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sexta-feira, 13 de maio de 2016

Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 3/3


Nesta postagem nós trataremos, mais especificamente, da Frenagem Regenerativa, além de, evidentemente, de abordarmos, em maiores detalhes o Sistema Mid-Drive de montagem do motor, que são os assuntos a dar continuidade a partir do ponto onde paramos na postagem anterior.

Contudo, antes de tratarmos de frenagem regenerativa, que é um assunto um pouco mais complicado, convém falarmos, também, simplesmente de frenagem das e-bikes, coisa que nós ainda não abordamos, em detalhe em nenhuma das séries de postagens anteriores.

Quem viu a imagem de um controlador de e-bike que é produzido pela gigante chinesa Focan Eletronic Factory, que foi mostrado na postagem imediatamente anterior, pôde perceber, entre o complexo emaranhado de fios com conectores que saem da caixa dele (pela via dos quais o controlador se conecta às várias partes restantes do sistema elétrico da e-bike) dois conectores que, em especial, estão denominados como "Brake Signal High" e "Brake Signal Low / Reverse"

Pois então, esses conectores são devidos para se ligar ao controlador aquilo que são chamados de E-Bike Brake Sensors (sensores de freio da e-bike), ou seja, nada mais nada menos do que dois interruptores, cada um deles associado a um dos manetes de freio (dianteiro e traseiro) da e-bike. Assim, manetes de freio toda bike tem, mas, manetes de freios com sensores, isso é coisa das e-bikes.

Não obstante, é digno de nota que um equipamento de sinalização luminosa de segurança já vem se popularizando mesmo para bicicletas regulares, sob a denominação do tipo "Lanterna Luz De Freio Seta Buzina 8 Sons Kit Segurança Bike", sendo que o mesmo contém um sensor de acionamento de freio, o qual poderia, sim, ser adaptado para a funcionalidade necessária das e-bikes, contudo, para a devida segurança, é requerido sensores de freio para ambos: traseiro e dianteiro (enquanto tal Kit, embora sendo interessante e barato, só apresenta um único sensor, e que se presta, apenas, para o sistema de acionamento por cabo).


Os sinais providos por tais interruptores servem para informar ao controlador que o ciclista está acionando um (ou ambos) dos manetes de freio. O controlador precisa se informado quando o ciclista aciona algum freio a fim de que ele tome as devidas providencias necessárias. A providência mínima necessária é, simplesmente, o controlador cortar o fluxo de energia para o motor, enquanto algum manete de freio permanecer acionado pelo ciclista.

Acontece que, quando se faz a conversão de uma bicicleta regular para e-bike, os manetes de freio originais existentes nela não permitem, facilmente, a adaptação dos interruptores que servirão como sensores. Não obstante os esforços de alguns que, de fato, conseguem fazer tal adaptação engenhosa sobre os manetes originais, existe no mercado a oferta de conjuntos completos que incluem manetes novos já com os devidos sensores montados no lugar e com toda o cabeamento necessário, adequado para simplificar o retrabalho da conversão bicicleta  e-bike.

Alguns desses conjuntos ofertados podem incluir, inclusive, cabeamento para conexão do acelerador (ou mesmo o próprio elemento acelerador agregado ao conjunto) que é requerido para os casos de e-bikes tipo potência sob demanda, contudo pedelecs não requerem isso e, assim, existem conjuntos específicos para as pedelecs,

Manetes de freio para a substituição com sensores de freio (interruptor para o cortar a alimentação do motor) tipo Hall com conector e cablagem padrão Bafang.
Neste ponto, alguém poderia dizer: Ah, mas quando eu aciono algum freio, eu solto o acelerador (ou paro de pedalar - no caso das pedelecs). Só isso já garante que o controlador irá levar a potência entregue ao motor a zero!

Sim, garantiria, porém, ficando na dependência de que você realmente o faça sempre assim. Todavia, você pode querer burlar esse comportamento (correto), ou mesmo, acidentalmente fazê-lo, de modo que os sensores associados aos manetes de freio são uma real garantia de que você não conseguirá (facilmente) aplicar potência ao motor com algum freio estando acionado.

Além do mais, a resposta do controlador a ativação dos sensores de freio são mais rápidas, gerando uma interrupção total do fluxo de energia mais abruptamente do que simplesmente desacelerando ou deixando de pedalar. Enfim, sensores de freio são para maximizar a segurança da operação.

