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sexta-feira, 20 de maio de 2016

Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - FINAL


Por que não há um número maior de e-bikes empregando Frenagem Regenerativa?


Primeiro, considere que quem olha para a função de "Regen" está olhando, simultaneamente, para dois benefícios que ela pode propiciar:
  • Melhorar a performance de frenagem da e-bike, e, também;
  • Poder recuperar energia (recarregar a bateria).
Segundo, considere tudo o que foi exposto nos últimos dois artigos dessa série, quando explicamos que para se ter frenagens regenerativa, você precisa ficar, somente com a opção de Motor do Cubo (Hub Motor), descartando, assim, a opção do arranjo de montagem para Acionamento da Coroa (Mid-Drive). Como se não bastasse, você precisa, ainda, se prender apenas ao emprego de Motor do Cubo Sem Redutor, descartando, assim, os menores e mais leves Motores do Cubo com Redutores (Geared Hub Motors).

Assim, ao se conduzir uma e-bike somente Motores Direct Drive puros (com o emprego de Hub Motors sem redutores) são os que possibilitam a regeneração (ao menos se pensarmos em regeneração voltada, principalmente, para a melhoria do desempenho da frenagem). Isso é algo tristemente limitante.

Contudo, veja que nós apresentamos no artigo da postagem imediatamente anterior a esta, que existe uma "nova aplicação" para a função Regen que ainda não começou a ser explorada pelos ciclistas de e-bikes. Tal aplicação é aquela em que a e-bike passa empregada (também) para se fazer exercícios dentro de casa, com sua roda de tração apoiada num simples "Rolo de Treinamento da Altmayer Sport", um dispositivo que é capaz de torna o treino equivalente a pedalar com a e-bike por um terreno plano de declive pouco acentuado (algo que é bem suave de ser realizado).

Essa aplicação poderá "pegar", pois, mesmo com o aumento de ciclofaixas e ciclovias nas cidades, do Brasil e do mundo, muitas pessoas podem não considerar, por uma série de razões, as ruas e locais públicos como seguros e de fácil acesso para as suas práticas cotidianas de seus exercícios físicos. Se isso acontecer, a função Regem associada aos controladores pode passar a ser algo bem mais desejável para emprego em todas as e-bikes.

Para se fazer exercícios dentro de casa, com a e-bike apoiada num "rolo de treino" (o que equivale a converter a e-bike em e-bike ergométrica), a regeneração pode ser empregada para produzir um "efeito de carga", algo que é requerido para dar maior tonicidade aos exercícios físicos (coisa desejável por usuários de maior perfil desportivo), com a máquina elétrica dela (o motor) operando o tempo todo como gerador, sem receber energia vindo da bateria via o controlador, mas, gerando, o tempo todo, enquanto oferece ao pedalar do ciclista uma resistência consistente e adequada! 

Uma e-bike (qualquer e-bike) pode gerar energia quando aplicada para fazer
exercícios físicos apoiada em um simples rolo de treino (sem tensor ou freio extra)
Não obstante, se você vira uma única chave (ou pressiona uma tecla no comando), bingo! ... ela volta a estar pronta para ir para a rua, como uma e-bike de pedal assistido pela potência do motor, gastando a energia que ciclista mesmo, previamente, gerou e que foi levada e armazenada na bateria da e-bike.

Tal sistema tornaria a função Regen adequada para todo e qualquer arranjo de montagem e tipos de motores, incluindo Mid-Drive e Geared Hob Motor. Isso integra a função Regen para tornar todas as e-bikes conversíveis em equipamento caseiro de ginástica, dotada de ajuste do esforço e capaz de produzir energia..

A energia produzida enquanto se exercita em casa pode ser, inclusive, destinada a carregar qualquer outra bateria fora da e-bike, sendo transferida via conversores adequados, que permitam ajuste e regulação do efeito de carga desejado pela pessoa que está exercitando.

Você poderia, por exemplo, ir recuperando alguma parcela de carga para o pacote de baterias do seu carro elétrico, naquelas horas de seus exercícios noturnos, em sua própria casa, realizando-os em horários enquanto ainda se está sob os pico de demanda de consumo de energia elétrica que incidem (e afligem) sobre o sistema elétrico público concessionado da região pela qual a sua casa está ligada e é abastecida.

Enfim, estás são apenas ideias de projetos para integrar as e-bikes, e suas capacidades geradoras de saúde física e de energia, a um plano de um mundo mais sustentável.

