Hold me, machine Messiah And show me The strength of your singular eye.
Svírej mě, strojový Mesiáši a ukaž mi sílu tvého jednoho oka.
(Yes, album Drama, píseň Machine Messiah, 1980)
Konečně jsem dospěl k totální závislosti na elektrokole, k elektrické totalitě. Přišel čas zbavit se tlačného vozíku, který byl sice super, najezdil se mnou 3 500 km, nikdy se "nevysral," dalo se toho do něj naložit opravdu mnoho, s Li-ion baterkou ukrutně ožil na zvíře, co se mnou po rovině uhánělo 40 km/h, ale po pravdě řečeno, nebylo to ještě ono, nebylo to skutečné elektrokolo, byla to spíš taková "souprava," která měla ráda naleštěné asfaltové silnice I. tříd, ale na hrubší cesty, či snad do terénu se jí příliš nechtělo.
To vše se mělo změnit s koupí čínského elektrického komutátorového motoru MY1018 za nějaských 3 500 Kč, objednaného přímo z Číny, který byl nejprve plánován na projekt středového motoru do mého celo odpruženého Garyho Fishera, ale pro různé komplikace s tímto projektem, které se zasekly zejména na vyřešení montáže vhodného středového složení pro toto kolo (bohužel má domeček o rozměru 73 mm), si tento motor nakonec našel cestu do mého starého dobrého GT Karakorama (ovšem už dávno přebarveného na bílo a přejmenovaného na Shagiu), avšak v úplně jiné pohonné koncepci. Jinak u mého starého GT jsem už před léty v roce 2012 vyměnil nepůvodní odpruženou vidli za původní neodpruženou a naprosto skvělou Bologna Lite a opět si vychutnával skvělé vlastnosti této ocelové vidle. Kolo jsem postupně předělal na naprostý "commuter" s blatníky, vybavený nepropíchnutelnými plášti Schwalbe Marathon o "silniční" šíři pouze 1,35 palce, ke kterému pak připojil tlačnou kárku Velociraptor Mk. I a dojížděl s ním do práce.
Velociraptor Mk. I a zkušební jezdec Maty, jenž se podílel na vývoji
Nyní však zpátky k onomu motoru MY1018 450W (24V) a jak už jsem uvedl, je to stejně jako motor MY1016 použitý u tlačné kárky Velociraptoru Mk. I, komutátorový stejnosměrný motor staré školy, který není nijak zvlášť drahý. Na tomto motoru je však zajímavých několik jeho vlastností:
- motor má hliníkově tělo, takže je relativně lehký (2,165 kg)
- na svojí váhu má docela slušný výkon (450W při 24V/24,5A)
- je velmi úzký, takže se vejde krásně do rámu i u běžného středového složení (mezi kliky)
- má již v sobě převod čelním ozubením o poměru 7,18:1 (pastorek 11 zubů a hnané kolo 79 zubů)
- uvedené vlastnost činí tento motor velmi univerzální (středový pohon, pohon zadního kola apod.)
Krása hliníkového těla motoru MY1018
Rozměrový náčrtek a parametry motoru MY1018 - verze 250, 350 a 450W (24 a 36V)
Převodovka motoru MY1018
Rotor s komutátorem motoru MY1018
Držák uhlíků a uhlíky motoru MY1018
Jak je vidět z fotodokumentace, konstrukce motoru není nijak složitá. Převodovka se dá snadno rozebrat (její čelo drží jen 4 šrouby), vyčistit a namazat novou vazelínou (je doporučováno tak činit každých 1 000 km, nebo když motor nějak zásadně změní svůj zvuk). Nevýhoda této převodovky s čelním ozubením je, že tak trochu "kvílí," hlavně pokud je v silným záběru a ve vysokých otáčkách (například u "převoltovaného" motoru). Vyrábí se rovněž i modifikace motoru MY1018 zvaná XYD16, která se liší jen tím, že má místo přímého ozubení použité ozubení šikmé a tudíž je tichá. Je však těžko k sehnání a dle zkušeností má v reálu nižší výkon než verze s přímými zuby (zřejmě má šikmé ozubení vyšší ztráty, hold nic není zadarmo). Protější čelo motoru (oproti převodovce) ukrývá držák uhlíků, jsou použity 2 a 2 uhlíky (každá z dvojice uhlíků je zapojena paralelně, aby se rozložil přenášený proud). Uhlík v držáků přitlačuje ke komutátoru malá pružinka (jako z propisky) a tyto pružinky se mi jednou podařilo, když jsem motor dlouhodobě přetěžoval 28A (28 : 2 = 14A na uhlík!) a napětím 48V (2x více než jmenovité!), vyhřát, takže se pružinky "smrskly" a přestaly uhlíky přitlačovat, motor postupně ztrácel výkon až se zcela zastavil. V tomto případě pružinky zafungovaly jako jakási bezpečnostní pojistka před spálením vinutí motoru. Naštěstí můj kamarád Kačer byl schopný tento motor opravit!
Jak už jsem tedy nastínil, převoltování (zvyšování výkonu zvyšováním napětím) komutátorových motorů se příliš nedoporučuje, jak však mám vyzkoušeno, že možné je a úspěšně jsem ho provozoval již na motoru MY1016, který je však širší a těžší (i když má udávaný nižší jmenovitý výkon jen 350W) než MY1018 a tím je i zřejmě odolnější (navíc nemá na jednom čele namontovanou převodovku a tudíž se lépe chladí). 450W motor MY1018 24V lze s jistou opatrností provozovat na napětí 36V (pak dostaneme 675W výkonu) a s hodně, hodně velkou opatrností i na 44,4 V (baterka 12S Li-ion, výkon 830W!!!)
Je však nutné dodržet tyto zásady:
1) být "lehký" na plynu, šlapat a nikdy "nervat" do motoru plný proud, když motor stojí, nebo je v nízkých otáčkách a kdy má naprosto mizernou účinnost a většina proudu se místo na mechanickou práci přemění hlavně v teplo. Stačí několik "motorkových" rozjezdů z místa "na plný plyn" a zaručeně upečete každý MY1018 motor, nejen ten převoltovaný (to je vyzkoušeno!). Uvědomte si, že plně nabitá Li-ion 10S 36V baterka má ve skutečnosti 42V a 12S 44,4V dokonce 50,4V a také to, že regulátory většinou dávají více proudu, než mají stanoveno (můj 24A pouští v reálu 28A). Takže teoreticky můžu poslat u 36V baterky do motoru 42 x 28 = 1176 W ! a u 44,4V baterky 50,4 x 28 = 1 411 W !! (ve skutečnosti o něco měně, kvůli poklesu napětí) a to už je pořádná síla!!! 2) Vysoký výkon motoru udržovat jen, když je motor v otáčkách a jen po určitou dobu, neboť tento "nadnominální" výkon není dlouhodobě udržitelný a motor stejně za čas přehřejeme vznikajícím ztrátovým teplem (buď roztavíme izolaci na vinutí a to je naprostý konec, či vyhřejeme uhlíky). Problém motoru MY1018 (a dalších podobných komutátorových jako MY1016) je totiž ten, že ačkoliv je tělo motoru hliníkové, což určitě pomáhá jeho ochlazování, jeho vinutí je na rotoru, který se otáčí uzavřený v hliníkové obálce a tudíž se vlastní vinutí může ochlazovat do pláště pouze přes vzduchovou mezeru a nikoliv přímo. 3) Berme v úvahu okolní teplotu (v létě za třicítek musíme být ještě mnohem opatrnější) a výškový profil, zda například zdoláváme kráká (byť strmá) stoupání a nebo dlouhá a strmá (kdy motor nemá šanci nějak vychladnout) a podle toho přizpůsobíme styl jízdy 4) Monitorujme - jak teplotu motoru, byť i pláště nějakým levným digitálním teploměrem z čidlem z Aukra za 80 Kč a monitorujme napětí (to se stejně hodí), proud a výkon alespoň levným modelářským Wattmetrem z Číny za 10 USD. 5) A hlavně nenechme se unést!!! Velký výkon = velká zodpovědnost!
Digitální teploměr čidlem z Aukra.
Modelářský Wattmetr (měří napětí do 60V a proud do 150A)
To snad k motoru. Pokročme nyní k vlastní konstrukci elektrokola. U mého "dopravního" GT bylo sice cílem zbavit se tlačné kárky, ale nadále jízdní kolo používat hlavně na silnici, ale také v lehčím terénu (na což prostě tlačný vozík příliš vhodný není), ale hlavně, používat toto kolo zejména k dopravě - k dojíždění do práce.
