TRABAJO FIN DE GRADO INGENIERÍA ELÉCTRICA

TRABAJO FIN DE GRADO INGENIERÍA ELÉCTRICA

LUIS ROCHE PIÑOL


LUIS ROCHE PIÑOL

RESUMEN

Este trabajo ha sido diseñado para transformar una bicicleta convencional a eléctrica

en función de las necesidades de cada individuo. Para ello se hace un estudio de las

mismas, una selección de materiales en función de los resultados y el montaje del kit

eléctrico apropiado en la bicicleta que se desea modificar.

Mediante el uso de un programa informático visual se obtiene de una manera

teórica el rendimiento de la bicicleta eléctrica. Posteriormente, a través de un análisis de

mercado se comparan los diferentes tipos de componentes, escogiendo los más adecuados

para este proyecto. Por último, se han cotejado los resultados que ha dado la bicicleta sin

motor y con motor, llegando a la conclusión de cuales han sido las principales diferencias.


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ÍNDICE

1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1

2 OBJETIVOS ................................................................................................................. 2

3 ESTADO DEL ARTE ................................................................................................... 3

3.1 MERCADO ACTUAL .......................................................................................... 3

3.1.1 Pedelec. ......................................................................................................... 3

3.1.2 E-Bike............................................................................................................ 3

3.1.3 Modelos. ........................................................................................................ 3

3.2 LEGISLACIÓN .................................................................................................... 4

4 ESTUDIO ENERGÉTICO ............................................................................................ 6

4.1 RUTAS .................................................................................................................. 6

4.2 ANÁLISIS DINÁMICO ....................................................................................... 9

4.2.1 Momento de inercia ....................................................................................... 9

4.2.2 Fuerzas .......................................................................................................... 9

4.3 CÁLCULO DE FUERZAS Y PAR .................................................................... 11

4.4 MODELO DEL CIRCUITO ............................................................................... 18

4.5 MOTOR .............................................................................................................. 18

4.6 BATERÍA............................................................................................................ 19

4.7 CONTROLADOR ............................................................................................... 20

4.8 MODELO COMPLETO ..................................................................................... 23

5 ESTUDIO DE MERCADO Y SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES ................ 25

5.1 MOTOR .............................................................................................................. 25

5.2 CONTROLADOR ............................................................................................... 27

5.3 PANTALLA ........................................................................................................ 28

5.3.1 Batería de plomo ......................................................................................... 29

5.3.2 Batería de hidruro de níquel-metal .............................................................. 29

5.3.3 Batería de litio ............................................................................................. 29

5.3.4 Comparación de los tipos de baterías .......................................................... 30

5.3.5 Diseño de la batería ..................................................................................... 30

5.3.6 Batería escogida .......................................................................................... 32

5.4 OTROS COMPONENTES ................................................................................. 32

5.5 PRESUPUESTO ................................................................................................. 33

5.5.1 Kit eléctrico ................................................................................................. 33

6 MONTAJE, CUIDADOS Y MANTENIMIENTO ..................................................... 35

6.1 MOTOR .............................................................................................................. 35

6.2 SENSOR PAS ..................................................................................................... 36

6.3 CONTROLADOR ............................................................................................... 36

6.4 CABLE E-BUS ................................................................................................... 37

6.5 PANTALLA ........................................................................................................ 37

6.6 BATERÍA............................................................................................................ 38

6.7 RESULTADO FINAL ........................................................................................ 38

7 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS TEÓRICOS Y PRÁCTICOS .............. 39

8 CONCLUSIÓN ........................................................................................................... 41

9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 42

I. ANEXO ....................................................................................................................... 43


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Emisiones de los vehículos a combustión. ........................................................... 1

Figura 2. Gráficas de rutas................................................................................................... 8

Figura 3. Momento de inercia en la rueda. .......................................................................... 9

Figura 4. Gráfica Velocidad [km/h] - Fuerza aerodinámica [N]. ...................................... 10

Figura 5. Gráfica Ángulo de ascensión [𝛂] - Fuerza de ascensión [N]. ............................ 11

Figura 6. Modelo sumatorio fuerzas SIMULINK. ............................................................ 11

Figura 7. Modelo fuerzas Simulink. .................................................................................. 12

Figura 8. Gráfica Tiempo [s] – Velocidad [km/h], ruta 1. ................................................. 13

Figura 9. Gráfica Tiempo [s] – Pendiente [m], ruta 1. ...................................................... 13

Figura 10. Gráfica Tiempo [s] – Par [Nm], ruta 1. ............................................................ 13

Figura 11. Gráfica Tiempo [s] – Energía consumida [Wh], ruta 1. ................................... 13

Figura 12. Gráfica Tiempo [s] – Velocidad [km/h], ruta 2. ............................................... 14

Figura 13. Gráfica Tiempo [s] – Pendiente [m], ruta 2. .................................................... 14











Figura 24. Repeating Sequence y multiport switch de gráficas de velocidad. ................ 17

Figura 25. Repeating Sequence y multiport switch de gráficas de pendiente. .................. 17

Figura 26. Diagrama de bloque de una bicicleta eléctrica. ................................................ 18

Figura 27. Diagrama de bloque del controlador. ............................................................... 20

Figura 28. Diagrama de bloque del controlador sin regular. ............................................. 21

Figura 29. Diagrama de bloque del controlador controlado. ............................................. 22

Figura 30. Modelo SIMULINK completo de la bicicleta eléctrica. ................................. 23

Figura 31. Velocidad de entrada y salida en Simulink, ruta 2 ........................................... 24

Figura 32. SOC, corriente y tensión de la batería en Simulink, ruta 2. ............................. 24

Figura 33. Motor escogido. ............................................................................................... 26

Figura 34. Plano del motor escogido. ................................................................................ 26

Figura 35. Controlador escogido. ...................................................................................... 27

Figura 36. PAS escogido. .................................................................................................. 28

Figura 37. Pantalla escogida. ............................................................................................. 28

Figura 38. Manual de la pantalla escogida. ....................................................................... 29

Figura 39. Pilas recargables. .............................................................................................. 31

Figura 40. BMS. ................................................................................................................ 31

Figura 41. Cargador. .......................................................................................................... 32

Figura 42. Batería escogida. .............................................................................................. 32

Figura 43. Bicicleta convencional. .................................................................................... 35

Figura 44. Motor colocado en la bicicleta. ........................................................................ 35

Figura 45. PAS colocado en la bicicleta. ........................................................................... 36

Figura 46. Conexión nueva controlador - batería. ............................................................. 36

Figura 47. Controlador colocado en la bicicleta. ............................................................... 37

Figura 48. Pantalla colocada en la bicicleta. ..................................................................... 37

Figura 49. Batería colocada en la bicicleta. ....................................................................... 38

Figura 50. Montaje final de la bicicleta. ............................................................................ 38


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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Rutas realizadas. .................................................................................................... 8

Tabla 2. Referencias escogidas. ........................................................................................... 8

Tabla 3. Valores de las rutas obtenidos en Simulink. ........................................................ 17

Tabla 4. Parámetros necesarios del motor. ........................................................................ 19

Tabla 5. Valores de rutas con la energía obtenida. ............................................................ 19

Tabla 6. Parámetros necesarios de la batería. .................................................................... 20

Tabla 7. Características de diferentes tipos de motores eléctricos. ................................... 25

Tabla 8. Características del motor elegido. ....................................................................... 26

Tabla 9. Características del controlador elegido. .............................................................. 27

Tabla 10. Características del sensor PAS elegido. ............................................................ 28

Tabla 11. Características de la pantalla elegida. ................................................................ 28

Tabla 12. Manual de la pantalla LCD5. ............................................................................ 29

Tabla 13. Modelos de baterías. .......................................................................................... 30

Tabla 14. Modelos de pilas recargables............................................................................. 30

Tabla 15. Valores de las pilas recargables. ........................................................................ 31

Tabla 16. Datos de la batería escogida. ............................................................................. 32

Tabla 17. Presupuesto del kit eléctrico. ............................................................................. 33

Tabla 18. Horarios de luz ENDESA. ................................................................................. 33

Tabla 19. Tarifas de luz ENDESA. ................................................................................... 34

Tabla 20. Comparación de las rutas sin y con motor. ........................................................ 39

Tabla 21. Ruta autonomía de la batería. ............................................................................ 40


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NOTACIÓN DE VARIABLES

Variable Símbolo Unidad

Radio rueda Radrueda Metro [m]

Par máximo Mmax Newton metro [Nm]

Par nominal Mn Newton metro [Nm]

Potencia nominal Pn Vatio [W]

Tensión de entrada Vin Voltios [v]

Velocidad angular máxima ωmax Radianes/segundos [rad/s]

Resistencia interna motor Rin Ohmios [Ω]

Inductancia motor Lis Henrios [H]

Corriente de entrada Iin Amperios [A]

Tensión en el motor E′ Voltios [v]

Constante del motor KM Newton metro / Amperios [Nm/A]

Constante del motor KE Voltios / (radianes/segundos) [V/(rad/s)]


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1

1 INTRODUCCIÓN

Hoy en día uno de los principales problemas es la contaminación atmosférica ya

que según datos de la OMS se estima que un 90% de la población respira aire

contaminado, y alrededor de siete millones de personas se mueren cada año inhalando

partículas finas contenidas en el aire. Una de las principales fuentes de contaminación

son los vehículos de combustión fósiles puesto que generan una gran cantidad de

emisiones de gases de efecto invernadero. Según un artículo de la Agencia Europea de

Medio Ambiente, en la siguiente gráfica se pueden apreciar las emisiones de los vehículos

a combustión.

