Bicicleta Electrica

ABSTRACT

Bicicletele electrice reprezintă un fenomen în plină evoluție, iar acest lucru se datorează progresului în ceea ce privește tehnologia acumulatoarelor. Înainte de a merge mai departe cu explicarea modului de realizare a unui astfel de vehicul electric, haideți să vă explic pe scurt care este diferența dintre o bicicletă electrică și una clasică pentru a înțelege mai bine acest concept revoluționar.

În primul rând, la prima vedere, diferența dintre o bicicletă clasică și una electrică este oarecum insesizabilă, pentru că aspectul este aproape identic: cadru, șa și ghidon clasice, cele două roți, pedale, etc. Ceea ce le diferențiază însă este prezența motorului electric și a bateriei care, în funcție de model, pot fi amplasate în grupul pedalier sau în butucul roții – în cazul motorului și pe portbagaj sau pe cadru – în cazul bateriei.

Este foarte important de reținut faptul că bicicleta nu funcționează dacă nu se pedalează. Sistemul electric este prevăzut cu senzori care în funcție de forța pedalării, transmit informația la motor iar acesta își reglează în mod adecvat viteza de rotație. Există constructiv o limitare în ceea ce privește viteza maximă, astfel încât în jurul a 25km./h motorul se decuplează automat, pentru a se evita pierderea controlului asupra bicicletei.

Acest proiect reprezintă o provocare interesantă pentru mine deoarece necesită multe cunoștiințe pentru a putea realiza un sistem electric folosit la îmbunatățirea permormanțelor unui sistem mecanic. Ceea ce face și mai dificilă această provocare este faptul că reprezintă un domeniu în care pot îmbina cunoștințele de electronică de putere și cunoștiințe de electrotenică dobândite pe parcursul celor patru ani de studiu.

Am ales această temă de prezentat pentru a insista asupra creșterii gradului de conștientizare a modurilor de transport alternativ și nepoluant. În Români acest tip de vehicul este foarte puțin cunoscut, nu se promoveză datorită faptului că firmele românești din domeniu nu produc așa ceva, iar magazinele de specialitate nu există. Așadar, este un domeniu spre care ne putem îndrepta atenția luând în considerare câteva obiective: obiective mecanice, obiective electrice, criterii de siguranță, confort, ușurință de utilizare precum și o serie de alte obiective care pot intra în conflict în diferite circumstanțe.

CAPITOLUL 1.

Apariția vehiculelor electrice

Principala problemă-POLUAREA

În prezent, cele mai mari probleme cu care se confruntă omenirea sunt poluarea, atât cea produsă de activitățile industriale cât și cea produsă de autovehicule, precum și găsirea de soluții noi de producere a energiei, deoarece sursele convenționale (neregenerabile) precum petrolul brut sunt în curs de epuizare. Conform [1,2], petrolul este o sursă limitată de energie, iar în ritmul actual de exploatare a resurselor de petrol de pe întreg globul se estimează că în condițiile existente în acest moment de extragere și procesare se poate utiliza această resursă pentru încă aproximativ 46 de ani [3,4].

În Fig. 1.1. este prezentat un grafic din care reiese că sectorul de transporturi este unul în continuă expansiune și implicit un consumator din ce în ce mai mare de combustibili obținuți din petrol [3].

Fig. 1.1 Consumul energetic de petrol in zona UE sintetizat pe sectoare de activitate conform[3]

Pentru a obține energia de propulsie, în prezent, cea mai mare parte a vehiculelor se bazează pe arderea combustibililor pe bază de hidrocarburi. Acest fenomen reprezintă o reacție între combustibil și aer cu degajare de căldură și produși de ardere. Căldura este transformată în putere mecanică de motorul termic drept urmare în atmosfera sunt eliberati produșii de ardere. Reacția din care în urma arderii se obține numai căldură, bioxid de carbon (CO2) și apă (H2O), reprezint reacția completă, deoarece produșii rezultati nu dăunează mediului înconjurător. În mod real arderea combustibilului pe bază de hidrocarburi nu se realizează niciodată complet, totodată rezultând și o anumită cantitate de oxizi de azot (NOx) și hidrocarburi nearse (HC), pe lângă CO2 și H2O, toate acestea fiind toxice pentru sănătatea oamenilor. [5]

