Fiets computer systeem

Een van mijn grootste hobby's iets fietsen. In de zomer vakantie 2 weken fietsen, op mijn Koga Miyata Traveller 2013,  in Italië of Frankrijk is al jaren de vakantie besteding en soms ook een gewoon weekend in Nederland .

Omdat de andere hobby de elektronica is, zal het u niet verbazen dat deze twee gecombineerd zijn. De fiets computer houdt de snelheid, afstand en gemiddelde snelheid bij, maar ook  temperatuur, vochtigheid, trapsnelheid, klim percentage etc.

Om de computer van spanning te voorzien gebruik ik 2 LiPo accu's  van 3200mAh in serie.  Deze worden geladen door de naafdynamo en zonnecellen op de bagage drager. Eventueel kunnen ze ook door een externe spanningsbron b.v. een adapter worden geladen. De accu's zorgen ook voor de verlichting en de voeding van de GPS. Eventueel is met een 5 en 12V aansluiting ook nog een apparaat, aan te sluiten.    Dat wil wel zeggen dat het vermogen niet te hoog mag zijn, want bij 25W is de accu na een uur ook geheel leeg. Voor het opladen van een telefoon/smartphone of MP3 speler is het prima te gebruiken.

De zonnecellen type CSM9040 leveren per stuk 3,9V/90mA. Hiervan heb ik er 4 in serie staan en daarvan 2 parallel. In totaal 8 stuks achter op de bagagedrager. Tijdens fietstochten is bijna alles wel in tassen te stoppen, zodat de bagagedrager vrij blijft. Deze bevindt zich dan op de meest gunstige positie in de zon. In de volle zon bedraagt de laad stroom ca 150mA voor de LiPo accu's. Genoeg om het hele circuit van stroom te voorzien, maar het betekent wel ruim 20 uur in de volle zon laden om de accu's vol te laden. Zelfs in de zonnige Zuid-Europese landen zijn hier meerdere dagen voor nodig. De cellen zijn afgedekt met een lexaan afdekplaat en afgekit, om beschadiging te voorkomen.

Alleen de zonnecellen leveren genoeg energie voor de GPS  en computer, maar te weinig om tijdens het fietsen de accu's goed te laden. Tegenwoordig beschikken de meeste fietsen over een naafdynamo, waar ik dan ook graag gebruik van maak. Het oude type was een naafdynamo  Shimano HB-NX30 en zou 6V-3W moeten kunnen leveren, op mij nieuwe fiets heb ik een SON28 naafdynamo die, volgens de specificaties, hetzelfde vermogen levert. Echt veel informatie is over de Shimano dynamo niet bekend, zodat ik zelf heb moeten meten wat de dynamo levert. Ik heb gemeten dat de dynamo 14 polen heeft en een pulserende gelijkstroom levert. SON dynamo is veel moderner en er is veel meer technische informatie over bekend. Deze dynamo heeft 26 magnetische polen, deze levert een keurige sinusvormige wisselspanning met 13 golven per een omtrek van het wiel. De spanning zou 6V zijn, ik kan er echter prima een 8,4V accu mee opladen met een geleverde stroom ca 400mA bij 20km/u. Ruim 3W dus, zonder dat je voelt dat het trappen zwaarder zou zijn. Om de een of andere reden kon de Shimano naafdynamo hier niet aan tippen. Hier kon ik net een stroom van 50-100mA vanaf halen bij 8,4V. Wat daar precies de reden van geweest is mij niet duidelijk. Dat de SON dynamo dus veel beter presteert is duidelijk, hij is echter niet goedkoop maar de prijs zeker waard.  Bij beide dynamo's moeten we er om denken dat de spanning aardig op kan lopen als deze niet belast wordt tot al gauw zo'n 20V !!. Toch belangrijk om hier rekening mee te houden, vandaar dat ik een 12V stabilisator heb opgenomen in het schema, zodat de uitgangsspanning nooit hoger kan worden dan 12V.   Ik gebruik hier de L4940V12 voor, een low-drop stabilisator.   Deze stabilisator heeft wel weer een eigenaardigheidje. Ter beveiliging schakelt de stabilisator uit, als de ingang spanning te hoog wordt. boven de 20V!! En zoals we gezien hebben kan dat nog wel eens voorkomen. Ik heb dit eenvoudig opgelost door een zenerdiode van 18V/5W over de ingang te plaatsen. Zo gauw de dynamo of zonnepaneel spanning leveren kan deze dus niet hoger dan 18V oplopen en zakt bij belasting al gauw onder deze waarde.

