Dwusilnikowy napęd do pływadła

[Avinetiv]

Witam wszystkich!
Po kilku latach skrytoczytactwa (i tworzenia dzieł ani nie wymagających porady, ani nie zasługujących na chwalenie się nimi na forum) zdecydowałem się opisać swój obecny projekt z prośbą o analizę i konstruktywną krytykę.
Posiadam pompowany katamaran do którego chcę dorobić napęd pomocniczy. Rozwiązanie z dwoma silnikami pozwala na sterowanie "czołgowe" bez jednoczesnego obsługiwania i silników i steru. Uproszczony schemat (bez włączników, bezpieczników, termo-, wolto- i amperomierzy, etc.) tego co zamierzam sklecić wygląda tak:

Kilka słów wyjaśnienia:

• Liczę się z ewentualnością, że silniki 12A okażą się za słabe na moje potrzeby, więc na wszelki wypadek instalacja powinna wytrzymywać 80A prądu ciągłego (po 40A na silnik 12V).
• Podstawowym urządzeniem sterującym ma być joystick. Komunikacja po bluetooth (+apka na androida) głównie z myślą o kalibracji i zbieraniu danych (sterowanie z poziomu komórki raczej jako bajer, który mogę doimplementować przy okazji).

Szczerze mówiąc to dotychczas stałem dość mocno po cyfrowej (i niskoprądowej) stronie mocy, więc mam do bardziej doświadczonych kolegów kilka pytań:

• Jeśli mostek wypluwa z siebie na wyjściu sygnał PWM, to dałoby się go jakoś łatwo przefiltrować (chodzi mi o to, żeby np. przy wypełnieniu 75% i napięciu 16V - zamiast 16V przez 3/4 czasu i 0V przez 1/4 - mieć na wyjściu "falujące" 12V)? Jakiś układ LC? Czy ma to w ogóle sens?
• Znacie jakieś sensowne złącza (najlepiej nie tylko na kabel, ale też i gniazda w obudowę) zarówno wodoszczelnie jak i wysokoprądowe? Superseal czy MC4 mają IP67, ale obsługują prądy do 15-30A. Z drugiej strony XT90/150 są (jak nazwa mówi) na 90/150A, ale ciężko byłoby je dobrze uszczelnić.   
• Czy pomysł zamknięcia dwóch sterowników silnika i przetwornicy w jednej szczelnej obudowie powinien mnie martwić od strony termicznej?
• Jakie jeszcze problemy mogłem przeoczyć? Kontroler obsługuje PWM do 25kHz, więc częstotliwości akustyczne mogę ominąć. Jakieś prądy wsteczne? Naskórkowość?

[marek1707]

Czy łatwe jest filtrowanie obwodów wysokoprądowych? Teoretycznie nie trudniejsze niż tych słabych, z dokładnością do strat. W lekkim układzie nie boli Cię sprawność filtra LC rzędu 95%, bo w przeliczeniu na moc będa to np. 2W. W Twoim układzie filtr będzie wielki i ciężki a i tak stracisz na nim z 10W co przy zasilaniu z baterii jest bolesne. Co więcej, mostek rzaeczywiście "wypluwa" z siebie napięcie, ale to nie napięciem żywi się silnik tylko prądem. Jako naturalna indukcyjnośc sam robi z prostokątnego napięcia trójkątny prąd więc współczynnik odkształcenia tej wielkości na której naprawdę Ci zależy nie jest tak tragiczny jak dla prostokąta. Nie widzę więc większego sensu w filtrowaniu oprócz zadowolenia własnego. De facto chciałbyś zamienić mostek H na przetwornicę DCDC z wyjściem stałonapięciowym a właśnie po to wymyślono "czysty" mostek by przy silnikach się w to się nie bawić. Tak czy tak musisz dać ukłądy filtrów RF/odkłócające na silnikach i skup się na tym, by w okolicach Twojej łodzi mogły działać radia - nawet te na AM -  i telefony. 

