10 jul. 2015

DIY Convierte tu bici en eléctrica tú mismo - Paso 5/5: Ultimando detalles: Frenado activo, Control de carga y legalidad

Este cable enrollado es mi freno ;)
Tras unos meses de uso de la bici motorizada a batería, os comentaré qué tal va. Por un lado sube bien las cuestas, y es una gozadapero las bajadas es otra cosa; en mi barrio tenemos pendientes de entre un 10 y un 14% de caída, y no frena suficientemente rápido.

Me he encontrado que su peso (alrededor de 30 kg) es un hándicap importante, y aunque el poner muchas baterías en cada celda aumenta la vida de las li-ion y su autonomía, a la hora de trasladarla (imposible subirla todos los días a un piso), o frenar, los frenos se resienten mucho (sobre todo a bajas velocidades cuando el freno-motor apenas actúa).

Por otro lado, podríamos usar el freno motor a tope y derivar esa energía a la batería, pero no se puede elevar demasiado la regeneración (el freno motor); por encima de 15 amperios (1,5C) las baterías sufren mucho por excesiva corriente (aunque no subamos de 4,2V por celda), degradándose mucho su vida útil, además el control Golden Motor es progresivo, en vez de proporcional (recupera y frena más cuanto mayor es la velocidad), por lo que nos podemos encontrar enviando unos dañinos 40A a las baterías si la cuesta es pronunciada y vamos rápido.
Otra opción es poner baterías de LiFePo4, mucho más potentes, pero de menos capacidad energética por kg, además de que su precio se dispara. Las A123 por ejemplo aceptan por cada una del tipo 26650 hasta 10A de recarga en contínua. Esta queda descartada de momento por precio y autonomía (aunque a la larga salen igual de rentables al admitir el doble de recargas).
Tras investigar, me encontré un interesante tema abierto sobre usar una resistencia como potente freno motor (qué gran pozo de sabiduría sobre bicis eléctricas es Endless Sphere), y la verdad es que funciona de maravilla:

Ejemplo de resistencia en una bici de un amigo de Endless

Utilizando una fase del motor como freno activo

Si derivamos mediante un relé parte de la energía del motor a una resistencia de inducción, obtendremos el freno más barato y eficaz de todos (con el consiguiente ahorro de zapatas).
Sólo necesitaremos los siguientes materiales:

Relé, cinta para altas temperaturas e hilo de cobre de 0,75 a 1,5 mm. ¡Indispensable!
Y por supuesto soldador, estaño, cable de 2,5 mm, etc
Hay que enrollar unos 5 metros de cable de alrededor de 1 mm. de diámetro (demasiado fino y podríamos fundirlo); la longitud depende de lo fuerte que queramos la frenada; y con paciencia, bien tenso para que esté bien en contacto con el metal para transmitirle el calor (yo los he dejado un par de milímetros separados para distribuir mejor el calor por el cuadro, pero no más porque sino los campos magnéticos estarán demasiado distanciados):
Se calienta sobre todo el cobre enrollado, y creo que funciona al inducirse (impedancia) entre las diferentes vueltas campos magnéticos que se bloquean entre sí a altas frecuencias (por lo que funcionaría mejor si la vaina es de acero), derivando la energía almacenada (como magnetismo en el inductor) en forma de calor al crearse y destruirse el campo (el cable se calienta más sólo donde tiene vueltas). Tened en cuenta que cuantas más vueltas, la resistencia a que la electricidad lo atraviese es menor, aunque también es mayor la capacidad del inductor. Lo mejor es buscar lo más adecuado entre los 3 y 8 metros, dependiendo de la potencia del motor.

Y así queda terminado; yo he utilizado la cinta de altas temperaturas de poliamida para sujetarla en su sitio y que no se derrita con el calor (aguanta hasta 500ºC):


Luego he conectado al lado activo del relé, que si es uno de estado sólido como el mío, tiene que ser para alterna (la corriente va cambiando de fase en un motor de este tipo) a dos fases del motor:

He soldado dos fases del motor (verde y amarilla) pelando un poco los cables y estañándolos

Detalle del soldado del cable de cobre; los cables rojo y negro aguantan altas temperaturas (luego comprobé que con uno normal de 2,5 mm hubiera bastado):


El input del relé lo he conectado sólo al freno trasero, tomando la corriente de la última celda de la batería (sólo necesita entre 3 y 32V para activarse), el consumo es ridículo por lo que no descargará significatívamente la celda (se activa con unos pocos mA).


