電動アシスト自転車の開発ＰＪ（18）

 「36Ｖバッテリーパックの特性試験」

前回紹介した36Ｖバッテリーパック（自称NCR18650Ｂを10Ｓ2Ｐの配列にパックしたもの）の初期テストが完了したので結果を紹介する。

要目：電池　　 NCR18650ＢＸ20セル
　　　配列 　　10Ｓ2Ｐ
　　　ＢＭＳボード　中国製メーカ不詳
　　　セルホルダー　同上
　　　電圧範囲　　42Ｖ～34Ｖ
　　　最大電流　　9.8Ａ(=4.9AX2)
　　　　　　　（NCR18650Ｂ仕様に準拠）
　　　電力容量　　180Wh
　　　　　　　　（走行テストにより実測）
　　　寸法　　　150㎜X95㎜X100㎜
　　　重量　　　1370ｇ　

バッテリーパックのテストはAKM75のハブモータを装着したCannondaleを使い、決められたコースを周回することにより計測した。（急坂、緩坂ありの一周11.75Kmの典型的なサイクリングコースであり、走行は最大速度32～35Km/ｈ、平均速度約20Km/ｈで、途中信号停止が何回かある）
走行テスト中の電流は3A~7.5A（レベル2～レベル4）の範囲にコントロールした。（システム上は15Aまで流せるが、電池セルの許容電流（4.9Ａ）以上の過電流を流すと、BMSのコントロール範囲を逸脱してセル間のバランスが崩れることが判ったため、カタログ上の電池セルの最大電流範囲内（9.8Ａ＝4.9ＡＸ2）にとどめた）
フル充電での可能走行距離を確認するため、走行テストコースで周回を重ねたが、丁度４周目で下限電圧34Ｖに近づいたため中断した。右図は電圧降下（V)と消費電力（Wh)の関係をプロットしたものであるが、最低電圧を34Vとした場合の電力容量は電圧カーブの延長線で約180Whと読める。（線の折れ節（丸点）が一周の開始・終点を示す）
４周のトータル走行距離は47Km、消費電力は169Whであり、平均電費は0.278Km/Whと言う結果になった。悪くない数値である。（日ごろ足代わりに使っているアシスタの平均電費は0.246Km/Ｗｈである）
一回の充電で40Km以上走行の目標を達成したことになる。（180Whまで使い切った場合、理論上50Kmまで走行できることになる）

このバッテリーパックの電力容量は180Whと計測されたが、電池セル当たりを計算すると9Wh／セルとなる。前回紹介したテスラの初期型ロードスターのバッテリーは同じNCR18650を使い、53KWｈ／5831セルであったことから、1セル当たりを計算すると9.09Wh／セルとなる。今回の走行テストで得られた値とほぼ同じである。まがい物と思っていた電池が意外と本物のNCR18650であった可能性がある。ただしテスラは「B」ではなく初期のモデルの「A」であるが。

メーカ不詳の中国製のBMSの性能もチェックしたが、各電池セルの電圧コントロールは、かなり精度よく行われていることが確認された。（実用になりそうである）

右図は電池セルの平均電圧と、20本の電池セルの電圧のバラツキをプロットしたものであるが、0.01～0.015V（約0.4％）の範囲に制御されているのが判る。さすがに最低電圧限界の34Vに近づくとバラツキが大きくなる。



以上のごとく、すべて中国製の部品で組み立てた36Vのバッテリーパックは意外と良く出来ていて、実用的な性能を有することが確認できた。

今回の一連の走行テストで気が付いたことであるが、AKMモータのキットに含まれていたコントローラの制御方式は、レベル切り替えにより入力電流を制御し、電圧はバッテリーからの電圧を制御せずにそのまま流している感じである。（説明書にはトルクシュミレーションのサイン波コントロールと書かれている。ＰＡＳの信号をトルクに換算してPWMで制御していると考えられるが、漕ぎ始めは多少コントロールしている様子であるが、走り出してすぐに電圧は全開状態になる。詳細は不明。)トルクは電流で決まるのでトルクを出したい場合はレベルを上げて行けば良いが、電圧とモータの回転数（速度）がマッチしない場合は、高い入力電圧を無駄に消費してしまう。
今回購入したAKM75のハブモータは、高速回転型のギヤ比を選択しているので、36Vでの定格速度は41.55Km/ｈ＠328rpmとなる。従って30Km/ｈ前後の速度域は、36Ｖの供給電圧にとって、かなり部分負荷となってしまい、モータの効率が悪い領域を使っていることになる。
右図のＡＫＭモータの推定性能線図から判るように、30Km/ｈ前後の常用速度域では電圧は24Ｖ～28Ｖあれば十分であり、低電圧の方が効率がよいと推察される。これは実際の走行でも実感できる。走行中電圧が落ちるほど電費は改善されるのが実感された。この事象を正確に把握するため、次回はバッテリーパックの出口にＤＣ-ＤＣコンバータ降圧器を取り付けて効率最大の電圧を探る予定である。