Estos problemas de emisiones en vehículos se podrían ver altamente reducidos si

incorporáramos más a nuestro día a día los vehículos eléctricos, puesto que emiten hasta

40 veces menos emisiones de CO2 comparado con los vehículos de combustión, según

datos de la Agencia de Protección Ambiental.

Un sustituto de vehículo cuando se quisiera hacer pequeños recorridos, como en un

pueblo o dentro de ciudad, podría ser la bicicleta eléctrica, puesto que es un vehículo

eléctrico, ecológico y económico.

Es por eso el motivo de este trabajo, aportar un estudio del mercado actual de vehículos

eléctricos como son las bicicletas eléctricas y ver que de una manera sencilla todo el

mundo que tenga una bicicleta convencional se puede construir una eléctrica de un modo

económico y eficiente.

Figura 1. Emisiones de los vehículos a combustión.


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2 OBJETIVOS

Este trabajo es un estudio de conversión de una bicicleta convencional a eléctrica

mediante el uso de un kit eléctrico, el cual se va a calcular y diseñar para una bicicleta

urbana, y así poder ver de una manera teórica y práctica los resultados que da el kit de

conversión.

Primero se calculará de manera teórica las fuerzas que intervienen en la bicicleta.

Después, con el conjunto de fuerzas y junto a varias rutas tipo, que se han realizado

previamente, serán modeladas mediante los programas informáticos MATLAB y

SIMULINK y así poder ver la fuerza y el par necesario en cada momento del trayecto.

También aparecerán otros valores como la potencia, la energía consumida y la autonomía

entre otros. Posteriormente se calculará el motor y las baterías necesarias para cubrir la

demanda obtenida en los programas anteriores. Una vez se sepan los valores necesarios

del motor y la batería, se procederá a realizar un estudio del mercado actual de bicicletas

eléctricas y ver qué componentes eléctricos serían más aptos al modelo que se quiere,

junto a un presupuesto del kit eléctrico total. Finalmente el kit será montado en una

bicicleta urbana y se compararán los resultados obtenidos de varias rutas realizadas sin y

con motor.


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3

3 ESTADO DEL ARTE

3.1 MERCADO ACTUAL

Según exige la normativa, como se verá más adelante, hay que hacer una distinción

de dos tipos de bicicletas eléctricas: Pedelec y E-Bike.

3.1.1 Pedelec.

O también conocida como bicicleta eléctrica de pedaleo asistido. La velocidad

máxima a la que pueden circular es de 25Km/h y con una potencia máxima de 250W

según el REGLAMENTO (UE) Nº 168/2013 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL

CONSEJO. Además, se requiere que el ciclista pedalee en todo momento, ya que si él

para de pedalear, el motor debe de detenerse. Suelen llevar un nivel de asistencia con el

que se puede ajustar la ayuda que proporciona el motor.

3.1.2 E-Bike.

También llamada ciclomotor eléctrico. En comparación con la anterior bicicleta,

esta puede tener un motor de más potencia y alcanzar una mayor velocidad. Para ajustar

la velocidad del vehículo se utiliza un acelerador y no es necesario que el ciclista pedalee,

pero sí es obligatorio tener licencia y un seguro.

3.1.3 Modelos.

Además del tipo de motor que tenga la bicicleta y la velocidad máxima que pueda

alcanzar, hay que diferenciar varias formas de encontrar las bicicletas eléctricas en el

mercado: Urbanas, montaña, plegables y kit eléctrico.

3.1.3.1 Bicicleta eléctrica urbana.

Puede ser de pedaleo asistido o de tipo ciclomotor, dependiendo de si se quiere que

el motor sea una ayuda extra a la hora de pedalear o se quiera circular sin pedalear. Suelen

ser de tipo Pedelec puesto que no hace falta un motor de mucha potencia para moverse

por la ciudad. Este tipo de bicicleta es usado por las personas que quieren moverse en un

medio de transporte ecológico, rápido y económico.

3.1.3.2 Bicicleta eléctrica de montaña.

Suelen ser e-Bikes ya que en este caso, comparado con el anterior descrito, sí se

requiere un motor de más potencia puesto que en estos terrenos hay más desnivel que en

una ciudad. El motor en esta configuración es el principal impulsor del movimiento para

los ciclistas que prefieren ir por terrenos de montaña y así no tengan que hacer tanto

esfuerzo. Es utilizada por gente que le gusta hacer mountain bike o descenso.

3.1.3.3 Bicicleta eléctrica plegable.

Uno de los problemas que tiene la bicicleta es cómo y dónde la guardas hasta su

próximo uso, y es por eso que se han diseñado las bicicletas plegables. Este tipo de bici

tiene la característica de que se puede plegar por la mitad, reduciendo considerablemente


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4

su espacio, y así poder guardarse de una forma más cómoda. A estas se les puede añadir

un motor Pedelec, el cual no ocupa un espacio extra y por lo tanto no impide el plegado

de la bicicleta.

3.1.3.4 Kit eléctrico

También cabe destacar que en el mercado actual hay kits eléctricos con los cuales

se puede convertir una bicicleta convencional en eléctrica. Se trata de comprar la parte

eléctrica según las necesidades y ajustarlo en la bicicleta convencional. Hay kits de

muchas formas y muchos tamaños, ya que van a variar dependiendo del fabricante y las

características de las piezas.

3.2 LEGISLACIÓN

Un factor importante a tener en cuenta a la hora de diseñar y construir la bicicleta

eléctrica es la legislación que hay sobre ellas actualmente en España. Para ello, hay que

tener en cuenta que el tipo de bicicleta eléctrica que va a ser diseñado va a ser una bicicleta

de pedaleo asistido.

La primera normativa que hay que considerar es el Real Decreto Legislativo 6/2015,

en el cual se encuentra la Ley sobre Tráfico, Circulación de Vehículos a Motor y

Seguridad Vial. En este Real Decreto se encuentra la definición de ciclo “Vehículo

provisto de, al menos, dos ruedas y propulsado exclusiva o principalmente por la energía

muscular de la persona o personas que están sobre el vehículo, en particular por medio

de pedales.”. Esta definición incluye los ciclos de pedaleo asistido.

Según el artículo 2 del capítulo 1 del REGLAMENTO (UE) Nº 168/2013 DEL

PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO, no haría falta aplicar este reglamento

al vehículo a diseñar siempre que “las bicicletas de pedales con pedaleo asistido,

equipadas con un motor eléctrico auxiliar, de potencia nominal continua máxima inferior

o igual a 250 W, cuya potencia disminuya progresivamente y que finalmente se

interrumpa antes de que la velocidad del vehículo alcance los 25 km/h o si el ciclista deja

de pedalear”.

Basando el diseño de la bicicleta eléctrica a la normativa vigente y con el objetivo

de cumplirla, se va a plantear el estudio del vehículo de manera que el motor eléctrico sea

una ayuda a la energía muscular del ciclista, y no sobrepase los 25km/h ni una potencia

máxima de 250W. Como bien se ha nombrado antes, el diseño va a ser de una bicicleta

de asistencia al pedaleo.

Al ser un vehículo que va a asistir al ciclista en su desplazamiento, según la

Instrucción 16/V-124 de la DGT, se puede clasificar la bicicleta en vehículo de movilidad

personal, VMP, debido a que los define como “vehículos capaces de asistir al ser humano

en su desplazamiento personal y que por su construcción, pueden exceder las

características de los ciclos y estar dotados de motor eléctrico”. En cuanto al diseño,

fabricación y comercialización nombra que tiene que cumplir con los requisitos técnicos

establecidos en la legislación vigente en materia de seguridad industrial y de seguridad


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general de los productos, de acuerdo con la Ley 21/1992 del 16 de Julio, de Industria.

