареи с 3мя, 6ю или 9ю параллельно-соединенными аккумуляторами. Очевидно, что мы остановимся на варианте “6P”, так как емкость новой батареи будет соответствовать емкости старой:

По длине мы ограничены размером в 420мм (размер старой батареи). При размере ячейки в 65мм мы можем уместить:

420мм / 65мм = 6,46

т.е. 6 целых рядов.

Таким образом, при том, что в каждом этаже мы можем сделать 3S6P батарею, при шести этажах получается батарея 18S6P.

Т.е. 18 последовательно-соединенных групп, в каждой из которых по 6 параллельно-соединенных аккумуляторов.

Но нам надо еще куда-то запихнуть плату защиты, так как очень хочется иметь возможность балансировать ячейки. Да и с защитой как-то поспокойнее. К тому же, 18S батарея будет иметь диапазон напряжений от 75,6В до 54В. А как уже было сказано, чтобы увеличить максимальную скорость на 10км/ч нам надо поднять напряжение относительно оригинального в 48В вольт на 10, т.е. до 55-58В. Для таких напряжений хорошо подойдет 15S-батарея с диапазоном 63В-45В. Да и делать ее будет удобно, так как нам надо просто убрать 18 ячеек, т.е. один этаж:

Как раз, остается место для BMS:

Итак, с батареей определились. Делаем Li-ion аккумулятор 15S6P номинальным напряжением 54В (3,7х15=55,5В) из  ячеек LG INR18650MJ1 емкостью 3,5Ач, т.е. итоговая емкость батареи составит 3,5*6=21Ач.

На самом деле, реальная емкость будет несколько меньше, так как в оригинальном datasheet указано, что 3500мАч – номинальная емкость, т.е. емкость при стандартном токе разряда, который, как следует из этого же datasheet равен 0,68А и при прочих идеальных условиях. Минимальная же емкость может быть равна 3400мАч. При токах разряда отличных от стандартных, т.е. это именно наш вариант, так как мы будем разряжать батарею токами 10-20А а это значит что с аккумулятора будет сниматься по 20/6=3,33А, емкость будет еще меньше, но это мы проверим после изготовления батареи. Все равно, более емких ячеек в типоразмере 18650 на сегодняшний день нет, просто эту информацию надо учитывать при проектировании любой Li-ion батареи.

PS. Ради интереса мы протестировали оригинальную батарею.

Результаты теста:

Лог-файл.

Как ни удивительно, но оригинальная Li-Ion батарея полностью соответствует заявленным техническим характеристикам.

В качестве BMS возьмем плату модели 55,5В 15A HCX-D140.

Почему именно ее? Да потому, что другой все-равно нет.

Проблема в том, что данная BMS несет на себе 6 мосфетов модели IRFB3607.

Это мощные полевые транзисторы, которые имеют сопротивление открытого канала 7,34мОм и могут обслуживать до 140Вт мощности каждый. Транзисторы соединены по 3 параллельно, т.е. максимальная мощность, которая допустима для данной платы равна 140*3=420Вт. Это мало! Нам же надо 750Вт. Да и запас нужен, хотя бы процентов 20.

Надо будет менять транзисторы. Плюс токоограничительный резистор, состоящий из 2ух параллельно соединенных резистора R008 и R004, которые определяют пороги защиты по току.

Да и дорожки на плате не приспособлены к токам 15-20А. Лучше бы их усилить.

Все эти проблемы тоже придется решать. Но об этом ниже.

Пока посмотрим на контроллер управления мотор-колесом.

По информации c наклейки, он рассчитан на работу с напряжением 48В и токами до 16А. Т.е., теоретически, его мощность равна 48*16=768Вт.

В основе контроллера лежат 6 мосфетов модели NCE80H16. В принципе, все не так уж и плохо: максимальное напряжение 80В, сопротивление открытого канала 4,7мОм и максимальная мощность 285Вт.

Мотор у нас трех-фазный, т.е. каждую фазу обслуживают 2 транзистора. Т.е. максимальная мощность, ограниченная транзисторами составляет 570Вт.