Dle toho jsem chtěl nadále zachovat jednoduchý "jednopřevodový" paralelní systém elektrické trakce, princip pohonu, na jehož základě fungoval i elektrický tlačný vozík Velociraptor Mk. I.
To znamenalo nejdříve vyrobit zadní kolo bicyklu, který by tento paralelní pohon umožňovalo a použít k tomu geniální řešení, s kterým přišel kamarád Kosťa již při vývoji tlačné kárky Velociraptoru Mk. I. Takže bylo nutné koupit volnoběžku s levým závitem (aby se nepovolovala). I u nás se naštěstí dá sehnat 20ti zubová volnoběžka na cyklistický řetěz s levým závitem, neb se používá na Babetě, jenž měla dokonce metrický zavit, nikoliv anglický palcový, jak je na cyklo (BMX) volnoběžkách obvyklé:
20ti zubová volnoběžka na Babetu s levým závitem
Pak koupit zadní kazetový náboj na kolo, který měl úchyt ("pavouka") pro kotoučovou brzdu.
Zadní kazetový náboj Shimano Deore s úchytem pro kotoučovou brzdu
Úchyt na kotoučovou brzdu (co je vidět vlevo na náboji) mi táta nechal odsoustružit a soustružník zde udělal nový závit na zmíněnou volnoběžku, která se našroubovala na náboj. Takto připravený náboj jsem pak musel nechat zaplést do nového ráfku v cykloservisu, přendat plášť, duši a kazetu ze starého kola a měl jsem připravené nové zadní kolo, jenž umožňovalo aplikovat dvojí paralelní pohon - normální "lidský" z pravé strany za použití stávajících převodů a elektrický z levé strany, kde jeho volnoběžka bude fungovat naprosto stejně jako volnoběžka na kazetě (na pravé straně) tj. pokud se náboj roztočí rychleji než elektrický pohon, volnoběžka se rozpojí.
Nyní již zbývalo vymyslet vlastní uchycení motoru. Nejdříve jsem chtěl tak nějak "okopírovat" řešení, jaké používala firma Currie u svého levného elektrokola eZip Trailz Commuter, které se prodávalo v amerických obchoďácích a které bylo právě poháněno motorem MY1018 (později XYD16):
uchycení motoru MY1018 u kola eZip
uchycení motoru MY1018 u kola eZip
Toto řešení se zdálo geniálně jednoduché, navíc i univerzální a tak jsem si myslel, že by se dalo snadno použít pro většinu jiných jízdních kol. Jenže držák na zadní vidlici se nakonec ukázal jako dosti obtížné řešení. Tovární elektrokolo eZip má totiž speciálně řešenou zadní patku vidlice s velkou rovnou plochou, navíc návarkem na další upevňovací šroub a vyřešené i posouvání celého držáku, kvůli napínání řetězu. U běžného kola je zadní patka malá a horní i spodní rameno zadní vidle se od patky zužuje směrem ke středu a sedlovce, což vytváří docela obtížný tvar držáku, který musí být zalomený, aby motor byl volnoběžně s volnoběžkou na náboji. Držák jsme vyvíjeli s tátou, ale jeho upevnění nebyla vůbec snadná záležitost, navíc převodový motor MY1018 vyvíjí, na rozdíl od běžného motoru jako je MY1016, na hnací řetězce značnou sílu, takže se "přitahoval" po hnacím řetězu směrem k volnoběžce, deformoval (ohýbal) i silný ocelový držák do té míry, že řetěz začal na volnoběžce přeskakovat. Toto řešení prostě nefungovalo.
Nakonec totálně zpruzený po dvou denním marném boji s držákem, jsem tento držák nakonec sundal, kus jeho části jsem uřízl flexou a toto torzo i s motorem jsem v podstatě přidrátoval do rámu kola, nad středové složení, takže to vypadalo, jako by šlo o středový pohon, ale ve skutečnosti jsem prodloužil řetěz a vedl ho od motoru dozadu na levou volnoběžku zadního kola. Hodil jsem provizorně baterku do batohu, "připojil se" a ono to fungovalo! A přímo báječně, váha motoru byla v těžišti, takže vůbec neovlivňovala jízdní vlastnosti a s kolem se skvěle manipulovalo. Pochopil jsem, že jinak umístěný motor prostě nechci.
Z toho testování z jara roku 2016 se dochovalo jediné video, které natočil můj syn Maty:
Začal jsem tedy znovu přemýšlet nad novým úchytem motoru a jsem hrdý, že jsem po několika dlouhých nocí, kdy jsem nemohl z tohoto přemýšlení usnout, jsem přišel s docela "geniálním" řešením tohoto uchycení:
Na rám kola se totiž dají uchytit dva držáky na láhev, dva šrouby jsou, jak bývá obvyklé, na spodní rámové trubce a dva na sedlové rámové trubce. Rozhodl jsem se tyto šrouby využít k uchycení dvou L profilů, které by držely desku, na které bude uchycen motor (za jeho 4 šrouby, co drží kryt převodovky). Tato deska s motorem bude mít drážky, aby se mohla vůči L profilům pohybovat (vodorovně směrem od zadního kola) a tím se dal napínat řetěz. Deska bude stažená k L profilům dvěma a dvěma šrouby. Vše jsme tedy s tátou odměřili a můj táta strojař nakreslil výkres a nechal vypálit ocelový prototyp držáku. Po mírných úpravách jsme s kamarádem Kačerem dostali držák na kolo, kde vlastně je dodnes (v plánu mám ale vyrobit nový, více minimalistický, odlehčený a hlavně hliníkový držák, nicméně celý systém uchycení bude stejný).
Uchycení motoru, pohled z pravé strany.
Uchycení motoru, pohled z levé strany.
Jakmile bylo toto vyřešeno, ostatní už byla hračka. Bylo to pájení (musel jsem třeba prohodit polaritu napájení motoru, protože motor je umístěn obráceně, než jak je konstrukčně zamýšleno a tak se v této konfiguraci uchycení normálně otáčí opačným směrem, než jak je třeba) a hlavně moje oblíbená práce s elektrikářskou lepenkou (mám úžasnou spotřebu) a tavnou pistolí, takže celé je to zbastleno naprosto dokonale. No, je to přece prototyp! Jelikož jsem samozřejmě u kola na každodenní dopravu nechtěl vozit baterku v batohu, namontoval jsem zpět nosič s brašnami, s tím, že levou brašnu využívám na přepravu baterky. Takovéto uložení baterky sice naprosto degraduje skvělé vyvážení (rozložení hmotnosti) tohoto elektrokola a váha baterky je při přenášení kola vzadu cítit, nicméně pro mě je výhodné, že si v kolárně v práci mohu baterku okamžitě odpojit, vyndat a odnést ji s sebou. Co se však týká vyvážení, lepší by bylo umístit baterku do rámu, nebo i pod spodní rámovou trubku.
Pohled na elektrokolo z pravé strany
Pohled na elektrokolo z levé strany
Pohled na levou volnoběžku na zadním náboji
Pilotovo pracoviště: na řidítkách vlevo je cyklo computer a vpravo teploměr, na honí rámové trubce je Wattmetr
Souběžně se stavbou Velociraptoru Mk. II jsem rovněž upgradoval moji stávající 8S6P Li-ion baterku, prostě jsem udělal (nyní již ne pájením, ale "normání" technologií bodováním pomocí niklových pásků na bodovačce u mého kamaráda Míry z Plzně, dalšího "elektro" šílence) další blok baterie o konfiguraci 4S6P ze stejných LG MJ1 článků a sériově ho připojil k mé dosavadní baterii, takže mám nyní baterku o konfiguraci 12S6P (rozdělenou na 3 bloky 4S6P) o nominílním napětí 44,4 V a maximálním napětí 50,4 V a to už dokáže rozpumpovat 24V motor MY1018 docela pěkně!
Má současná Li-ion baterka 12S6P
A jak to celé jede? Díky "převoltování" to jede jako blázen! Nejdříve jsem se i trochu zhrozil, jaké "monstrum" jsem to stvořil. Přece jenom jsem stále hlavně cyklista, chci elektrické kolo a ne elektrický skútr. S téměř plně nabitou 12S Li-ion baterkou (kolem 49 V) Velociaptor Mk. II uháněl po rovině 47 km/h, což bylo tak akorát na hraně, kdy jsem ještě stačil k této rychlosti šlapat (za mého nejtěžšího převodu 44/11). S plně nabitou Li-ion 10S baterkou (42V) byla rychlost na rovině lehce přes 40 km/h. Velociraptor Mk. II sice nemá subjektivně takový zátah odspodu, jako tlačná kárka Velociraptor Mk. I, což si vysvětluji tím, že motor MY1016 je širší a vyvine větší točivý moment, ale jakmile se dostane MY1018 do otáček nastoupí jeho fenomenální výkon a své otáčky si je schopný udržet i ve velkých kopcích.