Respecto a la circulación, será la autoridad municipal la que admita, prohíba o limite

transitar por vías como aceras, zonas peatonales o parques. Además, como no están

clasificados los VMP como vehículos de motor, no hará falta disponer de una licencia de

conducción ni de un seguro de vehículo. Lo que no significa que se pueda sacar un seguro

voluntariamente.

Respecto a las leyes sobre la recarga de los vehículos eléctricos, en la ITC 52 del

Real Decreto 842/2002 ITC 52 del Reglamento Electrotécnico de baja tensión (REBT)

aparece que existen cuatro modos de carga. En este caso según la legislación nombrada

el punto de recarga será de modo 1, ya que es una toma de corriente doméstica. La

corriente que admite este tipo de recarga es de 16 amperios (3,7 kW en Monofásica y 11

kW en trifásica), y no hay comunicación entre el coche y la red. El conector que hay que

utilizar en este caso al ser de modo 1 es un conector Schuko.


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4 ESTUDIO ENERGÉTICO

4.1 RUTAS

Para poder modelar la bicicleta y saber que prestaciones necesita se hace un estudio

de varios recorridos y se calcula la distancia, la velocidad media y el tiempo que ha

llevado hacerlo. Para recopilar toda la información obtenida de las rutas se han utilizado

las aplicaciones de móvil Running, Strava y Wikiloc. Los recorridos que se han llevado

a cabo son una mezcla entre recorridos de pueblo a pueblo y recorridos de rutas por zonas

rurales. Todos ellos han sido realizados en la comarca Ribera baja del Ebro.


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Tabla 1. Rutas realizadas.

Rutas Distancia

[km]

Duración

[h:min:seg]

Velocidad media

[km/h]

Ruta 1 7,8 00:32:18 14,5

Ruta 2 7,58 00:34:02 13,4

Ruta 3 9,61 00:36:55 15,6

Ruta 4 18,02 01:08:54 15,7

Ruta 5 53,13 02:18:47 23,0

Ruta 6 40,43 02:13:47 18,1

Ruta 7 21,4 01:32:13 13,9

Ruta 8 10,43 00:42:56 14,6

Ruta 9 12,69 01:08:00 11,2

Ruta 10 32,36 01:48:00 18,0

Ruta 11 28,41 02:09:00 13,1

Ruta 12 39,88 02:49:00 14,1

Ruta 13 32,0 02:04:00 13,3

Ruta 14 31,74 02:35:00 12,3

Ruta 15 33,52 02:10:00 15,5

Ruta 16 54,94 03:46:00 14,6

Ruta 17 9,09 00:43:00 12,7

Ruta 18 30,51 02:08:00 14,3

Con los datos obtenidos puede hacerse una media ponderada y así saber las

referencias con las cuales se va a modelar la bicicleta eléctrica.

Tabla 2. Referencias escogidas.

Distancia 26,31 km

Tiempo 01:44:26

Velocidad Media 14,88 km/h

Figura 2. Gráficas de rutas.


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4.2 ANÁLISIS DINÁMICO

4.2.1 Momento de inercia

Según la primera Ley de Newton, la inercia es la resistencia ante algún cambio en

el movimiento de un objeto, puesto que este tiende a permanecer en reposo. Según esta

definición se sabe que aparecerá una resistencia al girar las ruedas del vehículo sobre sus

ejes de inercia.

Para calcular este valor se modelan las ruedas como un anillo sobre un eje simétrico,

por lo que la fórmula de inercia en las dos ruedas en conjunto queda:

𝐽𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎𝑠 = 2 ∙ 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑟𝑢𝑒𝑑𝑎 ∙ 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜2 = 2 ∙ 1,5𝑘𝑔 ∙ (0,3302 𝑚)2 = 0,33 𝑘𝑔 ∙ 𝑚2

El momento de inercia del ciclista y la bici se modela como un objeto con una masa

la cual está a una distancia D al eje de rotación. La masa se supone que se encuentra

actuando en el sillín de la bicicleta, a una distancia D de los ejes de las ruedas.

Jbici→r.trasera =(masatotal − masaruedas)

2∙ D2 =

(91 − 3)

2kg ∙ 0,42 m2 = 7,76 kg ∙ m2

Jbici→r.delantera =(masatotal − masaruedas)

2∙ D2 =

(91 − 3)

2kg ∙ 0,7 m2 = 21,56 kg ∙ m2

Por lo que el resultante del momento de inercia queda:

Js = ∑ Ji = 29,65 kg ∙ m2

4.2.2 Fuerzas

Para conocer de manera teórica la energía y la potencia que va a llevar el

movimiento del ciclista se ha de calcular las fuerzas que van a influir sobre la bicicleta.

En este conjunto de fuerzas se encuentran la fuerza aerodinámica, la fuerza de aceleración

lineal, la fuerza de aceleración angular, la fuerza de rozamiento y la fuerza de ascensión.

4.2.2.1 Fuerza aerodinámica

Es la resistencia del aire la cual se opone al movimiento del ciclista.

FD = 1

2 ∙ Cv ρ ∙ A ∙ v2 = 0,26v2 N

Siendo:

𝐂𝐯: Coeficiente adimensional que depende de la geometría de la bicicleta.

Para un ciclista circulando en una bicicleta de paseo se puede tomar un valor

de 0,9 Ad. [18]

Figura 3. Momento de inercia en la rueda.


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ρ: Densidad del aire. Se suele tomar como 1,3 kg/m3. [18]

A: Es el área de sombra proyectada por el cuerpo del ciclista y la bicicleta

en un plano perpendicular a la dirección del movimiento. En este caso se va

a tomar un valor de 0,45 m2.

v: Velocidad del vehículo en m/s.

La fuerza aerodinámica va a depender de la geometría del vehículo, de la densidad

del aire y de la velocidad.

En la siguiente gráfica se puede ver cómo va a variar de forma parabólica la fuerza

aerodinámica en función de la velocidad.

4.2.2.2 Fuerza de inercia longitudinal

Es la fuerza que tiene que vencer la bicicleta la cual aparece en los momentos de

aceleración.

FAL = a ∙ mtotal = 91a N

Siendo:

𝒂: Aceleración con la que circula la bicicleta en m/s2.

𝐦𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥: Masa total de la bicicleta, componentes eléctricos y ciclista. Se toma

como valor 91Kg.

Esta fuerza va a depender solamente de la masa de vehículo y de la aceleración que

se haga en ese momento.

4.2.2.3 Fuerza aceleración angular

FAA = FAL ∙ k

Siendo:

𝐅𝐀𝐋: Fuerza aceleración lineal en kg ∙m/s2.

𝐤: Constante adimensional.

Va a depender únicamente de la aceleración lineal y una constante.

4.2.2.4 Fuerza de rozamiento

Froz = v ∙ k ∙ mtotal ∙ g

Siendo:

v: Velocidad de la bicicleta en m/s.

k: Constante adimensional.

Figura 4. Gráfica Velocidad [km/h] - Fuerza

aerodinámica [N].


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𝐦𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥: Masa de la bicicleta, componentes eléctricos y ciclista en Kg

g: Gravedad. Se coge el valor de 9,8 m/s2

Esta fuerza, la cual aparece debido al rozamiento entre la superficie por la que se

circula, va a depender de la velocidad, del peso y de la constante de la superficie.

4.2.2.5 Fuerza de ascensión

Es una fuerza que aparece en los momentos donde hay una pendiente en el trayecto.

Fa = mtotal ∙ g ∙ Sin(α) = 891,8Sin(α)

Siendo:

𝐦𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥 : Masa de la bicicleta, componentes eléctricos y ciclista. Se toma

como valor 91 Kg.

g: Gravedad. Se toma un valor de 9,8 m/s2.

𝐒𝐢𝐧(𝛂): Seno del ángulo que forma la pendiente y el ciclista. [Ad]

Esta fuerza depende del peso total y del ángulo de la pendiente.

En la siguiente gráfica puede observarse que conforme aumenta el ángulo de la

pendiente hay un aumento proporcional de la fuerza de ascensión.

4.3 CÁLCULO DE FUERZAS Y PAR

Con los datos obtenidos en el apartado anterior se hace un modelo de una bicicleta

eléctrica con el programa MATLAB y SIMULINK, para ver de una manera teórica el

funcionamiento de la bicicleta eléctrica, así como la potencia, el par, la energía consumida

y la autonomía que tendría el vehículo si fuera eléctrico.

