Last Mile Vehicle

(1)

EXAMENS ARBETE

Elektroingenjör 180hp

Last Mile Vehicle

Power Board Kit

Linus Sandström

Examensarbete 15hp

2016-06-20

(2)

(3)

Last Mile Vehicle: Power Board Kit

1

Förord

Det här examensarbetet är utfört under hösten 2015 vid Halmstad Högskola. Utvecklandet är till stor del praktiskt och har därför varit väldigt givande samt skapat en vidare inblick för framtidsutsikter till prototypen och vilka tekniska utmaningar det innebär. I arbetet har personliga kunskaper ytterligare breddats inom flertalet områden då många olika problem hanterats.

Stort tack till Benjamin Vedder som bidragit med hjälp och rådgivning vid många val och kval i utvecklandet. Många tack även till sponsorerna som gjort detta arbete möjligt; ALMI, Halmstad Högskola, Ohana och Hallifornia.

Slutligen vill jag tacka; SET-avdelningens metallverkstad med tillhörande personal, Thomas Lithén och min handledare Tony Larsson.

(4)

2

(5)

3

Sammanfattning

Den här rapporten beskriver utvecklandet av en prototyp till ett elektriskt drivkit för longboards. Kittet är utvecklat för att vara monterbart på valfri longboard utan någon

förkunskap. Konstruktionen består i helhet av egenbyggt litiumbatteri med tillhörande laddare och balanserare. Borstlös likströmsmotor för det arbete som fordras, samt en trådlös kontroll för styrning. Ovanstående med tillhörande styrlogik och kretsar.

Den monterbara delen är inkapslad i metall och är designad för att vara skyddande och ergonomiskt för det bruk som är avsatt. Mekaniska detaljer, helhetsdesign och elektronik är framtagen med vederbörande mjukvara och tillverkade efter förmåga.

Mjukvaran för drivkitet är open source, i C miljö. Detta i kombination med tillhörande motorkrets, utvecklad av doktorerande civilingenjör Benjamin Vedder på Högskolan i Halmstad. Den trådlösa kontrollen kommunicerar med en elektronisk motorstyrning som har flera utbyggsportar och ytterligare beräkningskraft för eventuella framtida applikationer.

(6)

4

(7)

5

Abstract

This report describes the development of a prototype for a mountable electric drivetrain designed for longboards. The kit is developed to be mountable on a board of choice, by anyone despite prior engagement. Construction as whole is compiled of a self-composed lithium battery with cell balance charger, a brushless direct current motor for the related workload and a wireless remote for motor control. All the above, with its own control logic and circuits.

The entire mountable part is encased in metal and is designed to be isolating and ergonomic for the proposed use. All the mechanical detail, exterior design and electronics is done in relatable software and is later developed properly with tools available.

The software for the drivetrain itself is open source coded in C, this in combination with the EMC, developed by the PhD student Benjamin Vedder at the university in Halmstad. The wireless controller communicates with the electric motor controller which in turn has plenty of ports to expand on and develop further applications.

(8)

6

(9)

7

Innehållsförteckning

Kapitel Sida

1 Inledning 11

1.1 Syfte och mål 1.2 Krav

1.3 Avgränsningar 1.4 Problemformulering

2 Referensram och Metod 13

2.1 Grunder kring longboard som färdmedel 2.2 Tidigare system

2.3 Projektmodell 2.4 Hypotes 2.5 Finansiering

3 Teknisk Bakgrund 19

3.1 Drivenhet 3.2 Motorreglering 3.3 Batteri

3.4 Kommunikation och styrenhet 3.5 Lagar kring bruk av elfordon

4 Implementation 29

4.1 Beskrivning av delsystem 4.2 Design

4.3 Motorstyrning 4.4 Batteriövervakning 4.5 Styrenhet

4.6 Drivenhet 4.7 Batteri 4.8 Mjukvara

5 Resultat 49

5.1 Tester och felsökning

5.2 Sammanfattning av delsystem

6 Diskussion 59

6.1 Planering och genomförande 6.2 Resultat

6.3 Slutsats

7 Referenser 61

8 Bilagor 63

A Testade krav B Kretsscheman C Ekonomi

D Kravspecifikation E Gantschema F Bill of Material G EMC-mätning H Galleri

(10)

8

(11)

9

Förkortningar

PBK - Power Board Kit

BLDC - Brushless Direct Current EMC - Electric Motor Control PWM - Pulse Width Modulator RPM - Rounds Per Minute ESC - Electric Speed Control RND - Research And Development GUI - Graphical User Interface SPI - Serial Peripheral Interface BMS - Battery Management System BEC - Battery Elimination Circuit RC - Radio Controlled

DIY - Do It Yourself

LFP - Lithium Ferrophosphate SOC - State Of Charge

EMF - Enduced Magnetic Field FOC - Field Oriented Control EV - Electrical Vehicle RF - Radio Frequency

MOSFET - Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor

(12)

10

(13)

11

1 Inledning

Den här rapporten handlar om utvecklandet av en elektrisk drivenhet för longboards. Idag är teknik i konstant utveckling och många innovationer existerar som produkten av en idé.

Utveckling bär dock många gånger med sig en oförutsägbar biprodukt. Ett bra exempel på detta är hur vi som konsekvens av transportmedel påverkar miljön. Ett fenomen som under senaste decennierna blivit uppmärksammat av anledningen att kunna försäkra en hållbar framtid för kommande generationer.

Resultatet av sagd oro är olika miljövänliga alternativ till tidigare skadliga innovationer. Just detta skall uppmärksammas med arbetet, ett alternativ till hur vi kan transporteras. För att kunna väcka intresse kring detta, behövs dock mer än ett bra alternativ. Det behövs ett attraktivt alternativ som kan locka av personliga skäl.

På senare tid har en mängd olika elektriska alternativ dykt upp för allmänheten och några av dessa även för brädentusiaster. Vi befinner oss i början av en ny era, där den tillgängliga teknik som finns idag går att göra så liten, effektiv och billig att det finns helt andra förutsättningar för utveckling än vad det gjorde för endast 10 år sedan.

1.1 Syfte och Mål

Syftet med arbetet är att hantera miljövänligt transportmedel för korta sträckor. Detta genom att utveckla en prototyp till ett elektriskt drivkit för longboards, helt monterbart på valfri longboard utan förkunskaper hos användaren.

Målet är att uppnå en tillfredställande drifttid över respektabel distans i godkänd hastighet. Då arbetet involverar en prototyp finns tankar kring vidareutveckling och med hänsyn till budget innebär detta att uppmärksamhet sätts på att slutföra arbetet. Vilket betyder att

överdimensionering och enklare lösningar nyttjas där rum för bättre alternativ kan finnas.

1.2 Krav

För att försäkra syftet med arbetet så måste tillfredställande krav ställas. Där dem viktigaste är följande:

 Cirka 60 minuter drifttid

 Fartreglage med trådlös kontroll

 Hållbar konstruktion lämpad för en person Vidare krav se bilaga A.

(14)

12

1.3 Avgränsningar

Fokus ligger på att redovisa en färdig, fungerande prototyp. Begränsningar blir då aktuella rörande användandet av externt framtagen hård och mjukvara. Bedömningen är att ett sådant val får göras om det ses som oundvikligt och är det mest gynnsamma alternativet för

prototypen.

 Den motorkrets som kommer användas är inte egendesignad

 Studier kring batterikrets kommer utföras men inte utvecklas

 Motorn är inte egenutvecklad men kan komma att modifieras

 Lagar gällande privat bruk av elfordon och dess riktlinjer kommer inte visas hänsyn[1]

1.4 Problemformulering

Nedan är några av de viktigaste huvudfrågorna listade:

 Vad för slags motor skall användas och varför?

 Vilket batteri lämpar sig till prototypen?

