Электричество в походе

История вопроса, размышления на тему, варианты решений.

Начнём с потребностей.

В современном мире велосипедист в походе имеет массу "необходимых" электронных устройств:
велокомпьютер,
фара и задний фонарь,
фотоаппарат,
GPS-навигатор,
мобильный телефон,
бивуачное освещение,
плеер,
радиоприёмник,
КПК,
видеокамера...
Не все устройства одинаково необходимы, некоторые совмещены в одном изделии, но от их работы напрямую зависит качество жизни в походе. Объединяет их то, что все они питаются от химических источников тока - гальванических элементов или аккумуляторов, энергия в которых имеет свойство заканчиваться. Вот тут и возникает вопрос об источнике электроэнергии в велопоходе. Можно, конечно возить несколько комплектов батареек или периодически покупать их в населённых пунктах. А можно везти только аккумуляторы и заряжать их в пути как в цивилизованных точках ночлега, так и "на ходу".

Немного истории.

В не таком уж и далёком 1985 году собираясь в велопоход по европейской части Союза из Ленинграда в Одессу у нас с товарищем был только радиоприёмник, пара лампочек освещения в палатке, ну и фонари на велосипедах, конечно. Свет использовался немного, а вот приёмник включали на каждой остановке. По ночам мы спали, а в темноте почти не ездили. Для электропитания радиоприёмника использовались батареи никель-кадмиевых аккумуляторов из банок НКГ-1,5. Зарядку батарей осуществляли "с колеса" - от велосипедных генераторов через обычный мостовой выпрямитель примерно по 3 часа в день. Электроэнергии хватало. Дефицит возник лишь на недельной стоянке в районе Фонтанки под Одессой. Но мы легко тогда смирились с мочащим в последние дни, радиоприёмником. Стоит заметить, что вело-генератор, прижимаемый к покрышке и производя до 7 Вт электроэнергии, забирал от велосипедиста неизмеримо больше. Поэтому 3 часа в день это максимум, что мы могли вытерпеть. 
на переднем багажнике радиоприемник и аккумуляторы

В другом походе по Северному Кавказу в 1988 году для питания радиоприемника использовалась солнечная батарея БСК-3  с буферной батареей никель-кадмиевых аккумуляторов. Осветительных устройств, в том походе у нас не было, поэтому с поставленной задачей солнечная батарея справилась. К слову сказать, попытка хоть как-нибудь использовать эту солнечную батарею в северных широтах успеха не поимела.
солнечная батарея в рабочем положении на "штанах"

Уже позже, в 2009 году в рамках проведения теста, ко мне попала солнечная батарея SILVA SOLAR II. В майском походе по солнечной Белоруссии это чудо техники  смогло обеспечить электроэнергией два фотоаппарата и GPS-навигатор. Батарея использовалась только для зарядки аккумуляторов типоразмера АА. Для целей освещения эта энергия не использовалась.
расположение солнечной батареи неизменно

В данной теме ещё один аспект мне представляется важным: источник энергии это не просто солнечная батарея, ветро- или вело-генератор со схемами выпрямления/стабилизации/защиты, а ещё и временное хранилище выработанной энергии - аккумулятор. Способность которого сохранять энергию важна для системы в целом. И хотя для исправного Ni-Ca аккумулятора КПД оказывается около 60%, это лучше чем без него.

В конце 2007 года еще один товарищ (albor) помог мне с приобретением светодиодов (1-ваттные Р4), оптики и драйверов. Для питания фары из двух последовательно соединённых диодов (света хотелось побольше) требовалось исходное напряжение не менее 9 В. Поэтому аккумулятор был использован 12-ти вольтовый. Не смотря на то, что светодиоды значительно экономичнее ламп накаливания, зарядки аккумулятора (1.2А*ч) хватало всего на несколько дней поездок на работу/с работы  и чутка по городу (3.5 часа света). Аккумулятор заряжал дома от сети, после предупредительных сигналов управляющей электроники. Так удалось обеспечить ежедневную "готовность" системы. Для городской езды этого оказалось вполне достаточно.
Это было самое сложное устройство включающее свет. Микропроцессор управлял режимом свечения (ярко, габарит, мигание), контролировал напряжение на батарее, переключал режим света на более экономичный в случае разряда батареи, запрещал работать с разряженной батареи и управлялся всего одной кнопкой с подсветкой.
плата управляющей электроники

В наши дни.

Осенью 2008 года я стал обладателем динамо-втулки. Сейчас, как мне представляется, это наилучший источник электроэнергии для велосипедиста, особенно в длительном походе. Потому дальнейшие усилия я направил на развитие этой темы.
динамо-втулка DH-3N20

Динамо-втулка DH-3N20 не смотря на заявленные в паспорте 6В, 3Вт, оказалась способна заряжать мой 12-ти вольтовый аккумулятор. А на скорости 27 км/ч отдавала в нагрузку, на напряжении около 16 В, уже 400 мА(!) Это больше 6-ти Ватт. Причём, производя электроэнергию, она не создаёт сколько-нибудь заметного сопротивления качению, в отличие от прижимного вело-генератора.
Существующий блок управления светом был доукомплектован модулем заряда аккумулятора. А сам аккумулятор заменен на менее тяжёлый и с меньшей ёмкостью (0.8 А*ч)

По-блочно система включала в себя:
- динамо-втулку,
- выпрямитель,
- стабилизатор напряжения на 14.4 В,
- аккумулятор 12В, 0.8А*ч,
- Step
-Down драйвер для питания светодиодов в фаре,
- стабилизатор на 5 В для подключения мобильного телефона или GPS-навигатора.