Fica a dica (de sustentabilidade), e olhe (alguns poucos) detalhes dela na postagem anterior sobre e-bikes, pois, se a sua e-bike já dispor de um controlador qualquer que seja hábil para a Função Regen, a modificação requerida para que ela passe a ser uma Dual Function E-Bike (ou seja, para ela poder cambiar entre os dois modos de operação, e ser tanto hábil para ser conduzida na fora de casa, quanto para ser operada como uma e-bike ergométrica geradora de energia elétrica, a modificação requerida é algo mínima.

Sistema Mid-Drive de Montagem de Motor


Antes de falarmos mais seriamente no que ainda nos resta a falar sobre o Sistema de montagem do motor nas e-bikes em arranjo Mid-Drive, vamos dar uma oportunidade a mais para os aficionados dos Motores do Cubos dizerem, também, aquilo que eles sabem sobre o desenvolvimento e a tendência para o mercado deles.

A produção em massas de Motores do Cubo, tanto fora, mas, principalmente dentro China tem, com efeito, causado um enorme impacto sobre o mercado de bicicletas elétricas. Agora há um grande número de e-bikes disponíveis no mercado por causa da grande disseminação do motor do cubo, cuja simplicidade de emprego tem permitido aos fabricantes de e-bikes serem capazes de usar praticamente qualquer quadro de bicicleta para transformá-lo em uma bicicleta elétrica.

Hoje em dia encontramos abundancia de oferta de motores do cubo de todas as formas e tamanhos de rodas e com pneus para todos os tipos de terrenos e aplicações. Por conta da produção em massa, puxada pela China, motores do cubo têm se tornado bastante acessíveis e confiável e, muitas vezes, do ponto de vista custo benefício, a melhor solução.

Contudo, embora e-bikes com motores do cubo sejam convenientes e prontamente disponíveis, as bicicletas elétricas mais emocionantes não são as que empregam motores do cubo. De fato, o sistema Mid Drive é que é o Santo Graal para os sistemas de tração bicicletas elétricas, quando aquilo que importa é maximizar eficiência e desempenho.

Os e-bikes de montagem de motor elétrico para Acionamento da Coroa (ou Acionamento Central, ou Mid-drive) não são nem as mais fáceis nem as mais baratas para se construir, mas elas são superiores quando se trata de pedalar fora da estrada, no campo, subindo colinas ou encostas. Mais do que uma solução elegante quando comparada aos motores do cubo, o Acionamento Central (Acionamento da Coroa, Mid-Drive) é especialmente muito vantajoso para bicicletas de montanha (mountains bikes).

Isso ocorre porque o arranjo Mid-drive permite que o motor se beneficie do fato dele estar provendo a tração para a roda da e-bike por meio do emprego do sistema de transmissão da e-bike (por meio de coroa, corrente e pinhão), de modo que o motor elétrico pode funcionar dentro da faixa de rotação mais alta em seu próprio eixo, o que é ideal para ele, o que se traduz em um motor mais eficiente (benefício que pode ser aumentado, ainda mais, pela eventual mudança de marchas) e numa e-bike mais mais leve e equilibrada (balanceada, sem o incômodo deslocamento do centro de gravidade provocado perlo fato do peso do motor estar nas rodas).

Com o tempo, aos poucos, o acionamento da Transmissão das e-bike Mid-Drive Tradicional, que antes era feita por Acionamento Indireto da Coroa, vai mudando para a configuração Mid-Drive de Acionamento Direto da Coroa, como ocorre com o TranzX Mid-Drive M25 Motor.
Integrar toda a eletrônica (controle e energia) dentro do próprio Corpo do Motor também é uma tendência.
Oferecer Sensoriamento de ambos, a Cadência e o Torque é algo fundamental.

Na operação em trilhas acidentadas e colinas, em geral, precisa-se de mais força do que velocidade sendo desenvolvida pela e-bike. Justamente pela velocidade da roda ser lenta, um motor do cubo seria levado a um ponto de operação em que ele mais se torna ineficiente, e menos pode oferecer torque. Para não ferver o motor, você precisaria contar com algum superdimensionamento dele, tornando-o ainda mais pesado. Com o acionamento central, isso não ocorre, por isso resulta numa e-bike mais leve.

Alem disso, nesse tipo de operação, motor do cubo tenderia a consumir mais da bateria, diminuindo dramaticamente a autonomia. Mesmo que Mid-drive não permita o aproveitamento da regeneração, por ingressar a tração por meio do sistema de transmissão, ele mantem uma boa autonomia mesmo operando em terrenos mais complicados. Mesmo uma eventual troca de pneu furado é mais simples de ser realizado em e-bikes com motor acionando a coroa do que com motores do cubo.

