eBike: scheda tecnica prototipo Ralph DTE EBK Endurance

Ralph DTE EBK Endurance è una bicicletta elettrica unica al mondo sia per il livello di sofisticazione tecnica ed elettronica, sia per le notevoli prestazioni di durata, sia per l’enorme livello di espandibilità del progetto (stiamo infatti lavorando ad un innovativo telaio dedicato). Guidarla è un piacere sovrumano…
Grazie ai particolari parametri di progetto adottati, EBK Endurance ha una vita utile dell’intero powertrain superiore a quella delle migliori vetture elettriche attualmente circolanti al mondo. Con un’autonomia che, in pedalata assistita ed in configurazione a norma di legge, può coprire ben 580 km*, non esiste pari sul mercato mondiale. Ed anche se presto la concorrenza sarà agguerrita, saremo comunque stati i primi a bruciare una simile tappa.

*Leggi i paragrafi “Prestazioni”, “Note sulle prestazioni” e “Note sull’autonomia”.

Scopo del progetto

Non si tratta di un prodotto destinato alla vendita anche se, tramite “www.Berardi-Store.eu” (partner ufficiale di questo Blog), vengono vendute tutte le componenti necessarie per realizzare autonomamente biciclette elettriche da strada a norma di legge e biciclette da competizione o per esigenze speciali. Ci serviamo di questi prototipi al fine di studiarne ogni minimo dettaglio e poter sfruttare il bagaglio di conoscenze maturato di volta in volta per dedicarci ad applicazioni più particolari di cui avremo modo di parlare meglio in seguito. Siamo in grado di trarre da questi progetti centinaia di dati da studiare e soluzioni a numerose problematiche tecniche dei veicoli puramente elettrici ed ibridi non necessariamente solo a due ruote (biciclette, trike, tandem, citybike, mountainbike, moto enduro, moto da corsa, ecc.) ma anche a quattro ruote (kart, piccole FSAE, Formulini, ecc.). Ralph DTE EBK Endurance non nasce per offrire prestazioni brucianti bensì per una elevatissima autonomia ed una altrettanto elevata affidabilità di marcia, nasce quindi, come dice il nome, per prestazioni di durata.

Motore
Elettrico di tipo brushless;
installazione nel mozzo ruota;
trasmissione diretta;
efficienza ∼90%;
potenza erogabile impostabile elettronicamente nel range tra 250Watt e 3000Watt;
coppia massima sviluppata >100Nm;
hall sensors;
sensori temperatura;
sensore velocità motore giri/min;
sensore coppia motore Nm;
possibilità di viaggiare in continuo a 2000 Watt senza surriscaldamenti anche in Agosto a circa 40°C  di temperatura ambiente per decine e decine di chilometri anche con ripetute salite grazie al nostro setting professionale e ad opportune implementazioni.

Gestione elettronica
Display per la visualizzazione di tutti i parametri del powertrain (velocità media, velocità istantanea, velocità massima, tensione minima, tensione istantanea e tensione massima, corrente istantanea, corrente massima, Watt erogati, Watt di picco, Wh consumati, Wh/km, Wh rigenerati, Ah consumati, Ah rigenerati, % rigenerazione, km percorsi… ecc.. Impostazione della potenza massima erogabile, impostazione della velocità massima raggiungibile, impostazione della pedalata assistita, ecc..).
Controller con gestione della rigenerazione dell’energia in frenata/rilascio su vari livelli.
Elettronica di gestione del pacco batterie (funzioni di controllo, protezione, datalogging, elaborazione dati…).
Due sistemi di datalogging.
Due collegamenti satellitari.
Un sistema telemetrico per la dinamica del veicolo.
Sistema di diagnosi.
Upgrade: Controllo separato per la frenata rigenerativa con manettino impostabile su più livelli tipo F1.

