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pixbuster
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Inserito il - 10/02/2017 : 00:58:45  Mostra Profilo Invia a pixbuster un Messaggio Privato
LE PARTI ELETTRICHE DELLE BICICLETTE A PEDALATA ASSISTITA

Una bicicletta a pedalata assistita è una bici con un motore che aiuta SOLO quando si pedala
E’ perciò essenziale la presenza di un sistema che determini se sto pedalando o meno

Il sistema che realizza questa funzione viene chiamato PAS (pedal assist system) e la sua presenza è un requisito assolutamente necessario per rendere legale una bici elettrica

Ci sono essenzialmente due categorie di logica di funzionamento:
- quello a controllo dello sforzo sui pedali
- quello a controllo della rotazione dei pedali

( vedi funzionamento delle biciclette a pedalata assistita )

Faccio una premessa : i sistemi illustrati sono quelli più diffusi ma, come mi piace dire, “le vie della tecnica sono infinite” perciò è possibile trovare modelli di bicicletta elettrica con soluzioni anche molto diverse



Sistema per il controllo dello sforzo esercitato sui pedali

Può essere realizzato con varie soluzioni

Il metodo più semplice è quello della figura seguente, che però non è utilizzato per la sua poca precisione





Una rotellina viene tenuta premuta contro la catena da una molla
Quando esercito uno sforzo sui pedali, la catena si tende e spinge la rotellina verso l’alto e la spinge più o meno in funzione dell’impegno che sto esercitando
Questo movimento viene rilevato e inviato alla centralina sotto forma di tensione elettrica più o meno alta

Un altro metodo, più affidabile del precedente ma ormai pochissimo usato, è il seguente





La corona (est) non è collegata direttamente ai pedali (int) ma lo è tramite una molla
Quando esercito una spinta sui pedali, la molla si tende in funzione dello sforzo esercitato
Si ottiene perciò che la ruota esterna (est) assume una posizione diversa rispetto a quella interna (int) a seconda della spinta sui pedali
Questo spostamento reciproco può essere letto da un sensore ottico o magnetico (che non ruota)
Ad esempio lo spostamento reciproco può aprire una finestra da cui passa più o meno luce





Per via dell’accoppiamento pedale-corona tramite una molla, tale sistema, quando non realizzato con cura, può generare una certa “spugnosità” nella pedalata: sembra che i pedali abbiano del gioco


La soluzione più utilizzata usa un asse dei pedali deformabile (che in ultima analisi è anche lui una molla)
Quando spingo sul pedale, l’asse trasferisce la forza alla corona e nel farlo si deforma un pochino





Due sensori rilevano la posizione di una serie di piccoli rilievi sull’albero che, essendo ferrosi, modificano il campo magnetico che i due sensori emettono
Se non esercito alcuna spinta sui pedali, i due sensori sentono nello stesso momento i rilievi ai due lati dell’asse
Quando spingo sui pedali, l’asse si deforma (si attorciglia un pochino su se stesso) e c’è un ritardo nel passaggio dei rilievi sotto ad un sensore rispetto all’altro

Oppure l’albero può essere rivestito di un materiale “magnetoelastico” cioè un materiale che cambia le sue caratteristiche magnetiche quando sollecitato
Mettendo una calamita fissa e un sensore di campo magnetico anch’esso fisso , quando l’asse dei pedali si torce (basta pochissimo) il materiale magnetoelastico fa cambiare il campo magnetico ricevuto dal sensore



Entrambi questi ultimi due sistemi hanno l’ulteriore vantaggio di poter leggere, oltre allo sforzo applicato, anche la velocità di pedalata


Ci sono anche sistemi non alloggiati nel movimento centrale, ma su un forcellino posteriore: quando spingo sui pedali il tratto superiore della catena “tira “ il forcellino



Se il forcellino è dotato di un sensore di deformazione, si può leggere quanto stiamo spingendo sui pedali
In questo caso il sensore è fisso e perciò molto più economico e semplice dei casi precedenti (basta un sensore di quelli che sono presenti nelle bilance pesapersone)
Non è però in grado di leggere in modo diretto la velocità di pedalata




Ci sono sicuramente altri sistemi per realizzare tale misura, ma non è facile conoscerli perché sono generalmente brevettati e i Costruttori tendono a non divulgarli; sono comunque tutti basati sul fatto che spingendo sui pedali si deforma qualcosa che viene rilevato da un sensore fisso