Figura 5. Gráfica Ángulo de ascensión [𝛂] - Fuerza

de ascensión [N].

Figura 6. Modelo sumatorio fuerzas SIMULINK.


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Una vez modeladas las fuerzas se procede a ejecutar el programa y observar las

gráficas de velocidad, pendiente, par y energía consumida en varias de las rutas

realizadas.

Figura 7. Modelo fuerzas Simulink.


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Ruta 1.

Figura 8. Gráfica Tiempo [s] – Velocidad [km/h], ruta 1.

Figura 9. Gráfica Tiempo [s] – Pendiente [m], ruta 1.

Figura 10. Gráfica Tiempo [s] – Par [Nm], ruta 1.

Figura 11. Gráfica Tiempo [s] – Energía consumida [Wh], ruta 1.


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Ruta 2.






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Ruta 3.






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Ruta 4.






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El conjunto de todos los valores de las gráficas anteriores pueden insertarse en

SIMULINK con la función Repeating Sequence, de manera que todas ellas irán

conectadas a un Multiport Switch Block, y dependiendo la entrada que se le asigne,

calculará una ruta u otra.

Posteriormente, irá conectado un subsystem en donde son calculadas todas las

fuerzas en función de los parámetros iniciales. Por último, se encuentra a la salida el

resultado del comportamiento de la bicicleta eléctrica en cada una de las rutas, cuyos

valores están recogidos en la siguiente tabla.

Tabla 3. Valores de las rutas obtenidos en Simulink.

Ruta 1 Ruta 2 Ruta 3 Ruta 4

Par efectivo [Nm] 14,32 13,60 14,75 14,79

Par máximo [Nm] 37,8 33,11 24,35 21,57

Energía consumida [kWh] 0,08594 0,08939 0,1143 0,2218

Energía/km [kWh/km] 0,01096 0,01165 0,01202 0,01241

Para calcular el par efectivo de cada ruta puede hacerse de forma manual,

calculando la ecuación de par efectivo en cada punto del recorrido en función de la

velocidad y el tiempo, o visualizando el valor de rms de par efectivo en la función Scope

dada por SIMULINK. En este caso se ha realizado de la segunda forma ya que es más

rápida y fiable.

Figura 24. Repeating Sequence y

multiport switch de gráficas de

velocidad.

Figura 25. Repeating Sequence y multiport switch

de gráficas de pendiente.


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18

4.4 MODELO DEL CIRCUITO

Para ver de una manera esquemática el funcionamiento de la parte eléctrica se

plantea un diagrama de bloques en donde se muestra cómo están conectadas las diferentes

partes que componen el circuito.

Tal como describe el diagrama de bloques, el cargador alimenta directamente a la

batería. También puede observarse que el controlador es la pieza que cohesiona todo el

circuito, recibiendo información de la batería, pantalla, sensor PAS y motor. Mediante la

información obtenida, el controlador actuará debidamente sobre la pantalla y el motor.

Para conseguir satisfacer las necesidades que tiene que cubrir el kit eléctrico, las

cuales han sido calculadas en el apartado 4.1, se hace un estudio de cada parte que lo

conforma.

4.5 MOTOR

El motor que va a elegirse va a ser de la máxima potencia posible siempre que no

haya que matricularlo ni sacar licencia, por lo que la potencia será de 250 W cuando

tengamos la máxima velocidad, 25Km/h. Entonces para elegir el motor adecuado se

calcula el par nominal que necesita el motor en ese caso:

Drueda(26") = 0,6604 m

Radrueda = 0,3302 m

Vmax = 25km

h= 6,94

m

s

ωn = Vmax

Radrueda

= 21,02 rad/s

Entonces el par nominal en la rueda es del valor:

Mn = Pn

ωn

= 250 W

21,02 rad/s= 11,89 Nm

Según estos cálculos el par nominal del motor tendría ser de 11,89Nm como

mínimo para poder alcanzar los 25Km/h y no saturarlo, pero según los datos obtenidos

del apartado 4.3, hacen falta 14,79 Nm para cubrir la ruta 4, que es la que necesita un par

mayor. Esto se debe a que también influyen todas las fuerzas que tiene que vencer la

Figura 26. Diagrama de bloque de una bicicleta eléctrica.


LUIS ROCHE PIÑOL

19

bicicleta. Es por eso que el motor que va a elegirse va a ser de un par igual o mayor de

14,79 Nm. A lo largo de las rutas se producirán picos de pares que serán superiores al

nominal, pero no influye puesto que al ser solamente picos el motor no se verá afectado.

Por otro lado, la tensión de entrada está estandarizada, ya que casi todos motores

suelen ser de 24V, 36V y 48V. En este caso se va a elegir una tensión de entrada

intermedia, 36V, y mediante los datos obtenidos se decide que el motor tendrá estas

características:

Tabla 4. Parámetros necesarios del motor.

Motor necesario

Potencia 250 W

Vmax 200,73 rpm

Mn 14,79 Nm

Vin 36 V

4.6 BATERÍA

Para saber la energía necesaria a almacenar en la batería hay que aplicar la siguiente

fórmula:

E = P ∙ t = 250 W ∙ 1,7405 h = 435,14 Wh

Este resultado ha sido calculado mediante los valores de potencia nominal del motor

y el tiempo medio hallado en el apartado 4.1, pero si lo comparamos con las rutas tipo

que se han calculado en el apartado 4.3, con esta energía se podrían hacer varios ciclos

modelo como los de SIMULINK. Esto da lugar también a que en estos ciclos la autonomía

de la batería sea mayor que la mencionada de 1,74h. A continuación se recoge en una

tabla la distancia total que se puede recorrer en cada una de estas rutas con la energía

obtenida:

Tabla 5. Valores de rutas con la energía obtenida.

Distancia total [km]

Ruta 1 36,49

Ruta 2 36,9

Ruta 3 36,58

Ruta 4 35,35

Para elegir la tensión a la salida de las baterías se opta por un valor igual al de la

tensión de entrada del motor, para que no se necesite añadir un circuito intermedio Buck

o Boost, para reducir o aumentar la tensión.

Con lo cual la batería va a tener una capacidad de corriente igual a:

I = E

V=

435,14 Wh

36 V= 12,09 Ah


LUIS ROCHE PIÑOL

20

Tabla 6. Parámetros necesarios de la batería.

Batería necesaria

Tensión de salida 36 V

Corriente de salida 12,09 Ah

4.7 CONTROLADOR

Para poder modelar la bicicleta mediante el programa SIMULINK hay hacer un

estudio del regulador para ver qué valores necesita y así poder dar una respuesta ajustada

a este modelo. Para encontrar el regulador PID necesario hay que partir de un diagrama

de bloques.

Siendo los resultados obtenidos en los anteriores apartados:

Pn = 250 W

Mn = 11,89 Nm

Vin = 36 V

Radrueda = 0,3302 m

ωmax = 21,02 rad/s

J= 29,65

Respecto la parte resistiva e inductiva interna del motor, se opta por tomar los

valores que trae por defecto el motor BLCD de Simulink:

Rin = 0,0585 Ω

Lis = 8,5 ∙ 10−3 H

Entonces puede obtenerse con las ecuaciones de motor simplificadas:

Corriente de entrada del motor:

Iin = Pn

Vin

= 250 W

36 V= 6,94 A

Tensión:

E′ = Vin − Rin ∙ Iin = 36 V − 0,0585 Ω ∙ 6,94 A = 35,59 V

Constantes:

Figura 27. Diagrama de bloque del controlador.


LUIS ROCHE PIÑOL

21

KM = Mn

Iin

= 11,89 Nm

6,94 A= 1,71 Nm/A

KE = E′

ωmax

= 35,59 Nm

21,02 rad/s= 1,69 V/(

rad

s)

Si no estuviera regulado se podría diseñar mediante este diagrama de bloques:

F(s) = KM

KM ∙ KE + R ∙ J ∙ S + L ∙ J ∙ S2=

KM(L ∙ J)⁄

KM ∙ KE

L ∙ J+

RL

∙ S + S2=

6,78

S2 + 6,88S + 11,47

Siendo la función de transferencia:

F(s) = k ∙ ωn

2

S2 + 2ξωnS + ωn2

Se puede obtener:

𝛚𝐧= 3,39 rad/s

𝛏 = 6,88

2 ∙ ωn = 1,02

𝐤 = 6,78

ωn2 = 0,59

Al ser ξ mayor que 1 el sistema es sobreamortiguado. Por ello, los polos del sistema

serán reales:

S = −ξ ∙ ωn ± ωn√ξ2 − 1 = −3,4578 ± 0,68

S1 = −2,78 S2 = −4,14

Con lo que F(s) queda:

𝐹(𝑠) = 6,78

(𝑆 + 2,78) ∙ (𝑆 + 4,14)

1

S + 2,78 =

τ1

1 + τ1S=

0,36

1 + 0,36S

1

S + 4,14 =

τ2

1 + τ2S=

0,24

1 + 0,24S

Figura 28. Diagrama de bloque del controlador sin regular.


