Bicicletas motorizadas de fábrica

Muchas personas plantean la duda de qué hacer, si motorizar una bicicleta que ya posean o adquirir otra ya motorizada de fábrica. 

La respuesta no es fácil y depende de varios factores como presupuesto, calidad de los componentes que se desean, atención que se prestará al mantenimiento, etc.

En términos generales, si la bicicleta que se posee es de calidad elevada, por un precio muy razonable se motorizará y poseeremos un conjunto de calidad considerable. En tal caso recomiendo valorar esta opción seriamente.

Si la bicicleta es de baja calidad o está ya muy cascada, no merece la pena.

Por otra parte si se adquiere una bicicleta motorizada de fábrica, debemos estudiar bien qué componentes monta, pues deberíamos descartar frenos, cuadro, ruedas, horquilla, etc. de baja calidad, que a la larga serán una fuente de problemas. Y lo mismo es aplicable a la parte eléctrica y muy especialmente a la batería, el auténtico corazón de la bicicleta.

Debemos vigilar también el peso de estas bicicletas, pues frecuentemente es muy elevado, dificultando, cuando no imposibilitando, que se pueda pedalear en ellas sin asistencia eléctrica.

 

Otra cosa son las bicicletas motorizadas de alta gama, con precios de 3000, 4000 y más euros, cuya calidad, en principio, se presupone. En estos casos lo que habrá que valorar es qué mantenimiento tendremos que hacer para conservarlas en perfecto estado –poniendo mucha atención en el motor central si lo lleva y en la transmisión y cambio- y si a la hora de tener que adquirir algún repuesto, estamos obligados a que sea del mismo fabricante.

Yo personalmente poseo bicicletas de montaña y carretera de alta gama y sin embargo cuando me decidí a poseer una bicicleta eléctrica para desplazamientos cotidianos –ir al trabajo, llevar a mi hijo de paseo, etc.- no opté por adquirir una de fábrica, sino que compré una bicicleta Orbea de gama media (con unos componentes suficientes) y la motoricé, estando muy satisfecho con el rendimiento que me está dando y con su ligereza.

 

Saludos.
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PAS: Sensores de asistencia y pedalecs

El término PAS (Pedal Assist System) se utiliza para designar a los dispositivos que hacen que el motor de una bicicleta eléctrica empuje solo cuando se pedalea. Las bicicletas dotadas con estos sistemas poseen una denominación genérica de Pedalecs.

 Hay dos grandes familias de ellos, los sensores de pedaleo que captan el movimiento de las bielas y los sensores de torque, que miden la fuerza que se ejerce al pedalear.

La introducción de estos sistemas aporta grandes ventajas a nuestros vehículos, como son evitar la necesidad de un acelerador que es molesto cuando se debe pedalear un largo rato bajo esfuerzos a veces importantes y hacer del pedaleo asistido algo más natural.

 

Desde el punto de vista de la instalación y el mantenimiento, el sensor de pedaleo es de los componentes más delicados de ubicar adecuadamente y de hecho es frecuente encontrase con bicicletas que lo llevan deficientemente instalado. Incluso los más simples, que van en una de las bielas, exigen un estudio detallado al instalarlo para que quede bien y se integre en la bicicleta.

En este artículo nos centraremos en los PAS más sencillos, los que detectan el movimiento de las bielas, porque son los más extendidos, sobre todo en los kits.

Van ubicados en la caja del pedalier y para que queden bien es necesario desmontar el eje pedalier y las bielas y con frecuencia mecanizarlos para adaptarlos perfectamente, de ahí que con demasiada frecuencia vayan mal instalados. Consisten en un disco que contiene imanes (de neodimio en el mejor de los casos) y en un sensor Hall que detecta el movimiento de los imanes y el sentido. Este sensor utiliza el mismo principio físico que los sensores de posicionamiento de las bobinas del motor.

Inicialmente los discos iban provistos de 6 imanes, siendo en la actualidad más habitual que lleven 12 y más, hasta 24. Cuantos más imanes lleve, más sensible será el sistema.

Aunque hay discos que se pueden separar en partes para su instalación y ello puede facilitar el montaje en algunos casos, su instalación (del disco y del sensor) sigue siendo delicada y necesita mucho cuidado.

Los hay de dos tipos, aunque ello depende también del controlador al que prestan servicio. Los más básicos solo permiten detectar si hay o no movimiento, es decir, funcionan como interruptores todo o nada. Si se pedalea hacia adelante se activan y si se deja de pedalear o se pedalea hacia atrás, cortan. Por tanto, para cada nivel de asistencia, al pedalear, el motor entregará la potencia máxima para ese nivel, si el sistema está configurado para asistir por niveles de potencia o intentará que la bicicleta marche a la velocidad máxima del nivel en el caso de que la asistencia esté programada por niveles de velocidad.