 Utformning av batterikrets, hur går det till, hur skyddas varje cell på rätt sätt?

 Hur skall monteringssatsen utformas på bästa sätt? Vilka är gränserna?

 Hur driver motorn?

 Hur skall kontrollen se ut och fungera?

 Vilka hjälpsystem behövs omkring huvudsystemen?

 Vilka material är lämpligt för prototypen?

(15)

13

2 Referensram och Metod

Att ta sig fram på ett bekvämt sätt är något människan är bra på. Idag finns flera elektriska alternativ för kortare distanser. Problemet med dessa är ofta framkomligheten och pris. Många av dessa fordon har högt pris för att det ses som en fluga och inte som ett samhällsnyttigt fordon.

Det finns därför ett behov med detta arbete att ta fram grunden till ett billigt färdmedel.

Förhoppningsvis kan en slutprodukt uppmärksamma flera om detta faktum.

2.1 Grunder kring longboard som färdmedel

Longboarden härstammar från 1950 talet då vågsurfare gärna ville ha ett substitut till surfbrädan när vinden inte blåste. Resultatet var att man modifierade den redan existerande skateboarden med en plywoodskiva som formades likt en mindre surfbräda och sedan sattes skateboardens truckar på denna.[2]

Styrningen sker med hjälp av användarens egen kroppsvikt där truckarna följer varje

viktskiftning, samtidigt som kontakt med marken bibehålls. Genom att ändra viktfördelningen på boarden viker sig denna åt önskat håll, resulterar detta i svängningar då axlarna på trucken böjs in respektive ut. Idag finns många olika variationer av longboards men grundutförandet är fortfarande det samma. Se figur 1 för vidare förståelse av skateboardtrucken.

Ett resonemang har etablerats att boarden bör vara så nära marken som möjligt då detta underlättar att ta fart med foten samt att bromsa. Två kullager på varje hjul används för maximal framförning och stabilitet. Värd notering är att bromsar är inte existerar på den traditionella longboarden

Figur 1, komponentindelning av skateboardtruck

(16)

14

2.2 Tidigare System

Från början fanns endast privata hobbyprojekt men under dom senaste åren har flera aktörer insett att det finns en marknad.

Som bekant så är priset på den första kommersiella produkten ofta högt. Resultatet av detta är ett företag som sätter den första standarden och bara tiden kan avgöra om det finns någon annan som kan matcha denna till bättre pris. I dagsläget går det göra ett DIY drivsystem för runt halva kommersiella priset till samma eller bättre prestanda. Huvudorsakerna till detta är många. Tester, certifieringar, garanti, reklam, utveckling och så vidare.

Senaste åren har flera företag skapats kring denna form av transportmedel, vilket kommer leda till konkurrenskraftig marknad med fler alternativ och ett strävande efter bästa kvalité till lägst pris. Värt att nämna är att marknaden är näst intill icke existerande i Europa jämfört med USA. Nedan visas bilder på existerande system och en kort presentation av dessa.

2.2.1 Boosted

Amerikansk, crowdfundad på kickstarter 2014 och den allra första kommersiella el-longboarden. Ett lag med ingenjörer samarbetade för at ta fram den modernaste longboarden på planeten. Prisbelönt av flera tidskrifter och tekniska kommittéer för design och funktioner. Även applikation finns tillgänglig för att skapa egna profiler där maxfart och acceleration kan justeras för att ta vara på batteri och distans. Brädan och drivsystemet sitter ihop vilket innebär att det inte är ett modulärt system. [3]

Pris: 999-1499 USD

Lovad räckvidd: 11.2km – 12.8km Topphastighet: 28-35 km/h

Figur 2, boosted board¹

2.2.2 Enertion

Australiensk, en komplett bräda från ett urval av

komponenttillverkare. Enertion erbjuder även konsumenten alternativet att köpa respektive del till brädan separat.

Brädan riktas till en lite mer kompetent målgrupp då topp hastigheten är hög och ställer höga krav på användaren. [4]

Pris: 1,799 AUD Lovad räckvidd: 30km

Topphastighet: 45km/h Figur 3, enertion board²

1 Bildkälla: www.boostedboards.com

2 Bildkälla: www.enertionboard.com

(17)

15

2.2.3 Marbel

Amerikansk, likt boostedboards även

crowdfundad på kickstarter. Ger intrycket av ett väldigt seriöst företag som vill matcha lokala konkurrenter med bättre design och pris. Marbel har självutnämnt sig kunna erbjuda den lättaste och tunnaste brädan med tillfredställande fart och distans. Systemet är inte modulärt och är inbyggt i deras egen bräda som är gjord av kolfiber och kevlar. [5]

Pris: 1300 dollar

Lovad räckvidd: ≥25.6km Figur 4, marbel board³

Topphastighet: 40km/h

2.2.4 Mellow

Tyskt, även denna crowdfundad på kickstarter. Den här produkten är den som är mest lik PBK:n. Deras idé och start uppenbarade sig för bara några månader innan detta arbete tog form. Mellow beräknar att deras produkt är färdig i september 2016. Ett modulärt system monterbart på valfribräda. Extra spännande då deras motormontering skiljer sig mycket från ovanstående lösningar. Deras egenpatenterade lösning är att bygga in motorn i hjulet. En intressant aspekt är att man vid utformning av batteri tagit hänsyn till det lagar för

medtagande på flyg. [6]

Figur 5, mellowdrive⁴ Pris: 1699-3099 Euro

Lovad räckvidd: 15 km Topphastighet: 40km/h

3 Bildkälla: www.ridemarbel.com

4 Bildkälla: www.mellowboards.com

(18)

16

2.3 Projektmodell

Arbetet följer LIPS-modellen, denna beskriver på ett pedagogiskt sätt hur ett arbete i

projektform kan gå till och lämpar sig väl i relation till examensarbeten som detta. Modellen definieras av faserna; Före, Under och Efter arbetet, ofta med tillhörande underkategorier.

Under dessa faser bestäms milstolpar och beslut som grundar sig på resultat och inhämtad fakta. [24]

Nedan följer hur dessa tre faser har tolkats.

2.3.1 Förstudier och Analys

Då prototypen inte har någon beställare utan är utvecklat kring fristående idéer, riktas

uppmärksamhet på teori, tidigare system och planering av respektive delmoment för att uppnå kraven som formats under samma fas. Fokus ligger på att presentera en färdig prototyp vilket innebär att det måste förutspås vilka moment som kommer ta mest tid och fördela tiden enligt dessa.

Då ingen tidigare erfarenhet finns kring ämnet bör det klargöras vilka förutsättningar och möjligheter det finns för prototypen. Vilka alternativ finns för att slutföra arbetet och vad innebär detta om prototypen skall brukas i trafik. Dessa utforskas genom antalet förstudier dedikerat tillrespektive delsystem där litteratur och internet har varit största källorna.

Under arbetets gång så skapas en stor mängd dokumentation i form av arbetsloggar, projektfilmer, tester, planeringsunderlag och rapporter. Dessa arkiveras till största mån oförändrade där en ny version innebär en helt ny dokumentation.Relevanta dokument förväntas granskas och godkännas av berörd part.

2.3.2 Utveckling

Här tas ställningstagande till komponentval och vad detta medför till prototypen, uppdelat i fyra huvudgrupper:

1. Design, exteriör, interiör

2. Elektronik, EMC, BMS, styrenhet 3. Drivenhet, motor, batteri

4. Mjukvara, parameterjustering, RC-funktionalitet, BMS-EMC kommunikation I denna fas finns även utförande av olika aktiviteter i relation till planeringen som blev etablerad i förstudiefasen.

Då en komponent valts och inhandlats utförs ett individuellt test på denna om så möjligt.

Jämförelse kan då göras med teoretiska uppskattningar som gjorts inför valet. När flertalet komponenter är valda och funktionstestade skall systemet kopplas ihop och helhets testas.

