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La prima bici elettrica

By tittopower

Da diverso tempo avevo deciso di trasformare una bicicletta in elettrica o al limite di acquistarne una pronta all'uso. Di solito chi utilizza una bici elettrica lo fa per diversi motivi: per non utilizzare l'auto, per recarsi al lavoro in città guadagnando tempo rispetto ad altri mezzi, per moda, per fare meno fatica nei normali spostamenti, per arrivare a fare tragitti più lunghi, ecc..., nel mio caso è perchè le mie gambe non sono proprio affidabili negli sforzi fisici tanto che anche il mio pupo di 6 anni mi da la paga quando andiamo in bici...
Essendo appassionato di autocostruzione avrei voluto realizzare la bici da zero, partendo con un progetto e arrivando ad una conclusione nell'arco di sei mesi - un anno. Purtroppo non si sono verificate certe condizioni che mi avrebbero permesso questa nuova sfida e quindi ho dovuto rinunciare al progetto. A questo punto non rimaneva che optare per una bici pronta all'uso o quella di montare un kit ad una bici in mio possesso. In garage ho 6 bici, di cui 2 attaccate al chiodo, e sinceramente metterne un altra in garage sarebbe stato un problema di spazio. Non nego di aver visitato qualche negozio alla ricerca di un modello congeniale, ma non ho trovato nulla che mi piacesse veramente. In generale per negozi si trovano bici da prezzi concorrenziali che sono molto pesanti e poco affidabili e maneggevoli, oppure prodotti leggermente più tecnologici ma che facilmente arrivano a 1000 euro ma non mi hanno convinto per nulla. Per trovare qualcosa di convincente e tecnologicamente valido occorre guardare a prodotti europei, ma ci si accorge in fretta che occorrono fra i 2 e i 3000 euri e spesso occorre anche aspettare diverso tempo per avere un esemplare. Non dovendo affrontare percorsi particolari quali forti salite e non necessitando di una affidabilità assoluta ho quindi deciso di dotare una delle bici in mio possesso di un kit.
Il componente più importante di una bici elettrica secondo la mia filisofia è la batteria. Partendo da una batteria affidabile, leggera e performante è possibile ottenere un buon risultato. Le moderne batterie al litio hanno raggiunto un buon livello di affidabilità e sicurezza, e si prestano bene ad equipaggiare una bicicletta senza stravolgerne il peso, consentendo anche una buona autonomia di percorrenza. In primo luogo, da buon modellista, avevo pensato di utilizzare delle batterie lipo da modellismo nel formato da 5 celle. Ho trovato delle buone 5S4000mAh/15C (5 celle da 4000mAh con corrente di scarica di 60Ampere) a 20 euro l'una, con 120 euro quindi si otterrebbe una ottima 36Volt/12Ah in dimensioni e peso molto ridotte. A questo costo si aggiungerebbe un circuito di controllo batteria ed un caricabatterie specifico, diciamo altri 100 euro, quindi con 220 euro si ha modo di mettere sul portapacchi circa 430 W di energia. Ho acquistato 2 di queste batterie per fare delle prove, ma non si sono rivelate affidabili, probabilmente solo sfortuna in quanto da testimonianze di modellisti la marca che avevo scelto è utilizzata con buoni risultati diversi aeromodellisti. Ho quindi deciso di acquistare qualcosa che trovavo in italia che risultasse più affidabile e perlomeno sorretto da un minimo di garanzia/assistenza. Da tempo frequento il forum italiano più ferrato che tratta dell'argomento ebike (http://www.jobike.it/forum/), lì ho appreso quindi che sarebbero arrivate ad un affidabile shop-on-line (http://www.wheelkits.it/) delle batterie LifePO4 di qualità, quindi non appena si sono rese disponibili ho acquistato il necessario per rendere elettrica una bici in mio possesso.

I materiali acquistati sono un classico kit Nine Continent 28" per ruota anteriore che comprende tutto il necessario per poter elettrificare una bicicletta: all'interno troviamo una ruota montata con il motore centrale brushless 36Volt a 3 fasi senza ingranaggi su cerchio a doppia parete, manopole di ricambio, leve dei freni con switch, centralina, controllo PAS, acceleratore a pollice, interuttore on-off da manubrio. Come si vede nel mio caso all'interno della scatola c'era anche la batteria 36Volt-10,5A di tecnologia LiFePO4 con controllo elettronico su carica e scarica + relativo caricatore specifico. Il tutto è arrivato in perfette condizioni di trasporto.