Soluții de reducere a poluarii

Pentru a reduce efectele negative produse, principalele tari industrializate precum SUA, UE sau Japonia au luat măsuri organizatorice si legislative de limitare a fenomenelor negative. În Uniunea Europeană s-au luat deja măsuri drastice de limitare a poluării, prin introducerea normelor de limitare EURO (s-a ajuns la V și se previzionează restricționari viitoare) precum și reducerea consumului de combustibili fosili și înlocuirea lor cu combustibili regenerabili (biodisel, etanol, hidrogen, etc). [6]

În ceea ce privește transportul urban o soluție favorabilă ar putea fi înlocuirea vehiculelor clasice cu vehicule electrice. Acestea oferă o oportunitate majoră de a rezolva efectele negative externe asociate motoarelor cu combustie internă fără a constrânge rolul vital pe care îl au vehiculele.

Spre exemplu, Statul California încurajează producătorii de autovehicule de a produce vehicule electrice finanțând o parte din costurile de fabricație și informând populația cu numeroasele avantaje a acestor invenții.[7] , însă trebuie reținut faptul că există obstacole care împiedică creșterea mobilității electrice întrucât vehiculele electrice au costuri inițiale mai mari decât cele dotate cu motoare cu combustie internă și necesită sprijinirea infrastructurii de încărcare, costurile suplimentare pot fi importante. [10]

Evoluția vehiculelor electrice

Primele vehicule electrice demostrative au fost inventate în 1830 și comercializate abia pe la sfârșitul secoului al XIX-lea. Datorită limitărilor asociate bateriilor și evoluției rapide în cazul vehiculelor cu motoare cu ardere internă, care în mod normal au intervale de funcționare mult mai lungi și foarte ușor de realimentat, vehiculele electrice aproape au dispărut de pe scena încă din anul 1930. Cu toate acestea, la începutul anilor 1970, unele țări, aflate în plină criză energetică, au reluat interesul pentru vehiculul electric. [5]

Vehiculele cu două roți au constituit dintotdeauna o soluție practică de transport individual pentru aglomerările urbane, unde viteza medie de deplasare pentru un vehicul cu 4 roți scade deseori sub viteza mersului pe jos datorită numărului mare de automobile și a infrastructurii de transport. [8]

Atunci când această mobilitate deosebită se combină cu un sistem de propulsie nepoluant rezultă un vehicul care contribuie substanțial la rezolvarea a două din cele mai stresante probleme ale locuitorilor orașelor și ale administrației locale: transportul și protecția mediului. Bicicletele și scuterele electrice se bucură de o popularitate în continuă creștere, datorită, în principal, creșterii continue a prețului petrolului. Tehnologia bateriilor de acumulatoare realizează progrese semnificative, făcând această modalitate de transport din ce în ce mai interesantă pentru potențialii utilizatori. [8]

Conform documentului, Cartea Albe de Transport, Versiunea 2011, acesta ne informează că solicită reducerea la jumătate a utilizării de mașini cu alimentare convențională în transportul urban până în 2030 și eliminarea completă până în 2050. [11]

Un alt studiu realizat de Universitatea californiană Berkeley arată că în anul 2030 aproximativ 86 % din vehiculele ce rulează pe străzi vor fi electrice. Procentul este condiționat de apariția unor centre de încărcare sau de schimbare a bateriilor dezvoltate la nivel global până în acel moment. [9]

CAPITOLUL 2.