Ao fazer um retrofit, caso você resolva adquirir um kit de sensor de freios (conjunto completo) você deve ter em mente qual o tipo de sistema de freio que você já tem (se é por cabo ou se é hidráulico) pois os kits diferem quanto a isso. Deve considerar, também, o padrão e a qualidade dos elementos sensores, dos cabos e conectores  (para não chorar depois). Os mais simples e baratos podem incluir, até mesmo, interruptores elétricos bem simples (do tipo push button 1) e conectores que têm, ambos, um baixo índice de proteção, o que pode significar que umidade e sujeira entrarão com o tempo.

Já, os sensores do tipo hall são muito melhores (exite, também, a possibilidade de emprego de sensor do tipo capacitivo, apesar da oferta dele ainda ser rara), pois, seus corpos são selados, com alto índice de proteção, e o imã associado a eles que fica exposto na parte externa são ímãs resistente à ferrugem para uso ao ar livre (ou, ao menos, devem ser). Melhores sensores costumam vir acompanhados de melhores cabos e melhores conectores (em e-bikes, conectores com elevado índice de proteção também são importantes).

Eu, particularmente, não trocaria os manetes (menos ainda se o sistema original for hidráulico) e adaptaria o sensor do tipo hall, simplesmente fixando as partes, externamente, com bons adesivos. As opções são muitas, mas, vejamos algumas imagens:

Acima, á esquerda um manete com sensor de freio tipo Hall com push button 1. Nas demais imagens, um sensor de freio Hall que pode ser utilizado em uma instalação sem a mudança dos manetes de freio.

Ao instalar o sensor de freio do tipo Hall, prender a extremidade do sensor tão perto do manete quanto possível e o imã sobre o manete bem próximo do sensor. Quando a manete de freio é puxado, o imã vai afastar-se do sensor e o controlador é informado que deve cortar potência do motor, quando a manete é liberado e o ímã vem para perto do sensor, o controlador é informado que deve ligar a potência de volta ao motor. É por isso que é melhor que você instale e teste um sensor de cada vez, porque se você tem um segundo sensor ligado, mas não devidamente ajustado em proximidade suficiente para com o imã, o motor será cortado, e você não poderá estar usando o operação do motor para fazer uma instalação fácil e permite-lhe afinar a distância desejada entre o ímã e o sensor.

Quando tiver concluído a instalação e teste do primeiro sensor, em seguida, conecte o segundo sensor e repita. Adesivo 3M adequado é ideal, mas cola quente funciona muito bem para esta aplicação e permite uma melhor instalação ao montar superfície não é plana ou contornos. O sensor e ímã também pode ser instalado no lado inferior da alavanca do travão para um visual mais limpo. Certifique-se de prender o cabo do sensor depois de conectado, para, no caso de ele ser desconectado ele ser impedido de ficar pendurado e enredar-se nos raios da roda dianteira.