(19)

17

Många vitala test på resultatet är dock väderleksberoende. Vilket betyder att tester får utföras i den utsträckning som är möjlig. Dessa tester är utformade för att kunna reflektera och bocka av det krav som etablerats under arbetets gång.

Då sannolikheten till livsfara finns vid en kortslutning i samband med arbete. Skall största försiktighet uppmärksammas.

2.3.3 Resultat

Här etableras förståelse kring om prototypen har uppnått sin fulla potential. Detta genom att reflektera över relevanta tester och funktioner. Här finns även utrymme kring diskussion kring alternativ och utbyten av komponenter inför eventuell vidareutveckling.

2.4 Hypotes

Utifrån egna uppskattningar finns övertygelsen att det går att bygga en farkost som ligger en bra bit under priser som finns på liknande fordon. Utöver detta finns även tron att det går att utöka aspekter som färdsträcka och hastighet medhjälp av tillgängliga alternativ som finns.

Ovanstående kommer att bevisas eller motbevisas vid arbetets slut.

Tanken är inte att matcha en exakt distans eller hastighet utan att etablera en förståelse av hur mycket som går att åstadkomma i förhållande till ekonomin. Dock sätts några minimum krav inom sagda områden, vilka förväntas uppnås.

2.5 Finansiering

Prototypen har en specifik materielbudget på 10 000 kronor och kommer hållas inom ramarna för denna. Vilket betyder att många lösningar väljs ur kostnadsperspektiv. Arbetet görs möjligt av sponsorer som uttryckt intresse för idéer och syfte:

 ALMI, Innovationstependiat

 Fåhréstependiet, Fristående innovation

 Butik Ohana, Hjul och truck

 Hallifornia, eventuell exponering av prototyp

Om lyckad prototyp slutförs finns möjlighet till finansiering för vidareutveckling.

(20)

18

(21)

19

3 Teknisk bakgrund

Här presenteras de största beståndsdelarna och hur ett drivsystem kan se ut, varför dessa är viktiga och hur dessa fungerar tillsammans.

3.1 Drivenhet

För att boarden ska kunna flyttas behövs någon form av drivenhet. Den största skillnaden som finns på respektive existerande system är valet av motor och hur drivningen till hjulen

fungerar. En mängd olika varianter av motorer kan användas men vissa uppmärksammas mer än andra. Det som främst bestämmer motor är vad denna skall brukas till men också aspekter som vikt, storlek, styrkort och batteri.

3.1.1 Motor

Eftersom batteridrift är involverat så innebär detta givetvis likspänning. Den första DC(Direct Current) -motorn uppfanns för drygt 200 år sedan, sedan dess har man lyckats utveckla oerhört små och kraftfulla motorer. Idag är hobbymarknaden fylld med billiga alternativ i olika former och variationer där den allra vanligaste varianten är den borstlösa

likströmsmotorn(BLDC). [7]

Generellt sätt finns bara två olika varianter av dessa; outrunner och inrunner.

Det som skiljer dessa åt är flera aspekter men den mest självklara att outrunners hölje är en del av axeln och därför en rörlig del.

När man väljer motor krävs noga beräkningar på vilket arbete som fordras och att motorn klarar av detta. Arbetet som motorn skall uträtta tolkas av bland annat av mätningar i effekt och varvtal, dock är mätning i vridmoment den mest vitala.

Rent teoretiskt är den mest ideala motorn den som brukas till cirka 85 % av sin prestanda, då är motorn som effektivast, kyls på rätt sätt och drar inte mer ström än vad den bör. Detta är problematiskt om man har en motor som skall hantera en variation av olika belastningar som till exempel olika personers vikt, vindmotstånd eller uppförsbackar. En motor som är

överdimensionerad och aldrig används till sin fulla potential kommer dra mer än vad som behövs för arbetet och kommer med stor sannolikhet bli för varm. En underdimensionerad motor kommer inte klara av arbetet där det extra vridmomentet är nödvändig. [8]

En annan viktig aspekt är momentet motorn skall klara av som har nära relation till den ström som behövs för detta. Väljs fel motor kan det båda skada andra delar av prototypen och även vara riskfyllt för användaren.

(22)

20

3.1.2 Montering

Efter studier av existerande system och projekt dras slutsatsen att det vanligaste sättet för montage är i form av utväxling från motoraxeln till skateboardhjulet via kuggrem och drivhjul. [9]

Det finns flera aspekter relaterat till detta:

 Utväxling ger ett högre moment

 Utväxling adaptiv för last

 Mindre ström dras vid hög last

 Svår att integrera i design

 Slitagedelar som behöver vård och utbyte

 Hög mekanisk tröghet vid frirullning

Den kraft som verkar vid singulardrift på ensamt hjul är förhållandevis väldigt stor och eftersom den kraften verkar direkt mot marken blir det en hävarmseffekt på cirka 10 cm. Den kompensation som krävs i motsatt riktning är dock så liten att den inte påverkar framfarten märkbart. Det vill säga trucken är tillräckligt stram för att brädan skall åka i rak riktning eftersom friktionen på resterande tre hjul är mycket mindre än det mekaniska motstånd som finns på drivhjulet.

Nästa alternativ är att integrera motorn i trucken på ett sådant vis att slitagedelar och opraktisk design försvinner. Detta i form av direktdrive, vilket innebär att någon kraftutväxling inte existerar och motor omsluts inuti hjulet. Resultatet är en hubbmotor, där axeln är stationär och en del av trucken. Varje rörelse av motorn är alltså en direkt utväxling på 1:1 ratio på hjulet då motorns hölje är del av hjulet.

Några aspekter:

 Välskyddad och gömd

 Mjuk acceleration

 Fri rotation utan överflödig tröghet

 Lågt moment

 Ineffektiv i uppförsbackar

3.2 Motorstyrning

Vanligtvis när val av motor är gjort, existerar färdiga motorstyrnings kretsar(ESC) som skall uppfylla dem mest grundläggande behoven för den motorn som valts, ofta av samma

tillverkare som motorn. Vill man utöka funktioner måste en eller flera delmoment inkluderas i konstruktionen och det som frånbörjan skulle vara litet och smidigt, blev sedan motsatsen.

ESC till BLDC-motorer blir väldigt fort komplicerade och därför svårkonstruerade. Detta eftersom borstlösa motorer saknar kommutator som har i uppgift att snabbt tala om eller koppla den pol eller poler som skall prioriteras härnäst för bästa rotation i motorn. [10]

(23)

21

Det blir kretsens uppgift att veta var rotorn befinner sig i förhållande till magnetfältet kring statorn. Styrningen sker genom tre segment som är uppdelade genom tre kablar, se figur 6 för illustration. För en tolvpols motor blir detta till exempel 4 poler per segment. Varje segment aktiveras i turordning hög eller låg och skapar då ett kraftfullt magnetiskt fält som påverkar permanentmagneter i höljet som får motorn att snurra.

Figur 6, segmentindelning av 12 pols BLDC motor

Segmenten är aktiverade genom ett antal MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field- Effect-Transistor) på ESC som snabbt kan slå av och på respektive segment beroende på den hastighet som efterfrågas på motorn i relation till lasten. Det hela förklaras som Pulse Width Modulation(PWM) där på och avslagning kan beskrivas av en graf genom att plottas ut över tid. Längre våglängd betyder längre påslagning enligt figur 7.