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22

𝐹(𝑠) = 0,586

(1 + 0,36S) ∙ (1 + 0,24S)

Con el sistema regulado:

Para realizar un control por cancelación de polos va a usarse un controlador PI. Este

método producirá un aumento en la rapidez de la respuesta del sistema y se eliminará el

error en la entrada escalón.

Se selecciona un regulador PI el cual cancela el polo más lento:

PI(s) = Ki ∙ 1 + τiS

τiS

Siendo:

τi = 0,36

G(s) = PI(s) ∙ Vbat ∙ F(s)

G(s) = Ki ∙ (1 + 0,36S)

0,36S∙ 36 ∙

0,586

(1 + 0,36S) ∙ (1 + 0,24S)=

58,6 ∙ Ki

S ∙ (1 + 0,24S)

H(s) = G(s)

1 + G(s) =

244,16∙Ki

S2+4,16S+244,16∙Ki

Siendo la función de transferencia de H(s):

H(s) = k ∙ ωn

2

S2 + 2ξωnS + ωn2

Y sabiendo que ξ > 1, puede obtenerse:

𝛚𝐧 = 4,16

2= 2,08

𝐤𝐢 =2,082

244,16= 0,0177

Con lo cual el PI(s) queda:

PI(s) = ki ∙ 1 + Gi ∙ S

τi ∙ S= 0,0177 ∙

1 + 0,36S

0,36S

P = ki = 0,0177 I = ki

τi

= 0,049

Figura 29. Diagrama de bloque del controlador controlado.


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23

4.8 MODELO COMPLETO

Para comprobar la respuesta que daría este controlador, se modela el conjunto de la

bicicleta en SIMULINK. Para ello se le atribuyen unos valores cercanos al modelo real

de la bicicleta y la velocidad de los primeros segundos de la ruta 2.

El circuito está compuesto de:

Batería: Manda la energía a la entrada del convertidor puente en 2

cuadrantes.

Velocidad de entrada: Es el valor de la velocidad en función del tiempo de

una de las rutas.

Sumatorio de fuerzas: Capta la velocidad de la ruta y devuelve el sumatorio

de fuerzas junto con el par obtenido en cada momento. Con estos datos

también se hallan otros valores como la potencia o la energía consumida.

Convertidor puente en 2 cuadrantes: A su entrada se encuentra conectada la

batería y es el encargado de regular la energía que entrega al circuito. Esto

lo consigue mediante la información que recibe del controlador.

Controlador: Es un controlador PID el cual se encarga de enviar una señal

de respuesta lo más ajustada a este modelo de bicicleta. Esto se lleva a cabo

para ajustar la velocidad de la salida a la de la entrada. Recibe la diferencia

entre la velocidad de entrada y la de salida del motor, y la envía al

convertidor puente. El valor del PID es el calculado en el apartado anterior.

Velocidad de entrada

Batería Convertidor de señal

sensores Hall VSI 6 Step

Controlador

Brushless Motor

Fuerzas y valores obtenidos

Valores a la salida

del motor

Figura 30. Modelo SIMULINK completo de la bicicleta eléctrica.


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24

VSI 6 Step: Es la composición de seis interruptores, los cuales se encuentran

conectados a la salida del convertidor puente. Estos interruptores son los

encargados de enviar la corriente a una fase u otra del motor según la

información obtenida del convertidor de señal sensores hall. Este elemento

es fundamental ya que aunque la entrada del motor sea trifásica, la corriente

solamente viaja entre dos de las fases en cada momento. Este

funcionamiento se encuentra explicado en el anexo I.

Convertidor de señal sensores hall: Los sensores hall captan la posición del

motor en todo momento y envían esta información al VSI 6 Step. Para poder

transmitir esta información al componente VSI hace falta un convertidor

para que interprete la información y abra o cierre los interruptores debidos.

Valores a la salida del motor: A la salida de dicho motor están conectados

varios display y scope para ver valores como la velocidad de salida y la

posición de los sensores hall entre otros.

A continuación aparecen dos figuras, la primera representa el valor de la velocidad

a la salida de la ruta dos en sus primeros 40 segundos, estando en rojo el valor de la

velocidad de entrada y en azul el valor de la velocidad a la salida del motor. Como puede

observarse la respuesta del controlador se ajusta bastante a lo requerido. Seguidamente

también aparecen los valores SOC, corriente y tensión a la salida de la batería. Con ello

se puede observar el comportamiento de ella en función de las velocidades.

Figura 31. Velocidad de entrada y salida en Simulink, ruta 2

Figura 32. SOC, corriente y tensión de la batería en Simulink, ruta 2.


LUIS ROCHE PIÑOL

25

5 ESTUDIO DE MERCADO Y SELECCIÓN DE LOS

COMPONENTES

5.1 MOTOR

Hoy en día el mercado de las bicicletas eléctricas es muy amplio, dando lugar a un

gran rango de motores eléctricos. En este estudio que se lleva a cabo, se han escogido 27

motores los cuales son una diferencian respecto a otros debido a su garantía de buen

funcionamiento. Dada la forma en la que están diseñados y su funcionamiento,

generalmente todos los motores que se suelen utilizar para las bicicletas eléctricas son de

tipo Brushless motor DC. En el anexo I se muestra el funcionamiento interno de dicho

motor.

Tabla 7. Características de diferentes tipos de motores eléctricos.

Modelo Tipo Potencia

[W]

Torque

[Nm]

Peso

[Kg]

Niveles Marcha

atrás

Recuperació

n de energía

ALBER NEODRIVES

Z15

Rueda 250 40 4,36 3 Sí Sí

ANSMANN RM 7.0 Rueda 250 42 4 5 Sí Sí

BAFANG MAX

DRIVE

Central 250/350/

1000

80/100/

160

3,8 5 Opcional No

Bikee Bike Central 250/500/

749/999

120 4,0

4,5

5 No No

BIONX

D-SERIES

Rueda 250 50 5,5 4 Sí Sí

PLATINIUM Rueda 250 28 2,2 5 No No

BOSCH ACTIVE Central 250 50 4 4 Opcional No

BOSCH

PERFORMANCE

Central 250/350 63 4 4 No No

BOSCH

PERFORMANCE CX

Central 250/350 75 4 4 No No

BROSE E-BIKE Central 250/350 90 3,4 3 Sí No

CLEANMOBILE

PIN120

Central 250/500/9

20

120 4,2 5 No No

FENDT E-MOTORS Central 250 85 3,9 5 No No

ECOSPEED Central 750/1300 - 4,1 - No No

ERGO KIT Central 1200/

1700

- 4,9 - No No

GO SWISSDRIVE

STANDARD

Rueda 250 40 5,3 5 Sí Sí

IMPULSE 2.0 Central 250/350 80 3,9 3 Sí No

IMPULSE EVO Central 250/350 80 4,0 4 Sí No

MPF DRIVE Central 250 60/75 4,8 - No No

PANASONIC Central 250/350 70 4,8 3 Sí No

SHIMANO STEPS Central 250 50 3,1 3 Opcional No

SUNSTAR VIRTUS Central 250 60 3,2 4 No No

SUNSTAR S03+ Central 250 44 3,2 3 No No

SR SUNTOUR HESC Rueda 250/400 50 3,2 4 Sí Sí

SYNO DRIVE Rueda 250/500 35 4,9 3 Sí Sí

TRANZX M25 Central 250/350 50 3,9 5 Sí No

VIVAX ASSIST Central 200 60 1,8 - No No

YAMAHA Central 250 80 3,5 4 No No


LUIS ROCHE PIÑOL

26

En la tabla aparecen dos tipos de motores: centrales y en la rueda. En los centrales

el motor está en el eje del pedal, eso hace que haya una mejor distribución del peso y una

mejor transmisión de energía desde las bielas. Debido a su complejidad de insertarlos en

una bicicleta convencional, y su elevado coste, se va a optar por un motor en la rueda.

