Bici elettrica solare

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In questa pagina c’è un modding di una normale bici per renderla elettrica e anche solare.

Quasi tutto il materiale e i pezzi sono stati acquistati su eBay, si possono trovare anche in un comune negozio di modellismo dinamico.

Come batteria ho usato 2 lipo da 10Ah 11,1V messe in parallelo che si trovano a qualche decina di Euro, i vantaggi usando tensioni basse è che sono più gestibili ma il vantaggio più grande è che ci vorrà meno equalizzazione e minori saranno i problemi legati alla serie di batterie, gli svantaggi sono le alte correnti, io ho voluto esagerare ma anche a 7,2V avrebbe funzionato ugualmente, presto sono in arrivo altre batterie per aumentare l’autonomia.

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Come motore dopo un paio di piccoli motori per aerei, bruciati, ad alti KV (KV significa giri/(minuto x Volt) ), ho provato un brushless con il più basso KV e quindi molta coppia a parità di potenza, il mio è da circa 270KV e ancora adesso non si è bruciato, se abitate in città vi consiglio anche meno KV, perchè il punto critico dove si assorbe tanta corrente è la partenza e in città è una situazione che si verifica sempre e quindi già solo per questo sarebbero tutti sforzati.

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Nel mio caso il motore arriva quasi a 3500giri/min con batterie cariche, il wattmetro (da modellismo) indica che al massimo si possono assorbire 88A, come potenza di picco sono arrivato anche a 830W ma bisogna contare che lo strumento, le saldature e i cavi offrono una certa resistenza al passaggio della corrente così come il controller di giri (ESC), prima da 80A che dissipava come un tostapane (circa 10W), ora sostituito con un 200A più efficiente.

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Probabilmente il motore arriverebbe anche ad 1kW a 12V in condizioni ideali, inserendo dei condensatori da 44millifarad in parallelo (ora sono 88mF) al motore si riesce a fornire un po’ più potenza istantanea che non deve passare per tutti i cavi, si può dire che il motore è da circa un cavallo , contando che gli scooter 50 sono 8 cavalli, tuttosommato è un ottimo motore ma è come se fosse sempre in 1° marcia, infatti il rapporto ruota bici e ruota motore è circa 8:1, lo si può diminuire leggermente spessorando il motore, mediamente si viaggia a regime con circa 200 300W (con copertoni larghi, con quelli stretti il consumo scende) e la velocità massima con 4 camere d’aria attorno al motore può superare i 22km/h (misurati col navigatore).

Il motore è dichiarato per funzionare fino ad un paio di decine di Volt con 80A di corrente massima anche se non è specificato a che tensione e sotto quali condizioni, infatti già a 12V da fermi si possono sfiorare i 90A, il motore è costato circa 60 Euro su eBay, in totale il costo della bici senza wattmetro si aggira sul centinaio e mezzo di Euro pannelli compresi, costa più l’impianto della bici praticamente.

Il motore è stato direttamente accoppiato con la ruota posteriore, evitando quindi gli attriti della trasmissione, mediante un supporto in ferro saldato che viene stretto dalle viti del portapacchi, ci sono altre modalità di fissaggio dipende anche dalla bici (per esempio stampando 3d un pezzo in plastica), nel mio caso per svincolarlo dalla ruota basta svitare 2 bulloni e farlo scorrere lungo una guida larga come le stesse viti circa e stringerlo in una nuova posizione, con le saldature mi ha aiutato mio padre ma basta una saldatrice e qualcuno che la sappia usare, tenete conto che dopo un po’ di tempo sarà tutto completamente arruginito, anche con le fascette di plastica si riesce ad avere un discreto fissaggio anche se non sarà il massimo.

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Come controller per il motore che è un brushless trifase ho usato un ESC per brushless trifase da 80A, solo che bisogna mandargli segnali ad impulsi con lo standard servo, per non montare un radiocomando e ricevente sulla bici, col rischio anche di perdere il segnale o la frequenza, oltre al peso e alle batterie, ho optato per un servo tester da un paio di Euro su eBay, dal quale ho dissaldato e sostituito il potenziometro con uno di tipo lineare, più comodo, successivamente ne ho messo uno a pistola (tolto da un radiocomando) e successivamente anche il tasto del “pilota automatico” (un semplice interruttore che bypssa il potenziometro).