Assim, para os fabricantes, e-bikes com motores do cubo são a solução mais simples e barata para a produção descomplicada e atingir escala de produção em massa, e conseguir vender mais barato ao consumidor, mas, para a necessidade do ciclista, motor do cubo pode não ser a melhor solução de engenharia.

No entanto, por serem mais difíceis de projetar e produzir, e-bikes de Acionamento da Coroa (Mid-Drive) vêm com o inconveniente de serem, em geral, mais caras. Apesar delas não terem a horrível característica que as e-bikes com seus motores do cubo têm de oferecer um forte arrasto contra a força de pedalada do ciclista quando elas operam sem energia no motor, os sistemas Mid-drives, por sua vez, tendem apresentar uma maior emissão de ruido sonoro.
Com o passar do tempo, aos poucos, o acionamento da Transmissão de e-bike Mid-Drive Tradicional, que antes era feita por Acionamento Indireto da Coroa, vai mudando para a configuração Mid-Drive de Acionamento Direto da Coroa, como ocorre com o TranzX Mid-Drive M25 Motor.
Integrar toda a eletrônica (controle e energia) dentro do próprio Corpo do Motor também é uma tendência. Oferecer Sensoriamento de ambos, da Cadência e do Torque é algo fundamental.
Mas o pior, e o que, em geral, afasta o interesse das montadores de e-bikes pelo arranjo Mid-Drive, é mesmo o fato de que eles são menos intuitivos para montar, uma vez que você tem que montar junto com a mudança de velocidades, sempre devendo fazer maiores considerações a respeito do restante do equipamento sobre o qual você está montando, em conjunto, o Mid-drive.

Contudo, a diferença que ele faz para a plicação em todo terreno é, deveras, considerável, sendo o que deve importar na hora da escolha, considerando que seja isto (aplicação todo-terreno), o caso da sua aplicação. Confira, no vídeo a demonstração de uma Super-Mid-Drive e-bike (alegadamente com potência de 2 kW) fazendo o seu (habilidoso) trabalho de campo:


Porém, não se esqueça que: se a sua E-Mountain Bike é para estar, também, dentro do limites legais que permitam equipará-la, com os mesmos benefícios de autorização de trânsito e de licença, às bicicletas regulares, então você não poderá equipá-la com motor tão potente quanto esse de 2000 W, mas, sim, estará limitado a um motor de no máximo 350 W (Eu me refiro às Leis do Brasil, do CONTRAN / DENATRAN, conforme discutido em artigos anteriores, e, eu não creio que a Lei lhe será condescendente, caso você alegue utilizar, efetivamente, apenas 350 W dos 2000 W).

Outro fato limitante para a equiparação legal é que ela tem que ser uma e-mountain bike do tipo pedelec, ou seja, não poderá ter um acelerador. Diante disso, lembre-se que, para que a e-mountain bike realmente possa desfrutar do desempenho superior que é provido pelo arranjo de montagem Mid-Drive, é imprescindível que você empregue sensor de torque, para operar em conjunto com o sensor de cadência

Com a informação de ambos os sensores é que controlador da e-bike poderá faça o trabalho dele de liberar energia para o motor com base na informação da potência. Prescindir do sensor de torque pode tornar a assistência do motor para na pedaleira da e-mountain bike inadequada e, em certos momentos críticos, absolutamente inviável.

Sistema B-Labs & BIONICON: Motor Elétrico em Conjunto com a Pedaleira para e-bike PEDELEC
Motor com Sensores de Cadência e Torque. Integra a Eletrônica no Mesmo Corpo.​
Pesquisando na Internet chamou me a atenção de uma pequena empresa alemã, na verdade, um laboratório de design e engenharia independente focando produtos de ciclismo de alta performance de nome B-Labs & BIONICON que, entre outras coisas, tem desenvolvido um motor para e-mountain bike de Mid-Drive para acionamento direto da pedaleira (pedal direct drive) que, além de possuir ambos, sensor de torque e cadência, tem integrado ao seu próprio corpo toda a eletrônica necessária ao seu controle.

Este motor (E-Motor E-Ram) é quase tão pequeno quanto a corroa tamanho médio, tendo apenas 4 cm de largura, pode ser montado no lado esquerdo de qualquer e-bike. Com apenas 1,1 kg de peso extra (potência de 250 W, pico de torque de 60 N.m, tensão nominal de 48V), pode-se conduzir a e-bike pedalando com desenvoltura, mesmo com o motor deligado.
Sistema B-Labs & BIONICON: Motor Elétrico em Conjunto com a Pedaleira para e-bike PEDELEC Motor com Sensores de Cadência e de Torque, concomitantes, permitem ao controlador determinar a Potência. Integra a Eletrônica Toda (Controle e Energia) no Mesmo Corpo do Motor.​
Apesar desse motor ser montado diretamente ao eixo da pedaleira, a velocidade de rotação dele não é a mesma velocidade de rotação da coroa. Para obter a rotação da coroa sendo diminuída para uma velocidade mais utilizável, a partir da rotação do motor (que opera em rotação mais elevada), ele utiliza um tipo particular de engrenagem de redução que é do tipo engrenagem excêntrica, com uma proporção de 1:30 (para cada 30 rotações do motor elétrico, a coroa rotaciona apenas uma vez).