El motor escogido se encuentra en el eje de la rueda delantera o trasera, y

dependiendo de dónde se sitúe tendrá unas ventajas y unas desventajas. La posición del

motor en la rueda delantera hace que haya una mejor tracción ya que será una tracción a

dos ruedas, tanto a la delantera con el motor, como a la trasera con los pedales. Además,

este acoplamiento permite poder utilizar una bicicleta convencional y cambiar solamente

la rueda delantera por una con motor, sin necesidad de tener que adaptar la rueda trasera.

Sin embargo, si el motor es colocado en la rueda trasera habrá una mayor potencia en el

conjunto puesto que la aceleración es trasera. Pero por otro lado hay un inconveniente, y

es que al haber tanta potencia trasera la bicicleta tenderá a derrapar por lo que se aconseja

tener un par más bajo para evitar ese efecto.

El motor que mejor se incorporará en la bicicleta será uno de rueda delantera. De

todos los motores que se encuentran en la tabla, el motor Platinium es el que más se ajusta

debido a su par, ya que es el que se acerca más al par calculado anteriormente, y además

es el motor más barato entre los que se ha elegido.

Tabla 8. Características del motor elegido.

Tipo Rueda delantera 26”

Potencia nominal 250 W

Potencia máxima 604 W

Torque 28 Nm

Tensión 36 V

Velocidad 25 km/h

Peso 2,2 kg

Precio 159,01 €

1 Tapón de goma.

2 Tuerca exterior.

3 Arandela anti-giro.

4 Arandela.

Figura 33. Motor escogido.

Figura 34. Plano del motor escogido.


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5.2 CONTROLADOR

El controlador puede diseñarse y construirse o comprar. En este caso se opta por

elegir un controlador del mercado, ya que al comparar los precios actuales del mercado,

el tiempo y la complejidad que lleva el construirlo es preferible comprarlo.

Hay que tener en cuenta que la tensión debe de coincidir con la de las baterías y la

del motor.

Tabla 9. Características del controlador elegido.

Voltaje nominal

Voltaje máximo

36 V

36 V

Corriente nominal

Corriente máxima

7 A

15 A

Conexiones Motor

Batería

Sensor PAS

Cable bus manillar

Luz

Peso 200 gr

Precio 49,01 €

Las bicicletas con pedaleo asistido necesitan saber en todo momento si hay pedaleo

o no, ya que según exige la ley nombrada anteriormente, si no lo hubiera el motor debe

de pararse. Para ello se incorpora un sensor el cual va a enviar una señal al controlador y

este decidir si el motor sigue girando o debe pararse.

Pueden encontrarse dos tipos de sensores: De movimiento o de par. Los primeros

se componen de dos partes: un disco magnético insertado en el eje de los pedales y un

captor que va a detectar la presencia de los imanes cuando estos pasen por su posición.

Si en algún momento deja de detectar el captor la presencia de los imanes este lanzará

una señal al controlador para que pare el motor hasta que vuelva a haber pedaleo. En

cambio, los sensores de par lo que hacen es detectar la presión ejercida en el pedal del

ciclista cuando hace fuerza para pedalear, y esta presión es recogida por unos sensores de

torque.

Figura 35. Controlador escogido.


LUIS ROCHE PIÑOL

28

En este caso es preferible utilizar un sensor de pedaleo de movimiento, PAS, ya que

es más sencillo acoplarlo a la bicicleta. Entre los cuatro modelos de sensores que existen

en el mercado: Sensor PAS Standard, Sensor PAS V12, Senor PAS Easy Spliy y Sensor

PAS Hollowtech, se elige el primero ya que es el modelo estándar y válido para un gran

porcentaje de bicicletas. Además, hay que tener en cuenta el tipo de eje pedalier, que en

este caso es un eje de cuadradillo.

Tabla 10. Características del sensor PAS elegido.

Los sensores PAS de este tipo están conformados por dos elementos: un disco de

imanes, el cual es insertado en la biela de la bicicleta, y un sensor hall, el cual va a percibir

el movimiento del imán y va a conducir esta información al controlador. La señal es de

tipo on/off, ya que si el disco de imanes pasa por el sensor hall, estos van a cerrar el

circuito.

5.3 PANTALLA

Para la elección de la pantalla hay que tener en cuenta que tiene que ser compatible

con el controlador escogido, por ello se escoge este tipo de pantalla:

Tabla 11. Características de la pantalla elegida.

Eje pedal Cuadradillo

Conexión 3 Hilos:

+5 V

Negativo

Señal

Precio 20,95 €

Compatible Controladores:

Platinium

BPM

Nitro

Toma USB Carga de

dispositivos (0,5 A

max)

Instalación Sencilla

Precio 59,96 €

Figura 36. PAS escogido.

Figura 37. Pantalla escogida.


LUIS ROCHE PIÑOL

29

Manual de la pantalla:

Tabla 12. Manual de la pantalla LCD5.

Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria del automóvil, a la hora de

fabricar una batería para un vehículo eléctrico, suelen ser de plomo, de hidruro de níquel-

metal o de litio.

5.3.1 Batería de plomo

Ofrecen una autonomía en torno los 30 – 50Wh por Kg, un efecto de memoria bajo

y un coste bajo. La desventaja que tiene este tipo de batería es que la relación entre el

peso y la autonomía no es favorable puesto que pesan mucho para poca autonomía.

5.3.2 Batería de hidruro de níquel-metal

Son poco eficientes puesto que tienen una eficiencia en torno a 55-70Wh por Kg.

Además tienen la desventaja de que tienen efecto memoria, lo cual hace que se reduzca

el margen de recarga de la batería, y se descargan aunque no se esté utilizando.

5.3.3 Batería de litio

Actualmente es el tipo de batería que se suele utilizar para las bicicletas eléctricas

puesto que es una batería ligera y pequeña, la cual ofrece una capacidad entre 90 y 250Wh

por Kg. Por otro lado también cabe destacar que no tienen efecto memoria, lo cual no nos

condiciona a tener que cargarla hasta el 100%, sino que se puede cargar hasta lo que se

desee.

1

Botón subir

2

Botón On/Off

3

Botón bajar

4

Indicador de batería

5 Km/h Velocidad

6 TM Tiempo parcial

TTM Tiempo total

7

Asistencia (6 km/h)

8 Km Distancia

9 Assist Nivel de asistencia

Figura 38. Manual de la pantalla

escogida.


LUIS ROCHE PIÑOL

30

5.3.4 Comparación de los tipos de baterías

Según Battery University, estos son las principales características de las baterías

mencionadas:

Tabla 13. Modelos de baterías.

Plomo Níquel-

metal

Litio

Cobalto Manganeso Fosfato

Energía

específica

[Wh/Kg]

30 – 50 60 – 120 150 – 250 100 – 150 90 – 120

Ciclos de

vida

200 – 300 300 – 500 500 – 1000 500 – 1000 1000 – 2000

Tiempo

de carga

[h]

8 – 16

2 – 4

2 – 4

1 – 2

1 – 2

Voltaje

de celda

[V]

2

1,2

3,6

3,7

3,2

Toxicidad Muy alta Baja Baja Baja Baja

Coste Bajo Moderado Alto Alto Alto

Comparando los tres tipos de baterías más utilizados en las bicicletas eléctricas se

optará por una batería de ión litio ya que es la que tiene una mejor relación peso-

autonomía

5.3.5 Diseño de la batería

Para el diseño y la construcción de una batería hay que tener en cuenta tres

componentes: Pilas recargables, BMS y cargador.

5.3.5.1 Pilas

Para elegir de qué modelo son las pilas que formarán la batería se hace una

comparación entre distintos tipos de fabricantes de pilas:

Tabla 14. Modelos de pilas recargables.

Fabricante Modelo mAh Ciclos

EBL High Capacity 2.800 1.500

Panasonic Eneloop 2.000 2.100

Panasonic Eneloop Pro 2.550 500

Powerex Imedion 2.400 1.000

Energizer Recharge Power Plus 2.300 700

Duracell Rechargeable 2.400 400

AmazonBasics Rechargeable 2.000 1.000


LUIS ROCHE PIÑOL

31

Según los datos obtenidos en la tabla, el modelo idóneo de pilas a escoger es:

Tabla 15. Valores de las pilas recargables.

Según los datos calculados en el apartado 4.4, la batería debe de tener una salida

de 36V y 12,09Ah. Sabiendo esto y los valores individuales de cada pila, pueden

calcularse cuantas pilas recargables hacen falta en serie y en paralelo para la construcción

de la batería.

Número de celdas en serie:

𝑛𝑠 =𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙=

36

3,7= 9,72 ≈ 10 𝑝𝑖𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒

Número de celdas en paralelo:

𝑛𝑝 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑖𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙=

12,09

3,5= 3,45 ≈ 4 𝑝𝑖𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜

Necesita un total de 40 pilas. Haciendo este montaje se conseguirá tener a la salida

de ella una tensión de 37V y una corriente de 14 Ah.