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Si potrebbero aggiungere dei sensori ad ultrasuoni da parcheggio che aiutino la guida ma questa per adesso è solo un’idea, dal servo tester quindi ho allungato i fili fin dove mi serviva, sui 3 fili viaggiano: massa, 5V, e segnale servo, la schedina è stata nascosta sotto al manubrio e ricoperta di nastro isolante lasciando fuori solo il led, ho anche ridotto il consumo del led rosso con luce esagerata sostituendolo la R in serie al led con una maggiore da 4k da 1/8W per risparmiare qualche mA, bisogna solo fare attenzione a saldare la scheda senza fare errori visto che sono componenti piccoli e delicati, in questo caso sconsigliate saldature oltre 1 secondo.

Le perdite di tutto quanto sono nei cavi per effetto Joule con un picco di circa 9W con 6mm2, qualche Watt anche sul ESC visto che la Rds on è circa 0,8 milliohm, e qualche cosa sulla resistenza di sensing del Wattmetro, si potrebbero ridurre con cavi enormi, togliendo il wattmetro, esc con una mosfet migliori ecc…

Le perdite per alimentare il controller e le schede sono inferiori al mezzo Watt, le pedite nel motore saranno il 10% vista la taglia, le batterie è vero che rendono oltre al 95% ma se usate reversibilmente, qua vengono scaricate a picchi di 88A, non proprio reversibilmente, e non fa neanche bene alle batterie, però lo spazio è poco e le batterie non sono proprio economiche, apparte questo, non dovrebbero esserci sprechi o inefficienze rilevanti.

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Siccome il mio controller non ha il BEC cioè un’uscita a 5V per alimentare le schede e il controller, ho inserito un 7805 che abbassa i 12V (che poi arrivano anche a 9V) a 5V, potete anche pensare di usare un’alimentazione a parte, per esempio 4 pile in serie da 1,2V come sui modellini, caricate magari da pannelli solari, nel mio caso il consumo per questa soluzione è di qualche mA, per migliorare l’attrito del motore con la ruota che è di fatto ferro-gomma, taglio degli anelli di camera d’aria bucate, da qualche centimetro con i quali rivesto la cassa rotante del motore per trasformarlo in gomma-gomma, anche per diminuire il rapporto 8:1 per quanto possibile e anche per limitare la corrosione del motore (Fe), solo che gli anelli dopo un po’ di tempo si usurano o si strappano, inoltre non tutte le camere d’aria sono estensibili. Il motore alla fine di una salita è talmente è caldo da non riuscire a toccarlo, sopratutto con la gomma attorno, anche con la cassa rotante direttamente sul copertone funziona ugualmente bene (se non piove) e si raffredda meglio.

Fin qua ho semplicemente realizzato una specie di bici elettrica, per caricare le batterie ho messo 2 pannelli solari da 6V in serie costati qualche euro (quelli del caricabatteria USB) che erogano circa 0,3A, li ho fissati con del silicone a pistola, non toccatelo con le mani se no non vi si toglie più, non annusatelo perchè è tossico, state lontani il più possibile e lasciatelo asciugare all’aria aperta per un giorno almeno, le celle non si toglieranno più, a meno di romperle o passare intere giornate per estrarle. In linea teorica con 0,3A per caricare 20Ah ci vogliono circa 66 ore di sole (per 30Ah circa 100ore) quindi ho pensato di mettere direttamente un diodo fra pannelli e batteria senza preoccuparmi del circuito di protezione di fine carica che tra l’altro coinciderebbe tolta la perdita sul diodo quasi con la tensione a vuoto massima raggiunta dagli stessi pannelli, il che comunque non si verificherà mai o comunque se dovessi notare problemi di eccesso di energia probabilmente interverrò con qualche limitazione (per esempio uno zener) o consumandola in qualche modo, inoltre i pannelli non saranno sempre ad un’inclinazione ottimale e priva di ombre, oltre a peggiorare il rendimento col tempo, consigliati pannelli policristallini che non si opacizzano col tempo e che sfruttano anche la radiazione diffusa.

Mi piacerebbe raggiungere almeno 10 o 20W solari e aumentare ulteriormente le (povere) batterie, 20W sembra anche essere il minimo per non perdere l’equilibrio, almeno con questo tipo di bici.

Il carica batteria di rete (che volendo è alimentabile anche questo con una pannello solare dedicato) è un caricatore a corrente variabile da 0 a 4A visto l’eccessivo tempo per caricarle con uno economico da 700mA, le batterie le carico a circa 1 o 1,5A, ma in casi di emergenza potrei arrivare a 4A, terminando così la carica in 5 ore circa con 20Ah, circa 8 con 30Ah, anche se aveste caricatori più potenti e anche se le batterie reggessero molti C anche in ricarica, non scendete mai sotto le 3 ore per caricarle, come anche non aspettate di svuotare completamente le batterie, pena la minor vita delle stesse.