Takich złącz jest multum. Rynek dla wodniaków jest wymagający, bo właśnie duże prądy (bo napięcia na wodzie zabijają) i szczelność - więc dokładnie to czego potrzebujesz. Sa zarówno złacza/gniazda montowane "na panel" jak i takie "kabel-kabel". Zarzuć hasło "marine connectors" a na pewno coś sobie wybierzesz. Nie są to produkty dostępne w pierwszym lepszym kiosku, ale nawet jeśli nie chcesz kupować u egzotycznych dystrybutorów to zajrzyj to najbliższego sklepu z osprzętem/elektroniką dla żeglarzy/motorowodniaków. W Wawie np, nad Wisłą, przy Wale Miedzeszyńskim jest kilka.

Takie projekty zawsze powinny martwić, bo to nie kaszka z mleczkiem. Już samo to, że wydajesz konkretne pieniądze i poświęcasz na to kawał czasu powinien skłonić do wcześniejszych obliczeń i przemyśleń. Jak rozumiem aktywna wentylacja powietrzem nie wchodzi w grę, ale sa obudowy przeznaczone do elektorniki tego typu. Metalowe, uszczelnione do IP67 z żebrami/radiatorami na zewnątrz. To - znów - nie są tanie rzeczy (kilkaset zł/szt), no ale nie robisz robocika do zabawy więc musisz się liczyć z kosztami. Być może przemyśl zamówienienie frezowanej z jednego pucka alu obudowy własnoręcznie narysownej w CADzie. W ostateczym rozliczeniu może wyjść taniej i lepiej, no ale musisz mieć trochę w tym doświadczenia, bo grabi w trawie leży tu co niemiara.

Naskórkowość - skoro już wiesz że coś takiego istnieje - policzysz sobie sam (kalkulatory w sieci: skin effect calculator) z przyjętej częstotliwości PWM i odpowiednio powiększysz średnice drutów. Nie ma tu co wyważać dawno otwartych drzwi.

Jeszcze tylko kilka uwag do Twojego schematu:

Jeśli doświadczenie w takich konstrukcjach masz czysto teoretyczne, zalecałbym dmuchanie na zimne, czyli szybka i pełna optoizolacja na wejściach mostków + zasilanie Arduino przez przetwornicę izolowaną DCDC (opcja dodatkowa). Do tego przemyślenie ładowania akumulatorów 18650 prądem prawie 10A a tyle mi wychodzi gdy widzę 4s7p i wejście 60A. Akumulatory nie są symetryczne. Rzeczywiście, prąd ładowania rośnie zwykle z dopuszczalnym prądem rozładowania (gdy kupujesz coraz droższe ogniwa), ale i tak jest to zwykle 10-20% tego wyjściowego. Niestety, szybkie ładowanie wciąż jest problemem wszystkiego co bateryjne i nic tu nie ugrasz, bo zapłacisz szybką degradacją ogniw. To już lepiej zaplanuj dwa-trzy "paki" akumulatorów używane wymiennie. Jeśli dwa będą ładowane gdzieś na brzegu a trzeci pływał, to jest to minimalny stosunek zapewniający 100% dysponowalności łodzi. Dla zdrowia i długotrwałej pracy Twoich cennych akumulatorów zalecałbym raczej wypełnienie 1:4. A wracając do schematu: izolacje mają na celu uniknięcie problemów z masami i spadkami na nich. Sygnały 5V są porównywalne z zakłóceniami jakie generują prądy kilkudziesięciu Amperów na źle zrobionym okablowaniu. A to zabija cyfrówkę przy pierwszym włączeniu.

Acha, i LM317 to nie jest "przetwornica step-down". 

[Avinetiv]

Dzięki za odzew i uwagi.