結果的に、最初に装着してテストしたアシスタ用のバッテリー（24Ｖ-28Ｖ仕様）がベストマッチであった可能性がある。

（次回に続く）


　


　　
　　　　



コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

電動アシスト自転車の開発ＰＪ（10）

イメージ
 「アキシアルフラックスコアレスモータ（Axial Flux Coreless Motor）」の検討 今回はソーラーカーなどに採用されているAxial Flux Coreless Motorを電動アシスト自転車のインホイールモータとして適用する場合の性能（重量、トルク特性）について検討する。Axial Flux Coreless Motorに関しては、かなり多くの研究論文が出ており、基本的な特性はこれらの論文を参考にすることにより計算できる。最終的には試作機を製作して実測データで検証する必要があるが、初期検討の段階では論文の計算式で大まかな傾向は掴めるし、精度的にも十分と思われる。今回の検討には主に次の３論文の記述を参考にした。特に①の論文は色々な巻線タイプの性能と重量が計算できる数式が紹介されており有用である。 ①Kamper,M.J.,Wamg,R.J.,Rossouw,G.G.(2008)'Analysis and performance of axial flux permanent magnet machine with air-cored non-overlapping concentrated stator windings',IEEE Transactions on Industry Applications,44(5):1495--1504,Setember/October 2008; ②Kirsten P. Duffy,'Optimizing Power Density and Efficiency of a Double-Halbach Array Permanent-Magnet Ironless Axial-Flux Motor'University of Toledo / NASA GRC ③森下明平、横山修一、奥山涼太、「デュアルハルバッハ配列界磁の磁束密度分布簡易計算法」、電気学会論文誌D（産業応用部門誌） 1）計算モデル 5㎜X5㎜四角で長さ20㎜のネオジウムマグネットを図に示すようにハルバッハ配列で並べて４本で一組のペアポールを作り、これを円周上に並べてリングを形成する。相対するリングは４㎜のギャップで配置する。永久磁石のリング（これが回転ロータとなる）の直径はポール数で決まることになる。直線の立方...
続きを読む

電動アシスト自転車の開発ＰＪ（19）

イメージ
 「25Ｖバッテリーのテスト」 これまでのテスト結果でAKM75のハブモータはギヤ比とのマッチングから、低電圧の方が効率が良さそうである事が判ってきた。そこでアシスタで使っていた古い25Vバッテリー（少々くたびれているが）を使って走行テストを実施した。 バッテリー要目 　　　型番：　P5343　          容量：　25.2V/8.7Ah 　200Wh（新品時） 　　　電圧範囲：　29V-24V 　　　電池セル：　7S4P　2200ｍAh級　LG製（？） 　　　重量：　1868ｇ 　　　実力電力容量：　170Wh　（経年劣化による） バッテリーの取り付けは、36Vバッテリーパックとの共用を考慮してサドル下に変更した。意外にこの方が収まりが良い。25Vバッテリーと36Vバッテリーを用途に応じて付け替えが出来る。 早速この25Vバッテリーをフル充電して、何時もの一周11.75Kmの周回コースを回った。25Ｖバッテリーの場合も丁度4周回れた。総走行距離は 47Ｋｍ で消費電力は 156Ｗｈ であった。平均電費は 0.301Km/Ｗｈ となり、36Ｖバッテリーの電費0 .278Km/Ｗｈ より8％ほど良い。（パワーレベルを揃えるため、25Ｖバッテリーは レベル3 、36Ｖバッテリーは レベル2 の設定で走行している） 右図は電圧と電費の関係をプロットしたものであるが、電圧の低下に伴って明らかに電費が改善される。ただし電圧の低下に伴ってアシストの上限速度がだんだん低下してくる。これは前回紹介したＡＫＭ75ハブモータの推定特性カーブの通りである。30Km/ｈ以上でのアシスト力はもともと多くは期待していないことから、供給電圧は 25Ｖ付近がベストマッチ となり そうである。 25Vバッテリーの電圧降下と電力容量の関係は右図のとおりである。すでに8年近く使用しており、バッテリーとしても使用限界に達し、完全に枯れた状態であると思われる。24Vの下限電圧での電力容量は 170Wh 程度であり、この特性は安定している。 以上の25Vバッテリーによるテストで、最適電圧はほぼ把握できたが、36VバッテリーパックにDC-DCコンバータを取り付け約5％のロスを覚悟で25Vに降圧するか、または25V仕様のバッテリパックを使うか悩むとこ...
続きを読む