Pacco batterie
Upgrade: nuovo pacco batterie Li-Ion con elettronica aggiornata, chimica riservata.
Elevatissima ciclabilità grazie a particolari parametri del progetto.
Protezione da corto circuito, sovratensione, sottotensione, sovratemperatura, scariche eccessive.
Bilanciamento passivo delle celle in carica/scarica.
Rilievo di tutti i dati elettrici e delle condizioni di funzionamento.
Sensori di temperatura.
Teleruttore.
Sonda di corrente.
Tracciamento di tutti i dati in relazione al percorso ed alle mappe tracciate dal GPS.
Sistema di diagnosi.

Controlli
Acceleratore mediante potenziometro lineare.
Sensore di coppia nella guarnitura dei pedali.
Possibilità di switching da PAS a eBike.
Connessione del powertrain al computer mediante cavo seriale RS232 o USB.
Possibilità di connettere al computer in maniera indipendente i vari dispositivi elettronici del powertrain (è possibile lavorare sull’elettronica di un dispositivo durante interventi di manutenzione sugli altri dispositivi, come nelle massime categorie motosportive).
Cruise control con possibilità di variazione dei valori +/-.
Ignition cut e Frenata rigenerativa.
Upgrade: Controllo separato per la frenata rigenerativa con manettino impostabile su più livelli tipo F1.

Ciclistica
Telaio monoammortizzato o biammortizzato.
Cerchione posteriore rinforzato per i carichi apportati dal powertrain.
Raggi rinforzati e tagliati a misura per ospitare il motore elettrico.
Pneumatici con corpo rinforzato e basso numero di tele per pollice.
Camere d’aria rinforzate.

Implementazioni a breve termine
Sistema frenante a disco anteriore da 210mm.
Sistema frenante a disco posteriore da 180mm.
Sistemi di raffreddamento.
Nuovi strumenti di analisi del percorso effettuato.
Nuovo cablaggio cavi con relativi sistemi di connessione derivati dalla F1.
Nuova serie sterzo e forcella specifica per le maggiori sollecitazioni.

Prestazioni
Velocità massima in puro elettrico: 62 km/h.
Velocità massima in pedalata assistita: 25 km/h
Potenza massima in puro elettrico: 3000 Watt
Potenza massima in pedalata assistita: 250 Watt
Coppia massima: >100Nm
Corrente massima: >100A
Pendenza massima superabile: n.d.
Accelerazione da 0 a 25 km/h: 1,2 secondi
Accelerazione da 0 a 50 km/h: 2,8 secondi
Autonomia in puro elettrico: c.a. 120 km (con una coppia >100Nm e una potenza di 3kW).
Autonomia in pedalata assistita: 200-250 km (con una coppia di 80Nm e una potenza di 2kW).
Autonomia in pedalata assistita: c.a. 580 km (con una coppia di 27Nm, intervento di assistenza alla pedalata su livello 1, una potenza di picco di 250Watt e una velocità massima di 25 km/h).

Note sulle prestazioni

L’autonomia e la velocità massima raggiungibile nelle varie configurazioni dipendono dal tipo di percorso effettuato (pendenza delle salite, frequenza delle salite, intervallo tra le salite e le discese, tratti pianeggianti, grado di rigenerazione in discesa/rilascio, ecc.), dalla massa del ciclista, dall’aerodinamica (l’abbigliamento può costituire un freno aerodinamico ad esempio nel caso di giacconi invernali), dalle condizioni ambientali (in caso di vento i consumi aumentano come per tutte le tipologie di veicoli), dalla qualità delle celle impiegate nel progetto, dal livello di sofisticazione dell’elettronica a corredo, dal tipo di motore elettrico scelto (il progetto del rotore, dello statore, degli avvolgimenti, ecc. influenza notevolmente le capacità del motore di esprimere coppia e potenza, nonché di consumare più o meno energia ai diversi regimi di rotazione) e dalla massa della bicicletta sommata a quella del powertrain.

