ES2358714A1 - Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas. - Google Patents

Abstract

En la actualidad las bicicletas eléctricas que presentan capacidad de recuperar energía lo hacen de manera limitada. Además, su peso y estética son similares al de un ciclomotor.La invención aquí presentada combina el uso de condensadores y baterías con el fin de poder almacenar la mayor cantidad de energía posible. Ésta se almacena habitualmente en baterías, pero cuando la intensidad de carga sobrepasa un cierto límite se almacena en condensadores. De esta forma se logra recuperar un porcentaje aceptable de la energía potencial inicial manteniendo un peso aceptable.La bicicleta propuesta además presenta una apariencia ligera sin variar su aspecto, y permite transformarse en una bicicleta convencional con unas sencillas operaciones en apenas cinco minutos.

Description

Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas.

Sector de la técnica

La presente invención se refiere a una bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en frenadas y bajadas. Se presenta también un rediseño del cuadro para poder alojar todos los componentes añadidos manteniendo una estética agradable y permitiendo la extracción de todos estos.

Estado de la técnica

Se han registrado numerosas patentes referidas tanto a bicicletas eléctricas como subsistemas o componentes de éstas. A continuación se comentan las más significativas y relacionadas con la invención aquí presentada.

La patente ES 2145528 describe un sistema de control de recuperación aplicado a una bicicleta, que consta de motor, reductor y baterías instaladas dentro del cuadro de la bicicleta. Este dispositiva activa la regeneración sólo cuando la bicicleta acelera, en función del par ejercido por el ciclista. Esta solución presenta el inconveniente de que el ciclista debe estar pedaleando para que el motor pueda funcionar como generador, por lo que la energía de las frenadas se pierde.

La patente ES 2162137 presenta una bicicleta eléctrica con motor, transmisión variable, baterías y un controlador electrónico que gestiona la potencia del motor según la velocidad del cigüeñal y el par creado por el ciclista. Todos estos componentes están integrados en el interior del cuadro. En arrancada el par asistido es proporcional al par muscular. Pero no incluye recuperación y emplea baterías de NiCd, que son contaminantes y con poca densidad energética.

La patente ES 1041195 ofrece un modelo de bicicleta eléctrica en el que el par de ayuda se da en la rueda delantera. El motor, que no está situado en el eje de la rueda, sino a la altura de la cubierta, tiene tres posiciones: motor, desconectado y generador. El motor se acopla y desacopla gracias a un embrague que controla el ciclista por medio de una palanca en el manillar. Sin embargo, no es apto para circular por vías públicas, ya que la potencia asistida no se reduce a medida que se aproxima a los 25 km/h. Además, tiene un diseño demasiado aparatoso.

La patente ES 2222539 muestra el diseño de una bicicleta eléctrica plegable con un compartimento extraíble para las baterías. El cuadro aloja todos los dispositivos, pero la forma no triangular del cuadro la hace demasiado pesada.

La patente ES 2139779 presenta un mecanismo que da una señal proporcional al par aplicado por el ciclista que puede ser utilizada para decidir si se ha de asistir al par, mediante un motor ubicado en el eje de los pedales.

En resumen, ninguna de las patentes revisadas presenta recuperación de energía, a excepción de la ES 2145528 que hace mención a un sistema de control de la regeneración que sólo recupera energía en las bajadas.

Por otra parte, en el mercado hay disponibles diversas soluciones, como por ejemplo, la de "kits" para convertir una bicicleta convencional en eléctrica. Tras un montaje de una media hora, añaden un peso extra de unos 7 kg, permiten circular hasta 25 km/h y tienen una autonomía de unos 30 km. Están equipados con un sensor de pedalada asistida que se instala en el eje de los pedales y que controla la potencia generada por el motor en función del par del ciclista. La batería, de unos 3 kg, se puede extraer para cargarla en casa.