U podstaw pomysłu by filtrować wyjście z mostka leżała chęć dostarczenia silnikom bardziej dedykowanego im napięcia - urządzenie na 12V powinno pracować poprawnie przynajmniej w przedziale 10,5-15,5V, zaś pakiet 4s zapodaje 12-16,8V. "Nadwyżkę" i tak miałem zamiar redukować PWMem. Rozumiem, że filtr nie ma sensu.

Jeśli chodzi o złącza to właśnie dedykowanych morskich produktów chciałem uniknąć. Z własnego doświadczenia - fizycznie ten sam produkt gdy staje się "marine" to dostaje mnożnik 2,5-3 do ceny.

Też zastanawiałem się nad metalową obudową + radiatory od zewnątrz. Z drugiej strony - aktywna wentylacja powietrzem nie wchodzi w grę, ale wodą...

W temacie naskórkowości i zakłóceń wysokich częstotliwości - zastanawiam się też nad pójściem w drugą stronę i zejściem poniżej częstotliwości akustycznej/zaakceptowaniem lekkiego buczenia. Na pewno przetestuję (w wannie :P) różne warianty zanim sklecę finalną konstrukcję.

O optoizolacji myślałem, przetwornica izolowana to dobry pomysł (nawet nie wiedziałem, że coś takiego istnieje).

Zapominałem skomentować pakiet 18650 - mam zamiar najpierw popakować akumulatorki w "heksy" po 7 sztuk równolegle a następnie takie paczki podpinać do magistrali. Umożliwi to łatwą rozbudowę i ewentualną rekonfigurację pakietu. Poza tym - każdy heks mogę dodatkowo zabezpieczyć, a w razie awarii (aku z odzysku) - łatwo wyciągnąć samą walniętą paczuszkę a nie rozpruwać lutowanie całego pakietu.
4s7xp oznacza tu więc 4 szeregi, w każdym równolegle wielokrotność 7, x w przedziale od 4 do 7 (od 4 - bo tyle aku już prawie mam, do 7 - bo więcej nie zmieszczę w skrzynce po amunicji, w której mam zamiar zamknąć baterię).
Więcej niż jednej baterii Li-Ion nie planuję. Raz, że w razie czego w odwodzie mam jeszcze dwa kwasiory (choć wolałbym ich nie używać ze względu na masę). Do drugie - silniki mają pełnić funkcję pomocniczą (flauta, kanały, mosty, manewry etc.), podstawowym napędem pozostanie żagiel.

LM317 - słusznie 

[marek1707]

Chłodzenie wodą jest bardzo sprawne, ale nie jestem przekonany czy to jest dobra aplikacja do tego. Gdy nie masz miejsca, gdy naprawdę nie ma szans na dobre chłodzenie wymuszone powietrzem lub gęstość mocy przekracza zdrowy rozsądek to wtedy tak. Tutaj - jak to sobie wyobrażam - będziesz miał sporą obudowę metalową, w miarę dobre mostki i do upłynnienia jakieś 10-20W mocy w najgorszym wypadku. To nie jest wyczyn, więc zwyczajnie zaprojektuj dobrą gospodarkę ciepłem wewnątrz. Jeśli wybrane moduły mostków nie umożliwią bezpośredniego montażu elementów mocy do obudowy zaprojektuj odpowiednie elementy pośrednie (blacha lub frezowanie) albo.. znajdź inne płytki. Czasem warto się wysilić i poszukać np. tranzystorowych, gdzie wystające poza krawędź płytki "gołe" obudowy TO220 wręcz proszą się o montaż wprost do radiatora lub o zamianę istniejącego (jeśli jakiś dostajesz w komplecie) na płaskownik nitowany wprost do wewnętrznej ściany obudowy. Na pewno nie możesz tego zostawić tak, że moduł mostka (nawet i 100A) postawisz na czterech słupkach M4 gdzieś wewnątrz pudełka. Także: ciepło w pierwszej kolejności, potem okablowanie mocy a potem logika itp.