Figur 7, PWM i olika tillstånd

(24)

22

Här finns även ett samband till något som kallas dutycycle som definierar relationen mellan pulsvågen och styrningen av motorn. Dutycycle beskrivs mellan noll till hundra procent där procentantalet beskriver hur stor del av pulsvågen som befinner sig i på-läget. Dutycycle i motorsammanhang beskriver också motorns förbrukning av ström i relation till vad som dras ur batteriet. Ett exempel är en borstlös DC-motor av ovanbeskriven modell som kan hantera 10 Ampere för att utföra ett arbete men bara drar två Ampere ur batteriet. Dutycycle mellan motor och batteri beskrivs då som 20 %. [11]

En liknelse kan dras till trefasmotorer vars styrning påminner mycket om den här processen.

3.2.1 Elektrisk hastighetsreglering (ESC/EMC)

ESC är en mer primitiv krets vars huvuduppgift är att kontrollera hastighet och riktning på motorn. Innehåller ofta en enklare H-brygga och processor som har en förprogrammerad firmware för det motorfabrikat den är konstruerad till. I firmwaren finns parametrar som bestämmer hur försörjning skall hanteras i relation till last samt andra värden. Dessa firmwares är vanligvis anpassade för RC-helikoptrar och flygplan men går till viss mån att konfigurera.

Kretsarna har på senare tid börjat byggas med en Battery Elimination Circuit(BEC), vilket förser eventuell extern RC-receiver med spänning istället för att ha en egen energikälla. En av nackdelarna med ESC är att den inte alltid har särskilt tillförlitliga tröskelkontroller för

överlast och temperaturer. Ett alternativ är att komplettera ESC:n med extern processor som lämpligen även hanterar en receiver. ESC:n själv utvecklar värme vid drift och brinner med största sannolikhet upp om den används till något den inte är ämnad för. En bra tumregel är att kretsen skall tåla mer än vad motorn kan dra i ström.

EMC och ESC är egentligen samma sak, men refererar till EMC:n som en mer sofistikerad modell av reglerkrets som ofta inkluderar fler funktioner än ovanstående ESC. I första hand gjord för större och dyrare motorer och mer anpassningsbar för det syfte man söker. Istället för att ha en förprogrammerad firmware så går här, beroende på mikroprocessor, att använda önskad utvecklingsmiljö och designa egen mjukvara eller justera medföljande.

EMC:n har fördelaktigen ett antal expansionsportar för att bygga ut och hantera flera delsystem. Här finns även plats för ordentlig fyrkvadrantsfunktion som tillåter generativbromsning i både bak och fram riktning.

3.3 Batteri

Beroende på storlek av motor som valts behövs en specifik arbetsspänning. Används ett batteri som har för lite spänning, blir motorn ineffektiv och dess effekt går inte att utnyttja fullt. Drift med liten spänning till stor motor kan skada batterierna. Om för hög spänning väljs så kommer motorn med största sannolikhet att gå sönder förutsatt att ESC:n klarar av

batteriet.

I hobbyvärlden har man som bekant valt att skapa ett antal benämningar för att lättare kunna specificera vad man avser behöva till sitt fordon. När det kommer till batterier är dessa

benämningar skrivna som S och C. Där till exempel 10S berättar att det är 10 celler i serie och

(25)

23

till exempel 5C berättar att batteriet tål att laddas ut med fem gånger sin kapacitet. Det vill säga att sina amperetimmar gånger fem i total urladdningsström. [12]

I dagsläget är litiumbatteriet vanligast. Litium är en alkalimetall som reagerar relativt aggressivt med vår omgivning. Tillskillnad från blybatteriet blir litiumbatteriet mycket

känsligare för temperatur och urladdning. Litium uppskattas i många applikationer för att vara olämplig på grund av brandfara. Man kan då ifrågasätta varför batteriet existerar. Det hela handlar om energidensiteten, vilken är den mest uppmärksammade aspekten när det kommer till batterier. Denna uppskattas i energi per viktenhet. På den skalan hamnar blybatteriet väldigt långt ner och litium allra högst upp. En bra jämförelse är att en tank fossilbränsle på 50 liter innehåller ungefär 600kWh [13].

Figur 8, energidensitet uttryckt i wattimmar per kilo

 NiCd – Nickel Kadnium

 NiMH – Nickel Metal Hydrid

 LTO – Litium Titanoxid

 LFP – Litium Järnfosfat

 LMO – Litium Magnesiumoxid

 NMC – Nickel Magnesium Kobaltoxid

 LCO – Litium Kobaltoxid

 NCA – Nickel Kobalt Aluminiumoxid

I figur 8 finns vanligaste batterityperna tillhörande litium, där förkortningarna beskriver olika typer av kemiska föreningar. Beroende på vad man dopar litium med fås olika egenskaper på slutprodukten. Ofta involverar detta prestanda i utbyte mot stabilitet eller laddningscyklar per

(26)

24

cell. Olika egenskaper är bra i olika sammanhang. I till exempel i en elbil är säkerheten mer vital än extra amperetimmar i ett mer riskfyllt alternativ. [13]

Prestanda i batterier innebär bland annat cellens förmåga att hantera laddström, hur stor kapacitet batteriet kan hålla, hur många cykler en cell tål att laddas om och hur hög urladdningsström denna tål. I Electrical Vehicle(EV)-sammanhang så strävas det efter att ladda batterierna på samma tid som en vanlig biltankning. Något som är extra problematiskt då extra stress på cellerna bidrar till att dessa åldras snabbare eller hamnar i obalans.

Även om batteriet är utformat för en snabbladdning finns inga garantier för samma livslängd som om denna hade laddats med en mindre ström. Dessutom återstår det faktum att batteriet bara kan ta en snabbladdning till cirka 70 % kapacitet, efter det behövs cellerna balanseras och då används en mycket mindre ström enligt figur 9. [14]

Figur 9, generell laddningskaraktäristik för litiumbatterier

Det blir ganska uppenbart att laddningen är en väldigt precis process och bör respekteras i största möjliga mån. Även om det rent teoretiskt är möjligt att ladda ett batteri till 70 % på antalet sekunder, så blir det väldigt omständigt då en väldigt stor ström behövs.

Litiumbatterierna finns givetvis i färdiga format från diverse hobbyaktörer, med tillhörande balansladdare men finns det specifika önskemål är det fördelaktigt att bygga sitt eget pack, format efter applikation.

.

(27)

25

3.3.1 Äldre batterier

Ett av det vanligaste batterierna är givetvis blybatteriet. Fördelen med blybatterier är att det är en utpräglad och stabil teknik som funnits sen 1800 talet. Används fortfarande i stor

utsträckning till tyngre bränslemotorer där urladdning strömmen spelar störst roll. Dessa är relativt billiga, men väldigt tunga i förhållande till den energipotential som finns. [15]

3.3.2 Batteriövervakning (BMS)

Vid skapandet av egen konstruerat litiumbatteri, då flera celler sätts samman för att nå önskad förmåga, krävs ett system, Battery Management System, som kan behandla och sköta batteriet på rätt sätt. Ökandet av antalet celler betyder att det är oerhört viktigt att symmetrin över hela batteriet som en enhet, är korrekt. Ett batteri är lika starkt som sin svagaste cell.

För att förhindra risken att belastning eller laddning sker på fel sätt brukar därför separata kretsar skapas som matas med polspänning från respektive cell. Beroende på valet av batteri är givetvis celltrösklarna olika. Vissa celler är känsligare för att laddas ut, andra tål inte att överladdas alls.

BMS:et kan också bidra till en mer korrekt mätning på hur stor laddning av batteriet som återstår, även kallat State of Charge(SOC). En mätning över alla celler är ofta inte tillräckligt för att avgöra SOC med tillräckligt liten felmarginal. Temperaturer, överströmmar och livskvalité är också något som relateras till ett BMS.

Komplexiteten för ett BMS kan variera på många olika vis. Behovet av cellkontrollerna ökar linjärt med antalet celler. Om man önskar ha största möjliga övervakning och kontroll

involveras ofta någon form av mikroprocessor som själv kan balansera cellerna vid laddning.