La energía que proporciona la batería es de:

𝐸 = 𝑉 ∙ 𝐴ℎ = 37 ∙ 14 = 518 𝑊ℎ

5.3.5.2 BMS

El BMS es una pieza fundamental puesto que es quien va a equilibrar de forma

correcta todas pilas y conseguir un buen funcionamiento de la batería. Para elegir un BMS

adecuado se toma en cuenta que se va a utilizar una batería de litio, de 36 voltios a la

salida y 10Ah.

Tensión 3,7V

Corriente 3,5Ah

Figura 39. Pilas recargables.

Figura 40. BMS.


LUIS ROCHE PIÑOL

32

5.3.5.3 CARGADOR

Para escoger un cargador que pueda cargar la batería de forma correcta se tiene que

tener en cuenta que es una batería de litio cuya salida son 36V.

5.3.6 Batería escogida

Debido a que es un montaje complejo, se opta por comprar una batería y cargador

ya diseñados con los componentes descritos anteriormente.

Tabla 16. Datos de la batería escogida.

La salida de la tensión de la batería es igual que la de la entrada del motor. Esta

salida debería de ser algo mayor por la tensión que cae dentro del controlador, pero la

nombran así para que pueda asociarse directamente al motor de 36 voltios. Analizando la

salida de la batería con un multímetro marca realmente 36,6 voltios.

5.4 OTROS COMPONENTES

Los componentes descritos anteriormente son la base que conforma una bicicleta

eléctrica. También se podría incluir luz y frenos eléctricos pero se considera que no son

necesarios de momento. Al circular a una velocidad máxima de 25km/h sirven sin ningún

problema los frenos que ya llevan incorporadas las bicicletas comunes. Y respecto la luz,

si se quisiera se podría comprar una luz LED recargable sin necesidad de ir acoplada al

controlador.

Hay que tener en cuenta que ante un frenado de emergencia actuarían más rápido

los frenos eléctricos, puesto que si solo se frena dejando de pedalear, o con los propios

Tensión 36V

Corriente 12Ah

Peso 1900gr

Precio 116,01€

Figura 41. Cargador.

Figura 42. Batería escogida.


LUIS ROCHE PIÑOL

33

frenos de la bicicleta, hay un pequeño retraso entre la acción y la reacción del controlador

al bloqueo del motor, haciendo que sea menos efectiva la parada.

En cambio, sí que hay que contar con la conexión entre la batería y el controlador,

ya que como llevan distintos conectores, habrá que adaptar uno de ellos para que puedan

unirse debidamente. En este caso se va a utilizar el conector hembra de la batería y como

se verá más adelante, se ensambla su respectivo macho al controlador. Para que quede

una mejor unión entre los cables del controlador y el nuevo conector, y además evitar

posibles cortocircuitos, se recubre la zona ensamblada con una tira termorretractil.

5.5 PRESUPUESTO

5.5.1 Kit eléctrico

Si se compran todos los materiales, menos la batería, en la misma página web, hace

un descuento quedándose el presupuesto total de la bicicleta:

Tabla 17. Presupuesto del kit eléctrico.

Componentes Modelo Precio [€]

Motor Platinium

239,00 Controlador 36V. 15Ah. LCD5 Platinium

Sensor PAS Sensor PAS Standard

Pantalla Pantalla LCD5 (USB)

Batería Iones de litio 116,01

Conector Blister macho 2Pin 50A Rojo 1,45

Tira termorretractil 4.8 Negro 0,83

Total 355,84

Uno de los puntos más importantes, y que normalmente no se tiene en cuenta, es

cuando se carga la batería. Dependiendo del tipo de factura y la compañía con la que se

tenga el contrato es mejor o peor cargar las baterías a una hora u otra. En relación a esto

se va a hacer un estudio de cuanto puede costar cargar las baterías dependiendo la tarifa

que se tenga contratada con la compañía eléctrica ENDESA.

Esta compañía trabaja con dos tipos de discriminación horaria, en 2 o 3 periodos.

El horario de valle y punta cambiará dependiendo del mes y del tipo de discriminación

que haya. A continuación se muestran los distintos tipos de horarios.

Tabla 18. Horarios de luz ENDESA.

Discriminación horaria en 2 periodos

Temporada Meses Horario Valle Horario Punta

Verano Abril a Octubre De 23:00 a 13:00 De 13:00 a 23:00

Invierno Noviembre a Marzo De 22:00 a 12:00 De 12:00 a 22:00

Discriminación horaria en 3 periodos

Periodos Horarios

Horas supervalle De 01:00 a 07:00

Horas valle De 23:00 a 01:00 y de 07:00 a 13:00

Horas punta De 13:00 a 23:00


LUIS ROCHE PIÑOL

34

Se puede observar que en la discriminación horaria en 2 periodos van a variar el

horario valle y horario punta con los meses, mientras que en la discriminación horaria en

3 periodos se mantiene constante durante todo el año y se incluye una tercera hora, la

supervalle, la cual se encuentra en el horario de noche.

También hay que tener en cuenta el tipo de contrato que se tiene, ya que el precio del

kilovatio es diferente. En la siguiente tabla puede observarse el precio del kilovatio según

la tarifa y según el horario. Además, está incluido el precio total de cada carga de la

batería. Para ello hay que tener en cuenta que la batería tiene una potencia de 432Wh.

Tabla 19. Tarifas de luz ENDESA.

Tarifa One Luz

One Nocturna Tempo Verde

Supervalle

Tempo Happy

2h

Precio

Consumo

[ €/kWh] 0,119893 - - -

€ Carga 0,0517 - - -

TE Punta [ €/kWh] - 0,158614 0,154701 -

€ Carga - 0,0685 0,0668 -

TE Valle [ €/kWh] - 0,079420 0,088909 -

€ Carga - 0,0343 0,0384 -

TE SValle [ €/kWh] - - 0,076377 -

€ Carga - - 0,0329 -

TE [ €/kWh] - - - 0,154665

€ Carga - - - 0,0668

Horas

happy

[ €/kWh] - - - 0

€ Carga - - - 0

Notación: TE significa: Término de energía

La mejor opción para que salga más barata la carga de la batería es la tarifa Tempo

Verde Supervalle durante el horario de supervalle, quedando el precio total de recarga

con un valor de 0,014€. A simple vista parece que es mejor cargarla durante las horas

happy que tiene estipuladas la tarifa Tempo Happy 2h, pero contando que la batería se

carga durante 6 horas, según datos del fabricante, entraría a cargarse cuatro sestas partes

de la batería en término de energía, quedando el precio de la carga total en un 0,0445€.


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6 MONTAJE, CUIDADOS Y MANTENIMIENTO

Como el resultado de este proyecto es el estudio de conversión de una bicicleta

convencional a eléctrica, se va a escoger el cuadro de una bicicleta común, la cual puede

verse en la siguiente figura.

6.1 MOTOR

Para comenzar se desmonta la rueda delantera y se comprueba si la nueva llanta

entra en la horquilla de la bicicleta. En este caso no llega a encajar ya que el motor es un

centímetro más ancho que la horquilla. Como solución se ensancha la horquilla hasta que

consigue entrar. Una vez comprobado que encaja, se procede a retirar de la vieja llanta la

goma interior, la cámara y la cubierta, y se insertan los elementos en la nueva llanta del

motor. Posteriormente se coloca la nueva llanta en la horquilla y se añaden dos arandelas

a cada lado para que no roce el motor con la horquilla. Además, se inserta la arandela

anti-giro, la cual viene incluida con el motor, para evitar el giro de este y como

consecuencia se rompa el cable. El montaje final puede verse a continuación.

Respecto su cuidado, el fabricante recomienda no sobrecargar el motor en subidas

pronunciadas. Es mejor trabajar en estos casos en niveles de asistencia inferiores al

máximo, 5, ya que esto podría dañar al motor y la batería.

El motor no necesita ningún tipo de mantenimiento excepto la limpieza, la cual debe

de ser solamente con un trapo humedecido en agua. Bajo ningún concepto se debe limpiar

con hidrolimpiadoras.

Figura 44. Motor colocado en la

bicicleta.

Figura 43. Bicicleta convencional.


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6.2 SENSOR PAS

Para instalar el sensor PAS hay que quitar la biela de los pedales y una tuerca.