Hay también comercializadas bicicletas eléctricas sin recuperación de energía. E incluso algunas también que permiten recuperar energía en bajadas o frenadas, pero tienen más el aspecto y peso de una moto que de una bicicleta. Asimismo, existen numerosas bicicletas solares, en las que se transforma la energía solar en eléctrica mediante placas fotovoltaicas situadas en las ruedas o sobre una carcasa externa a la bicicleta. Una vez más, el aspecto y el peso son más propios de una moto que de una bicicleta. Por último, cabe citar la existencia de bicicletas de aire comprimido, en las que se puede almacenar y recuperar la energía mediante la compresión de aire. Al bajar, el mecanismo comprime aire en un recipiente. En subida o llano, se aprovecha la energía del aire comprimido para invertir el proceso y generar movimiento. También puede almacenarse aire a presión usando un compresor o un depósito externo. Sin embargo, esta solución presenta numerosas desventajas: es pesada, voluminosa, peligrosa y poco eficiente.

Breve descripción de la invención

La presente invención consiste en un nuevo diseño de bicicleta con capacidad de almacenar energía en bajadas o frenadas para reutilizarla más tarde en pendientes o aceleraciones. El sistema de recuperación de energía está compuesto por un motor-generador ubicado en el centro de la rueda delantera, unas baterías, unos condensadores, una centralita electrónica, cables y conexiones. El cuadro de la bicicleta presenta un diseño tal que permite soportar los esfuerzos requeridos y al mismo tiempo sirve para alojar las baterías, que pueden ser extraídas fácilmente cuando haga falta. Asimismo, la barra vertical del cuadro está diseñada para que sobre ella pueda apoyarse un recipiente vertical en el cual se alojan los condensadores.

Cuando el ciclista acciona la palanca de freno, se envía una señal a la centralita electrónica para que el motor-generador frene la bicicleta y genere energía eléctrica. Esta energía se almacena en baterías y condensadores. Esto será posible cuando la potencia a la que se reciba esta energía esté por debajo un valor límite. El uso de condensadores permite situar este límite suficientemente alto como para poder almacenar energía mientras la bicicleta baja a velocidad constante por cualquier pendiente. Los condensadores también absorben gran parte de la energía en el caso de de frenadas bruscas a altas velocidades. Pero, debido a que los condensadores tienen una densidad de energía menor que las baterías, se ha dispuesto de un conjunto de baterías para conseguir una mayor autonomía.

En el caso de que la capacidad de las baterías y de los condensadores esté saturada, la energía excedente se disipa por efecto Joule en una resistencia eléctrica situada en el freno de disco.

La energía almacenada se recupera cuando se pedalee por debajo de 25 km/h. Al pisar el pedal, un detector de pedalada envía una señal electrónica proporcional al par detectado a la centralita, y ésta hace que se active el motor con una fuerza proporcional a la realizada por el ciclista.

El cuadro de la bicicleta presenta un diseño tal que permite soportar los esfuerzos requeridos y al mismo tiempo sirve para alojar las baterías, que pueden ser extraídas fácilmente cuando haga falta. Asimismo, la barra vertical del cuadro está diseñada para que sobre ella pueda apoyarse un recipiente vertical en el cual se alojan los condensadores.

El aspecto final es el de una bicicleta similar a una convencional, que puede transformarse y usarse como una bicicleta BTT estándar si se cambia la rueda-motor por una rueda estándar, se extrae el recipiente que contiene los condensadores, y se retiran las baterías del interior del cuadro y la centralita electrónica. Todos estos componentes pueden ser montados y retirados fácilmente.

Descripción de las figuras

Fig. 1: Vista general de la bicicleta y despiece.

Fig. 2: Vista de detalle de la barra que encierra las baterías. Posición cerrada.

Fig. 3: Vista de detalle de la barra que encierra las baterías. Posición abierta con las baterías en el interior.

Fig. 4: Vista de detalle de la barra que encierra las baterías. Posición abierta con las baterías extraídas.

Fig. 5: Sistema de disipación de energía por efecto Joule.

Fig. 6: Detalle del sistema de disipación de energía por efecto Joule.