Detta då enbart logiska kretsar snabbt blir väldigt många och därför inte lika pålitligt. [16]

3.4 Kommunikation och styrenhet

För att manövrera behövs någon form av fysisk kontroll som kommunicerar med longboarden. Denna skall lämpligen fattas med en hand och har som huvudfunktion att accelerera och bromsa.

Det finns flera olika standarder som kan tänkas användas för detta ändamål.

Lämpligt är att ett minimum av två separata knappar och ett analogt reglage. Utöver detta finns även utrymme att indikera batterinivå eller annat.

Reglering av motor sker som tidigare nämnt med EMC:n. In-parametrarna går relativt lätt att förlänga med hjälp av en kontroll. Kontrollen talar om för EMC:n vilken åtgärd som önskas och EMC:n utvärderar därefter vad den behöver utsätta motorn för i relation till last för att uppnå önskat ut-värde. Den här utvärderingen måste i grunden ha någon form av

förutbestämd process att genomgå. Fördelaktigen anpassad till tänkt applikation.

(28)

26

Beroende på val av komponent går det att programmera den här responsen på olika sätt.

Eftersom det handlar om ett kort avstånd från sändare till receiver så kan flera olika radiostandarder tänkas användas.

3.4.1 Expansionsportar

För att koppla samman moduler som en del av EMC:n finns flera möjligheter. Varje alternativ med unika egenskaper och fördelar.

CAN

Controller Area Network, är en fältbuss som normalt används inom bilindustrin. Arkitekturen bygger på att MCU:s(Microcontroller Unit) skall kunna kommunicera med varandra som nodkort utan någon värddator. Alla noder kommunicerar seriellt via två tvinnade ledare.

Noderna är parallellkopplade och kommunicerar asynkront med varandra vilket innebär att flera noder kan läsa och sända samtidigt utan hänsyn till varandras klockpulser.

Några fördelar med CAN är till exempel att antalet kablar i systemet minskar drastiskt samt att expansion av fler noder är enkel. Dock kräver varje nodkort en MCU, vilket kan göra implementation kostsam där ett billigare system hade varit ett bättre alternativ. [17]

UART

Universal asynchronous receiver/transmitter(UART), är en äldre port som bygger på att data överförs med en start och stoppbit. När data skickas över så delas den upp seriellt och sätts sedan ihop av mottagaren. UART är en ganska lätthanterlig port men inte att föredra om fler än två komponenter ska kommunicera. [18]

SPI

Serial Peripheral Interface, används vanligen i relation till MCU:er i inbyggda system.

Kommunikationen är full duplex och sker i master-slave arkitetkur vilket innebär att master kan välja mellan flera slaves genom individuell slave select anknytning. [19]

SPI-bussen definieras av fyra logiska signaler:

 SCLK: Serial Clock - klocksignal skickad från masternehet. All data som sänds synkas efter denna signal.

 MOSI: Master Output, Slave Input - data skickas från master till slav

 MISO: Master Input, Slave Output - data skickas från slav till master

 SS: Slave Select – separat ledare till varje slav som master använder för att välja enhet att kommunicera med

(29)

27 I2C

I-squared-C, använder likt SPI master-slave arkitektur. Den väsentliga skillnaden är att ingen SS finns. Istället så utför master en minnesadressering vilket innebär att det finns en

begränsning av antalet noder i relation till minnet hos master. Även här används masters klocksignal(SCL) tillsammans med en datasignal(SDA) men eftersom bussen definieras som en multi-master buss kan fler än en master vara inkopplade. Dessutom kan noder byta från slav till masterläge under drift.

För att undvika sändningskollision används klocksträckning och arbitrering vilket innebär att man använder någon av de två ledarna för att etablera en logisk nolla för att varsko andra noder att en annan försöker sända samtidigt. Detta ger slavnoderna en mekanism för flödeskontroll och försäkrar att bara en enhet sänder åt gången. [20]

USB

Universal Serial Bus, är en snabb seriell databuss som är populär i konsumentelektronik.

Standard USB levererar en matningsspänning på 5 Volt och upp till 500 milli ampere, flera varianter finns. Bussen är uppbyggd av fyra ledare varav två är matningen samt jord.

Resterande är två tvinnade signalledare och utgör ett bra skydd mot störningar. [21]

RC-modul

Ett enkelt alternativ är att använda en färdig RC-kontroll och mottagare för att styra EMC:n.

Detta är lämpligt då RC-hobby har existerat en längre tid vilket bidrar till en välutvecklad styrning och pålitlighet. Det innebär generellt att varje mottagare och kontroll är utrustad med ett litet externt chip som bestämmer vilket frekvensband man vill kommunicera över.

Räckvidden är dock tänkt för distanser väldigt mycket större än den tänkt till prototypen.

Detta gör kontrollen överdrivet stor i relation till behovet.

Till receivern finns som tidigare nämnt, klara hobby ESC vilket innebär att det mer eller mindre är ett fullständigt system efter montage och kopplande. [22]

Bluetoothmodul

En väldigt populär standard för korta avstånd som har blivit väldigt väletablerad i

konsumentelektronik sedan Ericsson tog fram tekniken 2004. Bluetooth är definierat över det olicensierade ISM(Industrial, Scientific, Medical)-frekvensbandet; 2,4–2,485 GHz[23] och hanterar flera standardprotokoll. Tekniken använder frekvenshoppning, vilket innebär att den efter varje skickat paket byter frekvensband. Detta bidrar till en stabilare och mer störningsfri kommunikation. Tre Bluetooth klasser har definierats som talar om vilken räckvidd och maximal uteffekt respektive klass behärskar. [23]

 Klass 3: 1 mW(0 dBm). Räckvidd <1 meter.

 Klass 2: 2.5 mW(4 dBm). Räckvidd <10 meter.

 Klass 1: 100mW(20dBm). Räckvidd <100 meter.

(30)

28

Sedan version 4.0 har fokuseringen kring Bluetooth varit strömsnåla applikationer och har därför en begränsad effekt på 10dBm.

Bluetooth finns som stand alone, vilket innebär att man använder mikroprocessorn som finns inbyggd på Bluetoothkretsen. Det finns flera plattformar som stödjer utveckling med

Bluetooth och tillgängliga bibliotek, Raspberry-pi och Arduino är två enkortsdatorer som är exempel på detta.

3.5 Lagar kring bruk av El-fordon

Sedan februari 2016 så gäller följande [1]:

 Elfordon med trampor; max 250 watt som bara kan förstärka trampningen upp till 25 km i timmen

 Elfordon utan trampor med maxhastighet 20 km i timmen; (a) max 250 watt eller (b) självbalanserande (ex. Segway).

 Elfordon utan trampor, som är avsedda för personer med fysisk funktionsnedsättning.

De har ingen effektbegränsning men en maxhastighet på 20 km i timmen (ex.

elrullstol, el-skoter).

Med dessa regler blir det väldigt svårt att ta fram ett fordon med nämnvärd prestanda. Lagen är förvisso formad kring bruket av eldrivna cyklar men bör ses över då lagarna tycks vara onödigt strikta. Som tidigare nämnts kommer dessa lagar alltså inte visas någon hänsyn, dock finns kryphålet att longboarden är skapad innan lagen etablerades.

Förutom dessa lagar finns även CE-certifieringar som en produkt skall klara av innan den får säljas som involverar elektromagnetiska störningar i olika frekvensband.

(31)

29

4 Implementation

För att kunna avgöra delsystem och hur dessa utformas med respekt till tidsramen, utförs val baserat på beräkningar från förstudier. Huvudkriterier som hanterats vid beräkningar:

 Hastighet: 25km/h

 Drifttid: 60 minuter

 Accelerationstid: 5 sekunder.

Som tidigare nämnt är arbetet uppdelat i olika delmoment. I detta kapitel redogörs valen för dessa.