Jak už jsem tedy říkal, při převodu 9 zubů na řetězce motoru a 20 zubů na levé volnoběžce na zadním náboji =2,22:1 x 7,18:1 (vlastní převod motoru) = celkový převod mezi vlastním elektromotorem a zadním kolem = 15,95:1 a použití 12S 44,4V Li-ion baterky mohu po rovině letět až 47 km/h, avšak do zmíněného 6%ního Bukováku, táhlého stoupání, který musím zdolat na cestě domů, mohu nadále letět (samozřejmě se šlapáním) i 35 km/h, což je něco naprosto neskutečného!!!
Výškový profil mé cesty domů s vyznačeným závěrečným 3 km stoupáním
Zpočátku jsem bohužel neměl na kole namontovaný zmíněný modelářský Wattmetr a ani teploměr s čidlem přilepeným (tavnou pistolí) a tak jsem si v podstatě ani neuvědomoval, jaký dávám motoru záhul a kolik proudu a hlavně celkového elektrického výkonu posílám do motoru (až 1400 W!!!), což se díky profilu trasy s oním dlouhým stoupáním děje po cela dlouhou dobu (závěrečný kopec má v podstatě 3 km!!!).
Prostě jsem se nechal unést a v počátečním nadšením z výkonu Velociraptoru Mk.II (konečně byl tento stroj takového názvu skutečně hodný) a mé cesty z práce jsem neustále zrychloval až jsem jednou v noci, když jsem jel domů z odpolední, kdy jsem v podstatě pořád držel Velociraptora pod plným plynem, prostě pořád, po rovinách, v kopcích (a samozřejmě jsem také tvrdě makal i já) vytvořil můj naprostý rekord. Jak je vidět z GPS záznamu Endomonda, urazil jsem trasu 11,56 km za 18 minut 45 sekund a dosáhl průměrné rychlosti 36,98 km/h, což vzhledem k profilu je naprosto úžasné.
Bohužel toto "týrání" motorů skončilo onou již zmíněnou závadou vyhřátí pružinek držáků uhlíků a vlastně mohl jsem být rád, že to dopadlo pouze jen takto, protože mým neuváženým jednáním jsem si o destrukci motoru přímo koledoval.
Výškový a rychlostní profil mé trasy domů. GPS měří nadmořskou výšku vyšší, než je skutečná.
Pořídil jsem si tedy zmiňovaný wattmetr a teploměr a začal monitorovat motor, což bylo potřeba zejména ve třiceti stupňových letních vedrech a vůbec jezdit s lehčím plynem a chovat se k motoru mnohem ohleduplněji. Hlídám si, aby teplota pláště motoru nepřesahovala 40 stupňů, což pokud udržuji rychlost do Bukováku kolem 25 - 30 km/h nebývá problém, kromě horkých letních teplot, kdy jsem se s teplotou dostal až k padesátce (ono pokud vyjíždíte a "studený" motor má již třicet stupňů, tak je to znát). Mám vyzkoušeno, že při 25 km/h do kopce Bukováku, samozřejmě za mé vydatné pomoci šlapáním, pumpuju do motoru zhruba 720W elektrického výkonu x cca 0,75 (účinnost motoru) = 540 mechanického výkonu + k tomu dodávám (odhadem) 200 - 250 W výkonu z mých nohou.
S Velociraptorem Mk. II jde ovšem jezdit i v terénu, samozřejmě ne v žádných brutálních výjezdech, nato není vhodné zvolené zpřevodování, které je zvoleno docela dost rychla, nicméně běžně lesní a polní cesty plánického hřebene nečiní problém. Jen je nutné jezdit s opravdu lehkým plynem a v nízkých rychlostech pomáhat kolu šlapáním, protože kdybychom v technických pasážích a v nízkých rychlostech (tj. v nízkých otáčkách motoru) pumpovali do motoru velký proud (=velký výkon), dříve nebo později bychom motor upekli. V jízdě v terénu jsou spíše limitující moje tenké "silniční" pláště o šíři 1.35 palců.
Zde jako příklad uvádím záznam mé jízdy po silnici z Číhaně na Šumavu do osady Velký Radkov za mým kamarádem Davidem, kdy jsem tuto 29,67 km trasu urazil za 1 hodinu, 2 minuty a 28 sekund s průměrnou rychlostí 28,5 km/h a zdolal 407 m převýšení.
GPS záznam trasy Číhaň- Velký Radkov
Při této jízdě jsem spotřeboval 160 Wh elektrické energie : 29,7 km = 5,39 Wh/km, takže je vidět, že Velociraptor mk. II je skutečně energeticky velice efektivní dopravní prostředek a to i v kopcovitém terénu. Jen připomínám, že má 12S6P Li-onka má kapacitu 17,4 Ah = teoreticky uskladní 772 Wh el. energie (Samozřejmě reálná kapacita bude menší, také nenechám baterku vymlátit úplně nadoraz a s ujetou vzdáleností bude také klesat můj lidský výkon, takže se bude zvyšovat má spotřeba el. energie)
Jediná nevýhoda pohonu pomocí převodového motoru MY1018 na kterou jsem zatím přišel, je hlučnost jeho převodovky s přímými ozubený koly. Její "kvílení" není příliš patrné, pokud se pohybujeme v rychlosti do 25 km/h legálního rychlostního limitu pro elektrokola, avšak pokud "převoltováním" zvedáme dále otáčky tohoto motoru, stane se pro motor tak nějak "chatakteristický" jeho "turbínový" zvuk, což mě připomíná pohony kola pomocí "rc" motorů....
Celková váha vlastního pohonu Velociraptoru Mk. II je zatím (ocelové uchycení) následující:
pohon (motor, uchycení, řetěz, levá volnoběžka) cca 3,5 kg 12S6P 17,4 Ah Li-ion baterie (772 Wh) cca 3,5 kg Dohromady teda cca 7 kg.
Budeme-li počítat, že maximální mechanický výkon tohoto pohonu může být cca 900 W (v praxi při plně nabité baterce i více) = 44,4 V x 28 A = 1 243 W x 0,75 (účinnost) = 932 W, pak maximální měrný výkon tohoto pohonu bude 932W/7kg = 133 W/kg a to je už je slušný a tento výkon by se dal ještě zvýšit, pokud bych použil lehčí, méně dimenzovanou baterku (ta moje je na 12 km dojíždění do práce opravdu luxus) a která by také byla schopná poskytnout proud 28 A.
Samozřejmě, že nominální (udržitelný) výkon celého systému bude menší, počítám na úrovni 550 - 650 W za chladnějšího počasí.
Takže Velociraptor Mk. II je skutečně elektrický pohon hodný svého jména, opravdové zvíře...
Od března roku 2014 do dubna roku 2015 jsem pravidelně a spokojeně jezdil s "olověným Velociraptorem" do práce i na jiné vyjížďky, vzdal jsem to jen přes zimu. Ačkoliv jsem si pořídil nejkvalitnější zapouzdřené AGM trakční baterie řady EVH od firmy CSB a staral se o ně s tou nejlepší péčí, začalo se mi na jaře zdát, že poněkud "vadnou," že na konci Bukováku, kopce s kterým s vždy domů peru, nejedu už 25 km/h, ale jen 20 km/h. Vybil jsem doma doma obě aku a změřil kapacitu a zjistil jsem, že stále mají deklarovanou kapacitu, i když jedna baterka na tom byla o něco hůře, než druhá. Jelikož jsem ještě na kole neměl žádný wattmetr, kterým bych mohl monitorovat skutečný stav, celou věc jsem si vysvětlil následovně:
- buď mám po zimě menší fyzičku a prostě málo "pomáhám" mému přípomocnému vozíku do kopce a tudíž jedu pomaleji, než jak jsem jezdil před zimou
- a nebo obě, či jedna baterka jdou do kopru, ani ne tak z důvodu ztráty kapacity, jako z důvodu zvyšování vnitřního odporu, díky němuž padá rychleji napětí pod zátěží a baterka má menší výkon
- či kombinace obou těchto faktorů
Do olova jsem naskočil proto, že jsem si myslel, že jde o léty prověřenou, zvládnutou, bezpečnou, levnou a jednoduchou technologii o kterou nebude problém se starat, nabíjet apod. Bohužel brzy jsem zjistil, že má mnohem více omezení, než jak jsem uváděl v mém předcházejícím příspěvku a které byly:
1. Vysoká hmotnost a z toho pramenící nízká měrná hustota energie (kapacita) cca 40 Wh/kg
2. Jsou "měkké," při odběru velkých proudů rychle klesá jejich napětí a tím i výkon motoru
3. Velký rozdíl mezi reálnou a jmenovitou kapacitou, kdy při vyšším proudovém odběru se skutečná kapacita brutálně snižuje oproti jmenovité.
dále můžeme pokračovat:
4. Nízký počet cyklů při hlubokém vybíjení (a člověk nechce za kolem tahat dvojnásobnou kapacitu = zátěž s tím, že bude šetřit baterie, protože je bude vybíjet jen do poloviny kapacity) a z toho pramenící malý počet najetých km vzhledem k životnosti baterie
5. Paradoxně poslední dobou stále stoupající cena těchto baterek, což je v protikladu ke klesající ceně Li-ion baterek z článků 18650, takže Ah kapacity lionek je dnes levnější než u olova.