Descripción detallada de la invención

Se presenta un nuevo diseño de bicicleta eléctrica que tiene, por un lado, la particularidad de recuperar la energía en los descensos o bajadas en los que el ciclista deja de pedalear, y también en las frenadas, y, por otro lado, de que los componentes del sistema que permite el funcionamiento como bicicleta eléctrica, pueden ser desmontados fácilmente para transformar la bicicleta en una convencional que puede usarse como bicicleta BTT.

El sistema objeto de la presente invención consta de una serie de elementos que, entre otros, pueden verse montados en la Fig. 1.

Alineado con el eje de la rueda delantera (1) se encuentra el motor-generador (2), encargado de proporcionar energía cuando actúa como motor y de recuperarla en las bajadas y frenadas, cuando actúa como generador. Su ubicación en la rueda delantera permite mayores desaceleraciones. La legislación actual impone que, para poder circular por la vía pública, su potencia como motor no puede superar los 250 W.

Para almacenar la energía del motor-generador (2) cuando éste actúa como alternador, se utiliza, por un lado, un conjunto de condensadores (3), ubicados en un cilindro vertical (4), sujetos a la barra vertical (5) del cuadro (6) mediante apropiadas sujeciones (7), y por otro lado, un conjunto de baterías (8), ubicadas en el interior del cuadro (6), en las barras laterales (16) que enlazan con la rueda trasera (20).

En el eje del sistema de pedales, se dispone de un detector de pedalada (9), que consiste en un dispositivo que proporciona un voltaje proporcional al par de pedalada. Una centralita electrónica (10) que. recoge la señal de este detector (9) y que se encarga de controlar el motor-generador (2) en función de esta señal y de la velocidad de la bicicleta, se ubica en un hueco del cuadro. Dicha centralita (10) también recoge la señal procedente del sistema de freno. Este consiste en una palanca de freno convencional, la cual dispone de un sensor de par que detecta el par ejercido por el ciclista al presionar la palanca de freno (12) situada en el manillar (13), hasta un cierto límite. El par de frenada resultante es directamente proporcional a dicho par, y se ejerce sobre la rueda, controlado por la centralita (10). De todos modos, por motivos de seguridad, la palanca de freno (12) ejerce también su acción sobre el freno de disco (14) a través de un accionamiento mecánico convencional por cable.

Unido al freno de disco (14) se halla una resistencia eléctrica (15) capaz de disipar energía por convección al aire en movimiento que circula en contacto con la bicicleta. Dicha resistencia eléctrica transforma el excedente de energía eléctrica en energía térmica por efecto Joule. La transmisión del calor al aire por convección se ve favorecida por el área grande que presenta el freno de disco (14). La resistencia eléctrica (15) está aislada con un recubrimiento (28) hecho de un material no conductor de la electricidad, pero con una elevada conductividad térmica.

La centralita electrónica (10) se encarga de la gestión de los flujos de energía, la regulación de la frenada y el control de la potencia asistida. En el caso de la gestión de los flujos de energía, el funcionamiento es el siguiente:

Sea P_{LB} la potencia límite almacenable en las baterías, P_{LC} la potencia límite almacenable en los condensadores y P la potencia generada en un momento cualquiera de funcionamiento de la bicicleta.

Entonces, cuando se recibe energía eléctrica debido a una frenada:

\bullet

Si P < P_{LB}:

a)

La energía se almacena en las baterías (8), siempre que éstas no estén llenas.

b)

Si las baterías (8) están llenas pero los condensadores (3) no lo están, se almacena en los condensadores (8).

c)

Si baterías (8) y condensadores (3) están llenos, se disipa la energía excedente por efecto Joule en el freno de disco (14) a través de la resistencia eléctrica (15).

\bullet

Si P_{LB} < P < P_{LC}:

a)

La energía se almacena en los condensadores (3).

b)

Si los condensadores (3) están llenos y las baterías (8) no, se almacena P_{LB} y se disipa la diferencia P-P_{LB}.

c)

Si baterías (8) y condensadores (3) están saturados, se disipa la energía excedente por efecto Joule en el freno de disco (14) a través de la resistencia eléctrica (15).

\bullet

Si P_{LC} > P: Se disipa siempre la diferencia P-P_{LC} y el resto de energía se gestiona como si estuviéramos en el caso anterior.

Siempre que los condensadores tengan energía, la ceden a las baterías.

La forma de recuperar la energía es la siguiente:

\bullet

La energía se toma de los condensadores (3), si éstos tienen energía.

\bullet

Si los condensadores (3) están vacíos, la energía se toma de las baterías (8).

La legislación vigente limita la potencia asistida dada por el motor en bicicletas eléctricas, de tal manera que debe ser reducida progresivamente hasta desactivarse cuando se alcanza la velocidad de 25 km/h. Para ello, la centralita electrónica (10) sigue los siguientes criterios a la hora de proporcionar un par asistido:

\bullet

El par asistido es proporcional al par creado por el ciclista, si éste es menor que un valor \Gamma_{lim}.

\bullet

A partir de 20 km/h y para un par de pedalada constante, el par se reduce de manera lineal hasta llegar a 0 Nm cuando la velocidad de la bicicleta alcance 25 km/h.

Esto se consigue gracias a la ayuda del detector de pedalada (9), y teniendo en cuenta que el par dado por el motor-generador (2) es directamente proporcional a la intensidad que circula por el inducido del motor.

El cuadro de una bicicleta suele tener una estructura triangular. Este tipo de estructuras sólo reciben esfuerzos de compresión o de tracción. No obstante, en el cuadro (6) de la bicicleta aquí presentada, se han sustituido las dos barras que sujetan la rueda trasera en una bicicleta convencional por una sola con forma de Y (16) (ver Figs. 2, 3 y 4). De esta manera la barra (16) trabajará a flexión y dispone de suficiente espacio interior como para alojar el conjunto de baterías (8). Esta única barra (16) se alarga hasta encontrarse con la barra (17) del cuadro (6), para hacer más resistente al cuadro.

Además, a diferencia de una bicicleta BTT convencional, la barra vertical (5) está desplazada hacia delante a fin de poder situar el recipiente (4) que aloja los condensadores (3), entre el espacio que hay entre la rueda trasera (20) y el cuadro (6). Finalmente, los dos extremos de la barra (16) son desmontables. Consisten en una pieza (18) en cada rama de la Y que, por una parte pivotan sobre una bisagra (19) apoyándose sobre el extremo de la barra (16) y por la otra parte encajan con el eje de la rueda trasera (20) a través del enganche (21). En el lado opuesto al de la bisagra (19), se halla un cierre (22) para asegurar a la vez la rigidez del conjunto barra (16) - pieza (18) y evitar que las baterías (8) puedan ser sustraídas.

Los cables y conexiones entre los diferentes componentes se encuentran en el interior del cuadro para evitar que puedan engancharse con cualquier objeto, como ramas. De la barra (16) se asoma un conectar (23) para permitir que las baterías puedan recargarse también a una fuente de alimentación externa, sin necesidad de extraerlas de su alojamiento. Las baterías (8) están encerradas dentro de un recipiente (24) que les protege del agua, facilita su extracción, las distribuye y las conecta entre sí correctamente. En el interior de la barra (16) se aloja dicho recipiente (24) y también un transformador variable de corriente alterna (25) para estabilizar la recarga de las baterías.

La centralita electrónica (10) situada en el espacio entre las barras (16), (5) y (17) se halla en un recipiente (26) que la protege del agua y de la intemperie.

Las conexiones que conectan con dicha centralita son: conexión de los condensadores, conexión de las baterías, conexión del freno delantero, conexión del motor-generador, conexión del disipador de energía y conexión con la fuente de alimentación externa.

Excepto los cables y las conexiones, todos los demás componentes de la bicicleta eléctrica son extraíbles. Así, la horquilla delantera (27) está diseñada para permitir cambiar la rueda (1) con motor-generador (2), por una rueda convencional; los frenos mecánicos son permanentes; el recipiente (4) que contiene los condensadores (3) puede ser desenganchado; las baterías (8) pueden ser extraídas basculando las piezas (18); y el recipiente (26) que contiene la centralita electrónica (10) también puede extraerse.

De esta manera, la bicicleta se podrá utilizar como una bicicleta BTT convencional.

Modo de realización preferente de la invención

Entre las diferentes maneras de aplicar esta invención, se expone a modo de ejemplo un posible dimensionamiento de los elementos más importantes que la configuran.

El motor-generador (2) situado en el eje de la rueda delantera (1) podría tener una potencia de 2 kW, acompañado de engranajes planetarios en el mismo eje del motor. El motor sería del tipo sin escobillas, de imanes permanentes y de corriente continua. La mayoría de las bicicletas eléctricas del mercado han adoptado esta solución. El motor permitiría conseguir un buen rendimiento funcionando a régimen permanente a 250 W y bajas revoluciones, y a la vez sería capaz de llegar a generar 2 kW en una frenada (a altas revoluciones).

El valor máximo orientativo para la capacidad de almacenamiento de energía de los condensadores (3) sería de 10 kJ. Ello puede lograrse con 4 condensadores en serie de 600 F y 2.5 V, lo que daría un peso de unos 640 g y un volumen de 560 cm^{3}. Cada condensador ocuparía un cilindro de 5 cm de diámetro y 7 cm de longitud.

La energía recuperable en una pendiente del 5% a una velocidad de 25 km/h y tras un desnivel de 1000 m es de unos 590 kJ. Si se tiene en cuenta una eficacia del generador y de la electrónica del 80%, resulta que podrían almacenarse unos 470 kJ. Por ello, se puede optar por un conjunto de 18 baterías (8) en serie con un peso de 70 g y 3.3 V cada una, lo que permitiría almacenar la energía absorbida de 600 W de potencia.

El material del cuadro (6) podría ser aluminio 2018, utilizado en los chasis tubulares de ultraligeros, lo que daría un peso aproximado de 2400 g.

En total, el peso de la bicicleta eléctrica sería de unos 17 kg, si se parte de una bicicleta convencional de 10 kg.

El rendimiento energético total (generador, baterías, motor, electrónica) sería de un 35%.

Claims (5)

1. Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas, caracterizada porque está compuesta por un cuadro (6), un motor-generador (2), una palanca de freno electrónica (12), unas baterías (8), unos condensadores (3), un detector de pedalada (9), una centralita electrónica (10), un mecanismo disipador de energía (14), cables y conexiones, formando un conjunto que puede montarse y desmontarse, transformando la bicicleta eléctrica en una bicicleta convencional, o viceversa.

2. Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas, según la reivindicación 1, caracterizada porque almacena la energía generada por un motor-generador (2) en condensadores (3) y en baterías (8), según la gestión de una centralita electrónica (10), que determina si se almacena la energía en los condensadores (3) o en las baterías (8).

3. Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la barra vertical (5) del cuadro (6) se ha desplazado hacia delante, generando un espacio en el que se alojan condensadores (3) en un recipiente (4) situado entre la rueda trasera (20) y la barra vertical del cuadro (5). Dicho recipiente (4) se sujeta mediante sujeciones (7) a la barra vertical del cuadro (5), y es extraíble.

4. Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas, según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizada porque dispone de un cuadro (6) que tiene 2 únicas barras traseras en forma de Y (16), las cuales alojan en su interior las baterías (8), y disponen de una pieza (18) en su extremo, desmontable, que pivota, por un lado, sobre una bisagra (19), y, por el otro lado, encaja con el eje de la rueda trasera (20), a través de un enganche (21), con el fin de poder extraer las baterías. En el lado opuesto al de la bisagra (19), se halla un cierre (22) para asegurar a la vez la rigidez del conjunto barra (16) - pieza (18) y evitar que las baterías (8) puedan ser sustraídas.

5. Bicicleta eléctrica con capacidad para recuperar energía en bajadas y frenadas según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque puede disipar energía cuando no es posible cederla a condensadores (3) y/o baterías (8), a través de una resistencia eléctrica (15), situada en el freno de disco (14) del sistema de frenado y aislada eléctricamente mediante un recubrimiento (28) conductor térmico, resistencia que transforma la energía eléctrica excedente en energía térmica por efecto Joule, la cual se disipa por convención debido al aire en movimiento en contacto con el disco (14).