As bicicletas elétricas estão no seu auge. Como eles são projetados?

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A Lime é uma empresa de transporte americana que opera scooters elétricos, bicicletas elétricas, pedais normais e sistemas de compartilhamento de carros em várias cidades do mundo. A empresa anunciou recentemente que alcançou 150 milhões de viagens movidas a energia 100% renovável apenas três anos após o lançamento da empresa.

Mas como esses veículos de transporte da nova era são construídos do ponto de vista elétrico? Neste artigo, tentaremos introduzir alguns conceitos técnicos básicos para projetar bicicletas eletrônicas.

Estimando a potência do motor

O primeiro passo para projetar uma bicicleta elétrica é estimar a potência do motor necessária. O motor deve fornecer energia para superar várias forças opostas diferentes, a fim de empurrar a bicicleta para frente. Por exemplo, à medida que avançamos, a força da gravidade nos puxa ladeira abaixo. Como mostrado abaixo, a força em declive da gravidade é dada por:

$$ F_d = mgsina ( phi) $$

onde m é a massa total, g é a força do campo gravitacional e Phi é o ângulo de inclinação.

Ao subir uma colina, o ciclista deve exercer mais força do que a força da gravidade que empurra a bicicleta e seu ciclista. Imagem usada cortesia de Be Self Propelled

A resistência ao vento e a fricção de rolamentos e pneus são outras forças opostas importantes que devem ser consideradas. Alguns dos fatores importantes que determinam a força do arrasto do vento são a área frontal do ciclista e da bicicleta e a velocidade da bicicleta em relação ao vento de frente.

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A força de propulsão (Fp) fornecida pelo motor deve ser pelo menos igual à soma das três forças opostas mencionadas acima (força da gravidade, vento e resistência ao rolamento). Multiplicando Fp pela velocidade da bicicleta vb nos fornece a potência mínima que o motor deve fornecer:

Pmotor, min = Fp Vb

Na prática, precisamos escalar esse valor para cima para levar em conta as perdas. Além disso, o requisito de aceleração da e-bike exigirá o uso de motores com valores de potência ainda mais altos.

Estimando o alcance de uma bicicleta elétrica

Com as bicicletas elétricas, a velocidade máxima no nível do solo é geralmente limitada a cerca de 30 km / h. Portanto, utilizar uma bateria com maior capacidade de energia aumentará o alcance da e-bike em vez de sua velocidade máxima. A capacidade de energia da bateria, expressa em Watt-hora (Wh), especifica a quantidade de energia armazenada na bateria. Essa energia é usada para criar uma força que empurra a bicicleta para frente.

Suponha que a e-bike viaje na velocidade máxima vb, max e a força de propulsão no nível do solo é Fp, nível. Nesse caso, podemos usar as seguintes equações para estimar o intervalo de uma determinada capacidade de potência:

Energia fornecida pela bateria = $$ {F_ {p, nível}} cdot {v_ {b, max}} = {F_ {p, nível}} cdot frac {Range} {time} $$

$$ Faixa = frac {Capacidade de energia da bateria} {F_ {p, nível}} $$

Por exemplo, com Fp, nível = 30 N e uma bateria de 480 Wh, podemos ter um alcance de cerca de 57,6 km.

Tipo de bateria: Chumbo-ácido vs. Li-Ion

Dois tipos comuns de bateria para aplicações de bicicleta elétrica são baterias de chumbo-ácido e íon-lítio. A bateria de chumbo-ácido é mais barata, mas possui uma densidade de energia menor.

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A densidade de energia de uma bateria especifica a quantidade de energia que a bateria pode fornecer em uma unidade de massa (Wh por kg) ou volume (Wh por litro). A definição baseada em massa é referida como energia específica da bateria e a medida baseada em volume é chamada densidade de energia volumétrica da bateria.

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Como mostrado abaixo, a densidade de energia específica de uma bateria de íon de lítio é cerca de três vezes melhor que a de uma bateria de chumbo-ácido.

Comparação de densidade de energia de tamanho e peso.

Comparação de densidade de energia de tamanho e peso. Imagem usada cortesia de Epec

Além disso, as baterias de íon de lítio oferecem maior profundidade de descarga e eficiência, o que significa que a densidade de energia efetiva de uma bateria de íon de lítio pode ser ainda melhor do que o diagrama acima sugere. Além disso, as baterias de íon de lítio têm uma vida útil mais longa.

A principal desvantagem das baterias de íon de lítio é que elas são sensíveis ao superaquecimento e precisam de um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) para manter a temperatura em um intervalo especificado. As baterias de íon de lítio devem ser protegidas contra sobrecarga / descarga. Conforme mostrado no diagrama de blocos da e-bike abaixo, o BMS é necessário para manter diferentes parâmetros da bateria sob controle.

Sistema de propulsão elétrica de bicicletas elétricas

Sistema de propulsão elétrica de bicicletas elétricas. Imagem cortesia de Waraporn Puviwatnangkurn et. al

Outra funcionalidade comum do BMS é proteger as baterias contra sobrecorrente que podem ocorrer em caso de sobrecarga ou condição de curto-circuito.

Tipo e movimentação do motor: Motores BLDC

O motor de corrente contínua sem escova (BLDC) é o tipo de motor comumente usado na área de aplicação da e-bike.

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Um motor BLDC oferece várias vantagens em relação a um motor DC escovado, como maior eficiência, vida útil mais longa e menores requisitos de manutenção. Além disso, o tamanho de um motor BLDC é menor e, portanto, é adequado para aplicações em veículos elétricos que exigem motores com uma alta relação torque / peso.

No entanto, um motor BLDC precisa de algoritmos de controle complexos para obter os recursos desejados, como controle mais rígido do torque / velocidade obtido, menos ondulações e melhor dinâmica de acionamento. Para uma aplicação de bicicleta elétrica, reduzir as ondulações de torque pode ser o aspecto mais importante, pois se relaciona diretamente ao conforto da direção.

É a estrutura BLDC que exige algoritmos de controle complexos. Com um BLDC, as bobinas estão no estator e o ímã permanente está no rotor. É necessário um circuito eletrônico (controlador) para energizar as bobinas do estator em uma sequência apropriada, de modo que os campos magnéticos gerados pelo estator façam o rotor girar.

A figura a seguir mostra uma estrutura simplificada do motor BLDC, juntamente com o diagrama de blocos do controlador.

Diagrama de blocos do controle do motor BLDC implementando sensores Hall.

Diagrama de blocos do controle do motor BLDC implementando sensores Hall. Imagem usada cortesia da Texas Instruments

O controlador precisa conhecer a posição atual do rotor em relação ao estator, para que ele possa energizar as bobinas com a sequência correta. A posição do rotor é geralmente determinada por meio de sensores de salão integrados ao motor.

Conclusão

O Lime estima que passeios limpos com base em energia, como as e-bikes, economizam 1.300.000 galões de gasolina. A adoção generalizada de bicicletas elétricas pode reduzir a dependência de automóveis pessoais para transporte de curta distância e deixar as gerações futuras com um planeta mais verde.


O que você pensa da estrutura elétrica básica de uma bicicleta elétrica? Compartilhe suas idéias nos comentários abaixo.

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