Но их никогда не заводят в максимальные режимы. Да и по информации из интернета на аналогичные контроллеры, везде указано, что их номинальная мощность равна 350Вт. Ограничителем мощности, т.е. токов, которые могут проходить через контроллер, является шунт, который представляет собой просто резистор, только мощный и с очень малым сопротивлением, которое, к тому же, не меняется при изменении температуры. Чем меньше значение сопротивления этого шунта, тем большие токи будет пропускать контроллер.

Поставить более мощный контроллер с большим количеством мосфетов нет никакой возможности, так как, как уже было сказано, все они имеют отличные габариты от штатного контроллера. Можно, конечно, поставить дорогой программируемый контроллер инфенион на 6 мосфетов с аналогичными размерами и с мощностью до 750Вт, но нам нужно, чтобы наш контроллер управлялся от штатной панели управления, а это, в случае замены контроллера на другую модель, будет невозможно. Ну или, по крайней мере, с потерей в функциональности и дополнительным колхозом.

Придется модернизировать штатный контроллер. Посмотрим на что мы можем рассчитывать. Транзисторы NCE80H16 выполнены в корпусе TO-220. Соответственно нам нужны силовые полевые N-канальные транзисторы в корпусе TO-220 с максимальным напряжение не ниже 63В (напряжение заряда нашей батареи) и максимально-возможной мощностью.

Ничего лучше, чем IRFB3077 я не нашел.

Напряжение 75В, сопротивление 2,8мОм и мощность до 370Вт. Т.е 2 параллельно соединенных мосфета допустят мощность до 740Вт. То, что надо. 

Осталось разобраться с напряжением, а точнее переделать контроллер так, чтобы он работал при напряжении в 63В.

Напряжение напрямую с батареи подается на силовую часть контроллера, которая состоит из фильтрующего электролита большой емкости, электролита поменьше, и 6ти мосфетов. Все эти элементы должны иметь максимальное напряжение выше, чем напряжение заряда нашей батареи, т.е. 63В.

Смотрим в магазине нужные нам по номиналу элементы. С ключами понятно, остались конденсаторы. Выбираем два электролитических конденсатора с напряжением до 100В: один на 470мкФ, второй на 220мкФ.

Но у нас есть еще и низковольтовая часть контроллера с напряжениями 5В. Именно это напряжения нужно для питания  непосредственно управляющей микросхемы и еще что-то там…

5В получаются двойным преобразованием. Сначала при помощи понижающего стабилизатора до 12В, а потом другим стабилизатором до 5В. Нам нужно, чтобы гарантировано получалось 12В при увеличенном напряжении на входе.

12В делает микросхема LM317. Для её стабильной работы требуется, чтобы разница напряжений на входе и на выходе не превышала 40В. Для 12В, соответственно, максимальное напряжение на входе LM317 должно быть не выше 12+40=52В. Есть и минимально допустимое входное напряжение, которое равно около 15В.

Таким образом нам надо обеспечить на входе LM317 диапазон напряжений от 15 до 52В при том, что с батареи у нас поступает от 63 до 45В. Падение лишнего напряжения происходит на резисторе, который стоит перед LM317.

По информации из интернетов выясняем, что потребление типового контроллера составляет от 30мА- в состоянии покоя до 60мА –под нагрузкой. Зная это, мы можем вычислить номинал нужного нам резистора:

Umin = 15 + R * 0.060
Umax = 52 + R * 0.030

Наиболее подходящий под наши параметры резистор номиналом в 470 Ом:

Umin = 15 + 470 * 0.060 = 43,2В
Umax = 52 + 470 * 0.030 = 66,1В

Все. Более ничего переделывать не придется.

Теперь вернемся к BMS батареи.
Раз уж мы определились с моделью мосфетов для контроллера мотор-колеса, то логично поставить эти же транзисторы и в плату управления аккумуляторами. Их мощности будет более чем достаточно: 370*3= 1,1КВт. Т.е. по питанию у нас есть достаточно большой запас.

Приступим к переделкам:

Для начала переделаем плату защиты батареи.

Демонтируем старые транзисторы.

Для очистки монтажных отверстий используем медную оплетку для выпайки.

Запаиваем новые транзисторы IRFB3077

Ставим параллельно старым резисторам еще 2 штуки R008, для того, чтобы сдвинуть порог защиты по току, хотя может быть это и лишнее.

Напоследок, усиливаем имеющиеся силовые дорожки одножильным медным проводом 2,5кв.мм.

Все, модернизированный контроллер Li-Ion батареи готов.

Приступаем к сборке самой Li-Ion батареи.

Берем ячейки LG INR18650MJ1 3,6В 3500мАч с максимально допустимым током разряда до 10А. Как мы помним, расчетный ток с каждой ячейки у нас не должен превышать 4А. т.е. все нормально.

Приступаем к подбору элементов. Нам нужно выбрать 90 ячеек с одинаковым внутренним сопротивлением.

Кстати, чтобы отобрать 90 одинаковых ячеек, пришлось перебрать около 180 аккумуляторов, несмотря на то, что они «из одной коробки». Это не значит, что остальные плохие, в числе отложенных были как с меньшим сопротивлением так и с бОльшим, просто их не должно быть в ЭТОЙ батарее. Они пойдут в другие.

Склеиваем ряды по 6 аккумуляторов.

И далее склеиваем эти ряды в блоки по 18 аккумуляторов, каждый из которых будет представлять один «этаж» нашей батареи. Наклеиваем изоляторы.

Свариваем никелевой лентой 10х0,2мм. Делаем по 3 последовательных соединения для обеспечения достаточной величины сечения проводника и соответственно минимизации потерь напряжения на ленте.

Привариваем отводы для балансировочных проводов и закрываем ленту технологическими изоляторами.

Так как наши станки не позволяют опустить стол для сварки более чем трех этажей, свариваем сначала 3 этажа а потом привариваем к ним оставшиеся, заранее сваренные, два.

Закрепляем аккумуляторы армированным скотчем и заклеиваем торцы.

Припаиваем провода с балансировочными разъемами

Припаиваем силовые провода

Фиксируем все провода в нужных желобках между ячейками для того, чтобы они не путались и не увеличивали общий габарит батареи

Упаковываем батарею в электроизоляционный картон

И в термопленку. Термопленку натягиваем в 2 слоя для пущей надежности и жесткости

Торец с проводами герметизируем клеем.

Устанавливаем плату защиты.

Которую затем упаковываем в картон и термопленку.

Полученная батарея по сравнению с оригинальной:

Вес новой батареи получился на 500 гр меньше, чем у оригинальной и равен 4,6кг

Тестируем новую батарею.

Тестирование проводилось на электронной программируемой нагрузке, которая позволяет нагружать батарею мощностью до 1200Вт. Но 1,2КВт это слишком. Нам нужно проверить как работает батарея на мощности 750Вт+10% запаса. Смоделируем работу батареи в условиях похожие на реальные, т.е. к примеру 20сек под максимальной нагрузкой, к примеру 15А, т.е. 945Вт, потом 20сек – 10А, т.е. 600Вт и 120сек – 5А. Потом все повторяется и так до полного разряда.

Итоговая емкость получилась равная 19,6Ач, что чуть меньше теоретической – 21Ач, но вполне прогнозируемая. Причины описаны в начале статьи. Батарея в процессе работы осталась абсолютно холодная.

Лог файл тестирования Li-Ion батареи 55,5В 19,6Ач

Переделка контроллера электромотора:

Все шесть мосфетов контроллера установлены на алюминиевой шине, которая является радиатором. С обратной стороны платы все силовые дорожки усилены большим количеством припоя и какими-то достаточно тонкими кусочками провода. Все это необходимо будет удалить.

Для начала демонтируем эту шину, чтобы была возможность выпаивать транзисторы по отдельности.

Убираем излишки припоя при помощи медной оплетки и выпаиваем транзисторы

Выпаиваем большой электролитический конденсатор на 470мкФ и конденсатор на 220мкФ.

Выпаиваем гасящий резистор перед LM317. Очищаем монтажные отверстия от припоя.

Перед нами контроллер с демонтированными радиодеталями, которые подлежат замене.

Вот новые элементы, которые мы будем впаивать взамен старых

Изолируем шину скотчем

Устанавливаем новые транзисторы

Устанавливаем шину с транзисторами на плату и запаиваем

Запаиваем электролиты и резистор

Осталось усилить дорожки медным проводом 2.5кв.мм

Итак, было:

Стало:

Лудим шунт. Так как мы увеличили мощность транзисторов в 1,5раза, относительно старых, лудим шунт на половину:

На этом работы по переделке контроллера электромотора заканчиваем.

Сборка электро-самоката.

Так как мы уменьшили габариты батареи по длине, то у нас есть возможность немного окультурить металлический корпус аккумулятора. В торце наклеиваем прокладку из плотного упаковочного материала для того, чтобы батарея не контактировала с острыми углами корпуса.

Проклеиваем все металлические плоскости паронитом и электроизоляционным картоном.

Так как мы установили на новую батарею силовые разъемы XT60, меняем старые разъемы и на ответных частях кабеля.

Устанавливаем батарею и контроллер в корпус скутера. Батарея должна вставляться как можно плотнее исключая какие-либо подвижки,- на заднем колесе нет амортизатора и на батарею будут передаваться все вибрации в процессе движения.

Включаем скутер.

С вывешенным задним колесом спидометр показывает максимальную скорость равную 71 км/ч, при том, что ранее максималка на холостом ходу составляла 60км/ч. Напряжение батареи-63В.

Пробуем электро-скутер в движении.

Разгон стал гораздо более динамичным. Максимальная скорость, которую набирает электро-скутер с человеком весом в 67кг составила 50-55км/ч на ровной дороге. В горку электро-самокат разгоняется до 40км/ч. Нагрев электро-двигателя сейчас оценить сложно- на улице всего +8, поэтому мотор в процессе пробного заезда оставался абсолютно холодным.

В целом, считаю, что поставленная цель была полностью достигнута. Сказать, что самокат преобразился в лучшую сторону- ничего не сказать. Это абсолютно другой транспорт и пользоваться им стало несомненно веселее. Конечно, при скоростях около 50-55км/ч надо быть крайне осторожным и не забывать о средствах индивидуальной защиты, таких как шлем и защита рук/ног. Также очень внимательно надо относиться к тормозной системе, ведь разогнаться это еще пол дела,- надо еще как-то и остановиться, а как я и говорил, тормоза у Pat Ranger не самая сильная часть.

Теперь, что касается стоимости апгрейда. Ведь, я не исключаю, что найдутся энтузиасты, которые захотят повторить этот эксперимент по улучшению электро-скутера. Сразу скажу, что получается не бюджетно.
Батарея: если заказывать ее у нас, т.е. в «Запас Мощности» и именно такой конфигурации, как описана в этой статье, т.е. Li-Ion батарея 15S6P 55,5В 21Ач из ячеек LG INR18650MJ1 с BMS HCX-D140, то ее стоимость в стоке составит 41980руб. Плюс переделка платы защиты, а именно установка 6 мосфетов IRFB3077, которые в рознице в Москве стоят около 120руб/шт плюс усиление дорожек и модификация резистора, это еще около 1600руб. Итого, только за модифицированную батарею для электросамоката Pat Ranger надо будет заплатить 43580руб.
Можно, конечно, обойтись и без платы защиты, но это на свой страх и риск. Стоимость Li-Ion батареи 15S6P 55,5В 21Ач из ячеек LG INR18650MJ1 без платы защиты для электросамоката Pat Ranger составит: 37988руб

Контроллер мотора: Стоимость комплектующих, а именно 6 мосфетов IRFB3077, электролиты 470мкФ 100В и 220мкФ 100 плюс резистор 470Ом 2Вт. За все в Чип-Дипе около 900 руб.

Итоговая стоимость апгрейда получается от 38 900 до 43 480руб и это при условии, что контроллер двигателя вы будете модифицировать сами, что составляет около 50% от стоимости нового скутера Pat Ranger. Или так: это превышает стоимость нового бензинового 50ти-кубового скутера.

Надо это кому-то или нет, я не знаю, но полученный опыт и результат бесценен.

ЗЫ. Много мыслей и материалов взято с форума http://electrotransport.ru, а точнее из этой статьи, за что её автору отдельная благодарность.