Největší problém olova opravdu zůstává váha, nízká měrná hustota energie a "měkkost" těchto akumulátorů, ale hlavně váha, váha a váha, díky níž se stanete zajatcem "olověného" elektrokola . ..
Pojďme učinit zajímavé srovnání váhové měrné hustoty energie (ta nás přece zajímá více než objemová) některých typů akumulátorů (v závorce je též uveden počet cyklů, co by měly vydržet; zdroj: batteryuniversity.com):
Li-ion - typ NCA dnes už 250 Wh/kg (počet cyklů 500 -1000)
pro srovnání
benzín 12 900 Wh/kg tj. při 25%ní účinnosti motoru stále máme k dispozici ohromujících a neuvěřitelných 3 225 Wh/kg energie!
Jinými slovy v některých aplikacích, jako třeba v letectví, je jiný zdroj energie zatím těžko představitelný. Například udávaná hodinová spotřeba vrtulníku W-3A Sokol (co s ním lítá plzeňská záchranka) je 400 l leteckého benzínu/hodinu x 0,75 = 300 kg paliva x 12 900 Wh = 3 870 000 Wh (3 870 kWh) chemické energie obsažené v palivu.Za 1 hodinu provozu tedy sežere Sokol tolik energie, jako zhruba spotřebuje průměrná čtyřčlenná paneláková rodina v elektrice za celý rok. Pokud bych chtěl tolik energie vyjezdit na elektrokole, tak bych při průměrné spotřebě 10 Wh/km ujel 387 000 km, tedy skoro desetkrát objel zeměkouli!
Jen odbočuji. Bezkonkurenční měrná hustota a dostupnost fosilních paliv, zejména ropy, zapříčinila to, proč nás je tu dnes 7 miliard lidí, lítáme v letadlech na dovolené, jezdíme auty i na běžných kolech, máme co jíst a můžeme číst a psát tyto řádky. . .
Co se týká elektrické bateriové trakce, je dobré si uvědomit, jak ze skrovných "poměrů" v porovnání se spalovacím motorem, musí vycházet.
Jelikož tedy mé znalosti ohledně akumulátorů pokročily, opadl strach z nových věcí a ceny 18650 NCA Li-ion článků spadly proklatě nízko, rozhodl jsem se postavit toto:
Ačkoliv to vypadá jako domácí bomba, je to domácí punková li-ion baterka složená ze 48 kusů 18650 článků LG. Zkratka 18650 znamená, že článek má průměr 18 mm a délku 65 mm. Tyto články se prvně začaly používat v baterkách do notebooků a do vrtaček, ale dnes z nich vyrábí akumulátory pro své elektromobily i např. automobilka Tesla. A proč zrovna z těchto článků? Protože tyto články disponují bezkonkurenčně nejlepší váhovou a objemovou hustotou energie! Navíc, oproti Lipol (Lithium-polymer) pytlíkům jsou mnohem bezpečnější. Těchto článků je mnoho typů a kapacit. Obecně se dá říci, že články s menší kapacitou snesou mnohem vyšší vybíjecí proudy (i 20C kontinuálně) a články s největší kapacitou, zase snesou menší vybíjecí proudy (je to z důvodu jejich mnohem tenčích elektrod). V současnosti největší kapacita těchto článků dosahuje 3,5Ah. Uvidíte-li někde někoho inzerovat články s vyšší kapacitou, je to zaručeně podvod. Dnes se používá v největší míře NCA chemie těchto článků = LiNiCoAlO2.
Hlavními výrobci těchto článků jsou firmy Panasonic, Samsung, LG.
Nominální napětí těchto článků bývá 3.7 V nebo 3,6 V, maximální 4,2 V (lépe ale nabíjet jen na 4,1 V, výrazně se tím prodlouží životnost) a minimální 2,5 V (v praxi se ale články vybíjí tak do 3,2 V, lépe je vybíjet jen do 3,5 V).
Jak je zřejmé, tyto články musíme řadit při stavbě baterie sériovo-paralelně a použít jich větší množství. Např Tesla S má sestavenou baterku ze 7000 článků.
Pokud chceme stavět baterku z 18650 článků, je nutno si najít nejdříve levného a ověřeného dodavatele. To bude pravděpodobně ze zahraničí, protože ač se v ČR tyto články prodávají, jsou u nás drahý jako prase, protože každý obchodník tady chce co nejvíce vydělat. Dodavatel musí být ověřený proto, protože u těchto článků často hrozí, že koupíte různé náhražky, v podstatě úplně jiné články s mnohem menší kapacitou a vůbec jinou chemií, jinými vlastnostmi apod. Do článků prostě nevidíte! Proto nedoporučuji tyto články nakupovat přímo z z Číny, z aliexpressu atd., kde se to podvodnými články jen hemží.
Pak si musíme vybrat vhodný typ článku vzhledem k jeho kapacitě, proudové zatížitelnosti a ceně. Já zvolil typ LG MJ1, třebaže měl menší kapacitu jen 2,9Ah, byl mnohem levnější než 3,5 Ah typ (cca 3 USD oproti 5 USD), navíc měl dobrou proudovou zatížitelnost. V praxi baterka z těchto článků sice bude větší než z 3,5 Ah typu, ale bude mít lepší poměr cena/Wh tj. při stejné kapacitě bude levnější.
Zde je vybíjecí charakteristika zvoleného článku:
(Jak je vidno i u li-ion článků, klesá kapacita v souvislosti s velikostí odebíraného proudu, ale v mnohem menší míře než u olověné chemie.)
Nyní nás čeká promyslet návrh vlastního sériovo -paralelní uspořádání baterie:
- počet článků v sérii se odvíjí od požadovaného napětí. "Olověný Velociraptor" používal 2 x 12 V olověný akumulátor, takže nominální napětí vozíku bylo 24 V a maximální napětí (po nabití) zhruba 26 V, přičemž na konci 3 kilometrovém stoupání (průměrně 6% stoupání, nicméně místy dosahující 10%) padalo napětí na 21 V. Tudíž novou Li-ion baterku navrhnu s mírně vyšším napětím, což se pozitivně projeví ve zvýšení výkonu motoru a max. rychlosti a rovněž budu mít "rezervu" pro pokles napětí ve stoupání (i když předpokládám, že napětí bude klesat méně než u Pb chemie).
Spojím tedy 8 článků do série = 8S uspořádání = nominální (střední) napětí = 8 x 3,7 V = 29,6 V a maximální napětí = 8 x 4,2 = 33,6 V (s tím, že pokud budu články kvůli prodloužení životnosti nabíjet jen na 4,1 V na článek, bude max. napětí 32,8 V). S tímto napětím a s mnohem lehčí Li-ion baterkou se Velociraptor zajisté promění v naprosto jiný zvíře.
- paralelní počet se odvíjí od požadované kapacity, ale pozor, nutno taky počítat s tím, jaký bude proudový odběr z naší baterie a podle toho volit minimální kapacitu baterie. Pokud by byla kapacita baterie vzhledem k odebíranému proudu moc malá, budeme baterku přetěžovat, bude se hřát (a teplo jak známo likviduje Li-ion chemii) a brzy nám odejde. V mém případě můžu počítat s odběrem až 28A (I když má motor MY1016 motor jmenovitý výkon 350W při 24V a 19A, dle měření dnes již vím, že 500W regulátor je do něj schopný poslat i 28A! ). 28A : 6 článků paralelně = 4,7 A/na článek při maximální zátěži, přitom dle specifikace i dle praktických měření zveřejněných na internetu (protože, jak známo, papír snese všechno), vím, že 1 článek je schopný vydržet trvalé vybíjení proudem 10A (tj. téměř 3,5 C = tři a půl násobek kapacity článku). Po takovém vybíjení, je ale je už pěkně teplý (40 stupňů Celsia), což není dobré pro životnost, navíc výrazněji klesá kapacita (dle grafu vybíjecí charakteristiky). V mém případě se dostávám při mém max. možném odběru pouze na polovinu této hodnoty, což je dobré. V praxi budu při běžné jízdě odebírat určitě o více než polovinu menší proud.