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 Il caricabatteria di tipo professionale costa circa 30 Euro cioè 4 volte uno economico e per funzionare almeno in alcuni modelli non basta collegare solo lo spinotto equalizzatore ma bisogna collegare anche i 2 cavi più grossi (+ e -) direttamente alla batteria in qualche modo, io li attacco alle saldature (scopribili) della batteria (distanti fra loro) con dei morsetti a coccodrillo e a fine carica li stacco semplicemente insieme allo spinotto e al caricabatteria, altrimenti senza collegare i cavi di potenza o non carica proprio o carica solo dallo spinotto bilanciatore da cui possono uscire massimo 500mA.

Ho messo un diodo di bypass in parallelo a ogni pannello in modo da limitare shock e danni dovuti all’ombreggiamento, si potrebbero aggiungere altri pannelli fotovoltaici ma visti i ladri che girano (almeno dalle mie parti) e visto che già una volta mi hanno rubato una bici normalissima benchè legata con un cordino d’acciaio e senza nulla di particolare sopra, per carità per chi lo volesse fare lo spazio ci sarebbe, io valuterò un po’, per esempio in mezzo al triangolo formato dai tubi e anche nel portapacchi posteriore che potrebbe estendersi fino a coprire le ruote posteriori, ma anche sullo stesso manubrio si può arrivare a 10W, sistemati orizzontalmente poi non sembrano nemmeno troppo ingombranti, volendo si potrebbe montarne anche uno anteriore appena sopra la ruota.

Per generare corrente dal motore (come una dinamo) bastano 2 diodi per fase (raddrizzatore trifase), il comando per l’accensione deve essere una cosa difficile da attivare o scovare, questo per diversi motivi, il primo è che per la legge italiana è illegare girare con la bici in questo modo perchè equivarrebbe ad un veicolo a motore senza targa anche se fosse 1 Watt, inoltre non c’è un sensore di pedalata assistita, anche con pedalata assistita il limite per legge rimane 250W, tuttavia se non si riesce a dimostrare che è un motore allora potrebbe benissimo essere qualsiasi cosa, una dinamo, un pulisci gomme, una girandola bucata o qualsiasi altra cosa, le batterie potrebbero essere per i fari, per l’mp3 o per qualsiasi cosa, non c’è ancora una legge sulla capacità delle batterie per i fari o acessori, quindi è quasi assurdo da dirsi ma non fatevi sgamare che andate in giro ad energia solare, in realtà un vigile pignolo potrebbe benissimo farvi una multa perchè non avete i fari a norma, probabilmente potrebbero anche sequestrarvi il mezzo o farvi finire in qualche casino, per ora comunque leggi e sbirri a parte rimane più che altro un esperimento anche se si possono fare qualcosa come 15km al giorno con 30Ah, nel mio caso dal wattmetro una mia andata e ritorno sono circa 109,5Wh (senza pedalare), è esattamente come avere qualcuno che pedala al posto vostro, anzi, se una pedalata media di un uomo è di 200W è come avere da 1 a 4 ciclisti nascosti che pedalano, voi dovrete soltanto impostare la velocità dal servo tester o comunque regolare la tensione da inviare al servo tester che varia da 0 a 5V.

Col wattmetro sul manubrio potete misurate la potenza erogata fino a frazioni di Watt però dovrete usare un cavo di grossa sezione, attenzione, variando la tensione o il potenziometro regolate la velocità (frequenza del campo magnetico), mentre la corrente sarà in base allo sforzo che la bici si troverà a compiere, se volete potete contribuire allo sforzo pedalando, magari partendo a spinta, facendo un po’ di sport e facendo così durare di più la batteria, magari se c’è sole caricate pure le batterie (vabbè fantascienza), potete sollevare il motore in qualche modo (l’ideale sarebbe un motoriduttore con fine corsa o servomotore o qualcosa di pneumatico) e procedere come una normale bicicletta, l’equivalente è togliere l’alimentazione a tutto trascinandovi il motore come una semplice massa rotante a vuoto (in realtà i magneti al neodimio attirando il traferro freneranno), inoltre è possibile programmare l’ESC senza freno, già proprio così la maggior parte degli ESC è programmabile ma a molti basta che faccia girare il motore, di solito per programmare l’ESC bisogna seguire una procedura particolare, nel mio caso prima si alimenta il servo tester coi 5V, poi l’ESC coi 5V, poi si sposta l’acceleratore al massimo e poi si alimenta l’ESC anche coi 12V a quel punto partono una serie di Beep come in un menù (dipende dal ESC) e voi sceglierete la funzione che più vi interessa da una tabella nelle istruzioni, usando la manopola da max a metà, di solito il minimo serve solo per salvare e uscire, con un codice morse corrispondente ad una funzione, per esempio si possono regolare il tipo di frenata: hard, medium, soft, nessuna, oppure si può impostare la tensione minima di cut off: 12V, 9V, 8V dopo il quale l’ESC toglierà l’alimentazione per salvaguardare le batterie dalla sottocarica, il tipo di cut off: soft, hard, altre opzioni sono PWM 8 o 16kHz, tipo di accelerazione (come per il freno), addirittura c’è una funzione simile alle marcie, si chiama timing e dovrebbe essere lo sfasamento in gradi del campo magnetico, ci sono varie posizioni nel mio caso: 1°, 7°, 15°, 30°.