Quanto a maneira de ligar o conector deles ao controlador, tenha cuidado, pois, controladores genéricos variam quanto aos sistemas de conectores que eles apresentam (ou seja, não há um padrão), enquanto outros (como a Bafang, por exemplo) utilizam sistemas proprietários de cabeamento e de conectores. Entre os controladores genéricos eu encontrei, basicamente, três versões de forma de conector para os sensores de freio:
  • Um único conector apenas, com um par de fios: isso está presente em certos controladores de menor porte, e, em geral, corresponde a uma entrada de sinal digital que é ativa em nível baixo (nível lógico 0, ou seja, com a entrada levada ao potencial de GND) e costuma ser denominada "Brake Signal Low" (ou Brake Level Low, ou coisa semelhante).  Se são dois os seus sensores (freio dianteiro e freio traseiro), neste caso você precisará fazer a interligação dos seus dois sensores em paralelo, antes de conectá-lo aos conector do controlador. Os dois fios presentes no conector do controlador são o "SINAL" e o "GND" (GND costuma ser o fio de cor preto, enquanto o SINAL é o outro fio (sem cor padronizada), que é a entrada que avisa a atuação do freio ao controlado). Se os seus sensores forem do tipo eletrônico (muito populares, atualmente), tal como Sensor Hall ou Sensor Capacitivo (e não um simples interruptor eletromecânico), você precisará acrescentar um fio extra que, neste caso, é o positivo (Vcc, em geral de 5 V), por fora;
  • Dois conectores com um par de fios em cada um: este é, de fato, o arranjo mais comum e que não causa muita preocupação, pois, é simplesmente para ligar um sensor para cada um dos conectores. Essa configuração as vezes pode mudar uma outra forma que acomoda todos os 4 fios em um mesmo conector de 4 terminais, ou, numa outra forma em que apenas dois fios saem do controlador, mas eles derivam para dois conectores de dois terminais cada (conectores ligados em paralelo). Se constatar que precisa trocar o modelo do conector para compatibilizar fisicamente a conectividade, você pode optar fazer um cabo extensor curto, ou, sendo possível, trocar do lado que o conector empregado for que menor qualidade (mas evite o costume de emendar fios e isolar com fita isolante).
  • Dois conectores, um com um par de fios e outro com apenas um único fio: isso foi elaborado para prover versatilidade, mas, pode acabar por complicar para alguns montadores. É neste caso que aparecem as designações: "Brake Signal Low" (conector com dois fios) e "Brake Signal High" (conector com apenas um fio). Para complicar ainda mais "Brake Signal Low" as vezes  muda de designação para "Brake Signal Low / Reverse", e, ai, o conector passa a ter três fios (como visto na figura ao lado).
Como eu já havia discursado na postagem anterior, a grande maioria dos controladores (e outras partes todas do sistema elétrico das e-bikes) made in China (até mesmo os produtos das grandes e líderes) são pobremente documentados, o que faz com que seus adquirente precisem se tornar em verdadeiros desbravadores para desvendar e entender como ligar as partes todas, como e quando os recursos ou funções dos controladores agem sob os efeitos da ativação de cada entrada que eles dispõem, e como, exatamente, ativar cada uma dessas entrada, dispondo de parcas informações (que acompanham o produto após adquirido, sendo que, na hora da escolha, isso é ainda pior), e sem que haja padrões (até mesmo para as nomenclaturas).


Diante dessa tamanha "balbúrdia em conectividade", muitos podem "pedir para jogar a toalha" e preferir algo bem mais "limpo e enxuto", tal como o que é mostrado abaixo:


Acontece que o Kit mostrado acima (The E-BikeKitTM apenas parcialmente) apesar dele ser, de fato, fácil de conectar os cabos dos sensores de freio e, de você pode, até mesmo, poder adquirir as partes mostra nele em separado, te coloca na situação de você ter que adquirir, no mínimo, tudo o que está sendo mostrado na figura (o controlador e o cabeamento, além dos manetes de freio com sensores), só para poder resolver o problema de conectividade dos cabos dos sensores de freios. Isso te colocando em outra enrascada, pois, o cabeamento todo, para conectar as demais partes, é um sistema de conexão proprietário, o que te obriga a comprar o Kit todo, que, alias, por acaso vem sem a bateria  (de modo que você terá que preocupar com a conectividade dela, também).

Fato é que existem diferentes ofertas de kits para e-bikes com sistema de cablagem e conexão proprietários (ou quase proprietários), sendo produzidos em vários cantos do mundo, sem que haja compatibilidade de conectividade entre eles, e, sem que cada um deles próprios sejam completos, o que leva alguns montadores de e-bikes engenhosamente mais habilidosos a desejarem agregar algo extra a eles, mas encontrando dificuldade de conectividade e de falta de documentação satisfatória para fazer isso.

Além disso, apelar para kits com sistema de cablagem e conexão proprietários pode não ser (e de fato não é) a solução mais barata, e te deixa limitado. Além do mais, olhando bem, alguns conectores oferecidos (como, por exemplo, os da imagem anterior) nem me parecem, assim, tão bem protegidos.

Diante disso, os genéricos podem te levar a alguma vantagem, pois, eles são oferecidos em grande variedade e te dão margem para criar, elaborar e testar arranjos de conexão com diversas partes, diferentes tipos de sensores, etc, não pela documentação deles que, como foi dito, costuma ser insatisfatória, mas, pelo simples fato que você não precisará vandalizar conectores e cabos que foram montados para serem inviolados.