La batteria acquistata è piuttosto lunga come si può vedere, è composta da 12 celle longitudinali x 3 file, ricoperta con un robusto termoretraibile. Il suo peso è di poco superiore ai 5Kg ma non saprei dire con esattezza in quanto la mia bilancia arriva a 5 kg e va in fuori scala, ma di poco.

La componentistica elettrica ed elettronica da montare sulla bici, il tutto è di buona fattura e sembra anche di buona qualità, i cavi sono morbidi ed i cablaggi bene eseguiti. Le 2 manopole sono invece di scarsa qualità.

Per prima cosa ho effettuato un rapido controllo per controllare che tutto funzionasse a dovere: test OK ! Non è presente nessuna indicazione o scritta sui connettori, ma è impossibile sbagliare il montaggio in quanto sono tutti accoppiamenti obbligati...l'unica cosa che un utente può sbagliare è l'inversione di polarità o un eventuale cortocircuito fra i poli della batteria. Entrambe queste azioni porterebbero a una distruzione dell'elettronica poichè la batteria è in grado di erogare fortissime correnti distruttive.

Il caricabatterie in dotazione sembra un ottimo apparecchio, costruito interamente su profilato in alluminio, è in grado di erogare 5A con una tensione di 44 volt, quindi eroga circa 200W e permette una ricarica in tempi brevi (2 ore o poco più), grazie anche alla tecnologia costruttiva delle batterie.

Una vista anteriore e posteriore del caricatore evidenzia la presenza di 2 ventole per far fluire il calore che si sviluppa durante il processo di ricarica.

Il cerchio a doppia parete è stato subito messo sulla forcella di prova per controllarne l'allineamento e qui c'è stata una brutta sorpresa, in quanto presentava una forte eccentricità, in alcuni punti di oltre 3 mm in pratica era un uovo. Ho impiegato più di un ora a riportare il tutto entro 0,5 mm.

I fori del cerchi vengono sbavati e svasati leggermente, poi l'interno del cerchio viene ricoperto con uno strato di nastro non deformabile (arancio) e poi da uno strato di nastro flessibile, come in tutti i cerchi.

La forcella della bici destinata ad accogliere l'elettrificazione presentava una forma a risvolto sulla sua terminazione, utile nel caso del cerchio originale a trattenere il cerchio stesso in caso di allentamento del fermaruota. Il perno del motore elettrico invece presenta per il fissaggio 2 grosse ranelle che non si riescono a montare su una terminazione del genere. Per risolvere il problema le orecchiette sono state raddrizzate con 2 colpi di mazza contro mazza. La mia forcella è in ferro, le orecchiette erano di 2 mm, tale operazione NON VA FATTA in caso di forcella in alluminio, in quanto per sua natura l'alluminio probabilmente si creperebbe. Il perno del motore è di 14 mm ma ha le faccie fresate a 10mm per cui entra perfettamente nella forcella.

La ruota con motore è finalmente montata !

Ora è il turno del montaggio del PAS, dispositivo di rilevamento del movimento dei pedali. Perchè la bici sia in regola con le norme del codice della strada è necessario che il motore sia attivato solo se i pedali sono in rotazione. Il dispositivo consiste in un disco con 5 magnetini orientati che passano davanti ad un sensore ad effetto di hall. Estraiamo la leva di sinistra con l'apposito estrattore per non rovinarla. Per fare in modo che il disco non vada a strisciare nella parte fissa della bici ho inserito una boccola di opportuno spessore su cui il disco va in battuta.

Il disco viene inserito e mandato in battuta sulla boccola. Il problema della mia bici è che in questo punto lo spazio è molto ridotto, per cui la leva andava a serrare il disco troppo presto, ho dovuto quindi eliminare 2 mm di materiale.

Con la fresatura della leva ora c'è 1/2 mm di spazio.

Purtroppo sempre a causa del poco spazio non è stato possibile montare nemmeno il supporto per il sensore in dotazione, ho dovuto così creare un supporto regolabile che è fissato al tubo verticale del telaio con una fascia metallica.

Ora è il turno del manubrio...occorre smontare tutto quanto, leve freni, comando cambio e manopole. Le manopole si tolgono facilmente con un colpo di aria compressa immettendo il beccuccio della pistola appena un po sotto il bordo accessibile.

Rimontiamo quindi le leve dei freni in dotazione al kit e regoliamo il filo per ottenere la giusta frenata. Il comando gas a pollice l'ho fissato sulla destra, il comando on-off a sinistra, serriamo poi tutto per bene con le angolazioni che più ci aggradano.

Prima di montare la centralina è sempre bene ispezionarla per controllare che tutte le viti siano ben serrate e non si ciano saldature o gocce di stagno vaganti che potrebbero comprometterne il funzionamento. La realizzazione è di tipo smd con piccolo processore che gestisce tutto quanto, quindi i componenti sono relativamente pochi, i più voluminosi sono il grosso condensatore ed i mosfet di potenza, di cui non si legge alcuna sigla. All'estrema sinistra è presente un LM317 per l'alimentazione a bassa tensione. Sui 2 fianchi sono presenti 2 fogli siliconici per impedire l'entrata di acqua in caso di pioggia.

Sullo stampato in basso a sinistra, veniva data alimentazione direttamente alla resistenza da 2 w tramite il filo rosso che proviene dall'interuttore sul manubrio. In questo modo se capita per svista di invertire la polarità se ne va a quel paese tutto il circuito di controllo. Ho interposto un diodo nel punto e nel senso visibile in foto. Si può anche rilevare dalla serigrafia che il circuito è proprio predisposto per questo, ma che il componente non è stato montato dal fabbricante...forse per risparmiare.

L'unica imperfezione di saldatura che ho trovato nel mio esemplare è quel piccolo filo di rame che era rimasto nella saldatura. Oltre a questo segnalo solo la vite di uno dei 6 mosfet di potenza che non era tanto serrata.

Per il fissaggio della centralina ho scelto un posto all'aperto sotto al sedile. Ho tagliato un pezzo di gomma da 6 mm di spessore fissandolo con fascette al supporto portapacchi, creando un piano di appoggio semirigido. La centralina è fissata con 3 viti passanti e dado autobloccante.

La posizione della centralina è comoda in quel punto perchè così tutto il cablaggio è possibile sistemarlo sotto al portapacchi, diventando alla fine invisibile.

Ora è il turno del montaggio della borsa portabatterie, la quale è in tessuto semirigido. Essa si lega al portapacchi in 6 punti tramite lo strap presente. Per dare una consistenza alla valigia ho introdotto una lastra di robusto cartone sagomato alla forma, poi ho ricoperto l'intero con neoprene da 6mm adesivo. In questo modo la batteria dovrebbe essere abbastanza protetta dai sussulti della strada.

La batteria è introdotta nella custodia, poi altra spugna (non in foto) viene introdotta per fare in modo che non si muova lateralmente.

Finalmente il kit è montato !! Devo dire che il tutto si presenta abbastanza pulito senza avere sconvolto troppo la bici, con i kit si ottiene un buon risultato finale aperto a eventuali espansioni o modifiche, pressochè impossibili sui modelli pronti all'uso.

Cosiderazioni e prova su strada

Tutto sommato visto il risultato finale direi che sono molto soddisfatto di quanto ottenuto. Il prezzo di realizzazione è stato di 550 euri, gravanti in gran parte sul costo della batteria, si potrebbe obiettare che a tale prezzo si acquista una cinesotta con batteria al litio, ma sinceramente le trovavo poco gradevoli sia alla vista che come maneggevolezza a causa della loro maggiore lunghezza del telaio. Per quanto riguarda la ciclistica la bici trasformata è rimasta estremamente scorrevole. Il peso aggiunto si dovrebbe orientare intorno ai 10-12 kg, la maneggevolezza rimane molto buona comunque e ci si abitua subito. Il primo giro su strada mi aveva deluso molto per quanto riguarda le prestazioni del motore, esso spingeva meno di quanto mi aspettassi e intorno ai 20km/h la spinta diminuiva ulteriormente. Non mi ero accorto di aprire il ponticello della centralina che rende il motore libero di sviluppare la sua potenza ... ed infatti le cose in questo modo sono cambiate piacevolmente rendendo la spinta molto migliore e permettendo una velocità di crociera aiutandola un pò con i pedali vicina a 30km/h. L'acceleratore presente consente una buona regolazione dell'andatura ma ricordo che deve essere asservito alla pedalata, la pedalata assistita in questo modello di centralina è poco lineare e difficile da utilizzare in sincronia con il numero di giri dei pedali. E' pressochè impossibile comunque procedere a velocità basse costanti in quanto anche con il rapporto più lungo della bici si ha un discreto tiro del motore che fa aumentare la velocità. Se si vuole procedere a 15-20 km/h ed utilizzare il PAS è meglio cortocircuitare il filo-limitatore altrimenti si è costretti a toccare i freni per limitare l'aumento di velocità. Ho percorso oltre 200 Km con questa bici ed ho trovato molto piacevole usarla anche con le sue limitazioni, ha una buona spinta anche in salite che pensavo più difficili da superare e che comunque con le mie forze sarei riuscito solo con estrema fatica (forse).

