Электровездеход-болотоход: как выбрать мотор, контроллер и аккумулятор

1. Опишите грунт, маршрут, скорость и груз.
2. Определите полную массу, тип движителя (колёса или гусеницы) и размер колёс.
3. Оцените необходимую тягу и мощность.
4. Выберите мотор и трансмиссию.
5. Подберите напряжение системы и контроллер.
6. Рассчитайте ёмкость аккумулятора, подберите BMS и защиту.
7. Подберите кабели и защитите проводку от грязи, влаги и истирания.

На мягком грунте выигрывает не самая мощная машина, а та, что передаёт тягу поверхности и при этом не проваливается. Поэтому подбор начинают с ходовой части и массы, а не с двигателя.

Три фактора, которые стоит оценить в первую очередь:

• Давление на грунт. Чем больше масса и меньше пятно контакта, тем глубже погружение и выше сопротивление качению. Шины низкого давления распределяют нагрузку по большей площади, но результат зависит от массы машины, конструкции шин и давления в них.
• Клиренс и геометрия. Дорожный просвет, углы въезда и съезда, расположение днища и выступающих узлов определяют, зацепится ли машина за колею или кочку.
• Тяга на движителе. Двигатель и трансмиссия должны давать нужное усилие на колёсах при рабочей скорости. Высокая мощность сама по себе не гарантирует проходимость.

Колёса или гусеницы

Универсального ответа нет: выбор зависит от маршрута и конструкции машины. Колёса на шинах низкого давления проще и дешевле в обслуживании, обычно теряют меньше энергии в трансмиссии и, как правило, достаточны для смешанного маршрута: болото, лес, грунтовка. Гусеницы увеличивают площадь контакта и лучше подходят для очень мягкого грунта, тяжёлой машины и большого груза, но усложняют механику, требуют регулярного контроля движителя и предъявляют больше требований к трансмиссии. Потери у них, как правило, выше, поэтому запас по мощности и ёмкости батареи нужен больший.

Это первое конструктивное решение: от него зависят и тип двигателя, и требования к контроллеру. У каждой схемы есть своя цена.

Двигатель подбирают по полной массе машины, нужной скорости, диаметру колёс и параметрам трансмиссии. Эти данные определяют, какое усилие нужно для движения и в каком диапазоне оборотов мотор должен работать.

Что сравнивать в характеристиках мотора:

• Номинальная и пиковая мощность. Номинальная — то, что мотор тянет без перегрева бесконечно долго (так называемый режим S1). Пиковая нужна на короткие рывки: выезд из колеи, подъём. Для болота опирайтесь на номинальную, а пиковую считайте запасом.
• Крутящий момент и рабочие обороты. Момент на выходе после редуктора должен покрыть сопротивление грунта, а обороты — дать нужную скорость на колёсах выбранного диаметра.
• Рабочее напряжение. Оно должно совпадать с напряжением системы и возможностями контроллера.
• Охлаждение и допустимый режим нагрузки. Медленное движение с большой нагрузкой греет мотор сильнее, чем быстрая езда по ровной дороге.

Модели можно сравнить в каталоге BLDC-моторов: там указаны основные параметры, по которым удобно сузить выбор после расчёта.

Если вы собираете машину целиком, а не только подбираете силовую часть, посмотрите пошаговый разбор как сделать электровездеход своими руками. Там рассмотрены конструкция и этапы сборки, а эта статья помогает с выбором компонентов.

Напряжение — связующее звено между мотором, контроллером и батареей, поэтому его выбирают до покупки остальных компонентов. Главная связь простая: при одной и той же мощности ток обратно пропорционален напряжению.

Чем выше напряжение, тем меньше ток при той же мощности. Это снижает нагрев проводов и разъёмов и позволяет взять более тонкий кабель. Цена вопроса — более жёсткие требования к изоляции и безопасности. Во многих нормативах сверхнизким считается постоянное напряжение до 60 В, поэтому полностью заряженная система на 72 В уже выходит за эту границу. Работать с ней нужно осторожнее, а компоненты подбирать с запасом по напряжению.

Типичный выбор для небольших и средних машин — системы на 48 и 72 В. Что именно подходит вам, определяют мощность мотора и допустимый ток контроллера и батареи: конкретные значения подбирают под выбранную конфигурацию, а не по общему правилу. Чем более мощный электродвигатель требуется - тем на более высоком напряжении он работает.

Как выбрать контроллер

Контроллер управляет работой двигателя, поэтому его выбирают после мотора и напряжения. Проверьте:

• Совместимость с мотором. Тип мотора, наличие датчиков положения, тип датчика (например, датчиков Холла), число фаз.
• Напряжение системы. Рабочий диапазон контроллера должен перекрывать напряжение полностью заряженной батареи, а не только номинальное.
• Допустимые токи. Длительный и пиковый ток контроллера не должны быть меньше расчётных для мотора и батареи.
• Защиты и интерфейс. Ограничение тока, защита от перегрева и перенапряжения, подключение педали или рукоятки газа, возможность рекуперации, если она вам нужна.

Подходящие модели можно посмотреть в каталоге контроллеров для электродвигателей.

Аккумулятор выбирают по двум параметрам: сколько энергии он хранит и какой ток может отдавать. Первый определяет длительность поездки, второй — сможет ли мотор получить нужную мощность в момент нагрузки.

• Энергоёмкость — номинальный запас энергии. Оценить её можно по формуле ниже.
• Допустимый ток разряда — нагрузка, которую батарея выдерживает в пределах своих характеристик. Он должен покрывать пиковый ток системы, а не только средний.