Repare no diagrama de conexão apresentado ao lado: ele é associado à documentação de um controlador de e-bike fabricado pela Shenzhen Vire Silicon & Technology Co., Ltd, Empresa de Hong Kong cujo Foco Principal tem sido o de desenvolver e fabricar produtos para o mercado de decodificadores MP3 / MP4 / MP5 (controlador de e-bike é só "um lance a mais"). Repare que a conexão de freio te apenas um fio. Isso é tudo o que você pode encontrar na documentação do produto que é oferecida (e nada mais).

E olhe que esse controlador, VIRE-24-48V-2400W-01C, não é de pequeno porte nem um qualquer. Ele integra 24 MOSFETs para realizar os chaveamentos de intervalos (60° ou 120°) e de PWM da Potência (e não apenas 6 MOSTETs, como os controladores mais comuns) e tem características alegadas como adequadas scooters e triciclos (elevada potência). Contudo, a documentação dele é parca. Não informando, sequer, como ligar um simples sensor de freio a ele.

Você poderia deduzir, obviamente, que por ser apenas um único fio presente ao conector, ele só pode ser o fio para entrada do SINAL. Ok, eu também creio que isso é algo lógico, mas, falando em lógico, qual será, então, Nível Lógico que causa a ativação de tal sinal de entrada? Alto ou baixo? "1" ou "0 "(isto é, conectando o fio de SINAL ao VCC ou ao GND)? Comumente existe ambos os casos em controladores genéricos. O que muitos acabam fazendo é, simplesmente, aplicar a "tentativa e erro", experimento as duas formas de ligação e observando o resultado. Isso é horrível!

É, deveras, uma pena a pobreza de documentação que eles costumam apresentar (independente deles não terem, também, uma padronização). Então vamos "decifrar":
Esquema de ligação entre um Sensor Hall e a entrada Brake Low Level
(ou Brake Signal Low) do Controlador
  • Brake Low Level (ou Brake Signal Low): Apresenta apenas 2 fios no conector que vem do controlador: Um fio é "Sinal" e o outro é "GND". Com essa entrada do controlador estando em aberto (ou não ligada, ainda, a nenhum sensor), seu estado normal (que pode ser medido entre os dois fios,  "Sinal" e "GND" presentes nesse conector) é "nível alto" (nível lógico 1 ou uma tensão próxima equivalente a do VCC interno do controlador, normalmente +5 V). Para que o controlador entenda que o freio foi acionado, ela precisa ser levada a "nível baixo" (nível lógico 0 ou GND, dai vem o termo "LOW" associado ao nome que a designa). A ativação dessa entrada (que resulta na ação do controlador cortar a energia para o motor), pode se feita, então, simplesmente interligando os dois pinos do conector ("Sinal" e "GND"). Entretanto, fato é que um sensor, seja ele do tipo Hall ou do tipo Capacitivo 2, apresenta 3 fios: "Vcc", "Sinal" e "GND", de modo que isso te obriga a ligar um fio extra ao conector cabo elétrico do sensor, que é o fio do Vcc (que serve para prover alimentação ao circuito eletrônico que existe interno ao invólucro do sensor).
Quando se fala em sensores para emprego em máquinas industriais, costuma-se empregar as designações Sensor NPN e Sensor PNP 3 para diferenciar quanto a dois tipos possíveis de chaveamento da saída dos sensores. Contudo, no contexto das e-bikes, eu ainda não vi tais termos sendo empregados, e ao que me parece, se não todos mas a grande maioria dos sensores empregados devem ser do tipo NPN, ligados como mostrado acima.(lembrando que, as cores dos fios também não segue o padrão industrial). Contudo, caso opcionalmente se empregue sensores do tipo PNP, então você precisará conectá-los a outra entrada:
  • Brake High Level (ou Brake Signal High): Apresenta apenas 1 fios no conector que vem do controlador: o fio de "Sinal", apenas. Com essa entrada do controlador estando em aberto (ou não ligada, ainda, a nenhum sensor), seu estado normal é "nível baixo" (nível lógico 0 ou uma tensão próxima equivalente a do GND). Para que o controlador entenda que o freio foi acionado, ela precisa ser levada a "nível alto" (nível lógico 1 ou Vcc, dai vem o termo "HIGH" associado ao nome que a designa). A ativação dessa entrada , pode se feita, então, simplesmente interligando ela ao Vcc.
Contudo, há ainda, outra diferença quando se usa essa entrada, que vai além da questão do tipo de chaveamento de saída PNP / NPN dos sensores:

Ativar essa entrada não resulta na ação do controlador apenas cortar a energia para o motor, mas, sim, dele realizar uma efetiva frenagem elétrica do motor, muito mais brusca e firme, fornecendo a suficiente potência de travagem para trazer a e-bike a uma parada completa rapidamente, mesmo sem usar os freios da bicicletas em tudo, e fazendo o motor resistir à rotação da roda.