Zejście z częstotliwością do buczenia to zupełnie inne zachowanie silników - wtedy nie ma mowy o wygładzaniu prądu i rzeczywiście pracują na prostokątach: przez chwilę są przesterowane a przez chwilę jadą na swobodnym wybiegu. To zmienia ch-ki ich sterowania. Jest też rozwiązanie pośrednie: w zależności od wysterowania zmieniasz (optymalizujesz) częstotliwość PWM by minimalizować straty przy jednoczesnym zachowaniu kultury pracy (od buczenia lub piszczenia można szybko zwariować).

W pakietach nie zrozumiałem tego X, który okazał się kluczowy. Jeżeli będzie tam ostatecznie np. 4s35p to do prądu ładowania 60A (2A na ogniwo) nadal można by się czepiać, ale nie jest to już przerażająco destrukcyjne a jedynie wymaga zastanowienia i dobrania ogniw, które to łykną w warunkach jakie im narzucisz (skrzynka, chłodzenie, upał w lato itp).Jakoś założyłem, że będziesz żyłował czas ładowania by z jakiegoś powodu móc szybko z powrotem wypływać. Dlatego proponowałem zmniejszenie prądów do wartości bezpiecznych kosztem użycia kilku kompletów akumulatorów. W sytuacji gdy ładowanie będzie zajmowało 2-3 godziny, jestem spokojny.

Jeśli chodzi o złącza, to produkt jak każdy inny. Jeśli ktoś wysilił się i zrobił dobre, wysokoprądowe złącze szczelne, to ono jest na jakiś rynek i swoje kosztować będzie. Niełatwo dobrać materiały by wytrzymywały ileś rozłączeń przy zachowaniu małej rezystancji, by uszczelki nie rozłaziły się po roku i by ogólna jakość tego produktu była kontrolowalna. To kwestia odpowiedzialności producenta za parametry eksploatacyjne wyrobu. A to kosztuje. Może spróbuj pójść inną ścieżką: maksymalnie wyeliminuj złącza poprzez szczelne przepusty w obudowach (sporo tańsze) i połączenia na stałe. W skrzynce akumulatorów zrób szczelny wyłącznik/hebel a ładowanie możesz przeprowadzać w warunkach suchych, w pomieszczeniu, po otwarciu skrzynki i uzyskaniu dostępu do wewnętrznego, taniego złącza nawet typu XT90.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Avinetiv]

Ten prąd ładowania (60A) wziąłem z charakterystyki BMSa jako max. Na chwilę obecną nie dysponuję ładowarką takiej mocy (i nie mam tego w planach). W sumie, na dzień dzisiejszy, jedyne czym mógłbym ładować pakiet 4s to samorobny zasilacz warsztatowo-kempingowy na bazie starego zasilacza komputerowego:

Wepchnąłem tam przetwornicę step-up 150W (z własną, aktywną wentylacją powietrzem). Na jej wejściu oprócz 12V z ATXa można podpiąć też akumulator.

Zagłębiłem się nieco w temat złączy marynistycznych i militarnych co potwierdziło moje obawy - koszt byłby porównywalny zarówno z pakietem 18650 jak i silnikami...
Szczelne przepusty rozważam gdybym nie znalazł lepszego rozwiązania, ale złącze musiałbym jakieś założyć (w razie braku lepszych kandydatów myślę o XT90-S).
Połączenie na stałe byłoby upierdliwe w transporcie i montażu/demontażu, ponadto utraciłbym zalety modułowości systemu (np. możliwości podpięcia innego akumulatora, albo awaryjnie podpięcia baterii bezpośrednio do silnika z pominięciem sterownicy.
Jakąś opcją byłoby też chamskie wyprowadzenie przez obudowę słupków lub grubych śrub i użycie klem/krokodylków akumulatorowych (widziałem w necie takie rozwiązanie), ale mając aluminiowy stelaż katamaranu wolałbym nie.

BTW: Marku - jeśli dobrze interpretuję Twojego nicka, to urodziny obchodzimy tego samego dnia.

Edytowano Styczeń 28, 2020 przez Avinetiv