 

Algunos sistemas detectan también la cadencia y modulan la asistencia de manera que a mayor cadencia de pedaleo, más asiste el motor. Esto puede ser útil en ciertos casos, aunque exige más esfuerzo del ciclista conseguir que el motor asista más y desde luego no es nada recomendable en bicicletas de ciudad sin cambio, pues cuando el ciclista se clave en una cuesta, el motor le asistirá justamente menos.

En próximos artículos ampliaremos esta información porque estos sistemas suelen ser grandes desconocidos de los usuarios.

  
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Baterías de Litio como sustituto de las de plomo-ácido

Desde hace algunos años salen al mercado vehículos de gasolina cuya batería de arranque en vez de ser de plomo-ácido es de litio. Se trata de coches de alta gama en los que se busca lo mejor en cada detalle constructivo.

Pero además, muchos usuarios de motocicletas, aviones ultraligeros, autocaravanas, instalaciones solares fotovoltaicas de autoconsumo, etc. están sustituyendo sus baterías de plomo por baterías de litio. En ese sentido existe gran desconcierto porque la información que les llega no es clara ni rigurosa, por lo que intentaremos aclarar algunos conceptos.

La aviación ligera puede que sea el primer ámbito en el que se comenzaron a introducir baterías de litio para arranque de motores -y últimamente para propulsar las aeronaves con un maravilloso tipo de vuelo silencioso-, por no mencionar que las baterías LiPo donde más se han desarrollado ha sido en el aeromodelismo.

 

 Paramotor eléctrico. Va dotado de motor eléctrico y baterías

Personalmente he presenciado en dos ocasiones incendiarse baterías en vuelo. En un caso se trataba de un aeromodelo de grandes dimensiones y la batería era una LiPo que fue perforada por un tornillo del fuselaje que la rozaba. En otro caso se trataba de un paramotor que iba provisto de una batería LiFePo (las más seguras como veremos) para el arranque, por lo que las consecuencias podían haber sido catastróficas.

De las LiPo solo puedo comentar que no deben utilizarse en ningún vehículo aéreo, marítimo ni terrestre tripulado, porque son inestables y por tanto peligrosas. Su uso debe quedar circunscrito a actividades en las que sea inmediato acceder a ellas en caso de emergencia y desconectarlas o aislarlas. Por supuesto se deben extremar los cuidados en su uso y no se les debe tener miedo, simplemente conocerlas.

Sobre las LiFePo comentar que se trata de baterías de litio que incorporan en el cátodo sales de hierro que las aportan más estabilidad, aunque almacenan menos energía que las LiPo y que las LiIon que utilizamos en las bicicletas eléctricas habitualmente, cuyas sales son de manganeso, un metal que posee electrones en su capa de valencia en una configuración parecida al hierro (poseen ambos números de oxidación +2 y +3, es decir, tendencia a captar electrones e ionizarse positivamente).

 

El hecho de almacenar menos energía es debido a que la diferencia de potencial entre sus electrodos es menor que en las LiIon, 3,2 – 3,3V nominales frente a 3,6V y  también poseen menor tensión máxima, 3,6V frente a 4,2V.

Sin embargo -y esto es muy importante- esta tensión se ajusta muy bien a la hora de sustituir una batería de plomo de 12V por una de LiFePo, pues 4 celdas en paralelo nos dan 12,8 – 13,2V nominales y una carga máxima de 14,4V frente a los 12V nominales de la batería de plomo-ácido (2V por celda) y su carga máxima de 14,4V también (2,4V por celda).

Sin embargo mientras que la batería de plomo-ácido posee una buena tolerancia a la sobrecarga, las baterías de Litio en general y las LiFePo en particular, poseen bajísima tolerancia a la sobrecarga, ahí justamente es donde está su talón de Aquiles y donde pueden convertirse en peligrosas, por lo que hay que tenerlo muy en cuenta a la hora de cargarlas, ya sea en cargador en casa o a través del alternador de un vehículo, lo cual es bastante más delicado y fue la causa del segundo incendio del que he habado antes, en vuelo en un paramotor.

Seguiremos aclarando conceptos en futuros artículos.

  

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Profundidad de descarga y vida útil

 Las baterías de litio son diferentes a las baterías con las que la mayoría de los usuarios están acostumbrados a tratar. Este hecho se suele tener claro aunque solo sea en lo referido a la densidad de carga, a la carga almacenada, a la tasa de descarga máxima y continuada, etc. Pero también son muy diferentes en cómo deben ser utilizadas, en qué hábitos alargan su vida útil y en cuales se la acortan.

Una de estas características es la relación entre la profundidad de descarga y su vida útil.