Isso é feito, porém, sem significar, necessariamente, que esteja havendo alguma efetiva frenagem regenerativa (pelo menos, não nos controladores que eu pude estudar, testar e decifrar).Deste modo, acabamos descobrindo a que a diferença entre Brake Low Level (ou Brake Signal Low) e Brake High Level (ou Brake Signal High) não é, apenas, quanto a questão do Nível Lógico para a Ativação  (ligar ao VCC ou ao GND para ativar) desses sinais, mas, sim,. que a ativação deles resultam, respectivamente, em ações do controlador que corresponde funções de frenagem bastante distintas entre si.

Outro fato importante é que se você estiver usando um motor do cubo com redutor (conforme visto na postagem anterior) dotado de Roda Livre (Freewheel ), então este freio elétrico (frenagem regenerativa) não funcionará, porque o que ele faz é, essencialmente, apenas o travamento do rotor do motor no lugar. Devido à roda livre, mesmo com essa ação, o resto da roda continuará a girar, não sendo, o resultado, diferente do que, simplesmente, cortar a potência do motor, deixando-o a mercê da inércia.
  • Brake Signal Low / Reverse: Essa designação aparece somente nos casos de controladores de maiores potências (acima de 1000 W). O conector tem três fios, onde, além, de haver os dois fios referentes Brake Signal Low (conforme foi descrito acima), há, ainda, a adição de um terceiro fio que é associado a entrada de função Avante / Reverso (ou denominada, simplesmente, Reverse) que é algo se aplica para os casos como o dos triciclos, por exemplo, que podem se beneficiar de ser capaz de alternar seus sentidos de movimento entre para frente e para trás. Mantendo esta entrada em aberto, ou impondo a ela nível alto (Vcc), temos o sentido de movimento Avante (que é o padrão). Já, colocando tal entrada em nível baixo (GND), estamos selecionando o sentido de movimento reverso.

Frenagem Regenerativa:


Frenagem regenerativa já foi discutido aqui neste blog em várias postagens anteriores, contudo, não olhando para os veículos elétricos ultraleves, as e-bikes, mas, sim, sempre para veículos leves maiores, os carros elétricos. Alias, lançar o olhar para as tecnologias especificamente pertinentes às e-bikes tem sido uma grata novidade, e um desafio, para este autor, que ama aprender coisas novas.

Frenagem regenerativa é muito comum em carros elétricos, algo praticamente de emprego mandatário, mas, nas e-bikes, porque elas precisam se manter como produtos dentro de faixas de preços finais ao consumidor bem mais reduzidas para se manterem competitivas, o emprego de dispositivos que provejam tal funcionalidade ainda é muito raro.

Frenagem regenerativa significa, antes de tudo, parar de chamar o motor elétrico de "motor" e passar a chamá-lo de "máquina elétrica", pois, no contexto dos veículos com frenagem regenerativa, a "máquina elétrica" opera em ambos: tanto como no modo motor, quanto como no modo gerador.

A máquina elétrica se comporta como gerador exatamente quando ela opera durante um Regime Transitório de Desaceleração (isto e, na frenagem), efetuando uma força contrária ao da aceleração, ajudando no esforço de parar o veículo e gerando de eletricidade a partir do conjugado de frenagem.

Para muito mais detalhes veja também: Freio Regenerativo (Sistema de Recuperação de Energia Cinética). Entender o que é apresentado nesse outro artigo é altamente recomendável, pois, facilita, e muito, entender o que passamos a apresentar, em seguida, aqui.

A energia elétrica gerada pela máquina elétrica durante a frenagem pode ser (e, em muitas aplicações é) realimentada de volta para a bateria, o que aumenta sua eficiência energética do sistema e aumenta a autonomia do veículo. Contudo, atenção, pois os manuais de controladores de fabricantes realmente sérios trazem a seguinte advertência

"Apesar da Regeneração ter efeito de travagem, ela não substitui a função de um freio mecânico. Um freio mecânico é necessário para parar o veículo, sempre. "Regen" ajuda, mas não é uma característica de segurança! O controlador pode inibir a regeneração, sem aviso, tanto para proteger as si mesmo, como para proteger a bateria (Por isso, ele não tem como objetivo proteger a operação da condução, pela qual a atuação do ciclista é responsável)."