Studiul sistemelor de acționare pentru biciclete electrice

2.1. Introducere

Transportul într-o aglomerare urbană reprezintă una din marile probleme ale unui oraș deoarece dezvoltarea și optimizarea funcțiunilor lui, depinde de modul în care se răspunde și se oferă soluții pentru rezolvarea unor factori de natură tehnică și economică, asigurarea confortului în circulația oamenilor, caracterul prietenos pe care trebuie să-l asigure față de mediu și arhitectura unui oraș, dinamica lui și viziunea cu care trebuie gândit pe perioade lungi de timp. [12]

În ceea ce privește transportul personal o metodă relativ ieftină menită să simplifice activitățile zilnice și viața în general este apariția bicicletelor electrice. Dacă în urmă cu ceva ani acest fenomen parea de neimaginat și imposibil de realizat, acum datorită evoluției inovațiilor tehnologice a industriei mondiale de biciclete avem deja schimbătoare de viteze automate, avem sisteme de frânare wirless și pe scurt avem biciclete electrice.

Alte câteva alternative ale electromobilității personale ar fi o serie de invenții uimitoare variind de la Segway (fig.2.1.1), Bike Yike (fig.2.1.2), Ryno (fig.2.1.3), diverse scutere electrice, skateboard-uri, patine de putere, motociclete electrice și așa mai departe. Ignorând variantele alimentate cu combustibili fosili, alternative recente apărute sunt cele alimentate cu aer comprimat, cu celule de combustibie și probabil alte surse de alimentare neobișnuite. [14]

Spre exemplu Segway este una dintre soluțiile de electromobilitate personală cea mai creativă și inovatoare dezvoltată în ultimii ani, cu o gamă mică de utilizatori loiali în mai multe domenii de aplicare. În timp ce acest lucru este incitant și extrem de atractiv din punct de vedere tehnologic, aceasta conduce la o soluție de transport foarte scumpă, necesită un spațiu mare pentru deplasare, și poate solicita acordarea de licențe pentru utilizarea în anumite locații. [14]

Fig. 2.1.1 Fig. 2.1.2 Fig. 2.1.3

2.2. Istoric

Bicicleta a fost inventată de francezul Ernest Michaux în anul 1861. Din păcate nu a fost omul care să își dea seama că roțile apropiate ca dimensiuni sunt cele potrivite, cu condiția ca pedalele să fie mutate și să antreneze, prin pinioane, roata din spate. Michaux a montat pedale roții din față și aparatul rezultat a fost numit velociped. Roata din față era mult mai mare decât cea din spate, iar cu cât era roata din față mai mare, cu atât mergeai mai mult, dar îți era și mai greu să îți menții echilibrul. Dovezile însă arată că înainte de construcția bicicletei moderne cu ghidon și pedale, și alte minți luminate s-au gândit să constuiască un mijloc de trasport cu roți. [15]

Spre exemplu baronul german Karl Drais von Sauerbronn a fost primul care a schițat o asemenea idee și a prezentat-o la Paris, pe data de 6 aprilie 1818 în cadrul unei expoziții. Stramoșul bicicletei de astăzi , denumită de baron „Draisenna” după numele său, era construită integral din lemn, nu avea pedale, iar utilizatorul trebuia să împingă cu picioarele pentru a se deplasa. [15]

Conform Wikipedia, primele forme de biciclete electrice au apărut în anul 1900 în Statele Unite ale Americii. Bicicletele elctrice au reușit să atragă atenția datorită ingeniozității puterii în practică și ușurinței în folosire prin faptul că aveau motorul plasat în partea din spate și antrenat cu o curea sau cu un lanț și că aveau un sistem mai simplu sau mai complex de antrenare a roților. [16]