 

В качестве опции отдельный выносной блок для зарядки пальчиковых аккумуляторов от выпрямителя. 

Задача освещения в тёмное время суток и года вроде была решена. В походах "легко и непринуждённо" заряжалась мобилка. А в остальное время динамка питала GPS-навигатор. За майский поход 2010 года, продолжительностью 1000 км, GPS-навигатор "скушал" лишь один комплект батареек, так как он постоянно "сидел" на внешнем питании. Сотовый телефон был всегда заряжен, а фотоаппарат со свежими аккумуляторами. За лето и осень основной аккумулятор ни разу не был поставлен на подзарядку от сети. Энергия в нём  закончилась лишь зимой, когда закончились пробеги по-свету и упала скорость.
демонтированный комплект

 Вариант использования 12-ти вольтовой бортовой сети прослужил верой и правдой год и был отставлен по следующим соображениям:
1. всё же тяжёлый аккумулятор
2. неэффективный заряд при низкой скорости движения (бездорожье, зима)
3. приобретенный световой модуль с диодом Q5 http://www.dealextreme.com/feedbacks/browseCustomerPhotos.dx/sku.6090 показался более подходящим для работы в динамо-втулкой.

Световой модуль с Q5 потребляет до 5 Вт и допускает питание от 3 до 18 В, что очень согласуется с питанием от динамо-втулки. Li-Ion аккумулятор, имея существенно меньшие габариты и вес в сравнении с гелиевым/кислотным/свинцовым, запасает практически ту же энергию:
12*0.8=9.6 Вт*ч  у кислотного и  3.7*2.4=8.88 Вт*ч у Li-Ion.  

Вывод стал  очевиден: нужно переходить на другой аккумулятор и более низкое напряжение "бортовой сети". 

23 мая 2011 В майский поход 2011 года поехал с этой схемой. По итогам похода она зарекомендовала себя с хорошей стороны. 

Пожалуй уже остановлюсь на выбранном варианте, потому как ВСЁ УСТРАИВАЕТ. 
В коробочке на правом пере вилки разместились: выпрямитель с узлом ограничения на 4.4 В и аккумулятор. На левом пере фара со своим драйвером. На соединяющем проводе переключатель режимов фары. Это основа. Остальные блоки подключаются по мере надобности: преобразователь на 5 В для питания GPS или заряда мобильника; контейнер с элементами АА; 
Постоянный потребитель - GPS доволен. Кроме того, на шоссе быстро заряжаю АА (без контроля напряжения и тока, хотя узел легко дорабатывается ) или внешний Li-Ion (тоже для фотоаппарата, но с защитой от перезаряда). Хоть в пути, хоть на стоянке заряжаю мобильник. Ну и всё это почти не мешает быть со светом.
Из проблем : только разъёмы и переключатель. Надо найти что-нибудь соответствующее... или коробочку сложную с доп. крышкой.

февраль 2013 г

2 года эксплуатации последнего варианта. Выглядит так:

Световой модуль в корпусе от связного разъёма. Хомут крепления изоляционный: т.к. динамо-втулка жестко "сидит" на раме. Стоит отметить, что сейчас появились аналогичные модули с диодом Т6. Соответственно помощнее.  http://dx.com/p/cree-xml-t6-1-mode-6700k-450-lumen-smooth-aluminum-drop-in-module-55025

Коробочка с электроникой и аккумулятором 18650 на правом пере вилки.

Вид спереди. Опасался, что коробочка отвалится обо что-нибудь... Не досталось ещё.

25 июня 2013 Из неисправностей: только один обрыв соединительного провода к фаре. Недавно заменил стабилизатор напряжения на импульсный. Разницу пока не ощутил. 
К недостаткам этого решения отношу необходимость в повышающем преобразователе для USB-устройств.

31января 2014

Думал, что все устраивает... :) Однако, решился модернизировать дальше. Втулка ведь ограничена по мощности конструктивно, а Li-Ion аккумы допускают большие токи заряда. Так почему бы не уменьшить потери на стабилизаторе напряжения самым радикальным путём... Опытный экземпляр готов к испытаниям.

Борьба за экономию энергии привела к тому, что аккумулятор теперь заряжается непосредственно с выпрямителя без промежуточных схем стабилизации тока или напряжения. По достижении напряжения 4.15В аккумулятор  отключается от источника.

22 августа 2014

Вернулся к " старой" схеме прошлого года как самой удачной. Немного изменил элементную базу, номиналы и конструктив. Теперь основной модуль умещается в коробке для двух аккумуляторов 18650.

Если у Вас есть вопросы или предложения по данной теме, напишите мне. Пашков Владимир