O que determina se em um sistema opera motorizado ira haver regeneração, ou não, não depende, em nada, do motor que é utilizado, pois, qualquer máquina elétrica tem a habilidade de regenerar. odo motor tem habilidade regenerativa, ou seja, construtivamente, todos os Motores são, de fato, Máquinas Elétricas (e essa é a denominação até mais adequada para se usar no contexto de frenagem regenerativa) que foram concebidas para operar em ambos os modos: Modo Motor e Modo Gerador:
  • Se a Máquina Elétrica (motor) recebe energia elétrica, ela converte para energia mecânica (e está operando, de fato, no modo motor), porém;
  • Se a Maquina Elétrica recebe energia mecânica (se você girar o eixo dela, externamente, de alguma forma), ela converte para energia elétrica (e, portanto, está operando no modo gerador).
Contudo, dependendo de como a máquina elétrica (motor / gerador) é montada em relação ao sistema de transmissão da bike, será possível, ou não, haver regeneração, ou seja, o motor poderá ou não ter a habilidade de operar como gerador por receber da roda da bike a energia mecânica que ela pode doar ao motor (fazendo-o operar como gerador). Isso pode ser interessante, principalmente diante daquela quantidade enorme de energia que ese dispõem, quando a bike está a descer por um declive.

Se ao descer por declives o motor estiver girando por causa do giro da roda, então a regeneração, de fato acontece e ela pode ser aproveitada. Esse é o caso de:
  • Todos as e-bikes que empregam Motor do Cubo (Hub Motor) sem redutor, ou seja, que não roda livre, os chamados de acionamento direto (Direct Drive). Isso realmente permite a regeneração, e ela pode ser aproveitada (ou não, pois ainda ficamos na dependência do controlador permitir).
Contudo, tanto para o caso de e-bikes que tem seus motores instalados numa montagem Mid-Drive (acionando direta ou indiretamente o eixo da pedaleira), quanto para o caso versões de Motor do Cubo que contenham Redutores (Geared Hub Motors), estes não serão capazes de efetuar a regeneração 4, por conta de que seus motores permanecem parados, enquanto a e-bike desce por um declive, e sua roda gira livre (roda livre) não requerendo mais força de tração e, portanto, nem se está mais pedalando.

Não obstante, mesmo estas (Mid-Drive e Geared Hub Motors) versões de e-bike poderiam, sim, ser pensadas para serem dotadas, também, de controladores que possuam a função de regeneração, a fim de que, por exemplo, atender aos casos em que os ciclista também usem a e-bike para exercitar-se sem sair casa.

Muitos ciclistas (de modo geral, não apenas de e-bike) estão adotando essa prática de exercícios sendo realizada pela associação da com um simples rolo treino (de exercício) de bike, tal, como mostrado na foto  ao lado. Este rolo de treino poderia utilizar a regeneração como "efeito de carga" para ser empregada no treino, ao mesmo tempo em que ele pode encher de energia a bateria da própria e-bike, ou mesmo outra bateria qualquer (compatível em tensão) que seja ligada, externamente, até os terminais de conexão de bateria do controlador da e-bike.

Esse rolo de treinamento é algo muito simples e barato: ele faz, simplesmente, com que o ciclista pedale movendo a roda bike sobre o rolo (que não apresenta resistência considerável alguma), que é suportado há uma bem pequena elevação com relação ao solo (o que equivale a pedalar sobre um declive bem suave). Contudo, desportistas com mais elevado grau de "energia humana" decerto sentirão falta de uma maior carga para a realização de seus exercícios.

Para resolver isso, existem outros tipos de rolos semelhantes a esse, porém, que agregam ao seu eixo um Freio de Partículas Magnéticas, que não apenas permite se impor um Conjugado Resistente ao eixo do rolo, como, também, permite ajustar a intensidade desse conjugado resistente. Acontece que estes equipamentos mais sofisticados custam n vezes mais caros do que os rolos simples, ao passo que se a bicicleta for uma e-bike, isso não justifica, pois ela mesma pode prover o conjugado resistente para o treino, e ainda ter a capacidade de regeneração aproveitada..