Questi sistemi funzionano indipendentemente dalla rotazione o meno dei pedali
Cioè: se sono fermo e spingo sui pedali, la “molla” si deforma e il sensore rileva che sto facendo forza; la stessa cosa avviene se sono in velocità e spingo più o meno sui pedali
Questa caratteristica è molto importante per la logica di funzionamento di tutto il sistema

L’analisi dei segnali forniti da tutti questi sensori è realizzata dalla centralina elettronica che deve tener conto di una taratura iniziale e di eventuali modifiche dei segnali dovute alla temperatura: è tipico con questi tipi di sensore dover accendere la centralina senza premere sui pedali per darle il tempo di fare una taratura iniziale



Sistema di controllo della rotazione dei pedali

Esso è costituito da un dischetto in cui sono alloggiati dei magnetini e da un sensore che “sente” il campo magnetico da loro generato



Quando i pedali vengono messi in movimento, i magnetini transitano davanti al sensore che sente il loro passaggio
Collegata al sensore c’è una piccola centralina elettronica che riconosce il movimento del dischetto con i magnetini, ne sente il movimento e ne calcola la velocità angolare (giri al minuto)
La centralina controlla anche il senso di rotazione dei pedali (con una opportuna disposizione dei poli nord e sud dei magnetini), per cui riconosce se stiamo pedalando indietro (e in questo caso non avvia il motore)

Il gruppo dischetto-sensore è generalmente alloggiato sull’asse dei pedali dal lato della corona



Questo sistema è di realizzazione più semplice e non richiede alla centralina particolari software per essere gestito

Il controllo della velocità di pedalata è, anche in questo caso, in grado di leggere la velocità di pedalata



Controllo della velocità

Poichè il codice della strada impone limiti di velocità alle biciclette a pedalata assistita (25km/h +10%), se la motorizzazione è in grado di far superare tale velocità massima è necessario inserire un controllo tachimetrico che faccia staccare l’assistenza elettrica nei termini di legge

Generalmente tale controllo viene realizzato con un sensore molto simile a quello dei ciclocomputer: un magnete su di un raggio che ad ogni giro di ruota eccita un sensore fissato alla forcella; conoscendo il diametro della ruota è semplice , per la centralina, calcolare la velocità
La sua posizione può essere anteriore o posteriore






Sensori sulle leve dei freni

Nei sistemi a controllo della rotazione dei pedali l’assistenza viene interrotta quando si arresta la pedalata o si smette di spingere sui pedali
Ma può capitare di continuare a ruotare i pedali mentre si inizia la frenata
In questo caso il motore andrebbe a contrastare l’azione dei freni allungando lo spazio di fermata

Nei sistemi a controllo della rotazione dei pedali il fenomeno è più marcato; ma si presenta anche nei sistemi a controllo dello sforzo sui pedali, tipicamente quando al semaforo si tiene un piede sul pedale a freni tirati

Vengono perciò montati sulle leve dei freni due microinterruttori (generalmente magnetici) che sentono quando vengono azionate
Normalmente sono integrati nello stesso supporto delle leve freno
(ci sono anche per i freni idraulici)



La funzione di questi sensori è di staccare l’alimentazione al motore (cut-off) immediatamente appena si comincia a frenare e di consentirla di nuovo solo quando il freno viene rilasciato



Centralina elettronica

Sulle biciclette elettriche è sempre presente una centralina elettronica



E’ una “scatoletta“ all’incirca grande come un mouse (ma più squadrata )

Ad essa sono collegate tutte le parti elettriche ed elettroniche della bipa:
- la batteria
- il motore
- il cruscottino con pulsanti e display
- i sensori dei freni
- il sistema PAS
- il sensore di velocità
- ...

Il suo compito principale è quello di regolare l’alimentazione del motore
E’ dotata di un piccolo computer che dosa tale alimentazione in base ai segnali dei vari sensori, del sistema PAS e delle selezioni effettuate sul cruscottino
La logica può essere molto semplice oppure, soprattutto nel caso di motori centrali con sensore di sforzo, può utilizzare algoritmi sofisticati per adattare il livello di assistenza più possibile ai prevedibili desideri del ciclista
Tale centralina, per i motori a mozzo, è alloggiata in qualche parte della bipa (spesso vicino alla batteria)
E’ invece interna al gruppo motore nel caso di motorizzazioni centrali
Ci sono eccezioni come i motori al mozzo Askoll e BionX che hanno la centralina nello stesso involucro del motore, oppure motori centrali che hanno centraline esterne