Odată cu inventarea dispozitivelor semiconductoare de putere, bicicleta electrică a renăscut și mai mult ca niciodată, astfel a fost posibilă comercializarea și utilizarea pe scară largă a acestui tip de vehicul electric. Bicicleta electrică modernă a apărut în anul 1992, atunci când o companie pe nume Vector Services Limited a realizat primul prototip al unui astfel de vehicul. Bicicleta era propulsată de un motor cu magneți permanenți alimentat de la o baterie Ni-Cd plasată în interiorul cadrului și era capabilă de o autonomie de 3 ore. Un lucru important de precizat aici este faptul că în aceste 3 ore era nevoie și de aportul biciclistului, sistemul electric fiind mai mult folosit pentru a-l asista pe acesta. Cu toate acestea, bicicleta electrică a atras atenția oamenilor din domeniu și a dat totodată startul unei noi etape de dezvoltare a bicicletei.[17]

2.3. Tipuri de biciclete electrice

În funcție de modul în care este controlat motorul există două tipuri principale de biciclete electrice:

Bicicleta electrică cu manetă de accelerație

Principiul de acționare la acest tip de bicicletă e asemănător cu cel de la o motocicletă, adică are o clapetă de accelerație pe ghidon, pe care o utilizezi pentru a porni sau opri motorul și pentru a-i mări sau scădea puterea. Acționarea frânelor reduce puterea și încetinește bicicleta. [18]

Bicicleta electrică de tip Pedelec

Un pedelec (de la from pedal electric cycle) este o bicicletă la care motorul fucționează ca răspuns la pedalarea biciclistului. În cadrul acestei categorii, există două grade de sofisticare:

-la cel mai înalt grad se găsesc pedelec-urile cu senzor de detectare a puterii; altfel spus acest tip de bicicletă simte cât de multă putere se aplică pedalelor și contribuie și el la creșterea puterii astfel încât, biciclistul să obțină mai mult ajutor atunci când se deplasează pe drumuri cu pante mari. [18,19]

-cel de-al doilea tip de pedelec este un sistem mai simplu, format dintr-un senzor de detecție prin rotație. Acesta este folosit pentru a verifica dacă biciclistul pedalează înainte și cu ce viteză. Pedelec-urile includ un mecanism de control care taie puterea motorului atunci când biciclistul nu mai pedalează sau când a fost atinsă o anumită viteză. [18,19]

Principiul general de funcționare

Principiul de funcționare constă în aplicarea unei tensiuni variabile motorului, astfel încât să fie controlat curentul prin motor, cuplul motorului, viteza motorului și a vehiculului. La pornire se poate alege unul dinte cele două moduri de funcționare: pedelare fără motor sau doar motor. [17]

În realizarea bicicletelor electrice se folosesc două tipuri diferite de motoare, și anume:

Motoare de curent continuu ( cu excitație serie, cu excitație separată și cu magneți permanenți)

Motoare de curent alternativ (asincrone și sincrone)

Motoare hibride (cel mai promițător fiind motorul cu reluctanță dublu variabilă autopilotat) [21]

În selectarea unui motor trebuie avut în vedere trei caracteristici cheie: eficiență ridicată, întreținere minimă și densitate de putere mare. [20]

Motorul electric poate fi plasat în interiorul uneia dintre roțile bicicletei (a) și (b) sau în exteriorul bicicletei (c) și (d). De asemenea mai poate fi cu transmisie cu lanț în linie cu schimbatorul sau transmisie cu lanț la inel cu lanț separat (e) și (f). [14]

Figura 2.4.1. Diferite moduri de amplasare a motorului [14]

Avantajul plasării motorului în interiorul uneia dintre roți este acela că nu avem nevoie de o transmisie sau de un butuc special pentru dublul angrenaj al roții din spate. O astfel de soluție este dezavantajoasă pentru că transmisia nu poate fi modificată în nici un fel; cu alte cuvinte spus, aceste vehicule se adresează mai mult celor interesați de o bicicletă electrică cât mai ergonomică însă fără posibiltăți reale de extindere. [17,14]