Als er genoeg vermogen voorhanden is uit de zonnecellen of dynamo, zal het uitgangscircuit daar door gevoed worden en eventueel de accu's geladen. Als er geen vermogen is, zal de accu aangesproken worden om de energie te leveren. De 2 LiPo accu's leveren maximaal een spanning van 8,4V bij volledig geladen accu's. Het liefst lever ik aan de uitgang een stabiele 12V en daarom bevindt zich als laatste een 12V boost converter. Deze converter van het type LT1070 is zowel software matig als hardware matig uit te schakelen.

Lipo accu  circuit.

Het accu pakket bestaat bij mij uit 2 accu's van 3,7V - 3200mAh in serie geschakeld, in totaal 7,4V nominale spanning. Deze worden geladen met een LTC1731 van Linear Technology. Een bijzonder handig laad IC met slechts weinig externe componenten. De laadstroom is instelbaar, daarbij houd het IC de maximale stroom, tijdsduur en zorgt voor een precharge bij lage accu spanning.

Het hele laad proces wordt hierdoor prima in de gaten gehouden en dat is voor Lithium accu's (Lipo of Li-ion) geen overbodige luxe. Deze accu's zijn erg gevoelig voor verkeerd laden en kunnen zelfs exploderen bij verkeerd gebruik. Dat betekend ook dat de accu's bij het ontladen in de gaten gehouden moeten worden. Zo mag de spanning niet onder de 2,7V per cel komen en de uitgangstroom mag niet te hoog worden (Overigens kunnen Lipo accu's tot soms 10C = 10x de capaciteit aan stroom leveren. In ons geval zo'n 32A !!)  Ook met het laden, als de cellen wat in onbelans raken, zal een van de accu's eerder zijn absoluut maximale spanning van 4,2V halen. Het laden moet dan stoppen om schade aan de accu's te voorkomen.

Het geheel wordt dan ook continu in de gaten gehouden door een microcontroller. Ik gebruik hiervoor een AVR controller van Atmel (ATmega644). Deze processor kan ruimschoots aan de behoefte voldoen. De microcomputer bevind zich in de metalen bak onder de bagage drager evenals de accu's. Als uitvoer gebruik ik grafisch display EA-DOGM128 wit reflectief met daaronder een meerkleurig display verlichting. Het fijne van dit display is dat deze aangestuurd kan worden door de SPI protocol en genoegen neemt met een voedingsspanning van 3,3V. Hierdoor kan het aantal draden van achter naar voren beperkt blijven. Een paar stuur lijnen ( verlichting en reset) worden door een PCF8574 (I2C input/ouput) aangestuurd.

Om de microcomputer te kunnen bedienen en zo door de diverse menu's te kunnen stappen, wordt gebruik gemaakt van 2 druk schakelaars (S1 en S2) resp. links en rechts aan stuureinden. Het gehele systeem werkt op 3,3V voedingsspanning en verbruikt slechts 20mA. Om stroom te besparen als de fiets lange tijd niet gebruikt wordt kunnen we uiteraard de processor in standby zetten. De stroom zal dan minimaal zijn, maar doet toch de accu geen goed om deze helemaal leeg te laten lopen. Ik heb er voor gekozen als er toch niet gefietst wordt om de spanning maar helemaal af te schakelen. M.a.w. de processor schakelt zijn eigen voedingsspanning uit. De stroom is dan ook echt 0. Als er spanning weer op de ingang wordt aangeboden b.v. door de zon of te gaan fietsen, zal de processor weer tot leven komen en zijn taken weer vervullen. Op deze mannier kan de fiets met gerust hard in de winter worden opgeborgen, zonder de accu's te hoeven loshalen.

De fietscomputer intern. Het geheel is nogal robuust uitgevoerd. Ik heb veel ervaring met slechte wegen in het buitenland, waardoor er van alles los trilt. Fragiele stekkertjes zijn dan ook uit den boze. Stevige regenbuien proberen door de kleinste gaatjes vocht naar binnen te persen, dat de gevoelige elektronica nogal eens wist te verstoren in het verleden. Links zijn de twee LIPO accu's te zien. Ik krijg nog wel eens de vraag of het een elektrische fiets is, elektrisch wel, maar deze accuutjes zijn echt te klein om enige trapondersteuning te kunnen leveren.

Van links naar rechts zie je de microcontroller print, Accu laad en meet circuit, print om de uitgaande en inkomende stroom te meten, rechtsboven de 12V boost converter en onder de gelijkrichter print voor de naafdynamo.

Fiets verlichting: