Regenerative Power Control for Electric Bicycle

7/30/2019 Regenerative Power Control for Electric Bicycle

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S I C E - I C A S E I n t e r n a t i o n a l J o i n t C o n f e r e n c e 2 0 0 6O c t . 1 8 - 2 1 , 2 0 0 6 i n B e x c o , B u s a n , K o r e aR e g e n e r a t i v e Power C o n t r o l f o r E l e c t r i c B i c y c l e

N i t i p o n g S o m c h a i w o n g ' a n d W i r o t P o n g l a n g k a 2D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l , F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , R a j a m a n g a l a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y L a n n a , C h i a n g r a i C a m p u sC h i a n g r a i , 5 7 1 2 0 , T h a i l a n d( T e l : + 6 6 - 0 - 5 3 7 2 - 9 6 0 0 ; E - m a i l : t h a i j o b l e s s g h o t m a i l . c o m )2 D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c , F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , R a j a m a n g a l a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y L a n n a , C h i a n g r a i C a m p u sC h i a n g r a i , 5 7 1 2 0 , T h a il a n d( T e l : + 6 6 - 0 - 5 3 7 2 - 9 6 0 0 ; E - m a i l : w i r o t e p g h o t m a i l . c o m )

A b s t r a c t : T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e d e s i g n r e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l f o r e l e c t r i c b i c y c l e . PM b r u s h l e s s d c m o t o r u s eo n e l e c t r i c b i c y c l e . I n e l e c t r i c a l b i c y c l e s y s t e m o c c u r s d u e t o t h e r e g e n e r a t i v e p o w e r r e g u l a t i n g t o p r e v e n t a D C - l i n ko v e r - v o l t a g e c o n d i t i o n . R e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l c i r c u i t i s a b s o r b i n g r e g e n e r a t i v e p o w e r i n t h e b a t t e r y . D e t a i l s o f t h em o t o r a n d t h e e l e c t r o n i c c o n v e r t e r a r e g i v e n . T h e r e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l f o r e l e c t r i c b i c y c l e m e t h o d i s a s a m p l ea n d a l o w - c o s t s o l u t i o n . T e s t r e s u l t s c o n f i r m e d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e p r o p o s e d m o t o r d e s i g n .K e y w o r d s : e l e c t r i c b i c y c l e , r e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l , BLDCM, p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s s d c m o t o r .

1 . INTRODUCTIONI n t h i s p a p e r , we d e s c r i b e a s t u d y i n g a n d d e s i g n e dr e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l f o r a n e l e c t r i c b i c y c l e . T h i sm e t h o d u s e s t o e x a m i n e t h e e n e r g y r e m a i n d e r f r o m am o t o r w h i l e a m o t o r w a s s u s p e n d e d t o b r a k e o f f . T h i s

p r o p o s e s c a p a b l e t o i n s p e c t i o n t h e v o l t a g e t h a t s u p p l i e st o m o t o r a n d c o m p a r i s o n w i t h t h e r e f l e c t e d v o l t a g e f r o mt h e m o t o r . N o r m a l l y , a m o t o r w a s p e r f o r m e d a s a l o a do f c i r c u i t a n d h a v e t h e v o l t a g e e q u i v a l e n t s t o s a m ev a l u e . When we d e s c r i b i n g t o t h i s c h a r a c t e r i s t i c ,m e a n w h i l e a b i c y c l e a r e r u n n i n g o n a s l o p e d o w n o fr o u t e , c a u s e d t o i n c r e a s i n g a c y c l e s p e e d o f m o t o r m o r et h a n a n o r m a l l y s i t u a t i o n . I n p r e v i o u s , i s t h e m a i nr e a s o n t o h a v e a n e x p e r i m e n t o f a r e g e n e r a t i v e p o w e rc o n t r o l f o r e l e c t r i c b i c y c l e . T h e e x p e r i m e n t s r e s u l t sw e r e s u c c e e d a c c o r d i n g t o d e s i g n e d c o n d i t i o n .

2 . AN ELECTRIC BICYCLE THEORYE l e c t r i c b i c y c l e s w e r e l e a d t o m o r e p o p u l a r i n u s e do n p r e s e n t - d a y . A t t h e p r e s e n t m o m e n t , t h e e n e r g y p r i c ef r o m o i l s w a s m o r e e x p e n s i v e . T h e u s e d o f m o t o r t y p ei n t h i s p a p e r w a s i n w h e e l o f E l e c t r i c b i c y c l e t y p e . T h eu s e f u l o f t h i s m o t o r t y p e i s u s e t o p e r f o r m a n o r i g i n a lm o d e l i n t h e s t u d y i n g a n d d e s i g n i n g i n s p e c t i o n a n dr e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l c i r c u i t . T h e c o m p o n e n t s o f

a n E l e c t r i c b i c y c l e a s s h o w n i n f i g . 1

F r o m f i g . 1 i s s h o w n t h e o r i g i n a l m o d e l o f E l e c t r i cb i c y c l e w h i c h m o t o r i n s i d e t h e w h e e l i n s t a l l a t i o n . T h ev o l t a g e o f 36V i s n e c e s s a r y f o r t h i s m o t o r .

F i g . 2 T h e i n w h e e l m o t o r .F r o m f i g . 2 i s a n i n w h e e l m o t o r t y p e h a s v o l t a g e

l i m i t i n g o n 3 6 V . a n d t h e m o t o r s p e e d i s 3 0 0 r p m .3 . BASIC OF IN WHEEL MOTOR DRIVING

I n w h e e l m o t o r h a s a b a s i c s t r u c t u r e s i m i l a r t oBLDCM ( B r u s h l e s s DC M o t o r ) . I n g e n e r a l l y , h a v e ac o i l i s w i n d i n g e n c l o s e t o a t s t a t o r a n d h a v e p e r m a n e n tm a g n e t i c l o c a t e d a t t h e c o r e o f r o t o r a s i n f i g u r e 3 .

F i g . 1 O r i g i n a l o f An E l e c t r i c b i c y c l e .

8 9 - 9 5 0 0 3 8 - 5 - 5 9 8 5 6 0 / 0 6 / $ 1 0 C 2 0 0 6 ICASE 4 3 6 2


2/4

I F O u t p u t > i n p u t = c h a r g e r o nO u t p u t < i n p u t = o f fE n d .F r o m t h e a b o v e m e n t i o n e d , we c a n d e s i g n t h e

r e g e n e r a t i v e p o w e r c i r c u i t a c c o m p l i s h e d a s s h o w ni n f i g u r e 5 .

R 1 T rIF i g . 3 T h e S t r u c t u r e o f I n W h e e l m o t o r .

F r o m f i g . 3 i s s h o w n t h e s t r u c t u r e o f I n w h e e l m o t o rf o r t h e o r i g i n a l m o d e l i n t h i s p r o p o s e .4 . THE BASIC OF ENERGY CONTROLCIRCUIT OFAN ELECTRIC BICYCLE

I n f i g . 4 i s s h o w n a d i a g r a m o f a n E l e c t r i c b i c y c l ec o n t r o l c i r c u i t a n d d i v i d e d t o t w o p a r t s .1 . R e g e n e r a t i v e p o w e r i n s p e c t o r c i r c u i t .2 . B a t t e r y c h a r g e r c i r c u i t .

F i g . 4 D i a g r a m o f p o w e r c o n t r o l c i r c u i t o f E l e c t r i cB i c y c l e .F r o m f i g . 4 t h i s d i a g r a m i s d e s c r i b i n g t h e p r i n c i p l e o fp o w e r c o n t r o l c i r c u i t o p e r a t i o n o f a n E l e c t r i c b i c y c l e .T h e c o n t r o l c i r c u i t i s d i v i d i n g t o t w o p a r t s f o ri n s p e c t i o n t h e s t a t u s o f r e g e n e r a t i v e p o w e r a n d b a t t e r y

c h a r g e r c o n t r o l c i r c u i t . T h e p r i n c i p l e o p e r a t i o n o fc o n t r o l c i r c u i t i s s h o w i n t h i s d e t a i l .4 . 1 REGENERATIVE POWER STATUSINSPECTOR CIRCUIT

T h i s c i r c u i t u s e d t o e x a m i n e t h e r e g e n e r a t i v e p o w e rs t a t u s b y c h e c k i n g t h e m a g n i t u d e o f v o l t a g e a t t h e o u tp u t o f c i r c u i t . T h e m e t h o d i n o r d e r t o i n s p e c t i o na c c o m p l i s h e d b y c o n n e c t i n g a w i r e o n a p o l e o f m o t o rp o s i t i o n c o m p a r i s o n w i t h i n p u t v o l t a g e b y c o n n e c t e d o na p o l e o f b a t t e r y p o s i t i o n .

I F m a g n i t u d e s o n t h e o u t p u t v o l t a g e a r e g r e a t e rt h a n i n p u t v o l t a g e s , a r e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l c i r c u i ti s o p e r a t i n g b y t r a n s m i t t i n g a n e l e c t r i c s i g n a l t o b a t t e r yc h a r g e r c i r c u i t s o p e r a t i n g a c c o r d i n g t o t h i s p r o c e d u r e .

B a t t e r y

IF

R 4 I G B T M o t o r

~ 1 92InD , ~ ~ ~

F i g . 5 A R e g e n e r a t i v e P o w e r S t a t u s I n s p e c t o r C i r c u i t .T h e o p e r a t i o n o f f i g u r e 5 , i f t h e v o l t a g e o n " 1 "p o s i t i o n s a r e g r e a t e r t h a n " 2 " p o s i t i o n s , w h i l e a p o s i t i o n" 1 " a s o u t p u t b u t p o s i t i o n " 2 " a s t h e i n p u t . A r e s u l t f r o md i f f e r e n c e v o l t a g e i s l e a d i n g t o c o n t r o l t r a n s i s t o r o n .

T h e c u r r e n t i s d r i v i n g b y t r a n s i s t o r p a s s i n g t h r o u g h R 3a n d R 4 t o i g n i t e t h e g a t e o f IGBT s w i t c h e s ON s t a t e . Ar e s u l t f r o m IGBT s w i t c h e s ON s t a t e , a n d c a u s e s t h ev o l t a g e a c r o s s o n p o s i t i o n " X " a n d D 2 w i l l p r e v e n to v e r v o l t a g e o f IGBT4 . 2 BATTERY CHARGER CIRCUIT

T h e f u n c t i o n o f b a t t e r y c h a r g e r i s t h a t o p e r a t ec o n t i n u i n g f r o m r e g e n e r a t i v e p o w e r c i r c u i t b y r e c e i v ev o l t a g e a c r o s s " X " p o s i t i o n e n t e r i n g t o b e i n p u t v o l t a g eo f b a t t e r y c h a r g e r a c c o r d i n g t o f i g u r e 6 .R ID I

D 2 2 , C 3x T2 l T C 2 R 5

F i g . 6 B a t t e r y C h a r g e r C i r c u i t .An o p e r a t i o n o f b a t t e r y c h a r g e r o f c i r c u i t i n f i g u r e 6a c c o m p l i s h e d w i t h t h e v o l t a g e a c r o s s i n p u t p o s i t i o n o r" X " p o s i t i o n o f r e g e n e r a t i v e p o w e r c i r c u i t , t h e r e a r e t h e

c u r r e n t p a s s i n g t h r o u g h R 1 , R 4 a n d R 3 t o a c t i v a t i o nt h e o p e r a t i o n o f Q 2 a n d Q 1 r e s p e c t i v e l y . W h i l e Q 1 i s

4 3 6 3

2 D I I


3/4

ON s t a t e , t h e o u t p u t v o l t a g e u s a b l e t o c h a r g e b a t t e r y a tp o s i t i o n ( V X ) .

5 . THE EXPERIMENT RESULTS5 . 1 An e x p e r i m e n t a l o f r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v o l t a g e

s u p p l i e d t o motor a n d motor s p e e d a c c o r d i n gT a b l e 1 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v o l t a g e s u p p l i e d t om o t o r a n d c y c l e s p e e d .

V o l t a g e ( V ) s p e e d ( r p m )5 4 01 0 9 01 5 1 3 02 0 1 8 02 5 2 2 03 0 2 7 03 5 3 1 0

From t a b l e 1 i s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v o l t a g ep o w e r s s u p p l i e d w i t h c y c l e s p e e d o c c u r r e d m e a n w h i l ewe s u p p l y i n g t h e p o w e r t o m o t o r .T a b l e 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m o t o r s p e e d a n dv o l t a g e w h i l e s u p p l i e d m e c h a n i c a l en e rgy t o m o t o r .

s p e e d ( r p m ) V o l t a g e ( V )4 0 4 . 29 0 9 . 21 3 0 1 41 8 0 1 92 2 0 2 32 7 0 2 83 1 0 3 2

From t a b l e 2 i s s h o w n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c y c l es p e e d a n d v o l t a g e w h i l e s u p p l i e d m e c h a n i c energy t om o t o r a n d t h e r e s u l t s i n f o r m o f g r a p h i c a c c o r d i n g t of i g . 7 i s t h e v o l t a g e versus m o t o r c y c l e s p e e d .

4 03 5 ;3025-2 0 -

0 15-105 -0-

4 0 9 0 1 3 0 1 8 0 2 2 0 2 7 0 3 1 0S p e e d ( r p m )

F i g . 7 T h e r e l a t i o n s h i p o f v o l t a g e a n d c y c l e s p e e d o fM o t o r .From f i g . 7 t h e r e are 2 s t a t e o f t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n v o l t a g e a n d c y c l e s p e e d a c c o r di n g t o t h e b l u el i n e i s r e p r e s e n t i n g a n e l e c t r i c a l energy s u p p l i e d t o

motor s t a t e . T h e o t h e r h a n d , t h e r e d l i n e i s r e p r e s e n t i n gm e c h a n i c e n e r g y s u p p l i e d t o m o t o r s t a t e .5 . 2 The e x p e r i m e n t a l f o r r e g e n e r a t i v e power c o n t r o l

C i r c u i t

T h e e x p e r i m e n t s e t t i n g b y i n i t i a l i z a t i o nm o d e l i n g t h e v e l o c i t y o f m o t o r s p e e d are s t a b l e a t4 0 rpm w i t h s u p p l i e d t h e v o l t a g e t o m o t o r i s 5 v o l t sa n d s u p p l i e d m e c h a n i c a l en e rgy t o m o t o r f o rr e g e n e r a t i v e power i n e x p e r i m e n t o f E l e c t r i c b i c y c l e .

