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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK
Lithiumbatteriebetriebener Außenbordmotor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Die Elektromotoren Auf Stauseen sieht man zunehmend Fischer, die auf ihren Booten Außenbord-Elektromotoren einsetzen. Im Vergleich zu Benzinmotoren haben sie eine Reihe von Vorteilen: Ihr Aufbau ist sehr einfach, das Ein- und Ausschalten erfolgt sofort und es gibt nahezu keine Geräusche und keine Freisetzung von Nebenprodukten ins Wasser. Der größte Nachteil von Elektromotoren ist die Notwendigkeit einer Stromquelle – einer wiederaufladbaren Batterie, deren Masse (normalerweise Blei-Säure) um ein Vielfaches größer ist als die Masse des Motors selbst. Dies ist besonders unpraktisch, wenn Sie von einem Schlauchboot aus angeln, in dem Sie irgendwo eine schwere Batterie unterbringen müssen. Auch Anschlussdrähte schaffen keinen Komfort. Gleichzeitig gibt es Batterien, die bei vergleichbarer Energiekapazität deutlich weniger Masse haben als Blei-Säure-Batterien. Dazu gehören verschiedene Arten von Lithiumbatterien. Im Folgenden wird ein kleiner Außenbord-Elektromotor beschrieben, der von einer direkt an ihm angebrachten Lithiumquelle angetrieben wird. Dargestellt ist ein Schema des Elektromotors und der Stromversorgung des für den Betrieb erforderlichen elektronischen Geräts. Außerdem wurden verschiedene Parameter des gesamten Außenbordmotors gemessen. Zu diesem Zweck wurde ein 12-Volt-Außenbordmotor Sevylor SBM18 mit zwei Geschwindigkeiten verwendet, dessen Gewicht (ohne Batterie) etwa 2,5 kg beträgt (derselbe Motor ist auch unter der Marke Aqua Marina T 18 erhältlich). Bei höheren Geschwindigkeiten wird der Strom aus der Batterie direkt dem Elektromotor zugeführt, bei niedrigeren Geschwindigkeiten über einen zusätzlichen Widerstand. Im letzteren Fall geht, wie Messungen gezeigt haben, ein Drittel der aus der Batterie verbrauchten Energie in die Erwärmung des Widerstands, wird also verschwendet. Laut Motorpass beträgt der Stromverbrauch bei höheren Geschwindigkeiten 14,7 A und bei niedrigeren Geschwindigkeiten 7 A. Darüber hinaus muss der Motor im ersten Fall eine Kraft auf die Liegeplätze von 8,1 kgf und im zweiten Fall von 3,6 kgf entwickeln kgf. Messungen zufolge entwickelte der Motor bei einer Versorgungsspannung von 11 V bei niedrigerer Drehzahl eine Kraft von etwa 2,5 kgf, was nahe am angegebenen Wert liegt. In der Originalversion war die Stromquelle eine Batterie bestehend aus drei in Reihe geschalteten Batterien, die wiederum aus zwei parallel geschalteten Lithium-Ionen-Batterien IMR 26650 (KeepPower) mit einer Kapazität von 5200 mAh bestanden. Wie Sie wissen, sind Lithiumbatterien sehr „empfindliche“ Energiequellen: Für jeden Typ gibt es eine maximale Spannung, bis zu der die Batterie geladen werden kann, und eine minimale Spannung, wenn sie entladen wird. Bei Lithium-Ionen-Akkus liegen diese Werte pro Zelle bei 4,1 bzw. 2,9...3,2 V. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die Akkutemperatur 50...60 °C nicht überschreitet оC. Alle Batterien wurden in einer Kassette untergebracht; das Gewicht des Außenbordmotors mit einer solchen Stromquelle in seinem Gehäuse betrug 3,9 kg. Beim Test wurde der Elektromotor in ein mit Wasser gefülltes Bad eingebaut und arbeitete mit dem Originalpropeller bei geringerer Drehzahl. Um die Batterie automatisch abzuschalten, wenn die Spannung auf den niedrigsten zulässigen Wert abfällt, wurde ein elektronisches Gerät verwendet, das gemäß dem folgenden Diagramm aufgebaut ist. Vor dem Abschalten lief der Motor anderthalb Stunden lang ununterbrochen. Gleichzeitig sank die Stromaufnahme von 7,5 auf 5,3 A. Tests ergaben das folgende Problem. Messungen ergaben, dass der Innenwiderstand des gesamten geladenen Netzteils 210 mOhm beträgt. Bei einem Strom von 7,5 A beträgt die Verlustleistung im Akku ca. 12 W. Im geschlossenen Gehäuse erwärmt es sich recht stark: Nach etwa einer Stunde Dauerbetrieb erreicht seine Temperatur 50 °C оC und steigt weiter an. Zur Kühlung kamen zwei Miniatur-XNUMX-Watt-Lüfter zum Einsatz, wodurch dieses Problem behoben wurde. Gleichzeitig war es notwendig, das Design des Gehäuses etwas zu verkomplizieren, damit der Akku und das elektronische Gerät vor dem Eindringen von Wasser geschützt waren, gleichzeitig aber die Luftzirkulation gewährleistet war. Die endgültige Version verwendet einen Lithium-Polymer-Akku. Der Innenwiderstand ist um eine Größenordnung geringer, sodass auch bei längerem Dauerbetrieb in einem geschlossenen Gehäuse keine Zwangskühlung erforderlich ist. Um außerdem die Energieverluste zu eliminieren, die beim Originalmotor bei niedrigeren Drehzahlen auftreten, wurde ein gepulster Stromversorgungsmodus verwendet. Dadurch können Sie unter anderem die Leistung des Außenbordmotors und damit die Geschwindigkeit des Bootes stufenlos regulieren. Die Stromquelle war eine Turnigy Multistar 14,8-V-Batterie. Seine Kapazität beträgt 16 Ah, das Gewicht beträgt 1,3 kg. Bei einem Lithium-Polymer-Akku beträgt die maximale Spannung beim Laden 4,2 V pro Zelle und die minimale Spannung beim Entladen 3...3,3 V. Der Akku besteht aus vier Akkus, die Gesamtspannung im geladenen Zustand beträgt 16,8 V. Messungen zeigte, dass der Innenwiderstand 8 mOhm beträgt, sodass selbst bei einem Strom von 10 A die Verlustleistung in den Batterien weniger als ein Watt beträgt. Der Steuerkreis des Außenbordmotors ist in Abb. dargestellt. 1. Die automatische Abschaltung der Batterie, wenn ihre Spannung auf das minimal zulässige Niveau abfällt, erfolgt durch einen Schmitt-Trigger, der auf den Transistoren VT1 und VT2 aufgebaut ist. Dieser Pegel (in unserem Fall sind es 13 V) wird mit dem Trimmwiderstand R2 eingestellt. Beachten Sie, dass es für eine präzise Installation ratsam ist, einen sogenannten Multiturn-Trimmerwiderstand (mit Schneckengetriebe) zu verwenden.
Wenn Sie kurz die SB2-Taste drücken, öffnet der Transistor VT1 und VT2 schließt. Dies führt zum Öffnen des Transistors VT3. Dadurch wird das im Kollektorkreis dieses Transistors enthaltene Relais K1 aktiviert. Seine Kontakte arbeiten im geschlossenen Stromkreis und ermöglichen das Schalten von Gleichstrom mit einer Leistung von bis zu 16 A bei einer Spannung von bis zu 24 V. Der auf den Elementen der DD1-Mikroschaltung aufgebaute Rechteckimpulsgenerator empfängt die Versorgungsspannung aufgrund des Vorhandenseins eines relativ großen Kondensators C2 und des Widerstands R14 mit einer leichten Verzögerung. Die Verzögerung ermöglicht es Ihnen, den Elektromotor mit einem Low-Power-Knopf zu starten. Spannungsimpulse vom Ausgang des Elements DD1.3 öffnen periodisch den Transistor V74, in dessen Drain-Kreis der Elektromotor M1 angeschlossen ist. Die Umkehrung erfolgt durch den Schalter SA1. Wenn die Versorgungsspannung auf den unteren eingestellten Wert sinkt (beim Entladen der Batterie), schließt der Transistor W1 und das gesamte Gerät arbeitet in die entgegengesetzte Richtung: Die Relaiskontakte öffnen und die Stromquelle wird getrennt. Um einen Motor, der mit einer höheren Spannung läuft, abzuschalten, verwenden Sie die Taste SB1. Bei den im Diagramm angegebenen Nennwerten liegt die Pulswiederholfrequenz bei ca. 50 Hz. Die Dauer der dem Elektromotor zugeführten Spannungsimpulse wird durch den variablen Widerstand R6 gesteuert. Die Werte der Widerstände R8 und R9 sind so gewählt, dass bei voll geladener Batterie der durchschnittliche Strom, der durch den Elektromotor fließt, stufenlos von etwa 5 bis 9 A variiert werden kann. Die Geräteteile sind auf einer Glasfaserplatte mit den Maßen 138x47 mm montiert. Der Transistor V74 ist auf einem kleinen Kühlkörper installiert. Die dabei abgegebene Verlustleistung übersteigt nicht ein Watt. In Abb. Abbildung 2 zeigt die Abhängigkeit der Batteriespannung und ihrer Temperatur von der Dauer des Dauerbetriebs bei maximaler Elektromotorleistung. Außerdem wird ein Diagramm des von ihm verbrauchten Stroms im Verhältnis zur Zeit angezeigt. Der Motor selbst mit dem Originalpropeller wurde in einem Wasserbad befestigt. Die Abbildung zeigt, dass die Batteriespannung beim Entladen recht gleichmäßig auf einen Wert von ca. 14,3 V absinkt und danach stark abfällt. Typisch für Lithium-Polymer-Batterien ist ein schneller Spannungsabfall bei Annäherung an den unteren zulässigen Wert. Die maximale Temperatur des Netzteils im geschlossenen Gehäuse nach zwei Stunden Dauerbetrieb überschritt 45...46 nicht оC. Gleichzeitig leistet, wie Studien gezeigt haben, ein wesentlicher Beitrag zur Erwärmung der neben der Batterie befindliche Kühlkörper des Transistors VT4 und des Relais K1.
Die Batterie befindet sich zusammen mit der Motorsteuerplatine in einem versiegelten Duraluminiumkasten am Außenbordmotor. Der Deckel der Box lässt sich öffnen und der Akku lässt sich leicht entnehmen. Eine Gesamtansicht des Motors ist in Abb. dargestellt. 3 (man kann daraus auch seine Größe abschätzen). Das Gewicht des Motors beträgt zusammen mit der Batterie ca. 4,4 kg.
Tests des Motors des Bootes wurden auf dem See ohne Wellen durchgeführt. Die Gesamtlast des zweisitzigen Schlauchbootes JAM 220 T betrug ca. 100 kg. Seine Geschwindigkeit betrug mit voll geladener Batterie und maximaler Motorleistung 4,5 km/h. Der Motor lief 2 Stunden und 20 Minuten ununterbrochen, bevor er abstellte. Bei minimaler Leistung betrugen diese Werte 3,6 km/h bzw. 3 Stunden 45 Minuten. Aus den vorgelegten Daten geht somit klar hervor, dass mit einer Lithium-Polymer-Batterie erfolgreich benutzerfreundliche und leichtgewichtige Außenbordmotoren für Elektroboote mit einer Stromquelle direkt am Motor hergestellt werden können. Autor: A. Gavrilov
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