În cazul plasării motorului în exteriorul bicicletei în partea din spate, avantajul îl constituie faptul că transmisia este “la vedere”, oferind posibilitatea de a extinde funcționalitatea vehicului. Astfel se poate interveni asuprea motorului electric și asupra părților componente ale transmisiei cu scopul de a aduce îmbunătățiti la nivel de performanță. Dezavantajul aceste soluții este acela că trebuie folosit un butuc special, un butuc care să permită motorului electric să antreneze roata din spate însă, în același timp, să nu învârtă pedalele; la rândul lor pedalele trebuiesc să poată antrena roata din spate însă nu trebuie să antereneze motorul. [17]

La rândul său, motorul trebuie alimentat cu o baterie electrică, care poate fi de 12V, 24V, 36V sau chiar 48V. Aceste componente trebuiesc minimizate și așezate astfel încât să nu ocupe mult spațiu și să nu îngreuneze prea mult bicicleta. Locurile comune de montare a bateriilor în funcție de tipul și forma lor sunt:

deasupra roții din față (e)

în parea din spate a bicicletei deasupra roții din spate (a) și (d)

În partea de mijloc, sub ghidon (b)

În cadrul bicicletei (f)

Figura 2.4.2. Diferite variante de monatare a bateriilor[14]

Indiferent de tehnologia bateriilor folosită, sursa de alimentare este cea mai grea componentă a unei biciclete electrice. Posibilele variante de montare a bateriilor au fost evidențiate în Figura 2.4.2, cu toate acestea trebuie precizat că amplasarea bateriilor poate influența semnificativ centrul de greutate al bicicletei și stabilitatea acesteia. [14]

Partea mecanică este comandată la rândul său cu ajutorul unui circuit de comandă, care poate fi un variator de tensiune continuă sau inversor, în funcție de tipul motorului folosit.

Pentru a putea comanda motorul de curent continuu este nevoie de partea de electronică de putere. Se pot folosi oricare dintre variatoarele de tensiune continuă cunoscute, fiecare având avantajele și dezavantajele lui, urmând a fi detaliate într-un capitol special dedicat părții de electronică de putere. Un lucru important de reținut la VTC este faptul ca el este răspunzător pentru o parte din solicitările de natură mecanică, electrică și termică în comparație cu acelși motor alimentat direct de la o sursă de tensiune. Aceste solicitări apar ca urmare a unei proprietăți fundamentale ce caracterizează alimentarea cu VTC: rapiditatea mare de răspuns a sistemului, adică o viteză mare de variație a tensiunii de alimentare și, deci a curentului prin motor.

Partea de reglare a vitezei este realizată cu ajutorul unui regulator de curent; practic atunci când biciclistul va impune o viteză, el va impune defapt un curent maxim prin motor. Regulatorul de curent are rolul de a limita curentul prin motor la valoarea impusă, limitând astfel cuplul generat de motor și implicit reglând viteza bicicletei.

A proiecta un regulator înseamnă a alege atât structura lui, adică numarul blocurilor de reglare și ordinul lor, cât și parametrii, adică coeficienții reprezentărilor în spațiul stărilor sau prin funcții de transfer, asfel încât să se obțină un comportament al sistemului rezultant cât mai apropiat de cel dorit.

2.5. Date inițiale de proiectare

Un set minim de limite trebuie luat în considerare pentru a proiecta un sistem capabil de folosit cu ușurință și simplitate pe cât posibil a sistemului mecanic al bicicletei originale, pentru a reducere greutatea și dimensiunile componentelor auxiliare adaugate, cât și costurile totale să fie cât mai mici. Limitele în care a trebuit să mă încadrez ar fi:

puterea motorului să fie curpinsă între 250W și 300W

tensiunea bateriei să fie de 12V sau 24V în funcție și de puterea motorului ales

viteza nominală a bicicletei să fie de 20km/h

accelerația bicicletei să fie de 0,4m/s2

autonomia să fie de minim 25 km în condițiile de viteză maximă și accelerație precizate mai sus.

Schema bloc de acționare electrică pentru o bicicletă electrică