4.1 Beskrivning av Delsystem

Prototypen består av; design, elektronik, drivelement och mjukvara. I varje grupp finns antalet undergrupper som respektive delmoment består utav. Figur 10 ger en grov översikt av viktiga delsystem.

Figur 10, flödesschema av vitala komponenter

(32)

30

4.2 Design

Estetik och ergonomi har i prototypstadiet, inte jättestor betydelse. Utav den anledningen läggs störst fokus på en säker och funktionell inkapsling. Då systemet konstrueras som modulärt, innebär det att det bör ha en någorlunda relevant passform för flertalet olika longboards. Figur 11 beskriver några av dessa.

Figur 11, några karakteristiska aspekter hos en longboard

Hjul och truckar tilldelas av sponsor, för att kunna försäkra önskat resultat valdes breda truckar och 80 mm stora hjul. Det finns ett antal avgränsningar som måste behandlas som restriktioner vid utformandet av inkapsling och motorfäste. Bland dessa tillhör nedanstående:

 Avståndet från undersidan av longboarden till marken

 Hur bred en longboard tillåter inkapslingen att vara

 Böjning på longboarden

 Tolererans för stötar och klimat

 Inte hindra svängningar

Med hänsyn till dessa kriterier dras slutsatsen att stål är det materiel som är mest lättarbetat och passar bra i budget. Stål är en ferromagnetisk metall som bör hållas i tillräckligt avstånd från motor. Alternativet är aluminium som har 60 % lägre densitet men är för tidskrävande att hantera.

Alla komponenter skall få plats i inkapslingen, dessa behövs isoleras individuellt. Även inkapslingens hölje behöver skydd vid en kortslutning. Detta görs på bästa sätt genom att använda kablar ämnade för ändamålet och täcka innanmätet med isolering. En isolator som har uppmärksamts är kapton. Denna film är en elektriskt isolerande tejp av komplicerad kemi, uppfunnen av DuPont 1960 [25]. Kapton används främst till isolation av kretskort men även av andra applikationer i extrema temperaturer; −269 till +400°C.

Som tidigare nämnt, är inte designen en vital del. Det enda krav som ställs är funktion och säkerhet. För att skapa en bättre visualisering kring hur inkapslingen kan se ut används ritprogrammet Catia V5. I ritningarna visas hänsyn till avstånd som tagits upp i tidigare avsnitt.

(33)

31

Figur 12, Visualisering av prototyp i Catia V5

Som illustrerat i figur 12, utstickande komponenter placerade på monteringsplatta med hänsyn till avstånd och funktion. Kåpan skapas enligt måtten på monteringsplattan och behöver därför inte illustreras på samma sätt. Kåpan fästs på monteringsplattan under truck och med skruvar på respektive sida.

För att förverkliga visualiseringen, skärs bottenplatta och kåpa ur tre respektive två millimeter tjocka stålskivor. Kåpan och monteringsplattan bockas, svetsas och bankas på städ för

formgivning. Inner och utsida spraymålas och lackas för att skydda mot rost. Insidan täcks i största mån av kapton för att skydda höljet från att bli en utsatt del.

För att skydda VESC, ritas en liten låda i Catia med fyra monteringshål. Lådan förses med utrymme för plexiglas så övervakning av statuslampor underlättas. Den skrivs sedan ut av 3D- skrivare i plast.

4.2.1 Motorstöd och drivhjul

Motorstödet har en mer avancerad profil. Stödet fräses ut med stor precision ur ett åtta millimeter tjockt block. Ursprungliga idén var att svetsa fast motorstöd på tilldelad truck. Då trucken var tillverkad av gjutjärn fick annat alternativ sökas. Motorstödet spraymålas och lackas.

För att garantera stabil remdrift utan stödflänsar får inte avståndet mellan axlarna vara större än diametern på största drivhjulet multiplicerat med tre.

(34)

32

4.3 Motorstyrning

Här redogörs vilka val som finns tillgängliga för att styra en motor till prototypen och även hur den trådlösa styrningen av denna skall hanteras.

4.3.1 VESC

Vedder Electric Speed Controller(VESC), utvecklad under tre års tid av Benjamin Vedder.

Hård och mjukvara är open source. Vilket betyder att vem som helst kan ta del av ritningar och kod.

VESC:en är en sofistikerad treledares BLDC-motorstyrnings krets som har världsomfattade uppskattning av hobbyenthusiaster, även ett forum har skapats kring komponenten. VESC:en består av ett flerlagers Protective Cuircuit Board(PCB) med hundratalet ytmonterade

komponenter. Bland dessa komponenter ingår en kraftfull ARM STM32F4 MCU som arbetar på 168 Mhz. [26]

Som tidigare nämnt, så sker snabb styrning av en BLDC-motor med MOSFETs.

MOSFET är en typ av transistor som används som switch eller förstärkare av elektroniska signaler. Den definieras av fyra terminaler enligt figur 13. I applikationer med hög ström och spänning är MOSFET att föredra framför vanliga transistorer. Den ström som behövs för att slå på FET:en är väsentligt mycket mindre än på vanlig transistor. [27]

Figur 13, MOSFET med terminaler, gate är separerad från body med en isolator

På VESC:en används sex IRFS7530, en högeffekts MOSFET av inkapslingstyp D2PAK.

Skillnaden mellan denna och en vanlig FET är att den har en vertikal struktur. Vertikal struktur gör det möjligt för transistorn att behålla hög tröskelspänning och hög ström.

Spänningsantalet beror på typ av dopning och tjocklek över substratet, strömantalet beror på tjockleken av kanalen mellan source och drain. [27]

I en högeffekts FET så finns några generella karaktäristiker för respektive läge. Vid

påslagning så uppvisas ett resistivt beteende mellan terminalerna. Denna resistans betecknas som RDSon och har nära relation till effektförluster som uppstår vid drift. Resistansen och komponentens breakdown voltage definieras av tjockleken på av det dopade lagren.

(35)

33

Breakdown voltage bestämmer hur stor spänning som behövs för att komponenten skall leda när den är avstängd. Detta innebär ett direkt förhållande mellan hur mycket spänning FET:en skall tåla och den resistans som uppstår vid påslagning, där högre spänningstolerans betyder en högre resistans.

Högeffekts MOSFET:en har egenskapen att kunna slå av och på väldigt fort. Denna egenskap limiteras av den interna kapacitansen. Vilka måste laddas upp eller laddas ur när FET:en skall byta tillstånd. Kapacitansen måste visas hänsyn vid designandet av kretskort, om inte den krets som styr tillståndet kan hantera dessa in och ur laddningar i önskad hastighet kommer FET:en inte fungera som önskat. Figur 14 och 15 visar dem avgörande kapacitanserna.

Figur 14, inrekapacitanserna från datablad till IRF7530

VESC:en driver FET:sen med en speciell drivkrets, DRV8302, som också fungerar som buck converter och shunt amplifier. Vilket innebär att drivkretsen även ansvarar för

spänningsreglering.

𝐶_𝑖𝑠𝑠 = 𝐶_𝐺𝑆+ 𝐶_𝐺𝐷 𝐶_𝑜𝑠𝑠 = 𝐶_𝐺𝐷+ 𝐶_𝐷𝑆 𝐶_𝑟𝑠𝑠 = 𝐶_𝐺𝐷

Figur 15, inrekapacitanser definierad genom formler

En till begränsning för hur snabbt FET:arna klarar av att ändra tillstånd finns. Elektriskt Round Per Minute(ERPM). Där ett varv representerar ett varvs aktivering av segmenten i motorn. När ERPM ökar, ökar även förluster exponentiellt. I VESC:en finns en känd tröskel för dessa förluster omkring 60 000 ERPM, där förlusterna börjar bli signifikanta. Det

motsvarar cirka 8600 mekaniska RPM i motorn för en 14-pols motor. [29]

På mönsterkortet hittas stöd för USB, CAN, UART, I2C och även inkoppling av hallsensor.