Porque você precisa ser capaz de pedalar livremente em ambas as direções sem ter de ligar o motor, precisamos de uma embreagem entre o motor e a pedivela, permitindo que o motor engate e acione os braços do pedal, diretamente, mas também permite ao piloto a pedalar por puro poder muscular, sem qualquer assistência, mas, também, nem resistência oferecida pelo motor.

Sistema Mid-Drive Bafang com opção para motor de 250 W ou de 350 W,
atual, porém sem Sensor de Torque
Por fim, os sensores de torque e de velocidade são necessários para informar a eletrônica quão forte e quão rápido o piloto está pedalando (informações que combinadas determinam a potência da pedalada). Esta informação é necessária para dar ao piloto uma experiência de condução suave e discreta. Eu tenho esperança que, quando o motor E-Ram da B-Labs estiver fluindo bem comercialmente, eles deverão oferecer, também, modelos um pouco mais potentes (quem sabe, de 350 W e de 500 W), afinal, tal motor nem precisaria ser, assim, tão compacto e tão leve.

Com isso, eles (E-Motor E-Ram) poderiam ser, comparativamente, muito vantajosos sobre, por exemplo, os bem mais conhecidos novos motores Mid-Drive modelos MM G31 de 250 W e de 350 W da Bafang que, além de não acionarem diretamente a Coroa, até o presente momento são oferecidos integrando, apenas, o Sensor PAS (sensor de cadência), mas não com Sensor de Torque. O Sensor de Torque combinado com dois Sensores de Velocidade é um arranjo de sensoriamento que pode ser encontrado no Motor modelo MM G33, também Mid-Drive, que é oferecido nas mesmas opções de potência de 250 W e de 350 W (3.8 kg), pelo mesmo fabricante Bafang.

Já, por outro lado, a empresa B-Labs & BIONICON, eles vêm se colocado como uma das marcas mais inovadoras de componentes e bicicletas em todo o mundo, inventando e modificando, ainda, alguns outros acessórios / componentes muito interessantes (e curiosos), além de seu quadro bicicleta com sistema de suspensão super bem projetado (o Edison EVO BIONICON, ver imagem animada logo abaixo), outros mais, dentre os quais eu destaco a "Coroa Oval" ou "Coroa Elíptica" (B-Ring OVAL - Pedaling Evolved), um invento que ganhou o prêmio Swiss_Award 2015 na categoria Design & Inovação.

Esse tipo de coroa pode aumentar o rendimento da potência de um ciclista (qualquer ciclista, em até pouco mais de 10%, eu creio) por prover uma maneira de modificar a relação (coroa / pinhão), virtualmente, ao adicionar e diminuir (ciclicamente, devido a sua ovalização) dois dentes para a corroa. Assim, pedalando, a coroas vai variando com dois dentes a mais, ou dois dentes a menos, em cada semiciclo de pedalada (período de trabalho de uma das pernas do ciclista), Um ângulo de atraso de 12° também é definido em seu desenho a partir da posição de alinhamento perpendicular da pedivela em relação ao plano, para aplicar o efeito positivo da coroa elíptica, sobre o rendimento da potência de modo mais efetivo.

Entretanto, eu também suspeito que que pode acontecer deles dificilmente querem fazer um motor mais potente (e maior), uma vez que, para eles se manterem dentro dos limites do conceito que eles estabeleceram para si próprios, nem mesmo o pacote de baterias da e-bike eles admitem que seja colocado instalado fixo em algum lugar do quadro da e-bike, vendendo, assim, a ideia que a bateria o ciclista deve carregar nas costas, dentro de uma mochila adequada.

Para Compreender o Efeito do Conjunto Quadro e Sistema de Suspensão Edison EVO BIONICON

Será que o cabo de energia do (pequeno) pacote de bateria (de apenas cerca de 2,4 kg) não se torna em algo incômodo, ou mesmo perigoso, com a bateria sendo levada dentro de uma mochila nas costas do ciclista? (e o conetor precisa ser muito bom para suportar umas 1000 manobras de conexão / desconexão por ano).