Kapacita mé baterie o konfiguraci 6 článků paralelně (6P) = 6 x 2,9Ah = 17,4 Ah
Tato baterie uchová energii: 17,4Ah x 29,6V = 515Wh
Teoretický dojezd při spotřebě 10 Wh/km = 515Wh : 10 = 51 km (V praxi ale není dobré pro životnost baterie vycucávat baterku nadoraz, ale na druhou stranu, při aktivním šlapání, může být spotřeba menší, např. 8 Wh/km)
Baterka tedy bude mít konfiguraci 8S6P, ale protože vlastním dvě modelářské nabíječky, které nabíjí Li-ion baterky o maximálním napětí 6S (22,2 V), rozdělím si baterku na 2 bloky, takže z důvodu nabíjení skutečná konfigurace bude: 2 x 4S6P a oba bloky budu zapojovat do série. Tato konfigurace mi umožní rozpojit baterku a nabíjet ji dvěma nabíječkama současně.
Půdorysný pohled na rozmístění článků baterie konfigurace 2 x 4S6P
Jednotlivé sekce po šesti článcích jsem spojil lepenkou (oblepil dokola), mé oblíbené spojovací konstrukční technologie a tím samým způsobem jsem spojil i blok baterie, jenž je složený ze čtyřech sekcí článků (též jsem blok o 24 článcích v podstatě oblepil lepenkou dokola). Počítal jsem, že mezery mezi článkama poslouží pro lepší chlazení článků.
Měl jsem tedy připravené 2 bloky, takové kvádříky, každý skládající se ze 24 článků. Nyní už zbývalo pouze vzájemně propojit všechny články a to jak paralelně, tak sériově. Normálně se články propojují niklovými pásky, které se k článkům bodují bodovačkou. Ta se dá koupit z Číny už za 150 USD a výhodou takového spojování je šetrnost k článkům, neboť krátký výboj ze dvou elektrod v podstatě nijak neohřeje a tím nepoškodí článek.
Typická čínská "neprofesionální" bodovačka
Ovšem kvůli stavbě jedné baterky nedává příliš smysl kupovat si bodovačku. Nezbylo mi tedy nic jiného, než použít "punkového" způsobu spojování článků a to pájení. To může být potenciálně nebezpečné v tom, že prohřejete a zničíte nějaký článek, nebo ho snad i zapálíte a vyhoříte.
Řešení jsem našel v komunitě na ultimátním elektrokolovém fóru na "endless-sphere.com," kde člen fóra Kepler úspěšně vyzkoušel spájení článků pomocí odsávacího lanka, což je vlastně ploché měděné lanko spletené s velkého množství tenkých měděných drátků, které se používá při pájení k odsávání rozteklého cínu. Toto lanko se díky kapilárnímu efektu do cínu přímo přímo přisaje a to okamžitě, takže pájení proběhne po minimální dobu. Dále musíme požít silnou páječku (150W), abychom cín okamžitě rozpustili a neprohřívali článek a dále je vhodné okamžitě po pájení zchladit článek proudem vzduchu z pistole od kompresoru.
Odsávací lanko o šíři 3 mm
Spojování článků (4P) u Keplerovo baterie
Vlastní postup spájení mé baterie byl následující:
- zdrsnění kladných i záporných pólů všech článků brusným papírem, aby na ně dobře chytal cín
- pocínování obou pólů všech článků, nanesl jsem kapku cínu a tu ihned zchladil proudem tlakového vzduchu
- pak jsem propájel vždy jednotlivou sekci šesti paralelních článků, položil jsem přes 6 článků odsávací lanko a v podstatě jsem ho jen horkou páječkou protlačil do kapky cínu na povrchu článku a hned spoj zchladil vzduchem
- pak jsem podobným způsobem propojil články do série. Propojoval jsem každý článek s každým, abych měl jistotu, že baterka bez problému přenese odebíraný proud
- Nakonec jsem připájel vodiče na kladný a záporný "konec" každého bateriového bloku. To znamená z každého bloku vedou dva vodiče + a -; dvěma vodiči se přes konektor bloky propojují do série a z jednoho bloku vede + vodič a z druhého - vodič ven (co zapojuji do regulátoru) přes modelářský XT90 konektor.
"Silový" konektor XT90 (pro max. proud 90A)
Teď už zbývalo pouze napájet tenké plochý 4S JST-XH servisní konektor pro každý jednotlivý blok, tento konektor má pět drátů, kdy černý drát vede na mínus baterky, červený na plus a zbývající drátky (barevně odlišené) se v pořadí napojí na jednotlivé paralelní sekce, takže nyní můžeme odečítat přesné napětí u každé paralelní sekce (nebo-li jednoho 6ti článku) a nejsme při měření odkázáni pouze na celkové napětí baterie (jako např. u olověné zapouzdřené baterky, kde v podstatě nejsme schopný změřit jednotlivé napětí jejích šesti do série zapojených článků).
Servisní konektor JST-XH pro články v sérii (4S)
Možnost měření jednotlivých napětí článků v sérii je u Li-ion baterky naprostou nezbytností, protože kdyby se nám články (v našem případě paralelní 6ti články, které se chovají v podstatě jako jeden velký článek) z nějakého důvodu rozbalancovaly, mohlo by se stát, že i při správném napětí celé baterie (např. maximálního napětí 16,8 V u 4S baterie) by některý článek přesáhl napětí 4,2 V a mohl by se zničit, či i vznítit a explodovat. To samé, ale opačně se týká i min. napětí, kdy můžeme nějaký článek podbít pod 2,5 V a tím ho trvale zničit (s nebezpečím, pokud takový článek budeme nabíjet, že nám opět vzplane).
Dá se zjednodušeně říci, že běžná Li-ion baterka na elektrokolo má na tento servisní konektor napojený na BMS = Battery Management System = 1 plošný spoj levný čínský elektroniky, který se stará o vyrovnávání napětí jednotlivých do série zapojených více-článků (paralelních sekcí), odpojuje baterku při min. napětí při vybíjení a při max. napětí při nabíjení a také omezuje proud baterky při nadměrném odběru. Dá se říci, že tento jeden čínský plošný spoj má v rukou život celé naší baterky.
BMS pro 10S Li-ion baterii (36V), běžně se vyskytující v každé baterii na elektrokole
Jak už nyní tušíte, vzhledem k mé sympatii k této krabičce, jsem se rozhodl pro další punkové řešení a to zcela vynechat v mé baterce BMS!
Na první pohled se tohle může zdát jako šílenost, takový hazard a nezodpovědnost! Opak je však pravdou! BMS bývá pro baterku často škodlivá. Svěřili jme sice starost o baterku chytré elektronice, ale nyní nemáme přehled nad tím, co se v baterce děje. V žádné tovární baterce na elektrokolo není žádný servisní konektor, kde bychom si mohli přeměřit napětí jednotlivých sekcí. Pokud baterku nerozebereme a nezměříme jednotlivé sekce voltmetrem, nikdy se nic nedovíme, ale při rozebrání zase přijdeme o záruku. Vlastně ani nevíme, jestli vůbec funguje správně samotná BMS, protože pokud je baterka nová a zdravá, většinou žádné balancování nepotřebuje a napětí článků je v příkladném souběhu i když BMS nebalancuje. A pokud-by se stal s baterkou nějaký problém (nějaké velké proudové namáhání, zkrat, přehřátí článků apod.), nebo baterka již stárne a články se začnou drasticky rozcházet, BMS takové rozdíly stejně nemusí zvládnout, což dříve nebo později skončí, že baterka klekne, z důvodu, že jedna řada článku odejde na podvybití. Pravdou totiž bývá, že většina baterka odejde ne vadou článků, ale vadou BMS! Další problém BMS bývá, že často balancují články až na úrovni napětí 4,2 V na článek, což je ovšem napětí, které z dlouhodobého hlediska není pro články Li-iom příznivé. Pokud budeme nabíjet články pouze na napětí 4,1 V, neubereme si příliš kapacity, za to zdvojnásobíme dvojnásobně životnost baterky.