Det finns även tillhörande bibliotek och guider för utvecklande av applikationer som hanterar respektive port.

En aspekt som inte är självklar är bromsningen av motorn. I en BLDC-motor finns bara ett sätt att bromsa på utan någon mekanisk konfiguration och det är genom att vända på

riktningen av strömmen. Kort förklarat innebär detta att man använder motorn som generator.

Där lasten genererar en ström till batteriet. Förloppet förklaras som generativbromsning.

(36)

34

Som tidigare nämnt anpassas ofta färdiga motorstyrningar efter en speciell motor, VESC har förmågan att mäta inre resistans och impedans hos inkopplad motor för att försäkra korrekt drift för vald motor.

En programvara har utvecklats kring VESC där reglering av motor kan justeras och appliceras. I denna GUI(Graphical User Interface) finns även diagnostiseringsverktyg för realtidsmätningar.

4.3.2 Enkortsdator

Alternativet till en färdig motorstyrning som VESC eller annan färdig RC-modul, hade varit en enkortsdator. Där dem vanligaste är Arduino och Raspberry-pi. Nackdelen med dessa är att ingen är anpassad för BLDC-styrning. Vilket betyder att processorns styrning hade behövt kompletteras av ännu ett kretskort. Det innebär att antalet komponenter och platsen dessa tar växer i antal.

Utöver detta innebär det också att respektive enkortsdator hade behövt kodas från grunden.

Med hänsyn till den tid skaparen lagt på utveckling av VESC, är realiteten att detta alternativ inte är ett bra val. Skapandet av en egen enkortsdator med mer anpassade komponenter är också ett dåligt val i förhållande till tidsplan och tidigare erfarenhet.

4.3.4 Slutsats

Bedömningen är att det inte finns något som kan jämföras med VESC:en. Det antal funktioner och egenskaper som komponenten behärskar finns inte i någon liknande modul. Att skapa en lika komplett komponent finns inte inom tidsramen för prototypen.

Tabell 1, översikt av tillgängliga alternativ

Typ Fördelar Nackdelar

VESC  Många nyttiga funktioner

 Utformad för syftet

 Stor support vid fel

 Välutvecklad

 Lödning av komponenter

Arduino  Färdigt utvecklingskort

 Lätt kod  Måste kompletteras av många

delmoment

 Programmering

Raspberry-pi  Färdigt utvecklingskort  Måste kompletteras av många delmoment

 Programmering RC-krets  Färdig styrning av motor

 Funktions garanti  Måste kompletteras av många delmoment

(37)

35

Eftersom lösningen som nyttjas är ett färdigdesignad PCB, krävs endast lödning av

komponenter. Dem minsta detaljerna är en fjärdedels millimeter. Av den anledningen brukas stereoskop som ger åtta gångers förstorning. Vissa komponenter kräver även hetluftslödning.

Bland dem mest utmanande finns drivkretsen och processorn som tillsammans har 120 ben och även jordyta på baksidan av komponenten. Dessa kontrolleras noga då en fellödning kan innebär kortslutning och skrotning av hela kortet. För att få en jämn matning till motor väljs tre kondensatorer på 63 Volt och 560 mikrofarad. Dessa fästs på polkablarna i anslutning till VESC:s spänningsinlopp.

4.4 Batteriövervakning

För att balansera varje cell behövs någon form av övervakning. Övervakningen går att lösa på olika sätt och i olika utsträckning.

4.4.1 Integrerad krets

Att integrera BMS:et i boarden innebär skapande av mönsterkort med tillhörande komponenter. Det allra vanligaste sättet att skapa denna krets, är med hjälp av logisk konfiguration. Det innebär att ingen MCU är inblandad för att kontrollera specifika värden utan användandet av väl valda motstånd och kapacitanser styr switchlogik för att hantera önskade spännings och strömvärden. Nackdelen med lösningen är hög komplexitet vid högt antal celler och att logiska komponenter kan förlora funktion som produkt av temperatur vid drift. Vilket leder till att kontroller och övervakning inte är lika pålitliga efter en längre tid.

Det andra alternativet är att använda en MCU, vilken kan behärska mer exakta kontroller med flera decimaler. Denna lösning är också kompatibel med flera av expansionsportarna på VESC:en. Detta ger en helhetslösning som kan stänga av berörda delar vid uppnått kriterium.

4.4.2 Extern laddare

I hobbyprojekt med liknande innehåll används balansering vid varje laddning. Det innebär att alla celler har samma spänningsnivå innan batteriet brukas. För att den här metoden skall fungera är det vitalt att alla batteriets celler har samma inre resistans och impedans. Genom att koppla flera batterier parallellt hjälper dessa varandra att laddas ur symmetriskt. Om en

kontroll för total spänningsnivå över hela batteriet etableras, ger det en tillräckligt exakt estimering när batteriet bör kopplas bort för att undvika skadlig urladdning.

Eftersom batteriet behöver kopplas ur för att laddas innebär detta att någon form av skydd behövs för strömspikar som kan uppstå vid återkoppling. En liten krets behövs därför skapas som ger en jämn inmatning.

(38)

36

4.4.3 Slutsats

Lösning som väljs är extern laddare; Cellpro 10XP, den enda tillgängliga 10S laddaren. Även om detta inte är lösningen som kommer användas i en slutprodukt.

Tabell 2, för och nackdelar mellan olika BMS

Integrerad, logisk  Uppfyller minimumkrav

 Komplicerad

 Lång utvecklingstid

 Dyr

 Mindre exakt Integrerad, MCU  Väldigt exakt

 Kommunikation med VESC

 Fler kontroller

 Initiering av processor

 Ingen tidigare erfarenhet

Extern laddare  Billig

 Ställbara laddningsvillkor

 Cell övervakning med GUI

 Särplockande av kit

 Skapande av stödkrets

Valet skapar vidare möjligheter för att utforska laddningstid vid olika strömmar. Extern laddare har stöd för flera batterikemier vilket betyder att annan typ av batteri kan testas och jämföras i en vidareutveckling.

Eftersom batteriet har möjlighet att ladda ut väldigt stor ström, skapar det en risk för

strömspikar vid inkoppling till VESC. Även om VESC:en kan hantera höga strömmar finns en risk att skada komponenter. För att förhindra dessa skapas en krets. Kretsen ritas i KiCad och dess huvudkomponenter är två IRFS7530 MOSFET:s. Deras uppgift är att sakta slå på tillförseln från batteriet när en switch ändrar tillstånd. Detta löses med hjälp av en zenerdiod, kondensator och två resistanser.

Teoretisk operation; när switch sammankopplar punkt P3 och P7 matas spänning från R1 till gates. Detta skapar även en ström genom kondensatorn som sakta börjar laddasupp i samma takt som transistorerna öppnas. När 12V nås är transistorerna helt påslagna och dioden leder i backriktning. Figur 16 visar en översikt för vidare förståelse.

När P7 sammankopplar P8 får gates ingen matning och kondensator laddas ur.

Figur 16, logiskt schema på krets

(39)

37

4.5 Styrenhet

Det finns en större mängd sändare och mottagare att köpa men väldigt få som inte är gjorda för RC-bil eller flygfarkoster. Nackdelen med dessa är att dem är anpassade för en längre distans. Detta innebär att kontrollenheten ofta är väldigt stor och överdimensionerad utan fördel för prototypen. I det här stycket hanteras vad som finns tillgängligt utöver detta.

En viktig aspekt hos en styrenhet är en analog knapp eller givare. Då en digital knapp endast kan ge 1/0 tillstånd är detta inte önskvärt vid hastighetsreglering om man stegvis vill kunna justera hastigheten.