Conceito da E-ram bike: o pacote de bateria não vai não vai fixo quadro, mas, sim, em uma mochila que o ciclista carrega nas costas
Já, quanto ao motor Bafang MM G33 de 350W (um valor de potência que, também por causa do limite imposto pela lei, me parece ideal para o Brasil), ele é para montagem de acionamento central (Mid Drive) e vem acompanhado com um kit de conversão sem o pacote de baterias, a um preço atraente (ao menos na oferta para venda ao atacado), As especificações dos sensores dele parecem muito boas (com sistema de triplo torque, cadência e velocidade, tal como o padrão da Yamaha que foi explicado em um artigo anterior) e, o que mais me surpreendeu e agradou foi que eu encontrei, de antemão, o manual do produto, disponível para ser baixado da Internet

O Manual do produto foi elaborado com uma qualidade muito boa (um padrão acima da média da documentação de produto que costuma ser oferecido por empresas chinesas) com desenhos dimensionais completos e bem elaborados, e com todo o tutorial de montagem passo a passo, detalhado e ilustrado, de modo que isso me permite fazer todo o planejamento da conversão da bike em e-bike, previamente, e saber, por exemplo, que eu preciso adquirir uma única ferramenta extra para proceder a montagem do motor Bafang MM G33, que é uma ferramenta especial para apreender o anel de retenção no entalhe da ranhura do eixo da unidade, O cabeamento Bafang é de muito bom aspecto e a prova d'água.

Bafang - Max Drive System - Mid-drive Motor MM G33 de 350W 

A minha persistência em indicar como ideal (ou ótimo) um sistema cujo motor opere a uma potência de 350 Watts é por duas razões (pessoais e particulares):
  • Potência de apenas 250 Watts não é adequada para a aplicação de Mountain e-bike / Trail e-bike. Se é para ser uma assistência motorizada, então tem que ser uma assistência motorizada com potência de intensidade adequada. Para MT e-Bike é melhor que haja sistema como motor para 350 Watts;
  • A Lei permite: 350 Watts é o limite que a Lei no Brasil permite para o motor da e-bike, no qual ainda se garante a equiparação e-bike = bike. Veja o texto da Resolução do CONTRAN / DENATRAN.

Controladores para E-bike Genéricos podem servir como Controladores para E-bikes PEDELEC?



Olhe você mesmo para o diagrama ao lado é me responda: O que você acha?

Controladores de e-bikes ditos "genéricos" são concebidos para as e-bikes do tipo "Power on Demand" (Potência sob Demanda) e não para as e-bikes Pedelecs (bom, pelo menos é o que eu tenho encontrado até o presente momento).

O "Sistema Potência sob Demanda" tem, sempre, como característica, o emprego do acelerador (como "Sensor de Velocidade Desejada") e, para ter um melhor desempenho do torque do motor em baixas rotações, ele precisa, também, fazer um controle com base nos Sensores Hall instalados, internamente ao corpo do motor, a cada 120° (as vezes a cada 60°), na periferia da circunferência de giro dele.

Pelelec (pedal assistido pelo motor) não requer, necessariamente, um Motor de Imãs Permanentes com sensores hall embutidos nele (mas, havendo tais sensores, não há problema algum, a não ser o fato de você pode estar pagando por um custo extra, sem necessidade).

O fato é que os demais "Sensores do Sistema Pedelec" (o sensor de Cadência e o de Torque, ambos relativos a Pedaleira, e o Sensor de Velocidade, relativo a Roda), são (ou podem ser) de todo suficientes para um controle ótimo do sistema e, por isso, dispensam a necessidade de quaisquer outros sensores, incluindo os sensores hall embutidos no motor.

Sendo assim, vê-se, claramente, que se tratam de dois sistemas bem distintos (Pedelec vs Potência sob Demanda) e, apesar de não ser impossível, somente com algum sub sistema externo extra (e intrincado), você conseguiria (talvez) adaptar, acondicionando os sinais fornecidos pelos sensores do sistema Pedelec, adequadamente, para um controlador genérico que, de fato, foi concebido para o sistema potência sob demanda.

Eu não recomendo o emprego de Kit Pedelec algum, cujo sistema contemple, apenas,  o emprego de um Sensor de Cadência, sem combina-lo, adequadamente, em concomitância com um Sensor de Torque.

Notas: 


  1. O Sensor de Torque e o Sensor de Cadência podem se tornar em um único sensor que integra a capacidade de fornecer ambas informações, tal como foi exemplificado npo artigo Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 1/3  com o caso do sensor Ergomo® Pro Sensor



Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 1/3)






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