Profundidad de descarga.- Es lo que descargamos la batería en cada cclo de uso. Si la descargamos completamente, será del 100%, si la descargamos hasta que sólo quede el 20% ed su carga total, será del 20% y así sucesivamente. 

Las baterías recargables más utilizadas hasta ahora, aparte de las de plomo-ácido de los automóviles para el arranque, han sido las de níquel (NiCd primero y después NiMH). Estas baterías, sobre todo las de NiCd, mejoran sus prestaciones cuando en cada ciclo son utilizadas completamente, pues de lo contrario pierden capacidad de carga paulatinamente.

Las baterías de litio tienen un comportamiento diferente, de modo que aprovechar en cada ciclo toda su capacidad disminuye su vida útil.

En nuestro simulador –del que adjuntamos una imagen y unas gráficas- se puede ver con claridad cómo la vida útil se alarga a medida que no las descargamos completamente hasta llegar a una profundidad de descarga aproximada del 50%, a partir de la cual las mejorías no son tan claras.

Un caso práctico con una batería de 36V y 11,6Ah

En este caso vemos que si siempre llegamos a descargarla (profundidad de descarga del 100%), le podremos hacer unos 400 ciclos en promedio, esto es, la batería nos habrá entregado al final de su vida útil algo más de 160KWh (algo menos de hecho porque su capacidad merma al aumentar los ciclos y equivaldrán a unos 20.000Km aproximadamente si los trayectos son “normales” y se asiste razonablemente con los pedales).

Sin embargo si ese mismo ciclista solo hubiese descargado la batería hasta la mitad en cada uso (una profundidad de descarga del 50%), le habría podido llegar a hacer unos 1300 ciclos en promedio, que suponen una energía entregada de unos 282 KWh (o unos 30.000 Km en las mismas condiciones que antes).

Este ciclista por tanto, habrá optimizado su inversión enormemente, de lo cual seguramente se alegrará.

En otros artículos analizaremos otros elementos que alargan la vida de nuestras queridas baterías.

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Potencia y torque

Se trata de dos conceptos relacionados y frecuentemente no entendidos. Los fabricantes los dan casi en modo "publicitario" no aportando toda la información, pues estos conceptos sólo tienen interés si además de su valor se informa del régimen en el que el motor alcanza cada uno de ellos y su eficiencia, es decir, si el motor está aprovechando o desperdiciando en forma de calor su energía en esos regímenes de giro.  

 Lo ilustraremos con un ejemplo. Un fabricante asegura que su motor posee un torque (también llamado par motor) de 70Nm y nosotros nos preguntamos si ese valor s alto o bajo.

Como idea de referencia, a mayor torque mayores pendientes vamos a poder subir y mayores aceleraciones disponibles, aunque si la potencia no es la adecuada, se hará a velocidad baja. En el caso de los motores de buje su torque coincide con el del motor (torque entregado "tras la reductora" y no el propio rotor), no siendo así en el caso de los motores centrales que ven modificado el torque por los desarrollos (como hacen las reductoras en los de buje).

Un torque de 70Nm sin saber a qué régimen de potencia y de eficiencia, es un dato de muy poco valor para conocer un motor.

 

El torque del motor es la magnitud directa que se mide en el banco de pruebas y nos informa de lo que el motor hace realmente en ese instante y en esas condiciones. La potencia se obtiene a partir de él de forma indirecta conociendo también el régimen de giro.

De entrada un torque de 70Nm es altísimo para una bicicleta ... aunque como digo esta cifra sin saber a qué régimen corresponde, no es gran cosa.

Por ilustrarlo con un motor real; el motor  eZee configurado para girar a unas razonables y equilibradas 7 v/V (7 vueltas por voltio) desarrolla unos 34 Km/h en llano, sin asistencia, moviendo una masa de 100Kg. Para ello necesita un torque de sólo 14Nm pero como la velocidad es muy alta, su potencia en esas circunstancias debe ser de unos 375W, lo cual consigue con una tasa de eficiencia de más del 80% lo que permite optimizar la capacidad de la batería. 

Ese mismo motor puede entregarnos un torque de 66 Nm girando a sólo 34RPM (lo que permite mover la bicicleta con rueda de 26” a poco más de 4Km/h) y gracias a un torque tan alto, se podría subir una pendiente del 20% sin pedalear con esos 100Kg ... pero el motor estaría generando poco más de 230W y su eficiencia en ese régimen sería del 30%, lo que supone un alto consumo de energía y de generación de calor.

Si un motor nos da 65Nm de torque y mueve la bicicleta con ruedas de 26” a 20Km/h, también permitirá subir esa pendiente del 20% sin pedalear, pero necesitará 1100W. Otra cosa sería ver la eficiencia (dependerá de cómo se haya diseñado el motor) y el consumo.