4.5.1 Wii Nyko Kama

Nyko Kama är en trådlös version av Nintendo Wii:s kontroll. Sändaren på 2.4Ghz som sitter inuti denna är väl lämpad för dem distanser som avses. Kontrollen fattas med en hand och har enkel manövrering över dem knappar som finns. Kontrollen drivs av två utbytbara batterier.

Nyko Kama är tidigare testad tillsammans med VESC:en, med varierande resultat. Problemet är att det inte går att omprogrammera kontrollen. Optimering görs därför genom mottagaren där kommunikation sker på I2C. Varje knapp och funktion måste därför identifieras manuellt.

4.5.2 Wii Nun-chuck

Föregående alternativ är väldigt attraktiv på många punkter men begränsad. Det är svårt att omprogrammera Nyko Kamans MCU. Lösningen på detta är att ta höljet till en liknande kontroll och skapa en krets som passar i kontrollen. Detta ger även möjligheten att välja passade sändare och MCU.

Det finns flera exempel på vilka sändare som har haft framgång med VESC:en. En av dessa är NRF24L01+ i kombination med en lågenergi 32-bits ARM processor, till dess komponenter finns fungerande kod. Denna kommunicerar med en färdig antennmottagare med chip från samma tillverkare.

Kommunicering sker på 2.4Ghz genom SPI. Kontrollen tilldelas en adress som mottagaren känner till, vilket ger en säkrare parning.

4.5.3 Egen modul

Att skapa en egen sändare hade gjort prototypen mer unik och något som lämpar sig för en slutprodukt. Detta innebär att skapandet av den fysiska enheten också kan göras från grunden.

Nackdelen med detta är att det generellt sätt är väldigt utmanande att designa en radiokrets.

Detta innebär mycket extraarbete som i slutändan inte garanterar ett bra resultat.

(40)

38

4.5.4 Slutsats

Valet blir den konfigurerade Nun-chucken. Då det finns mycket stöd vid felsökning och initiering, ger den störst trygghet för funktion.

Tabell 3, för och nackdelar mellan olika moduler

Wii Nyko Kama  Billig

 Uppfyller baskrav

 Inget extrajobb

 Kända problem

Wii Nun-chuck  Konfigurerbar

 Garanterad funktion  Initiering av processor

 Extrajobb

 Dyr Egen modul  Unik design

 Valfria komponenter  Ingen garanterad funktion

 Ingen tidigare erfarenhet

 Mycket extrajobb

Även här finns ett färdigt schema för kretsen men storleken på PCB väljs för att passa i en original Nun-Chuck. Detta genom att öppna sagd Nun-Chuck, mäta det existerande

mönsterkortet och använda mätningar som referens vid beställning. Från Nun-Chuck skördas också den analoga spaken. Spaken är rörlig i 360° och dess position definieras av X,Y koordinater med hjälp av två fjädrade potentiometrar enligt figur 17.

Figur 17, joystickens beståndsdelar

På PCB finns MCU och radiokrets som är svårast att löda, radiokretsen går inte att löda med kolv utan måste placeras med hög precision innan lödningar på alla ben och jordyta stelnar.

Sändaren som hanteras av radiokretsen sitter på ett eget litet kretskort och dess anslutningar löds samman med mönsterkortet.

Vid montering trimmas insidan av kontrollen med tång för att göra plats åt utstickande komponenter. USB ingång fästs med limpistol där sladden till kontrollen ursprungligen satt, denna används för portning av mjukvara och laddning av ett encelligt li-polymer batteri.

(41)

39

4.6 Drivenhet

För att hela systemet skall fungera är det viktigt att komponenterna är kompatibla, något som är extra vitalt för drivelementen prototypen.

4.6.1 Motor

För att välja en motor som klarar av kraven som prototypen involverar, utförs estimeringar på vilka krafter detta innebär. Några av dem betydande variablerna som avgör beräkningarna är:

 Massan på användaren

 Önskad hastighet

 Variation av lutningar

4.6.2 Kraftberäkningar

För att uppskatta en medelvikt på användaren bör det tas hänsyn till vilken målgrupp

prototypen riktar sig till. Av personliga erfarenheter dras slutsatsen att den siffran är cirka 80 kilogram. För att skapa god marginal sätts därför medelvikt till 95 kilogram.

Enligt Newtons andra lag så innebär det:

𝑚 ∙ 𝑔 = 95𝑘𝑔 ∙ 9.82𝑚/𝑠² = 932.9𝑁

Dock beskriver detta endast den vilande kraft som verkar mot jordens centrum via dragningskraften. För att bestämma en kraft för en massa som skall flyttas behövs en definition på vilken hastighet massan skall uppnå. Som tidigare nämnt tas ingen hänsyn till gällande lagar för elfordon. Därför sätts en önskad hastighet på 25 km/h omräknad till m/s medhjälp av kvoten mellan dessa mått:

25𝑘𝑚/ℎ

3.6 = 6.94 𝑚/𝑠

I det här sammanhanget är det viktigt att skilja hastighet från acceleration. För att hitta önskad acceleration används:

𝑣_𝑓 = 𝑣_𝑖 + 𝑎 ∙ 𝑡

Där 𝑣_𝑓 är slutgiltig hastighet och 𝑣_𝑖 är hastighet från start. En lämplig tid från stillastående till önskad hastighet är 𝑡 = 5𝑠. Vi hittar då accelerationen 𝑎:

𝑎 =𝑣_𝑓

𝑡 =6.94𝑚/𝑠

5𝑠 = 1.38 𝑚/𝑠²

Åter till kraften som krävs för att flytta 95 kilogram med accelerationen 1.38𝑚/𝑠²: 95𝑘𝑔 ∙ 1.38𝑚/𝑠² = 131.1𝑁 + 12𝑁 = 143.1𝑁

(42)

40

Där en mekanisk tröghet från longboarden på 12 Newton har adderats. Trögheten beskriver den kraft det krävs för att sätta en fast kropp i rullning utan att vidare accelerera. I det här fallet innebar det den kraft det krävdes för att flytta longboarden med sagd massa på denna.

Kraften uppmäts genom att dra lasten med hjälp av en newtonmeter tills brädan kom i rullning. Testet upprepades antalet gånger för att försäkra samma resultat.

Det betyder att friktionen kan försummas, mekaniska trögheten blir ett lämpligt komplement då denna är mycket större. Ytterligare finns kraften som beskriver luftmotståndet, som går att uppskatta genom den generella formeln:

𝐹_𝑑 =¹

2𝐶𝜌𝐴𝑣²

För att lösa formeln behövs estimering av några variabler. 𝐶 definierar strömlinjeformen på objektet. Där ett teoretiskt exakt horisontellt objekt som rör sig med luftmotståndet definieras som noll och ett vertikalt objekt direkt framför luftmotståndet definieras som ett. Då en person inte kan beskrivas som en vertikal vägg men är långt från horisontal, sätts uppskattningen 0.75.

Nästa variabel är 𝜌 som i det här fallet är luftens densitet vid 20 C^°, 1,21 𝑘𝑔/𝑚³.

Tvärsnittsarean 𝐴 har stor felmarginal men uppskattas till 2.77 𝑚² utifrån en individ med en längd på 180 cm och en genomsnittlig bredd på 20 cm. Hastigheten angiven sen tidigare, vilket fordrar:

1

2∙ 0.75 ∙ 1.21𝑘𝑔/𝑚³∙ 2.77𝑚²∙ 6.94²𝑚/𝑠 = 60.24𝑁 ^{𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡}→ 203.34𝑁 Ovan beskriven kraft gäller för planmark. En realistisk lutning som kan beräknas är 30°, figur 18 visar vilka krafter som avgör arbetet.

Figur 18, verkande krafter på longboard i uppförsbacke

Kraften för som behövs för att motverka lutningen definieras av: