Bicicleta Eletrica

Introdução aos Tipos de baterias

A bateria é um dos aspectos  da definição de qualquer projeto pelo tamanho e determina o peso, autonomia e o custo do veículo. Por estas razões a compreensão a respeito de que tipo de bateria usar em seu projeto é muito importante.

Embora tenha uma grande quantidade de combinações químicas que podem e tem sido feitos em baterias, na prática existem apenas quatro tipos recarregáveis, facilmente disponível em tamanhos adequados para bicicleta elétrica.
Ácido chumbo selado (VRLA), Nickel Metal  Hydride (NiMH), Nickel Cadimium ( NICad), e Lithium-ion, Lithium Polymer ou LiFEpo4.

Durante muito tempo, as baterias de Ácido chumbo selado tem sido padrão em projetos VE. O custo é baixo e a química bem entendida, usando a continuamente em descarga profunda ela terá uma duração de 300 ciclos, provavelmente 80% de todas as bicicletas elétricas vendidas ao redor do mundo ainda usam báterias de ácido chumbo, mas os seus dias estão contados.
O peso necessário em chumbo para impulsionar uma bicicleta elétrica a 40 – 50 km de autonomia é demais para lidar com a bicicleta.

Nickel Cadimium era a velha norma para as células do consumidor, recarregáveis  conhecidas como AA, C, 9v esta bateria é reconhecida pelas caracteristicas robustas, tem um bom ciclo de vida e alta capacidade de descarga. Estas baterias são amplamente utilizadas em ferramentas elétricas sem fio, brinquedos e similares, aplicações que exigem grande demanda de corrente, mas para quase todos os outros tipos de aplicações as NICad foram substituídas por NiMH e lithium.

Nickel Metal Hydride é bastante semelhante ao Nickel Cadimium, mas com maior densidade energética e um ambiente mais seguro. Este é o tipo de bateria recarregável dominante em câmeras digitais e outros produtos de consumo que oferecem células substituíveis.

Hoje em dia quase todo tipo de eletrônico recarregável usam Lithium porque pode armazenar cerca de 3 vezes mais energia do que as NiMH pequenos dispositivos como celulres, mp3 players usam polímero de lítium, pois os mesmos podem ter formas (moldados)  fina retangular sendo mais finas e mais leves, para ser usadas em notebooks e as novas ferramentas normalmente utilizam a forma cilindrica de células de lithium menor que tamanho C e maior que os tamnhos AA, estes são soldados por pontos em série / paralelo  dando  uma combinação adequada de tensão e capacidade para o trabalho.

Bateria Fundamentos e Terminologia

Tensão

As baterias são compostas por células individuais ligados entre si. Cada célula tem um tipo de tensão dependendo de sua química. Para NiCAD/ NiMH é cerca de 1.2 v, de chumdo ácido é de 2.0v, e por célula de lithium é da ordem de 3.7v. As bicicletas elétricas são projetadas para serem usadas em 24, 36 ou 48 volts, então um número de células tem que ser conectados em série. O pack de bateria que tem tensão nominal de 36 volts poderia ser feita a partir de 10 células de lithium ou de 18 células de chumbo-ácido ou 30 células de NiMH.

Ampêres / Hora

Ao descarregar uma bateria a tensão irá diminuir  lentamente  até acabar. O tempo que dura a bateria esta diretamente relacionado com sua capacidade, medida em amperes hora (Ah).
Um pack que pode funcionar a 1 amp durante 1 hora tem a capacidade de 1 Ah a maioria das bicicletas elétricas são da ordem de 10 amperes/ hora. Suponha que sua bicicleta elétrica usa 15 amp em média  e tem um pack de baterias de 10 Ah, então você terá uma autonomia de 40 minutos.
Em geral o custo de uma célula tem haver diretamente com a amperagem, por exemplo o dobro de amperagem custará o dobro do tamanho, o dobro do peso e o dobro do preço.

Na prática pode variar um pouco devido a diferentes densidades na embalagem e escalas de  produção, exemplo de células:

“AA“ NiMH tem cerca de 2 Ah, “C “ tem cerca de 4 Ah, “D” é em torno de 8Ah e a “F “ as células são de 12 a 13 Ah.

Watts Hora

A figura mais importante quando se compara o quanto uma determinada bateria irá leva-lo não é só amperes hora, mas a capacidade de energia  armazenada watts hora para tornar mais familiar um watt hora é um milésimo de kWh, a unidade para medir a energia utilizada.

A configuração da tensão mais alta necessita menos amperes hora para gerar o mesmo wh exemplo um pack de baterias de 24v 8 Ah pode gerar 192 wh enquanto um pack de baterias de 48 v 4Ah gera também 192 wh partindo que ambas as baterias são da mesma química então você poderia esperar o mesmo peso o mesmo custo e o mesmo desempenho  ( um projero para 24v e outro para 48v).

192 wh é o menor pack de bateria que você poderá utilizar em sua bike
Muitas das bicletas que são vendidas prontas em lojas vem com esta configuração uma vez que mantém o custo do conjunto baixo (barato)
Para ter uma autonomia entre 40 e 50 quilômetros então eu recomendaria 400 Wh mas tudo depende de variáveis como tipo de pista a ser usado, peso do condutor, maneira de pilotar mais agressivo ou menos o consumo do motor varia em 10 a 21 Wh.

A Densidade

Ao comparar as baterias uma das métricas mais relevante é a densidade energética em Wh/Kg
Este valor pode dizer o quanto a bateria pode pesar para alcançar um determinado valor
Chumbo – ácido é de 20-30 whrs/Kg
NiCad é de 35-40 whrs/Kg
NiMH é de 50-60 whrs/Kg
Lithium é de 110 whrs/Kg
Li-Polymero é de 140 whrs/Kg

Conhecendo estes valores torna-se mais fácil criar um projeto sem ter que ficar observando os dados dos fabricantes.

Termo C

Esta letra você vai encontrar com frequência  esta taxa é uma forma de normatizar as caracteristicas de desempenho, para que as baterias de diferentes capacidades sejam comparadas em termos de igualdade. Suponha que você tenha um pack de baterias de 8 Amp/hora. 1 C seria então 8 ampêres, 2C seria 16 ampêres, 0.25C seria 2 ampêres etc.
“C” taxa de descarga  suponha que você viu um pack de baterias á venda  de 24v 4 Ah NiMH e que esta classificado como 1C e 2C descarga máx contínua durante curtos períodos, você pode querer comprar 2 deste pack para fazer um pack de 48 v 4 Ah para sua bike. Você calcula que o conjunto será mais que suficiente para sua trajetória diária, o problema é que 1C é só 4 ampêres, enquanto a sua bike provavelmente irá exigir de 10 a 20 Ampêres. Se estas células estã sujeitas a esta taxa de descarga a tensão irá cair consideravelmente levando a performance ficar mais lento e o ciclo de vida do pack será bastante reduzido.

Como Faço para escolher um pack de baterias?

O processo de seleçaõ de uma bateria passa tipicamente pelo seguinte processo:

1-    Determine a sua tensão

Em  muitas situações, a tensão é definida pelo controlador eletrônico e não são facilmente alterados, caso contrário a tensão determinará a velocidade máxima que o veículo vai atingir, e você tem a liberdade na escolha da tensão para satisfazer suas expectativas de desempenho. Se você souber a voltagem/rpm do motor então será fácil calcular a rapidez que ele vai a uma determinada tensão.
A maioria dos packs são padronizados em 12v, 24v, 36v, 48v, 72v.

2-    Determinar a capacidade mínima

Com a tensão conhecida o próximo item a se descobrir a amperagem/hr que será necessário para atingir seu objetivo em km de autonomia.

Utilizando o mínimo de energia pedalando junto a 30 kph de 08-10 wh/km

Andando lentamente sem auxilio do pedal a 40 kph de 12-14 wh/km

Andando forte acelerando ao máximo sem pedal a 50-60 kph de 15- 21wh/km

Agora você calcula qual a distância a ser percorrida, multiplique pelo wh/km apartir da tabela acima e você terá o total em watts-hora, mínimo exigido para a sua viagem.

3-     Escolha a química

Agora você tem as especificações exigidas calculadas e sua tensão, assim é hora de encontrar um pack que atenda as suas restrições orçamentárias e peso.
Um primeiro ponto para uma determinada voltagem e capacidade, NiCad vai custar o dobro do que a de Chumbo- ácido, mas  será a metade do peso, a NiMH será 30% mais leve e mais caro do que a NiCad , e a de Lithium será o dobro do custo da NiMH e a metade do peso.