A 1° è come avere la prima marcia ed è anche l’impostazione di fabbrica, se non sapete cosa mettere lasciate questa in quanto è la più efficiente e quella con più coppia in assoluto ma è la più lenta. La 7° permette di avere una coppia simile alla precedente ma estende decisamente la velocità massima ed è equivalente ad una 2° marcia, anche se sforza un po’ di più le batterie, la 15° è più veloce della precedente ma la perdita di coppia è molta, è equivalente ad una 3° marcia, fare una salita in questa marcia impegna molto motore e batteria, l’ultima la 30° è un pelo più veloce della 15° ma è la meno efficiente e la coppia quasi non esiste e c’è praticamente sempre il rischio di danneggiare tutto, va bene solo su lunghe distanze in pianura e il consumo comincia a non essere proporzionale alla velocità ma nettamente superiore.

Con tutto alimentato ma al minimo il motore si comporta da frenomotore (se lo avete impostato) cioè cortocircuita le fasi e quindi è molto duro da girare e forse lo potete usare per generare qualcosa però da prove fatte solo per un breve istante sembra caricare infatti le luci da fioche tornano ad accendersi per quel istante, il consumo minimo si ha in discesa ovviamente dove la corrente assorbita scende anche a 0A e anzi sembra frenare oltre una certa velocità, normalmente in pianura si viaggia con circa 20A, per ora, più che per non farmi sgamare, non ho ancora trovato un contatto da 200A economico e poco ingombrante quindi collego i fili a mano in stile “ladro di auto”.

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Il consumo in soldi, senza fare troppi calcoli, se con un viaggio andata e ritorno da circa 10km totali, equivalenti a 100Wh (ogni giorno), cioè 0,1kWh allora con 1kWh si possono fare circa 10 viaggi (10 giorni) e 1kWh costa circa 0,2 Euro, triplicate e ottenete il costo al mese che è circa 0,6 Euro, anche se sovradimensionaste la batterie il consumo rimarrebbe più o meno quello, se però pesate molto e guidate in stile moto GP e fate le derapate e i burnout ai semafori allora aumenta, comunque anche se consumaste il triplo non avrebbe nulla a che vedere neanche lontanamente con un pieno di benzina (già solo per la massa dei due veicoli e per il numero di ruote), con il costo di un pieno di benzina vi rifate un nuovo impianto.

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Non lasciate il wattmetro (in questo caso un Watt’s up meter) al sole se no i cristalli liquidi si scuriscono e non si vedrà più nulla.

Nel mettere insieme le due batterie da 10Ah (avendone usata prima una sola) ho dovuto dissaldare una cella da un pacco in quanto ho notato che si era gonfiata e una sola cella è quasi difficile da trovare (identica) o costa troppo, così ho preso un pacco da 14,4V per rimpiazzare la cella guasta e ho usato le altre 3 per aggiungere un’altro pacco da 11,1V, operazione lunga, delicata e pericolosa come pericolosa è l’equalizzazione (o bilanciamento) fra le celle nella fase iniziale, ci vogliono delle resistenze da qualche decina di Ohm per qualche ora dopodichè si può procedere al parallelo diretto, con 20Ah 12V le batterie sono sufficienti, non si scaldano molto e non arrivano totalmente scariche a fine viaggio anche se non dovrebbero mai scendere sotto i 3V (per elemento). Volendo si potrebbe realizzare un sistema meno potente a 7,2V (forse un giorno lo farò), fate attenzione se trafficate con le celle di rimettere le spugnette tra le alette come in origine perchè se ve le dimenticaste, le vibrazioni a lungo andare vi potrebbero spezzare un’aletta, buone pedalate e buon sole a tutti.

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