Zde je pěkné anglické video, vysvětlující, proč zrovna nepoužívat BMS:
Pokud tedy chceme vzít osud baterky do vlastních rukou, nebuďme přihlouplými uživateli, staňme se experty a zbavme se BMS. Stačí vyvést servisní konektor ven z baterky a pomocí cell loggeru za 400 Kč mít naprostý přehled o stavu naší baterie. Tak to dělají ostatně všichni modeláři, kdy jejich "Lipolky" (Lithium-polymerové akumulátory) nemají žádnou BMS ale pouze zmíněný servisní konektor a 2 silové vodiče + a - (sloužící k nabíjení a vybíjení).
"LiPoMate" cell logger a balancer v jednom
"LiPoMate" nyní balancuje 6 článků
Modelářská Lithium-polymerová baterie 3S (nominální napětí 11,1 V)
Tímto řešením mám vždy naprostý přehled o souběhu článků a mohu včas diagnostikovat případný problém. Zmíněný cell logger LiPoMate nejenže ukazuje napětí článků, ale ihned začne rozdíly článků vyrovnávat, takže za čas srovná napětí všech článků (na hodnotu článku s nejnižším napětím). Musím ale říci, že i po více než roce používání se souběh článků pohybuje v rozmezí +- 0,01 V, což je prostě skvělé!
Barterku rozpojenou na 2 části nabíjím dvěmi levnými čínskými nabíječkami B6SAC, což jsou typický čínský krámy, jenž měří napětí velmi nespolehlivě, ale zkalibroval jsem si je tak, aby spíše podměřovaly o 0,02 V proti skutečnosti. Do této nabíječky lze též připojit balanční konektor z baterky a pak tedy nabíjet a balancovat zároveň (mód balančního nabíjení), ovšem zjistil jsem, že ve skutečnosti při takovém nabíjení nabíječka spíše články rozbalancovává. Proto nabíjím baterky v nebalančním režimu a Li-ion módu, kdy nabíjím jen na 4,1 V na článek (v Lipol modu to je pak na plných 4,2 V) a občas jen kontroluji a dobalancovávám s LiPolMate měřákem. Plně nabitá baterka pak většinou ani nemá 4,10 V na článek, ale jen 4,08, V což je OK (Lepší když Vám nabíječka bude měřit vyšší napětí než je to skutečné, než aby tomu bylo naopak). B6SAC má tu výhodu, že nabíjí veškeré typy baterek (také NiCd, NiMH, Pb), dá se u ní nastavovat nabíjecí proud, může i vybíjet a na displeji také ukazuje na jakou kapacitu se daná baterka nabila (pokud nemáte na kole wattmetr, můžete pak zpětně dopočítat, kolik Wh energie jste spotřebovali). Tyto nabíječky jsem už úspěšně používal pro nabíjení mých olověných baterek.
Na kontrolování min. napětí za jízdy (abychom baterku nepodbili) se dá požít modelářský bzučák (v mém případě 2 bzučáky), jenž se opět zapojí do servisního konektoru baterky a který opět hlídá napětí každého článku a při nastaveném minimálním napětí jakéhokoliv článku (dá se nastavit od 2,7 po 3,8 V) začne řvát. Tyto bzučáky požívají modeláři, aby měli signalizaci, kdy jejich elektroletům dochází šťáva. Já tyto bzučáky ale již ani nepoužívám, protože co jezdím krátké trasy jako do práce, tak už vím kolik energie vyjedu a na jaké napětí se dostanu a pokud jedu delší trasu, tak jen kontroluji celkové napětí na Wattmetru (samozřejmě dobře vědoucí, kam dolů s napětím až můžu) a to mi stačí, neboť ze zkušenosti už vím, že baterka stále zůstává v souběhu a nemusím tedy neustále monitorovat za jízdy každý článek. Mimoto vždy sebou vozím LipoMate, takže když zastavím, nebo v případě nějakého problémů mohu vždy změřit napětí na všech článcích.
Věřím, tedy že anti BMS "modelářské" minimalistické pojetí Li-ion baterky má své výhody. Ušetříme za jeden kus nespolehlivé čínské elektroniky a ušetříme na váze a na složitosti baterky. Navíc jsme přesně schopný regulovat na jaké max. napětí baterku nabijeme a na jakém skladovacím napětí ji ponecháme (doporučuji tak 3,5 -3,6 V a skladovat v chladu!) a tím prodloužíme životnost baterky. Navíc jsme schopni vybalancovat články při jakémkoliv napětí, ne jen blízko 4,2 V jako to dělá běžná BMS. A i vlastní dlouhodobé skladování baterie (např. přes zimu) je mnohem bezpečnějším podnikem, protože k baterce nemáme galvanicky připojen žádný obvod, který by nám mohl pomalu užírat energii z polovybité baterky, až bychom na jaře třeba zjistili, že baterka se díky BMS podvybila a již nelze nabít. Každá komplexnost má totiž své úskalí. Samozřejmě toto pojetí od nás vyžaduje určitou hlubší znalost ohledně fungování Li-ion, ale to je jen dobře, neboť, to se nám jen vrátí. . .
Jen poslední poznámka k tomuto tématu. Nedávno jsem pro mého tátu vyrobil "velkokapacitní" baterku na elektrokolo ze stejných LGMJ1 článků, ale v konfiguraci 10S7P, což je v podstatě baterka o běžném "elektrokolovém" nominálním napětí 37V, ale o kapacitě 20,3 Ah! (730 Wh!!! za úplně srandovní cenu). Tentokrát je již baterka zbodována tradiční metodou na bodovačce u mého kamaráda v Plzni. Protože táta není "expert" na baterky, baterku jsem vyrobil v tradičním duchu s BMS a s nabíječkou, co vypadá jako zdroj od notebooku, co se jen zapojí do baterky a co svítí červeně, když nabíjí a zeleně, když dobila baterku. Baterku jsem nejdříve prozatímně zalepil do plastové krabičky a začal ji testovat, abych se ujistil, že bezchybně funguje, protože pak ji předám tátovi a ten ji navždy profesionálně uvězní do modré smršťovací fólie. Baterka sice fungovala a funguje skvěle, ale stále jsem byl z ní nervózní, neboť jsem do ní prostě "neviděl." Funguje ta BMS? Nezničil jsem ji náhodou, když jsem k ní pájel vodiče? Balancuje? Dobře jsem totiž věděl, že to, že jsou články teď v naprostém souběhu, vůbec neznamená, že BMS opravdu funguje, protože u nové baterky, zvláště takto předimenzované, prostě články jsou v souběhu samy od sebe. Po několika cyklech jsem dostal zase strach, abych nějakou sekci nepřebil, protože při dobíjení na plno na 4,2 V na článek prostě už není žádná rezerva nahoru (jako při nabíjení na 4,1V) a pokud se články rozhodí, můžu nějaký snadno přebít a zničit jednu sekci. Asi dvakrát jsem tedy baterku rozlepil z krabičky a voltmetrem ručně přeměřil jednotlivé sekce, ale byl to prostě opruz. Nakonec jsem baterku rozebral po třetí a napájel na ní 2 extra servisní konektory JST-XH 5S (do série) a vyvedl je ven z baterky. A najednou jsem měl klidný pocit. Už nemusím baterku rozebírat. Stačí dvakrát zapojit LiPoMate a vím na čem jsem. Takže ač má baterka BMS, můžu jí zároveň přes další servisní konektory kdykoliv diagnostikovat.
Vraťme se však k mému projektu Li-ion baterky z 18650 článků o konfiguraci 8S6P (respektivě 2 x 4S6P). Jak celý tento projekt dopadl? Výborně! "Lithiový Velociraptor" se proměnil v naprosto jiné zvíře. Se zvýšeným napětím a menším poklesem napětí v zátěži jsem byl schopný jezdit s tlačnou kárkou po rovině 40 km/h a do mého kopce Bukováku i 30 km/h, samozřejmě za mé vydatné pomoci na pedálech. Bylo to nelepší "upgrade" Velociratoru, jaký jsem mohl udělat. Baterka byla po vyjetí Bukováku jen mírně teplá, zato motor byl naopak teplejší než při jízdě s olovem (pořád jsem na něj ale udržel ruku). "Tvrdá" baterka byla v kopci do něj schopná pumpovat mnohem více proudu. Napětí při nejvyšší zátěži v kopci Bukováku klesalo na pouhých 29 V, což udržovalo motor v dostatečném výkonu.
A k tomu ta váha! Váha baterky byla zhruba jen 2,5 kg (váha samotných článků 2 208 g) a kapacita 500 Wh, což se nedalo porovnávat s těžkou olověnou bestií o váze 11 Kg a kapacitě v reálu odhadem jen 300 Wh. Kárka prostě ožila a to i bez motoru, najednou jsem nemusel dopomoc motoru tolik používat, protože je rozdíl, jestli za sebou táhnete 2,5 kg nebo 11 kg baterek a tím se mi vlastně sám o sobě prodloužil dojezd, aniž by to bylo zásluhou vyšší kapacity baterie. Nebyl jsem již otrokem olova!