De esta forma queda el freno delantero para activar la regeneración a batería, y puedo subir el porcentaje de regeneración en el control al 70% dado que cuando frene, la mitad de la energía se deriva a la resistencia, y la otra mitad va a las baterías con el freno delantero, y no hay peligro de sobrecarga.
Lo mejor de este sistema de frenada es que es proporcional a la velocidad; a más velocidad mayor intensidad de frenada (el motor absorbe más energía). La bici se hace más manejable y segura.
La única pega de usar sólo una fase es el "brrrrrrr" que hace al activarse sólo la mitad de las bobinas, audible sobre todo al ir despacio, que parece que algo en el motor se va a romper, pero nada más lejos de la realidad. Esto se suaviza al usar ambos frenos y a partir de 10 kms por hora.
Otra opción es conectar cada fase a una resistencia, con dos relés independientes, activando con cada freno cada uno de ellos, de esa forma no hay recuperación de energía pero la capacidad de frenada sería espectacular (añadiendo los frenos mecánicos al apretar fuerte la maneta).

Las conexiones terminadas a falta de aislar algunas uniones con cinta térmica y sujetar bien el relé
El relé no es necesario que lo peguemos contra alguna chapa disipadora del calor a menos que tengamos previsto usar muchísimo el freno motor; he probado a bajar un desnivel de 50 mts. durante 500 mts. y la resistencia ha llegado a los 40ºC, pero este relé de 100A 380V apenas se ha calentado. Si usamos uno de menor amperaje, sería necesario unirlo a algún metal para disipar su temperatura.

Se enfría muy rápido al estar en contacto con la vaina de aluminio

Visualización de carga de la batería (por celdas)

Por otro lado es importantísimo no sobrecargar o descargar en demasía la batería (siempre entre unos saludables 3,1V y 4,1V); no encontré visores económicos del voltaje de 10 celdas, por lo que le puse un pequeño monitor de hasta 8 celdas, dejando sin monitorizar las dos primeras, que iban mejor que las dos últimas:

Monitor del voltaje de las celdas; importante para conocer el estado de cada pack
Encontré otros monitores para 8 celdas más económicos y sencillotes, adecuados sólo para tenerlo en el alojamiento de las baterías como alarma configurable de voltaje bajo:


Jacopo lo que hizo fue aprovechar el puerto de alarma del monitor de 8S para cortar el paso de la corriente, protegiendo la batería.

Sin embargo, al tener expuesto el Cell-Log 8M a las inclemencias del tiempo, el fino plástico que recubre la pantalla y que polariza la luz para hacer visibles los datos fue dañándose rápidamente.

Con la lluvia y sol el plástico polarizador se fue dañando hasta desaparecer
Hasta que no quedó nada, y los datos ya no podían apreciarse a simple vista. Tocaba arreglarla. Busqué entre los aparatos extropeados otra pantalla de cristal líquido (de un viejo visor de consumo), a la que le extraje esta parte, 


y aproveché a invertir los tonos; se la coloqué en la posición que más me interesaba, con los datos en negro sobre fondo blanco.


Una vez recortada y fijada con un par de gotas de pegamento epoxy en cada esquina:


El visor vuelve a la vida:



Legalidad de la bici

En Europa tenemos que cumplir con estas estrictas condiciones:
  1. 250W de potencia real máxima de ayuda del motor (escaso si se vive en una zona montañosa).
  2. Activado sólo por el pedaleo (me pregunto qué peligro tienen 250W...).
  3. El motor debe ayudar sólo hasta alcanzar los 25 kms por hora (razonable).
  4. El motor se debe desactivar siempre que se frene (lógico).
La limitación de potencia me parece injusta; si tienes que superar una cuesta pronunciada es muy escasa; ésto debería limitarse en función de la inclinación; en llano 250W y en cuesta 500W (como yo lo tengo), es algo sencillo de hacer con un giroscopio electrónico.
"El estándar europeo: Todas las bicicletas asistidas eléctricamente que superen los 25 kilómetros por hora y que integren un motor de más de 250 vatios serán sometidas a las nuevas reglas de homologación europea a finales de año." Estracto del artículo El boom de la bici eléctrica en Alemania.
Y en cuanto a obligar a pedalear... aunque sea en vacío... qué tontería, casi es más peligroso que funcionar sólo con maneta en llano, por el peligro de perder el equilibrio al mover las piernas.
En cuanto al resto... es razonable, aunque también deben modificar la ley para incluir máxima distancia de frenado. No puedes pretender frenar una bici y a su ocupante desde los 25 kms/hora a 0 con unas simples zapatas como he visto algunas...

Más info y fuentes:
Diferentes configuraciones de freno motor en una bici eléctrica
Para que la bici sea legal

Cambiando la batería por A123 26650
A123 Systems LiFePO4 battery 20Ah Discharging Test

2 comentarios:

  1. Interesante, práctico y muy bien documentado desde el punto de vista técnico y legal.
    ¡Muchas gracias!

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    Respuestas
    1. Gracias por tus comentarios, como siempre :)

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