Isso pode ser provido por se desligar o fornecimento de energia para o motor, por meio, por exemplo, de se emitir um "falso informe" do sinal Brake High Level (ou Brake Signal High) para um controlador. Eu digo "falso informe", pois, não se estaria acionando manete de freio algum (afinal, o ciclista estará a pedalar), mas, sim, emitindo tal sinal a partir de uma simples chave elétrica que é manobrada pelo ciclista para poder ativar o sinal Brake Signal High para o controlador, mantendo o ativado o tempo todo, enquanto o ciclista estiver pedalando, realizando o seu treino.

Na aplicação proposta, não se trata, especificamente, de regeneração, mas sim, de geração. O seu motor estará, o tempo todo que durar o exercício, operando como gerador, e girando no mesmo sentido de giro da tração que é requerida (nenhum ciclista não precisa de assistência do motor para se mover sobre o tal rolo).

Assim, seja regeneração, ou geração, o que muda é só o nome. Contudo, será que, com isso, tal geração pode ser, efetivamente, aproveitada para recarregar a bateria (da e-bike ou outra, externa). A resposta tanto pode ser sim, quanto pode ser não, pois ela depende da "arquitetura" (hardware e software) que é adotada no controlador que está sendo empregado (ou seja, se o tal controlador é, ou não, dotado da função REGEN).

Quanto aos controladores, antes de tudo é preciso entender que, até mesmo os de arquitetura mais simples, são dotados de (alguma) capacidade regenerativa, pelo simples fato de que cada um dos MOSFETs de sua ponte trifásica apresentam, internamente aos encapsulamentos deles, um diodo retificador, o qual é ligado de modo a poder conduzir no sentido inverso ao da condução do transistor (corrente do dreno para a fonte do MOSFET).

Fato é que, os diodos internos aos MOSFET, só conseguem conduzir, efetivamente, no caso do valor do FCEM (Força Contra Eletro Motriz) 5 gerada pelo motor (perdão, máquina elétrica operando como gerador) conseguir ser maior do que a tensão da bateria (tensão presente no barramento CC).
Comportamento da corrente produzida pela FCEM (corrente de regeneração) num dado instante. Neste instante, as bobinas A e B estão , respectivamente, em seus picos positivo e negativo de FCEM, de modo que elas são as responsáveis pela condução, enquanto os diodos em condução são os associados ao MOSFET T1, na parte superior da ponte, e ao MOSFET T5, na parte inferior da ponte. A corrente entra pelo polo positivo da bateria, provendo carga de energia para a mesma.
No entanto, uma vez que um motor pode estar classificado para XX volts, e a tensão no terminal da bateria pode, também, ser dos mesmos XX volts, para gerar XX volts a partir do motor (perdão, de novo, máquina elétrica operando como gerador) ela deve girar à sua velocidade nominal (em rpm). Já, para gerar um maior tensão, rotação também superior será necessária.

Assim, a não ser que a bateria esteja muito descarregada, ao se pedalar, mesmo com bastante energia, somente com a arquitetura regular dessa ponte de MOSFETs, que é o que existe na maioria dos controladores (ou controladores mais simples), muito provavelmente, não se conseguirá fazer a FCEM do motor suplantar a tensão dos terminais da bateria, de modo que não se obtém regeneração, efetivamente.

Por outro lado, tal coisa já é em algo bom, pois, ela ajuda a evitar que a sua bateria se descarregue demais, pois, com você pedalando, ao menos a carga da bateria será mantida acima de um certo patamar seguro (que depende da potência das sua pedalada). Por outro lado, alguns controladores possuem uma arquitetura diferente, que envolve eles serem dotados de mais circuitos de eletrônica de potência e, também, de softwares de controle mais complexos.

A configuração da ponte de MOSFETs trifásica pode ser estendida port adicionar um circuito de freio simples, baseado em SCR / IGBT. Todavia, apesar disso tornar hábil a frenagem elétrica, que pode ser reostática (jogando a energia fora, para cima de uma resistência), tal incremento não habilita para que haja aproveitamento da regeneração.