Zvýšení nominálního napětí z 24 V na 29,6 V zvýšilo nominální výkon motoru z 350W na 550W (zhruba počítáno), měrný výkon se zvýšil z původního:
350 W nominálního výkonu motoru/18 kg (7 kg vozík a 11 kg baterka)= měrný výkon 19,44 W/kg na 550 W nominálního výkonu motoru/9,5kg (7 kg vozík a 2,5 kg baterka) = měrný výkon 57,89 W/kg. což už člověk prostě cítí.
Navíc jízdní vlastnosti odlehčeného "Lithiového" Velociraptoru se zlepšily a hlavně uklidnily, jediná potíž byla snad v tom, že na mokru za deště se díky odlehčení vozíku snížila trakce hnacího kola, prostě přehuštěné kolo vozíku dostávalo aquaplaning a s tím bylo třeba počítat (stávalo se to ve strmých stoupáních na hladkém asfaltu, řešení bylo najet ke krajnici, kde se kolo chytlo).
Cena baterie byla rovněž skvělá, 48 článků vyšlo i s poštovným na 158 USD x 25 Kč = 3.950 Kč, zbytek nákladů byl zanedbatelný. Když si vezmu, že v té době nabízel Bosch ke svým elektrokolům maximálně 400 Wh baterku a za novou náhradní chtěl 15.000 Kč + 5.00 Kč si přihodili obchodníci, takže bratru to bylo 20.000 Kč! V tomto se "punkový" přístup opravdu vyplatil, navíc jsem se mnohé naučil!
Mrzí mě jen, že jsem při výrobě baterky nedělal žádnou fotodokumentaci, kterou bych mohl teď zveřejnit.
Používal jsem baterku od dubna 2015 do června 2016 a najel na ní zhruba 1 600 km při absolvování 60ti cyklů. Baterka fungovala stále jako nová. V červnu 2016 jsem v souvislosti s vývojem Velociraptoru Mk. II baterku upgradoval přidáním dalšího bloku 4S6P článků (tj. 24 kusů) zapojených do série, takže mi prakticky vznikla baterka 12S6P (3x 4S6P) o nominálním napětí 44,4 V (772 Wh!). Ale to už je na jiné povídání...
Na závěr připojuji pěkný video tutoriál z ebikeschool,com, kde je krásně popsána stavba Li-ion baterie z 18650 článků (sice v angličtině, ale je to srozumitelné i pro toho, kdo anglicky neumí):
Vlastní webový tutoriál uveřejněný na stránkách ebikeschool.con je zde:
Celá myšlenka vzešla z této fotky, kterou jsem objevil na nějakém americkém fóru a také to byl z části nápad mého kamaráda Kosťy.
Cílem bylo vytvořit co nejlevnější koncepci elektropohonu, tlačný vozík, na který by se daly nízko nad zem umístit těžké , ale levné (což už dávno neplatí) olověné akumulátory, navíc vozík by se dal kdykoliv odpojit a jízdní kolo by se mohlo používat normálním způsobem. Další "kolečko navíc" od vozíku sice mírně zvýší valivý odpor, ale na druhou stranu díky svému malému průměru usnadní zpřevodování motoru. Bude možno použít pouze účinný jednostupňový převod.
Myšlenka dost zvrhlá a exotická, abych se jí počal vážně zabývat.
Na rozdíl od tehdy nehorázně předražených, legálních přestavbových sad s převodovým 250W motorem, mělo jít o superlevné řešení. Čínský komutátorový stejnosměrný (DC) motor MY1016 o výkonu 350W (24V a 19A) jsem tenkrát koupil od pana Vondráčka z Plzně za 1.000 Kč. Rovněž jsem od něho za 600 Kč dohromady koupil 2 ks AGM starších olověných aku 12V/12Ah, což se ale záhy ukázalo jako první provar, protože jak jsem zjistil, je naprostý nesmysl kupovat "jeté" olověné akumulátory. S regulátorem jsem pro začátek ani nepočítal a hnací kolo jsem vykuchal z dětského kola. Můj táta navrhl konstrukci malého hliníkového vozíčku, který by pojmul jen motor a 2 baterky, bohužel jsme špatně vyřešili závěs na kolo a čep, který umožňoval zatáčení vozíku, byl moc nízký, takže v něm vznikala vůle a těžký vozík s olověnýma baterkama si lehal k jedné straně. . .
Bylo to prostě nepoužitelné, nakonec jsem vozík nasadil místo zadního kola u dětského odrážedla a vytvořil zřejmě první elektrické odrážedlo na světě. Můj starší syn Maty se dobrovolně ujal role zkušebního pilota, jak je vidět z jediného dochovaného videa:
Samozřejmě toto odrážedlo nemělo žádnou plynulou regulaci otáček motoru, jen spínač, rovněž zde nebyly ani brzdy, ale ten odpich a ten zvuk podobný Tesle S, myslím, že zde začala závislost. . .
Rozhodl jsem se tedy koupit jednostopý čínský cargo vozík za kolo z Aukra za 1.500 Kč, v podstatě jde o levnou kopii amerického YAKu BOB traileru a na ní namontovat motor a baterky ukrýt do originální brašny dodávané s vozíkem. S celou přestavbou mi moc pomohl můj kamarád, inženýr a strojař Kosťa, který přišel se zajímavými řešeními. Předně jsme se museli zbavit provizorního řešení, kola s torpédem na němž byla nasazena rozeta, toto kolo totiž nebylo v ose vidlice vozíku a bylo posunuto doleva - v podstatě narušovalo "jednostopost" vozíku. Kosťa přišel s řešením použít přední náboj na kolo s úchytem na kotoučovou brzdu, tento úchyt jsme nechali stočit soustružníkem na závit volnoběžky BMX, poté jsme na vzniklý závit natočili volnoběžku a třemi šrouby k ní připevenili 90ti zubovou rozetu se zuby na profesionální řetěz typu 219 od ČZ Strakonice (tento řetěz má zhruba poloviční rozteč oproti cyklo řetězu, což je výhodné pro zpřevodování, navíc snese mnohem vyšší namáhání a má dlouhou životnost). Rozetu mi nechal můj táta vypálit laserem. Tento náboj jsem pak nechal v jednom cykloservisu zaplést do Al ráfku od Remerxu. Výsledek vypadá opravdu profesionálně! Motor je umístěn na straně vozíku v posuvném loži, aby šel napínat řetěz. Jelikož ojeté olověné akumulátory neměly samozřejmě žádnou kapacitu (stačily na jen ujetí několika stovek metrů po rovině), odhodlal jsem se koupit profesionální 2 trakční olověné AGM akumulátory CSB 12V/15Ah za téměř 2.000 Kč. Tyto olověné baterky jsou v podstatě to nejlepší, co se z olova dá sehnat, jelikož však jsou olovem nešizené, jsou ovšem těžší než obdobné konkurenční baterie (5,5 kg oproti cca 4 kg), což by však mělo zaručovat vyšší životnost. Další, co jsem musel přiobjednat z Číny byl regulátor pro komutátorový motor (DC brushed) 24V/500W za 9 USD a otočný plyn s hal senzorem za 3 USD. Ale pár fotek vystačí za tisíc slov:
Regulátor motoru na fotkách není téměř vidět, protože je zabalen v igelitu, aby byl chráněn před deštěm. Nachází se za zadním blatníkem vozíku. Jinak regulátor vypadá takto:
Přes ten "bordel" drátů je jeho zapojení jednoduché. Tlustý červený a černý drát jde k baterce a tlustý modrý a žlutý drát k motoru, Ve změti malých kablíků je jediný konektor se třemi dráty a tam se připojí třížilový konektor od plynu (nebo napájí). No a nakonec se musí najít ještě jeden malý dvojžilový konektor, který má být připojen k hlavnímu vypínači. Ten se může jen propoji natvrdo drátem (aby byl regulátor trvale aktivován) a nebo konektor ustřihnout a na dráty připojit vypínač.
Zde ještě připojuji obrázek použité trakční baterie CSB EVH12150 (ve vozíku jsou použity 2 v sérii), která se jinak používá do el.ektrických invalidních vozíků, golfových vozíků.