Modifiche successive

La prima cosa che ho fatto dopo il montaggio e il collaudo è stata quella di rendere la ruota anteriore smontabile con facilità per provvedere alla sua manutenzione (controllo tensione raggi) e per eventuali riparazioni da foratura. Risulterebbe infatti molto laborioso dover sfilare il cavo motore fino alla centralina.

Il cavo a 8 conduttori è stato tagliato in punti diversi in modo da rendere il collegamento distribuito in 8 cm, in questo modo oltre a eliminare la possibilità di sbagliarsi nel collegare i fili si ottiene anche una giunzione che occupa meno spazio in diametro. Come connettori ho scelto materiale da modellismo sia per i cavi di potenza (spine a molla dorate 4mm) che per i piccoli cavi dei sensori (spine da 2A multiplex), tutti i connettori sono in grado di passare entro il dado e le ranelle di fissaggio della ruota.

I cavi sono tutti connessi e sono facili da sfilare in caso di riparazioni o manutenzione. Successivamente saranno avvolti in guaina e fissati alla forcella.

AGGIORNAMENTO:

Per quanto riguarda il motore sono intervenuto per ridurne la larghezza di 4mm. Il motore Nine continent anteriore misura esattamente 100mm nel suo asse sui punti di ancoraggio alla forcella, e questo sarebbe perfetto, ma purtroppo le battute del perno sono molto piccole:

Come si nota i punti di appoggio contro la forcella sono minimi e normalmente vanno a rovinare la medesima, in dotazione vengono fornite 2 ranelle di battuta da mettere in quel punto per non forzare direttamente sul materiale della forcella, ma siccome queste ranelle sono di 3mm di spessore l'una ci si trova ad avere una misura totale di inserzione di 106mm che sono veramente troppi. Ho provato a ridurre queste ranelle a 2mm l'una, ma anche 104mm sono troppi per una forcella ammortizzata, mentre possono andare per una fissa. Mi sono quindi deciso a "stringere il motore" di quanto necessario, ho smontato quindi il motore per capire cosa si potesse fare:

Il motore è costruito molto bene, un indotto (nel nostro caso statore) a 36 poli di diametro generoso avvolto con filo da 0,6mm, il perno centrale nella zona motore misura 17mm, che diventano 15mm nella zona cuscinetti (15x32x9 - 6002RS) e si riduce a 14mm (filetto 14x1,5) all'esterno dove ci sono le due facce piatte da 10mm. Sui coperchi è presente un paraolio da 15x25x7. Il rotore è composto da 40 magneti molto potenti incollati al corpo, ed è questo corpo che ruota. Dopo avere constatato che nella zona dei cuscinetti e dei paraoli c'era materiale sufficiente per ridurli di 2 mm mi sono messo all'opera:

Come si puo notare il coperchio motore sinistro è più basso del destro, per fare ciò è stato necessario estrarre i paraoli e i cuscinetti, approfondire la sede del paraolio di 2 mm e asportare materiale nella zona di uscita del perno di 2mm. Tale modifica non comporta indebolimenti di nessun tipo alla struttura, quindi può essere fatta tranquillamente.

Sul perno motore è stato necessario portare via 2mm di materiale per parte sulle battute originali, portando così l'interasse a 96mm, una volta fatto questo e rimontato il tutto avremo a disposizione 4mm per le ranelle interne senza forzare l'apertura delle forcelle ammortizzate, consentendo loro di lavorare normalmente.

Per utilizzare la manopola del gas, che per legge deve funzionare solo mentre si pedala, ho realizzato un crcuito che in unione al cycle analyst permette di ottenere questa funzione:

Ho modificato la posizione della centralina che ora si trova sotto al cestello porta oggetti anteriore, fissata con 2 robuste fasciette da 10mm. La scatola è in alluminio autocostruita e contiene anche i connettori, tutti sostituiti con modelli di minori dimensioni. Il contenitore fa anche da supporto per il fanale anteriore e consente un risparmio in peso per l'accorciamento di tutti i fili.

Nel complesso ora la bici si presenta in questo modo, molto più adatta della soluzione precedente a una signora cui è destinata, le batterie sono nel bauletto posteriore e sono del tipo LiPo, occupano poco spazio e sono leggere, lo spazio del vano baule rimane in gran parte disponibile. Il baule è stato recuperato da una you-fu recuperata in discarica.

Aggiornamento 2012

L'esperia ha subito ancora una evoluzione nel corso dei primi mesi del 2012. Volevo provare una motorizzazione poco invasiva e leggera rispetto alla precedente e la scelta si è indirizzata verso il piccolissimo befang SWXU, un motore da 250W e 1900 grammi che bene si addice a questo tipo di forcella e ciclistica.

Il motore ha dimensioni e pesi molto contenuti, la raggiatura è risultata molto semplice e siccome i fili elettrici non escono dal perno centrale anche il montaggio e smontaggio risultano agevolati. Il motore di serie è dotato di un cavo a 3 conduttori poichè si tratta di un motore senza sensori, i cavi sono dello stesso diametro di motori più grossi ed argentati. Appena fuori dal motore è presente un connettore proprietario per sconnettere il motore per lo smontaggio. Tale connettore non risulta affidabile per quanto riguarda il passaggio di potenza ed ho provveduto subito a sostituirlo con un connettore a 3 poli di tipo da modellismo della portata di 40-50A. Grazie a questa modifica ho potuto finalmente apprezzare tutte le doti del motore.

L'esperia ora si presenta come in foto. Grazie alla sostituzione del motore si sono persi quasi 4 kg sulla ruota anteriore e la maneggevolezza ne ha guadagnato moltissimo. Per quanto riguarda il comportamento del motore posso dire che è un motore piuttosto silenzioso, il ronzio è appena avvertibile durante la marcia normale e diventa udibile ma non fastidioso durante le accelerazioni forti o le salite. Non si tratta di un motore adatto alle salite anche se fino al 10% si sale senza fatica e con un po di ronzio. Ho provato 2 km al 8% ed il motore è diventato appena tiepido e sono salito con pochissimo sforzo. In pianura la velocità con 38 Volt si attesta sui 28 kmh ed è facile mantenerli grazie anche al peso contenuto che ha ora tutta la bici che è di circa 20 Kg.
Durante le prime prove non ho notato differenze di potenza fra la posizione 2 e 3 della centralina, questo mi ha fatto supporre che la massima potenza erogabile da questo motore non dipendesse dalla centralina ma da limiti del motore stesso. Dopo la sostituzione del connettore motore originale che giudico inaffidabile e sottodimensionato, risulta chiaro invece un aumento di tiro e rumore fra la posizione 2 e 3, segno che il connettore originale costituisce un piccolo limite alle massime prestazioni. Non credo comunque che si vada oltre i 500 W massimi erogabili, potenza fra l'altro che non è sicuramente da prelevare in continuità. Normalmente con la posizione 1 si ottengono 200W di assorbimento (un po meno alla ruota) e sono sufficienti per faticare quasi per niente in pianura, raramente vado ad utilizzare la posizione 2 se non per migliori accelerazioni, mentre la posizione 3 la utilizzo per salire la rampa di casa del 19% con piccola rincorsa altrimenti da solo non ce la farebbe. Per un funzionamento ottimale del sistema PAS ho dovuto portare a 7 il numero dei magneti del disco, altrimenti non si riesce ad avere tutta l'assistenza con il rapporto più lungo. Devo anche dire che la centralina utilizzata è una delle prime befang, la quale non consente di ottenere il 100% della velocità possibile con il solo PAS, per cui presumo che con centralina più recente questo motore su ruota da 28 si avvicini molto ai 30 kmh. La batteria che uso ora è una LiPo winforce da 8000 mAh 20C, si tratta di 20 celle in configurazione 10S2P. La qualità di queste batterie è risaputamente scarsa, tanto che erogano solo circa 5,5 Ah da nuove, con i quali si percorrono tranquillamente dai 25 ai 30 km, più che sufficienti per lo scopo a cui è destinata questa bici, ovvero andare in paese per le piccole spese o commissioni casalinghe.

15 Luglio 2010 by Tittopower - agg 29 aprile 2012

Le operazioni svolte nell'articolo possono provocare danni notevoli agli apparecchi e alla persona qualora chi le esegue non abbia una certa familiarità con l'elettricità, la meccanica, l'elettronica ecc.. ci si astenga quindi eventualmente dal metterle in pratica qualora non si abbia affinità con le materie predette. In ogni caso lo scrivente non si ritiene responsabile di eventuali danni provocati dai progetti e dal loro utilizzo a cose e/o persone.

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