Por eso es tan importante algo que en el mundo de los vehículos eléctricos en general es habitual y es configurar la motorización a partir de unos objetivos, de unas necesidades.

Saludos

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Optimización de la batería. Conceptos generales

La batería es como el depósito de combustible de nuestra bicicleta, pero como su misión no se limita simplemente a almacenar, sino que en su seno se desarrollan las reacciones químicas redox que generan la electricidad que impulsará al motor, se va deteriorando con el paso del tiempo hasta que finalmente, termina su vida útil y debe ser sustituida.

Lo que deseamos es que cuando llegue ese momento, la batería haya prestado el mejor servicio posible, esto es, nos haya permitido recorrer el máximo número posible de km.

Pues bien, los km que la batería nos permitirá hacer o lo que es lo mismo, la energía que será capaz de producir en sus cientos de ciclos de carga y descarga, dependen profundamente de qué uso hagamos de ella y particularmente de los siguientes parámetros:

-Tasa de carga y descarga.- Cuanto más elevadas sean la intensidades a las que sometamos a la batería, menos durará.

-Tensión de almacenaje.-Cuanto más tiempo la tengamos a plena carga, más deterioro sufrirá el cátodo y menos durará.

-Temperatura a la que la sometamos tanto en almacenaje como en uso.- Cuanto más caliente esté, menos durará.

-Sobrecargas y sobredescargas.- Ambas acortarían su vida e incluso la podrían llegar a inutilizar).

-Profundidad de descarga de los ciclos (DoD).- Una celda de Li Ion se puede usar con seguridad desde una tensión máxima de 4,2V hasta una mínima de 3V. Una batería inicialmente cargada que es utilizada hasta llegar a los 3V posemos decir que ha experimentado una profundidad de descarga del 100% y que ha quedado un remanente del 0% (realmente ha quedado algo porque podríamos descargarla hasta los 2,5V sin que hubiese grandes problemas al menos de seguridad).

Por el contrario, si por ejemplo optamos por extraer de ella sólo el 30% de su energía almacenada antes de recargarla, la habremos sometido a una profundidad de descarga del 30%, quedándole un remanente del 70% y así sucesivamente.

Pues bien, como norma general, cuanto mayor sea la DoD menos ciclos de vida podremos extraer de la batería. Esta propiedad de las baterías de Li Ion es tan importante a la hora de optimizar su uso que dedicaremos algunos artículos exclusivamente a este aspecto, sin embargo podemos comentar ya algunas conclusiones.

 Análisis en profundidad de una batería 10S4P con celdas de 2.900 mAh en nuestro simulador

Si estudiamos en profundidad el comportamiento teórico que tendrá una batería de Li Ion con configuración 10S4P construida a partir de celdas de 2.900 mAh, obtenemos que con ciclos cuyo DoD sea del 100% el número de ciclos que deberíamos esperar de ella si cuidamos su uso (el resto de paramétros) antes de que su capacidad máxima caiga hasta un 70% de su valor inicial –momento en el que deberíamos empezar a plantearnos su sustitución- oscila entre 300 y 500, es decir, unos 400 en promedio y a lo largo de todos esos ciclos de carga – descarga habríamos obtenido de ella unos 167 KWh de energía que podrían habernos permitido recorrer unos 20.900 Km.

Sin embargo, tal y como se puede observar en las gráficas del estudio que adjuntamos en imágenes, si los ciclos hubiesen sido de una DoD del 50% el número de ciclos esperable estaría en el entorno de los 1350, la energía obtenida podría ser aproximadamente de unos 280 KWh y la distancia recorrida de unos 35.000 Km, esto es, obtendríamos unos resultados un 70% mejores, por lo que parece claro que es una opción mucho más adecuada.

-Tensión máxima de carga.- Si optamos por cargar nuestra batería en cada ciclo hasta los 4.2V estaremos cargándola al máximo cada vez, lo cual puede ser interesante si necesitamos extraer de ella el máximo de energía posible en cada uso. Sin embargo esta tensión tan elevada someterá al cátodo a un estrés que acelerará su desgaste, por lo que si nuestro objetivo es optimizar el uso de la batería, es más adecuado realizar las cargas hasta una tensión máxima menor.

Tal es así, que en las tecnologías de Li Ion se puede llegar a duplicar el número de ciclos de carga - descarga si se disminuye 0.1 V la tensión máxima de carga (lo cual a su vez tendrá una implicación de una pérdida de un 14% en la capacidad almacenada y se debe tener en cuenta para estimar la energía disponible).

Como este aspecto es también de enorme trascendencia para optimizar la vida de las baterías, volveremos a él en monográficos más profundos.

Saludos.
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