Note sull’autonomia

Attenzione, i valori forniti circa le percorrenze chilometriche “non” sono stati ottenuti affidando l’eBike ad un ciclista minuto, molto leggero, su un percorso di sola pianura, in assenza di vento, ostacoli, sconnessioni e ponderando la richiesta di prestazioni. I valori sono stati ottenuti “andando costantemente al massimo” delle prestazioni erogabili nelle varie configurazioni, con un ciclista di 74 kg, in presenza di “numerose salite”, sconnessioni del fondo, intemperie, considerata la massa delle strumentazioni installate a bordo per il test, ecc. Questo significa che i circa 100-120 km coperti in modalità “puro elettrico” sono stati effettuati con il gas quasi sempre aperto al massimo. Per il termine “quasi” non ci sono asterischi, il quasi simboleggia il fatto che è naturale che esistano tratti dove si debba chiudere il gas, frenare, decelerare o fermarsi. Non è poco…

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Motore prototipo eBike Ralph DTE EBK Endurance

Non è affatto facile risolvere le innumerevoli problematiche tecniche che si celano
dietro la realizzazione di una buona bicicletta elettrica DIY, ma quando si parte e si
va ogni sforzo è ripagato e la sensazione di libertà che si prova è indescrivibile.

eBike: test #1 prototipo Ralph DTE EBK Endurance

Il caso di studio

Questo caso di studio inquadra i problemi cruciali della trasformazione di una bicicletta tradizionale in eBike e si pone l’obiettivo di testare i migliori compromessi tra semplicità di trasformazione, gestione razionale delle masse aggiunte (al fine di non penalizzare la guidabilità), autonomia, prestazioni, economia d’esercizio, ammortamento della spesa sostenuta, scelta di componenti affidabili, scelta delle celle più idonee, scelta dell’elettronica più idonea, scelta dei sistemi di gestione, ecc. Grazie a sofisticate strumentazioni durante l’intero arco della prova verranno rilevati tutti i dati necessari per scrivere un breve ma completo trattato tecnico.

Il test #1 del 2014

Si è concluso da poche ore il primo test del 2014 a bordo del nostro prototipo di bicicletta elettrica studiato per le lunghe distanze: Ralph DTE EBK Endurance. Dopo aver messo a punto in mattinata gli ultimi ritocchi ed aver rivisitato numerosi particolari nelle ultime settimane (utili a risolvere problematiche tecniche legate alla gioventù della prima versione), siamo stati finalmente pronti per affrontare il nostro primo percorso di prova di soli, si fa per dire, 20 chilometri.

I test condotti in un percorso di campagna chiuso al traffico ci hanno permesso di rilevare i primi dati anche se, non appena avremo messo a punto il datalogger, ci sarà più facile fornire maggiori informazioni ed esportare tabelle di dati ed i relativi grafici (compreso anche il percorso tracciato dal GPS che riprodurremo in 3D con l’ausilio di Google Earth). Siamo partiti con una tensione di 41,5 Volt e siamo arrivati, dopo 30 minuti scarsi (comprensivi delle soste per rimediare ad alcuni imprevisti), con una tensione di 40,2 Volt (la tensione nominale è pari a 36 Volt). La massima velocità raggiunta è stata di ben 56.7 km/h, oltretutto mantenuti molto a lungo su percorsi pieni di salite, fango, breccia, buche e quant’altro senza troppo stress a carico dell’intero powertrain. La massima potenza erogata è stata costantemente attorno ai 2 kW eccezion fatta per un picco di 3 kW causato da un sensore di temperatura montato male che ha permesso al motore di “eccedere” oltre il dovuto. Siamo stati in grado di rigenerare durante le frenate ed i rilasci dell’acceleratore il 4,3% dell’energia impiegata per coprire il percorso.