Per regolare il livello di assistenza, le centraline modulano la potenza inviata al motore con un sistema che si chiama PWM (= modulazione di larghezza dell’impulso)
Ovvero mandano al motore sempre tutta la tensione disponibile (24-36-48V) ma non la mandano in modo continuativo, bensì la erogano come se accendessero e spegnessero un interruttore ad altissima velocità; in questo modo il motore risulta alimentato solo per una frazione del tempo totale e nel restante tempo non riceve alcuna alimentazione (e va più piano)
Il filmato seguente cerca (ehm maldestramente) di illustrare tale principio





Alla centralina elettronica è però demandato anche un altro importantissimo incarico
I motori elettrici universalmente in uso sulle nostre bipa sono del tipo “brushless” ovvero senza spazzole
(i modelli più vetusti hanno motori a spazzole e si distinguono perchè sono normalmente di diametro molto generoso)
Se a tali motori si applicassero direttamente i fili della batteria .... li bruceremmo; anzi non riusciremmo nemmeno a collegarli perchè hanno almeno tre fili (e non i due della batteria)
La centralina si occupa perciò di fornire le correnti ai vari gruppi di avvolgimenti dei motori

( vedi motori a corrente continua )

Qui sottolineo solo il fatto che ci sono motori “sensored” e “sensorless” cioè dotati di sensori di posizione angolare interni oppure che non li hanno
I motori “sensored” comunicano alla centralina la loro posizione angolare per permetterle di mandare la corrente giusta anche a bassissime velocità;
Se il motore è “sensorless” la centralina ha bisogno che il motore si muova un pochino per capire (dalla risposta alle correnti che gli invia la centralina) in che posizione angolare si trovi; tale soluzione è meno performante nelle fasi di avviamento e a velocità molto basse

La centralina si incarica anche di gestire la frenata rigenerativa quando tale funzione è presente



Cruscottini e comandi elettici

Per poter accendere la bici elettrica, ma anche per conoscere lo stato di carica della batteria e per regolare il livello con cui vogliamo farci assistere dal motore, abbiamo bisogno di un cruscottino e dei relativi comandi

I tipi sono molto diversi
Ci sono quelli a led che normalmente incorporano anche i pulsanti





Sono ubicati su un lato del manubrio per poter arrivare ai pulsanti facilmente con il pollice, senza staccare la mano dal manubrio


Per poter aggiungere indicazioni tipiche dei ciclocomputer (ed evitare di doverne montare uno ed affollare il manubrio), i led vengono sostituiti da uno schermo a cristalli liquidi (LCD)



Con i led la visibilità è assicurata anche al buio; con gli schermi LCD si sopperisce con la retroilluminazione (((peccato che le manopole del cambio non abbiano ancora “imparato” a farlo)))



Vista la presenza di molti dati sugli schermi, risulta più conveniente sistemare lo schermo al centro del manubrio per una più facile leggibilità E in quella posizione è anche più protetto in caso di caduta accidentale della bipa



I pulsanti, in questo caso, devono restare vicino al pollice perciò sono remotati



Il cruscotto precedente ha molti dati sempre presenti e leggibili: bisogna abituarsi per trovare rapidamente l’indicazione che ci serve ma sono sempre tutte visibili
Ma i parametri visualizzati diventano via via più numerosi: velocità, media oraria, km totali e parziali, livello di assistenza selezionato, livello di carica, autonomia residua, orologio e anche marcia inserita ...
Per non dover avere ... schermi da 55 pollici, si lascia sempre visibile la velocità istantanea e poche altre indicazioni mentre si commuta la visualizzazione degli altri numerosi parametri



Per fare questo, fra i pulsanti ne compare uno dedicato a tale commutazione



Si diffondono anche le connessioni con gli smartphone che in questo caso vengono alloggiati sul manubrio (e che vengono alimentati dalla batteria della bici elettrica) ; si aggiungono perciò le funzioni di navigatore, di memoria dei percorsi effettuati e la possibilità di modificare i parametri della centralina elettronica


La regolazione dei livelli di assistenza avviene agendo su un pulsante (e li cambia in sequenza tipo 1-2-3-1-2-3...) oppure con due pulsanti (più comodi quando il numero di livelli è elevato)
Un’altra soluzione (presente solo su sistemi a controllo della rotazione dei pedali ed assente nei sistemi a sensore di sforzo) è quella a “manettino”
Ovvero la regolazione dei livelli avviene in modo continuo e non a gradini; il vantaggio è che si può dosare il contributo del motore in modo più preciso e si può passare molto rapidamente da “zero” a “massimo” con una semplice rotazione di tale manettino