U zapouzdřených AGM/Gelových Pb baterek jsou v podstatě nejdůležitější tři zásady a ač se zdají banální, musím je zopakovat:
1. Jelikož jejich max. nabíjecí napětí je 14,7 V, musí se nabíjet pouze automatickými nabíječky (většinou mají tvar malé obdélníkové krabičky s displejem či LED diodami, jako např. nabíječka z Lidlu), klasické trafo nabíječky (co mají analogový voltmetr) tyto baterky zničí.
2, Udržovat tyto baterky pořád plně nabité (ne je ale mít pořád připojené na nabíječce!) a i při odstávce je aspoň jednou za měsíc dobít. Po vybití (byť sebemenším) je okamžitě dát nabíjet! Pb baterky nemají paměťový efekt! Pokud baterku nedobijeme, zasulfátuje a zničíme ji!
3. Mít na paměti, že životnost Pb baterky se odvíjí od počtu cyklů hlubokého vybití. Pokud i trakční baterku budeme vybíjet úplně na dno, vydrží orientačně 200 cyklů, pokud na 75%, vydrží 400 cyklů, pokud na polovinu, vydrží 800 cyklů (zhruba řečeno, více produktové listy jednotlivých baterek)
A jak to jezdí?
Prostě jako souprava. Člověk si musí zvyknout, že za sebou tahá vozík o délce 1 m. Pokud si na to zvykne, jde to a dá se jezdit z kopce i šedesát. Samozřejmě, že jízda mimo asfalt je utrpení, kárka kodrcá, což budí dojem, že se rozpadne. Další věc je váha. samotný vozík i s motorem váží 7 kg, což není špatné, ale olověné baterky přidají dalších 11 kg, čímž se dostáváme na 18 kg.
350 W nominálního výkonu motoru/18 kg = měrný výkon 19,44 W/kg což nevypadá nijak působivě.
Samozřejmě, že max. výkon se odvíjí od proudu, co dá regulátor, což je až (dle měření) 28 A * 22 V (počítejme s poklesem napětí při takovém odběru) = 616 W příkonu motoru * 0,7 (odhad. účinnost motoru) = 430 W vlastního výkonu motoru.
+ samozřejmě výkon v mých nohou, když makám do kopce = ? = 250W. Může být. Je to odhad.
Po rovině se šlapáním Velociraptor letí max 34 km/h, pak vzhledem k napětí 24 V začnu "ujíždět" motoru. . .
Nezapomeňme, že motor je připojen přes volnoběžku, takže když jedu z kopce, hnací rozeta stojí a neotáčí se ani řetěz mezi rozetou a pastorkem motoru.
Ve své koncepci je tlačný vozík Velociraptor paralelní hybrid, to znamená el. pohon je naprosto nezávislý na mém lidském. Mohu si šlapat jak chci, řadit jak chci a třeba nešlapat a zároveň otočným
plynem ovládat el. pohon. Z otočného plynu, který mám umístěn vpravo na řídítkách, jsme vyndali s Kosťou pružinu, protože bylo nepříjemné stále držet plyn a přitom např. řadit (což v podstatě ani nešlo). Teď už se plyn nevrací, je to jako tempomat, což zní dost šíleně, je to opravdu punkové řešení, ale v praxi to funguje skvěle.
Jak už jsem říkal, po rovině s Velociraptorem není problém, nicméně já bydlím v 600 m n. m. a má práce se nachází ve 400 m n. m. Délka trasy je cca 12 km. Když jedu do práce, jedu více méně dolů, ale cestou zpět musím překonat táhlé stoupání o průměrném sklonu cca 6% dlouhé zhruba 3 km, jak je vidno z výškového profilu trasy:
Takovéto stoupání zaručeně prověří každou elektrickou trakci s jedním převodem (tj. bez převodovky), kdy zvolený převod je jistým kompromisem mezi dostatečnou rychlostí po rovině a zároveň dostatečnou silou nutnou pro zvládání kopců (např. běžná koncepce elektromobilů do které patří i elektromobil Tesla S disponuje též jedním převodem). Díky tomu, že u elektrického pohonu může být maximální výkon i jednou tak vyšší (dokonce i ještě více) než jmenovitý, nemá problém si takovýto jednorychlostní trakční systém poradit s malými kopci (se zvlněným terénem) a to i při relativně rychlém zpřevodování, neboť motor má čas si "odpočinout" a zchladit. Ovšem problémem může být dlouhé několika kilometrové stoupání, kdy je motor ohříván velkým protékajícím proudem. Navíc je dobré udržet motor v otáčkách, aby neklesl pod 50% jmenovitých, kdy rapidně klesá účinnost a motor většinu odebíraného proudu mění v teplo. Proto taková koncepce pohonu není vhodná pro stoupání větší než řekněme 7 - 10 %.
V praxi to vypadá, že Velociraptor zdatně pomáhá po rovině, kdy ani pomoci není tolik třeba, bez problémů "zplacaťuje" malé kopce, ale do velkých kopců naopak já pomáhám Velociraptorovi, abych neupekl motor. Do zmíněného stoupání domů dřu jako šílenec, což má příznivý efekt na udržování mé kondice. Co však získávám je rychlost. Do tohoto kopce jsem v dobách mé cyklistické slávy dokázal uhánět i 20 km/h, normálně však tak kolem 12 km/h. Nyní letím 25 km/h , někdy i více. Starý známý nepříjemný kopec ubíhá úplně jinak, pokud člověk jede 25 km/h a ne 12 km/h. . . ! Velocirator mě zkrátil cestu domů, hlavně po únavných odpoledních, kdy se člověk plahočil domů. Navíc jsem mohl sundat nosič a vše pouze vozit v tašce ve vozíku. Taška se dá jednoduše vyndat s kárky, stačí jen odpojit konektor co spojuje baterky a regulátor.
Poslední poznámku věnuji dojezdu. Ten je při aktivním šlapání a průměrné rychlosti kolem 28 km/h zhruba 30 km/h a to i v docela kopcovitém terénu plánického hřebene. Dojezd je vyšší po rovině a to i z toho důvodu, že člověk nemusí tolik šlapat, aby přemáhal vlastní váhu vozíku, která je s Pb akumulátory značná.
S akumulátory obecně, ale obzvláště s těmi olověnými, se člověk dostává do zásadního problému ohledně dojezdu - tento problém nazývám "bludný" kruh dojezdu. Jak je vidno na mé jiné stránce věnující se teorii výpočtu výkonu elektrokola, tento problém by nás ani tak netrápil pokud bychom jezdili v Polabí nebo Holandsku. Ovšem realita naší krásné krajiny je jiná. Kopce a ty jsou všude. Každá Ah kapacity generuje další kg olova navíc, který člověk musí táhnout, takže musí o to více používat přípomoc vozíku a spotřebovávat více energie. Nakonec se stává zcela otrokem svého přípomocného stroje a nemůže se již samostatně pohybovat na lidský pohon. . .
Základní problém s olověnými baterkami je tento:
1. Vysoká hmotnost a z toho pramenící nízká měrná kapacita cca 40 Wh/kg
2. Jsou "měkké," při odběru velkých proudů rychle klesá jejich napětí a tím i výkon motoru
3. Velký rozdíl mezi reálnou a jmenovitou kapacitou. Jmenovitá kapacita 15Ah se např. u aku CSB EVH1250 počítá při vybíjení proudem 0,75 A po dobu 20 hodin. Za této situace uchovají moje 2 akumulátory v sobě 360 Wh el.energie
12V x 15 Ah = 180 Wh x 2 = 360 Wh
což by při průměrně spotřebě 10 Wh/km slibovalo dojezd = 360 : 10 = 36 km.
V praxi však aku vybíjím podle charakteru jízdy (jak šlapu a jak beru za plyn) a podle charakteru terénu (s jakými kopci se peru) daleko větším proudem, od 6 do až 28 A. Při takovémto odběru bude mít aku kapacitu jen cca 10 Ah (odhadem).
12V x 10 Ah = 150 Wh x 2 = 300 Wh
takže při průměrně spotřebě 10 Wh/km bude reálný dojezd = 300 : 10 = 360 km.
Nutno podotknout, že tyto čísla opravdu odpovídají skutečnosti.
"Olověný Velociraptor" se vždy musel "prát" s těmito omezeními, ovšem pral se s nimi statečně. Jako projekt "za hubičku" dokázal, že umí urychlit mojí cestu do práce a zpět a to téměř zadarmo (jediné skutečné náklady tvoří amortizace baterek). Jak zvesela jsem míjel benzínky s tou skvělou radostí, že jsem konečně s nimi "vyjebal." Jeho spolehlivost byla úchvatná, nikdy mě nenechal na cestě, což bylo zřejmě zásluhou geniálně jednoduchého, čistého a ryzího Kosťovo "engineeringu." Díky Kosťo!