La marcia sulle strade è stata invece limitata al relativo codice impostando il programma di pedalata assistita (250 Watt – 25 km/h) che aziona il nostro motore solo quando viene rilevata una coppia, nella guarnitura dei pedali, generata dal ciclista. Inutile dire che grazie alla sofisticata elettronica di cui è dotato il nostro prototipo nonché alle batterie ad elevate prestazioni, la marcia in pedalata assistita a 25 km/h non ha praticamente mai termine e siamo in attesa di verificare nelle prossime settimane il muro dei 200 km di autonomia (chilometraggio che, ovviamente, cala drasticamente fino a circa 50-60 km se si utilizza il motore costantemente a piena potenza nelle aree dedicate).

Gli imprevisti

Non sono mancati gli imprevisti come la rottura improvvisa di uno dei supporti del pacco batterie (per il quale si è adottato un materiale il cui carico di rottura a trazione si rivelato insufficiente) e la rottura della camera d’aria della ruota posteriore la quale, in seguito all’urto sullo spigolo di un tombino, è esplosa proprio al ventesimo chilometro. Nel primo caso le ripetute accelerazioni e decelerazioni, che provocavano un momento torcente del pacco batterie attorno al telaio, hanno stressato intensamente un supporto in alluminio che ora verrà sostituito con due supporti in acciaio al cromo manganese. Mentre nel secondo caso le strade piene di buche e dissesti hanno messo letteralmente sotto il torchio il piccolo pneumatico (e la relativa camera d’aria) 700 x 35C che era stato scelto per massimizzare l’autonomia. In laboratorio sono già pronti pneumatici specifici per le ebike dotati di spalle rinforzate, camere d’aria rinforzate ed un basso numero di tele per pollice (tpi) aventi questa volta le seguenti misure: 700 x 47C.

I sistemi di bordo

EBK Endurance monta a bordo due sistemi di datalogging per memorizzare tutti i dati legati al powertrain, un sistema telemetrico per il rilievo dei dati di dinamica del veicolo e due sistemi satellitari GPS. Il primo sistema di datalogging fornisce dati con un margine di errore grossolano ma immediatamente visibili su display assieme ad i dati ottenuti dal collegamento a circa una dozzina di satelliti. Il secondo sistema di datalogging invece offre misure estremamente accurate (anche delle cariche realmente utilizzate all’interno delle celle ai litio polimeri, nonchè tutti i dati delle 250 celle che costituiscono il nostro pacco speciale) ma richiede una messa a punto più problematica con l’installazione di un notebook a bordo. Presto saremo in grado di pubblicare più dati delle nostre prove.

La dinamica del veicolo

Per massimizzare l’autonomia si è optato per dei pneumatici 700 x 35C, questi però innescano forti ondeggiamenti quando si superano i 40 km/h sulle sconnessioni. Il motore nel mozzo non genera problemi di sorta in nessuna delle condizioni testate (sia alle andature basse che a quelle alte), mentre il posizionamento del pacco batterie incide abbondantemente sulla maneggevolezza e la sicurezza di guida. I nostri sforzi ora sono incentrati nel trovare la migliore posizione, compatibilmente alle possibilità che abbiamo sui nostri mezzi, al fine di studiare un telaio dedicato ad EBK Endurance che permetta la guida sostenuta anche in condizioni di scarsa aderenza, sconnessioni e persino in sbandata.

Nota

Attualmente l’intero powertrain messo a punto da noi, completo in ogni sua parte descritta nella scheda tecnica, è installato su un normale telaio da trekking. Soluzione utile per le prove elettriche, elettroniche e prestazionali. Stiamo lavorando duro affinché il telaio dedicato sia presto pronto per le nostre prove.

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Display dati EBK Endurance

Inizialmente avrei giurato che raggiungere i 60 km/h su una ebike sarebbe stato limitativo in quanto,
quando partecipavo alle gare di Cross Country, raggiungevamo i 70-80 km/h (in discesa) senza troppi problemi
e senza alcun timore. In realtà la differenza di massa, tra le snelle da Cross Country ed una eBike, si sente
e ci si rende subito conto di come sfiorare i 60 km/h sia già un ottimo traguardo dal quale tenersi addirittura lontani.