Spesso viene sollevato il dubbio sulla legalità di tale manopola: questo deriva dalla presenza sul mercato di biciclette in cui la manopola ha funzione di vero e proprio acceleratore: ruotandola il motore si avvia, indipendentemente dalla presenza della pedalata; queste bici NON SONO A NORMA
Se invece la manopola regola il valore di assistenza fornita dal motore, ma è comunque NECESSARIA la pedalata per avviare e mantenere acceso il motore, il sistema è omologato senza alcun dubbio


Nota tecnica: i cruscottini “parlano” con la centralina tramite una comunicazione di tipo seriale (come la USB) e non possono essere sostituiti se non con altri completamente compatibili col modello montato di fabbrica



Motorizzazioni

Si rimanda alle sezioni cinematismi e motori a corrente continua per più ampie informazioni su “come sono fatti dentro”
Qui elencherò solo i tipi e la loro posizione


MOTORIZZAZIONI CENTRALI (midmotor) , cioè che agiscono sul movimento centrale, o nei suoi pressi, e che sfruttano il cambio della bici
Generalmente comprendono al loro interno anche la scheda elettronica e i sensori di rotazione e di sforzo esercitato sui pedali




MOTORI AL MOZZO (hub) che sono montati nel mozzo della ruota



Vengono spesso montati nella ruota posteriore per favorire la trazione su terreni a bassa aderenza, ma possono essere alloggiati nella ruota anteriore, consentendo l’utilizzo dei cambi interni al mozzo (che sono molto comodi perchè si possono azionare da fermi)



I motori a mozzo sono una vasta famiglia che va dai piccoli geared da pianura, ai più massicci “alta coppia” per utilizzo su percorsi con pendenze sensibili, come questo:




Sempre fra gli hub, ci sono i motori “gearless”, cioè che non hanno ingranaggi al loro interno
Hanno di solito diametri elevati per garantire coppie elevate (e sono di conseguenza piuttosto pesanti)
Il loro impiego è interessante perchè sono, in pratica, l’unico tipo di motore che consente la frenata rigenerativa: quando si agisce sui freni, il motore diventa un generatore (diciamo che diventa una grossa dinamo da bici) e ricarica la batteria
Da esperienze comuni si è visto che il vantaggio in termini di allungamento dell’autonomia non è molto rilevante anche su percorsi con lunghe discese, ma hanno il bellissimo vantaggio di poter frenare in discesa senza utilizzare i freni meccanici, perciò senza logorarli e soprattutto surriscaldarli





MOTORI A RULLO

Semplici e poco invadenti a bordo di una bici, ci sono le motorizzazioni a rullo
Cioè il motore fa girare un cilindro che viene premuto contro il pneumatico e lo trascina in rotazione
I lati negativi sono che hanno un attrito elevato e che tendono a slittare quando la strada è bagnata
Per ovviare a quest’ultimo problema si ricorre a rivestimenti del rullo con materiali molto “aggrappanti”, ma non hanno finora avuto una grande diffusione





MOTORE NEL TUBO SELLA

E’ un tipo di motore centrale che agisce sull’asse dei pedali stando alloggiato nel tubo sella
Ha un contributo non molto potente ma sufficiente per aiutare bene anche in salita chi è già uno sportivo
Associato ad una piccola batteria da inserire in una borsina sottosella, ha il vantaggio di non turbare minimamente la linea della bici e può essere adottato, per il suo basso peso, anche su bici da corsa per aiutare un pò chi comincia ad avere problemi a tenere il passo dei compagni pedalatori

E’ stato oggetto di un uso illecito in gara da parte di un campione di ciclismo (o forse più di uno) proprio per la sua “invisibilità”




Altri tipi di motorizzazione hanno una diffusione ancora più modesta




Batterie

Il “serbatoio” per i nostri motori elettrici montati sulle bipa è la batteria
Più è capiente e più strada potremo fare

Forma, posizione e capacità sono le più varie

Dagli albori delle bici elettriche fino a pochi anni orsono, le batterie più diffuse erano quelle al piombo
Di fattura simile a quelle che abbiamo nelle automobili per l’avviamento del motore, differiscono però internamente perchè quelle da bipa sono “a funzionamento ciclico” e sono più simili a quelle dei carrelli a forche (i “muletti”) usati nell’industria