F i g . 8 T h e s i t u a t i o n M o d e l i n g f o r R e g e n e r a t i v e S t a t e .T a b l e 3 T h e r e s u l t s o f m o d e l i n g b y s u p p l i e d v o l t a g e

t o m o t o r 5 V .s p e e d ( r p m ) V x ( V )

4 0 09 0 9 . 7 21 3 0 1 1 . 9 31 8 0 1 2 . 1 72 2 0 1 2 . 4 12 7 0 1 3 . 2 43 1 0 1 5 . 2 4

F i g . 9 G r a p h i l l u s t r a t i o n s f o r t h e O p e r a t i n g o fR e g e n e r a t i v e P o w e r C i r c u i t .

From t a b l e 3 a n d f i g . 9 i s s h o w n t h e c h a r a c t e r i s t i co p e r a t i n g o f i n s p e c t o r c i r c u i t w h i l e c y c l e s p e e d o f m o t o rmore t h a n 4 0 r p m . T h e m o t o r w i l l g e n e r a t i n g o u t p u tv o l t a g e more t h a n 5 V , c a u s e d t h e r e g e n e r a t i v e po w e rc i r c u i t o p e r a t e d a n d appearance t h e v o l t a g e across V X .T h i s v o l t a g e u s a b l e t o c h a r g e b a t t e r y .

4 3 6 4

1 8 -1 61 4 -1 2 -

6 -4 -20

4 0 9 0 1 3 0 1 8 0 2 2 0 2 7 0 3 1 0S p e e d ( V )


4/4

6 . SUMMARYT h i s p a p e r p r o p o s e s a s t u d y i n g a n d d e s i g n e dr e g e n e r a t i v e p o w e r c o n t r o l f o r a n e l e c t r i c b i c y c l e b yg e n e r a t i n g a m o d e l s i t u a t i o n o f r e g e n e r a t i v e p o w e r . T h er e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l , we c a n s t o r a g e a n e l e c t r i c a l

e n e r g y i n r e a l t i m e a n d u s e a s t o o r i g i n a l m o d e l i n g i no r d e r t o i m p r o v e i n t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n . T h ep r o p o s e m e t h o d w e r e d e r i v e d c o m p l e t e d w i t h m o r es i m p l y a n d s a v e c o s t .REFERENCES

[ 1 ] Tomy S e b a s t i a n a n d S h a s h i B . D e w a n ," C o m p a r i s o n o f D u a l - C o n v e r t e r B a s e d P o w e rS u p p l y S y s t e m s , " IEEE T r a n s a t i o n s o n I n d u s t r yA p p l i c a t i o n s , V o l . 2 5 , N o . 2 , M a r c h / A p r i l 1 9 8 9 .[ 2 ] D e n n i s H . B r a u n , T o m a s P . G i l m o r e a n d W a l t e r A .M a s l o w s k i , " R e g e n e r a t i v e C o n v e r t e r f o r PWM ACD r i v e r s , " IEEE T r a n s a t i o n s o n I n d u s t r yA p p l i c a t i o n s , V o l . 3 0 , N o . 5 , S e p t e m b e r / O c t o b e r1 9 9 4 .[ 3 ] T . F . C h a n , L i e - T o n g Y a n a n d S h a o - Y u a n F a n g ," I n - W h e e l P e r m a n e n t - m a g n e t B r u s h l e s s d c M o t o rD r i v e f o r a n E l e c t r i c B i c y c l e , " IEEE T r a n s a t i o n so n E n e r g y C o n v e r s i o n , V o l . 1 7 , N o . 2 J u n e 2 00 2.[ 4 ] D u a n e C . H a n s e l m a n , B r u s h l e s s P e r m a n e n t -M a g n e t M o t o r D e s i g n . M c G r a w - H i l l , I n c . 1 9 9 4 .[ 5 ] T . K e n j o a n d S . N a g a m o r i , P e r m a n e n t - M a g n e t a n dB r u s h l e s s DC M o t o r s . O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s ,Ne w Y o r k , O x f o r d . 1 9 8 5 .[ 6 ] R . K r i s h n a n , E l e c t r i c M o t o r D r i v e s , M o d e l i n g ,A n a l y s i s , a n d C o n t r o l . P r e n t i c e H a l l , I n c . Ne wJ e r s e y . 2 0 0 1 .

4 3 6 5

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