Это номинальный запас, а не гарантированное количество энергии в поездке. Реальный запас хода зависит от нагрузки, рельефа, скорости, потерь и температуры. Поэтому честный расчёт строится от среднего энергопотребления машины на вашем маршруте, а не от паспортной ёмкости. Пример такого расчёта — ниже.

Для тяговых проектов можно рассмотреть литий-железо-фосфатные аккумуляторы LiFePO4. Перед покупкой уточните допустимые температуры заряда и разряда: при низких температурах возможности литиевых батарей, как правило, ограничены.

BMS и электрическая защита

BMS (система управления батареей) следит за напряжением ячеек, током и температурой и отключает батарею при выходе за допустимые пределы. Её параметры должны соответствовать конфигурации батареи и рабочим токам.

В силовой цепи также нужны подходящий предохранитель и устройство аварийного отключения питания. Предохранитель ставят как можно ближе к батарее: он должен срабатывать при коротком замыкании на любом участке цепи, а ток его срабатывания подбирают по сечению кабеля и расчётным токам системы.

После мотора, контроллера и батареи остаётся то, что чаще всего выходит из строя на реальном маршруте: проводка, соединения и всё, что связано с грязью и водой.

Кабели и разъёмы подбирают по току, длине, способу прокладки и допустимому нагреву. Недостаточное сечение приводит к потерям и перегреву на больших токах. Подходящие компоненты есть в каталоге силовых кабелей и разъёмов AWG. Для внедорожной машины дополнительно защищайте проводку от истирания, ударов, грязи и влаги: гофра, кабельные вводы, фиксация хомутами, соединения вне зоны постоянного попадания воды.

Охлаждение. Больше всего мотор и контроллер греются при медленном движении с большой нагрузкой: в вязком грунте, на подъёме, при буксовании. Проверьте, где у выбранных компонентов стоят датчики температуры и как они ограничивают мощность. Не оставляйте мотор надолго в режиме, когда он развивает момент, но колёса не вращаются.

Тормоза. Электрическое торможение мотором не заменяет механический тормоз. Для тяжёлой машины на склоне нужны рабочий и стояночный тормоз, рассчитанные на полную массу с грузом.

Защита от влаги. Степень защиты оболочки обозначают кодом IP по ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013). Но влагозащищённость отдельного устройства не означает, что вся система безопасна при погружении в воду. Слабым местом чаще остаются разъёмы, кабельные вводы и места крепления. Если машина должна преодолевать водные участки, это закладывают в конструкцию всей силовой системы, а не проверяют по одному компоненту.

Зарядка. Зарядное устройство должно соответствовать химии и напряжению батареи и работе её BMS. Заряжайте машину в сухом проветриваемом месте, а не сразу после езды по воде или грязи.

Энергия идёт от аккумулятора через предохранитель и устройство отключения к контроллеру, затем к мотору, трансмиссии и колёсам или гусеницам. BMS работает рядом с аккумулятором, органы управления связаны с контроллером. Конкретные значения напряжения и тока зависят от выбранной конфигурации, поэтому на схеме их нет.

Допущения: полная масса 500 кг; мягкий грунт с коэффициентом сопротивления качению 0,2 (значение принято для примера, реальное зависит от грунта и шин); скорость 10 км/ч (2,78 м/с); подъём 10% (угол около 5,7°); КПД трансмиссии 0,85; маршрут 20 км за 2 часа; средняя электрическая мощность на маршруте 3,5 кВт (с учётом подъёмов); запас энергии 30% на неточность оценки, холод и старение батареи.

1. Сила, которую нужно преодолеть

2. Мощность на колёсах и от батареи

Значит, нужен мотор с номинальной мощностью около 5 кВт и пиковой с запасом. Расчёт не учитывает разгон, буксование и проваливание колёс: на практике запас нужен больше.

3. Энергия на маршрут

4. Ток и ёмкость при разном напряжении системы

Для простоты взяты круглые значения 48 и 72 В. При мощности 4,8 кВт ток составит около 100 А в системе на 48 В и около 67 А в системе на 72 В (I = P / U). Для запаса энергии 9 кВт·ч нужна ёмкость около 188 А·ч при 48 В и около 125 А·ч при 72 В (C = E / U).

• Выбор мотора по пиковой мощности. На длинном подъёме или в вязком грунте он перегреется. Ориентируйтесь на номинальную мощность, пиковую считайте запасом.
• Расчёт запаса хода по паспортной ёмкости. Батарея сядет раньше, чем вы ждали. Считайте от среднего потребления на своём маршруте и закладывайте резерв.
• Забытая масса водителя и груза. Тяга окажется заниженной, а давление на грунт больше. Считайте полную массу в самых тяжёлых условиях.
• Контроллер по номинальному напряжению батареи. У заряженной батареи напряжение выше номинального, и контроллер может выйти за допустимый диапазон. Проверяйте его рабочий диапазон и токи с запасом.
• Экономия на проводке и предохранителях. Это нагрев, потери и риск короткого замыкания. Подбирайте сечение по току и ставьте защиту у батареи.
• Только электрическое торможение. На склоне его может не хватить. Нужны рабочий и стояночный механические тормоза.

Электровездеход-болотоход подбирают под конкретный грунт, массу и маршрут. Ходовая часть определяет контакт с поверхностью, мотор и трансмиссия дают тягу, а батарея, контроллер и проводка должны выдерживать нужную мощность на протяжении всей поездки.

Начните с исходных данных и расчёта, как в примере выше. Когда параметры известны, переходите к выбору компонентов: электродвигатели BLDC, контроллеры, аккумуляторы LiFePO4 и силовая проводка представлены в каталоге. Так компоненты будут выбраны по техническим требованиям, а не по отдельным цифрам мощности или ёмкости.