É necessário o incremento do circuito de eletrônica de potência e do software de controle, de modo que torne possível uma maneira de aumentar a FCEM gerada pelo motor. Somente assim será possível, mesmo operando em velocidades mais baixas (quando a geração / regeneração é de baixa intensidade), o motor pode operar, de forma adequada, no modo de regeneração, como freio e propiciar, também, o aproveitamento adequado da energia regenerada de volta para a bateria.

Para prover isso construímos um Conversor CC/CC de Elevação (também chamado de Conversor Elevador de Tensão ou, Conversor Boost, ou, ainda, Conversor Step-Up) junto da ponte de MOSFET trifásica. Conversor CC/CC elevador envolve, tipicamente, além de elementos reativos (indutor e capacitor, fundamentais ao seu funcionamento), também elementos chaveadores (MOSFETs), para, pela variação de largura dos pulsos (ciclo de trabalho) de PWM, a tensão de saída possa ser elevada para diferentes magnitudes, adequando-se, assim, ao nível ideal de tensão para recarregar a bateria.

O PWM pode ser inserido em um de controlo PID com o objetivo de ser alcançado um controle para uma força de frenagem constante,  onde a malha de PID tentará manter uma força de frenagem constante para diferentes velocidades do motor, visando o usuário obter uma resposta linear da força de travagem. Nesse caso, o sistema requer um sensor de freio que seja analógico (em geral, fornecendo sinal variando de 0 ~ 5 V).


Notas:


  1. Sensor Push button, mas não necessariamente do tipo interruptor eletromecânico, podendo ser, inclusive, com uma alavanca de atuação exterior empurrando (movendo), internamente, um pequeno imã. O imã, por sua vez, aciona um sensor de efeito hall (montado internamente). A alavanca de atuação retorna a posição de repouso por mola (que existe, também, internamente. Isso dá ao sensor o aspecto de um simples interruptor eletromecânico, mas, ele é, de fato, um sensor do tipo hall.                                                                                  
  2. Existe, também, a possibilidade de se empregar Sensor do tipo Capacitivo. Esse tipo de sensor permite detectar a ativação do freio por meio da detecção do movimento interno do cabo de acionamento. Fácil de instalar e pode
    ser montado em qualquer das extremidades (ou em algum local intermediário) do cabo do freio da bicicleta tornando desnecessário mudar manetes do freio de sua bicicleta quando você converter bicicleta para um e-Bike. Basta enfiar o cabo de freio através do corpo do sensor. Contudo, existe uma posição correta para montagem dele em relação ao sentido de movimento do cabo de freio e, por isso, existem dois modelos com relação ao lado que sai o cabo dos fios condutores elétricos. O conector desse que é mostrado na figura ao lado é padrão de cablagem Bafang (mas existem outras ofertas de produtos similares com diferentes tipos conectores como, por exemplo, o HWBS-1 king meter). Eles também são conhecidos, genericamente, pela sigla HWBS ( Hidden Wire Brake Sensor).                                                                                    
  3. Se o sensor for do tipo de saída NPN, o sinal de saída dele, quando ele estiver ativado é "baixo", ou "nível lógico 0". Nesse modelo, a ligação da carga (que equivale à entrada do controlador) deve ser feita entre o sinal e o positivo (VCC). Já, se o sensor for do tipo de saída PNP, o sinal de saída dele, quando ele estive ativado é "alto", ou nível lógico 1". Nesse modelo, a ligação da carga (que equivale à entrada do controlador) deve ser feita entre o Sinal e o negativo (GND).                                                                                                                                                   
  4. Eu tão somente ouvi alguma breves referências a um Motor do Cubo com Redutor (Geared Hub Motor) que não fosse roda livre, mas, pelo que eu pude constatar, depois de algumas poucas aplicações, ele foi logo descartado, porque o arrasto das engrenagens e do motor era muito alto, enquanto a regeneração foi pouco significativa, ele se tornou impopular. As aplicações tratavam-se das e-bikes Giant new Twist modelos 1 e 2 (modelos de produção descontinuada) empregando Motor do Cubo com Redutor da Sanyo.                                                                                              
  5. FCEM é um acrônimo para o termo Força Contra Eletromotriz, que é um fenômeno elétrico associado à comutação do estado de condução em indutores, algo que é muito recorrente nos assuntos abordados neste blog. Vá para as NOTAS da postagem titulada "Motor CA Síncrono ou Motor CC Sem Escovas???" para ver a definição.


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