Ecco una celebre bipa con batterie al piombo




Poi sono arrivate le batterie al litio con capacità maggiore e pesi anche cinque volte inferiori
Ecco una carrellata di forme e posizioni:

Dietro al tubo sella; il peso è centrato e in basso ma si deve allungare il carro posteriore ( perciò anche il passo fra le ruote) e rende la bipa un pò meno maneggevole






La batteria posizionata lungo il tubo obliquo porta il suo peso in avanti e compensa il peso di un eventuale motore a mozzo posteriore
Qui nell’esecuzione “a borraccia”



e qui con una forma raccordata




Si stanno diffondendo le batterie inserite nello stesso telaio della bicicletta elettrica
La linea ne risulta più pulita anche se l’estraibilità (per poter ricaricare in casa) può essere più difficoltosa
Anche l’upgrade a capacità maggiori potrebbe diventare una difficoltà





soluzione che viene adottata anche su modelli pieghevoli




Altra posizione è quella posteriore, su un braccio predisposto o fissata al tubo sella




Oppure fissata su un portapacchi con opportuno alloggiamento



Questa posizione consente di compensare il peso di un motore hub anteriore, ma grava sulla ruota posteriore che è già maggiormente caricata rispetto a quella anteriore

Un recente modello ha adottato la posizione anteriore (che però è praticabile solo per piccole capacità)




Dato che la capacità non è mai abbastanza, si possono avere anche doppi alloggiamenti





La batteria è collegata all’impianto elettrico con dei contatti per poterla rimuovere facilmente
Ed è protetta da fusibili per la scarica e la ricarica



E questi sono i contatti corrispondenti sulla bici elettrica




La batteria, come dice il nome, è composta da un certo numero di elementi
Si stanno sempre più diffondendo, come celle elementari delle batterie, gli elementi al litio 18650 (cioè di diametro 18 e lunghezza 65 mm)





Tali elementi hanno una tensione di 3.7V e devono essere collegati in serie (cioè uno impilato sull’altro) per raggiungere la tensione di 24 (sempre meno usata) oppure 36 e fino a 48 volt
Tipicamente per avere una batteria da 36V se ne mettono in serie 10
La tensione di tali elementi non è però costante: parte da circa 4 volt quando sono completamente carichi e scende fino a 3.2V quando sono scarichi
Perciò durante la scarica si ha a disposizione una tensione che pian piano diminuisce e che rende via via meno brillanti le prestazioni del motore

Per aumentare la capacità della batteria (cioè l’autonomia) si mettono altre “file” di elementi in parallelo (cioè agli elementi impilati si affiancano altre serie)
Tale capacità si misura in amperora (Ah)
Perciò per definire una batteria si utilizza la dicitura 10s 4p per intendere ad esempio “quattro file da dieci elementi”

Gli elementi in serie dipendono da come è stata progettata la bipa, gli elementi in parallelo possono aumentare per avere batterie più capaci



Battery Management System (BMS)

All’interno della scatola delle batterie al litio è sempre presente una scheda elettronica chiamata BMS (sulle vecchie piombo non era necessario)
La sigla significa Battery Management System ed ha il compito di sorvegliare la carica e la scarica della batteria per evitare che possa danneggiarsi
Tipicamente bilancia tutti gli elementi durante la ricarica evitando che si carichino troppo o troppo poco
E controlla che durante l’uso della bici non si arrivi a scaricare troppo la batteria, cosa che ne accorcerebbe fortemente la vita o che non si assorbano correnti troppo elevate

Tale scheda è collegata con piccoli fili elettrici a ciascun elemento che compone la batteria e da essa transita anche tutta la potenza che va al motore





Caricabatterie

Ultimo componente elettronico delle nostre bici elettriche è il caricabatterie

E’ un apparecchio che è (praticamente) sempre esterno alla bipa

Qui se ne possono valutare le dimensioni



e questo è un altro modello piuttosto diffuso




Tutti i caricabatteria sono del tipo “switching” cioè non hanno pesanti trasformatori interni, ma sono a funzionamento elettronico
La differenza principale fra i vari modelli è che alcuni sono dotati di ventola ed altri no
Quelli con ventola spesso ricaricano più rapidamente ma possono essere fastidiosi se tenuti in casa per il rumore della ventola stessa

Ogni modello di batteria richiede un caricatore specifico (sia per la tensione che per la corrente di ricarica)



Pix su Frisbee Atlas, su pieghevole 20" Kawasaki con kit Bafang centrale e su Cargo muscolare "artigianale"
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