Después hay que insertar el sensor hall, la tuerca que hemos quitado previamente para

bloquear el giro del sensor y a continuación los imanes sobre el eje de cuadradillo,

teniendo en cuenta la dirección que marcan las flechas. Para finalizar se vuelve a poner

el pedal. Hay que tener cuidado ya que según los datos del fabricante el sensor hall y los

imanes deben de tener una separación máxima de 2 milímetros. A continuación se

muestra el resultado:

En cuanto a su cuidado, hay que tener especialmente atención en la parte de los

imanes, ya que podrían imantar partículas y ensuciarse, dando lugar a una mala conexión

entre él y el sensor.

6.3 CONTROLADOR

Antes de colocar el controlador hay que tener en cuenta que la conexión entre el

controlador y la batería es diferente. Primero se mira como es la conducción del

controlador. Para ello, con un multímetro en modo diodo se mide la entrada del

controlador donde se conecta con la batería, y se puede apreciar que de una forma deja

conducir la corriente y si invertimos la conexión no, debido a su diseño interior. Con ello

ya se sabe cuál tiene que ser el conector positivo y negativo. Después se opta por cortar

la entrada de la batería al controlador, apreciándose dos cables, uno rojo y otro negro, los

cuales reafirman la medición anterior, y mediante un soldador eléctrico se unen los cables

del controlador a la nueva conexión. Para asegurar y proteger la nueva conexión se coloca

una tira termorretráctil sobre lo soldado. Debajo se muestra como queda la nueva

conexión del controlador para la batería.

Figura 45. PAS colocado en la bicicleta.

Figura 46. Conexión nueva

controlador - batería.


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En cuanto a la posición del controlador en la bicicleta se escoge la alternativa de

colocar el controlador en una parrilla trasera, ya que es una zona donde estará bien

ventilado sin que le llegue demasiada suciedad. Para sujetarlo a la parrilla se ha escogido

una goma vieja de moto, se ha pegado con pegamento para goma y se ha ajustado de tal

modo que quede bien agarrado el controlador. En la siguiente figura se puede ver cómo

queda ajustado.

En relación a su cuidado, hay que limpiarlo de vez en cuando ya que a sus dos lados

lleva un disipador de calor, y si estuviera sucio disminuiría su rendimiento. Además, es

conveniente comprobar a menudo que todas las conexiones estén adecuadamente unidas

y limpias para evitar fallos.

6.4 CABLE E-BUS

Se conecta el cable al controlador y se amarra al cuadro de la bicicleta mediante

bridas, de forma que quede un extremo en el controlador y el otro extremo en el manillar,

para unir la pantalla. Se procura que la sujeción de las bridas no entren en contacto con

los cables del freno ya que sino estos no actuarían, por ello hay que ponerlas por debajo

de los cables de los frenos.

6.5 PANTALLA

Se coloca el soporte de la pantalla mediante una abrazadera y un tornillo, que lleva

como soporte, y se une su cable con el cable e-bus. A continuación puede verse cómo

queda agarrado al manillar.

Figura 47. Controlador colocado en la

bicicleta.

Figura 48. Pantalla colocada en la

bicicleta.


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6.6 BATERÍA

De todas las alternativas posibles se opta por colocar la batería junto al controlador

en la parrilla, puesto que se prefiere que vaya de forma plana al suelo, y es un sitio donde

no va a coger tanta suciedad como podría ser en la parte inferior del cuadro. Además, al

ser tan cortos los cables del controlador y la batería, si se pusiera en otro lado habría que

añadir un cable extra de empalme. Para amarrarla se sigue el mismo procedimiento que

en el controlador. Debajo se muestra como queda el conjunto de la parrilla conformado

por la batería y el controlador.

En cuanto a su cuidado, hay que comprobar a menudo que los cables estén limpios

y bien unidos al controlador, para que no se produzca ningún error de mala conexión.

6.7 RESULTADO FINAL

Este es el resultado final del montaje del kit eléctrico en la bicicleta.

Figura 49. Batería colocada en la bicicleta.

Figura 50. Montaje final de la bicicleta.

Controlador

Motor Sensor PAS

Batería Pantalla


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7 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS TEÓRICOS Y

PRÁCTICOS

Para poder hacer una comparación de ambos resultados, se llevan a cabo varias rutas

de la misma manera que se elaboraron sin motor. Los resultados obtenidos en cada una

de las rutas están recogidos en la siguiente tabla:

Tabla 20. Comparación de las rutas sin y con motor.

Rutas Sin motor Con motor

Duración

[h:min:seg]

Vel.

Media

[km/h]

Ritmo

Medio

[min:seg]

Duración

[h:min:seg]

Vel.

Media

[km/h]

Ritmo

Medio

[min:seg]

Ruta 1 00:32:18 14,5 04:08 00:21:18 21,8 02:45

Ruta 2 00:34:02 13,4 04:29 00:20:28 22,2 02:42

Ruta 3 00:36:55 15,6 03:50 00:25:28 22,6 02:39

Ruta 4 01:08:54 15,7 03:49 00:45:57 23,5 02:33

Puede apreciarse que en todas las rutas realizadas la velocidad media es

considerablemente mayor, puesto que el caso donde menos ganancia ha habido de

velocidad media es en la ruta 1 y aun así se han ganado 7,3km/h, y el caso donde más se

ha ganado en velocidad media ha sido en la ruta 2, donde se llevan 8,8km/h de diferencia

entre el recorrido sin motor y con motor.

Además, se puede ver que el ritmo medio de cada ruta es bastante más inferior con

motor a sin motor, ya que la ruta que más diferencia de ritmo medio que tiene es la ruta

2, en la cual se ha ganado 1 minuto y 47 segundos por cada kilómetro, y la ruta que menos

ritmo medio se ha ganado es en la ruta 3, ganando solamente 1 minuto y 11 segundos.

La diferencia de ganancia entre una ruta y otra depende de varios factores, siendo

el más importante el nivel de pendiente. Se puede observar en el apartado 4.3 que la ruta

donde hay un mayor nivel de pendiente, la cual es la ruta 3, es donde hay una menor

ganancia de resultados. Esto se debe a que contra más pendiente hay en el recorrido, el

motor actúa como una fuerza externa pero con menos fuerza que cuando la carretera es

llana. Es por eso que la ruta 2 es donde se ha conseguido mejores resultados, ya que es el

recorrido que tiene menos nivel de pendiente.

También cabe resaltar que el motivo de que la ruta dos sea donde se han obtenido

unos mejores resultados se deba a que es la ruta que menos par efectivo necesita, por lo

que el motor tiene que realizar una menor fuerza para realizar el desplazamiento de la

bicicleta.

Por otra parte, respecto la fuerza que se ejerce a la hora de pedalear cuando se circula

con motor es notablemente inferior en comparación cuando no lo lleva. El ciclista en este

caso, si es una zona llana, no requiere hacer un gran esfuerzo puesto que casi toda la

fuerza la ejerce el motor. En cambio, cuando hay una zona con pendiente, el motor pierde


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fuerza y entonces sí que nota que hay que ejercer una mayor fuerza para seguir con el

movimiento, aunque es mucho menor comparado cuando no existe el motor, ya que otra

parte de la fuerza la ejerce él.

Por otra parte, para comprobar la autonomía de la batería se ha llevado a cabo otra

ruta en donde la batería estaba cargada por completo al comienzo y finalizara al momento

en que esta se descargara y el motor no ofreciera ninguna ayuda. Para realizar la ruta se

ha escogido un nivel de asistencia 3 y en las zonas de mayor pendiente se subiera a nivel

5. Los resultados se recogen en la siguiente tabla.

Tabla 21. Ruta autonomía de la batería.

Distancia [km] 48,40

Duración [h:min:seg] 1:55:30

Velocidad media [Km/h] 25,1

Ritmo Medio [min:seg] 2:23

El diseño eléctrico que ha sido construido cumple sin ningún problema con las

referencias de las que se partían en el apartado 4.1. Llega a cubrir una distancia de 48,4

Km, 22,09 km más de los que se había marcado como referencia, y una duración de 11

minutos mayor que la media de las rutas.


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8 CONCLUSIÓN

Ante la gran variedad de productos de mercado es relativamente sencillo construir

una bicicleta eléctrica debido a que todos componentes están interconectados y

estipulados. Solo hace falta saber qué características quiere que cumpla la bicicleta

respecto potencia, fuerza y autonomía, y buscar los componentes que más se ajusten.

Por otra parte se ha podido comprobar en el montaje la diferencia entre conducir

una bicicleta sin motor y con él, y se ha observado que es una gran ventaja para la gente

que le cuesta más desplazarse en este medio, debido a la mejora que proporciona esta

ayuda al pedaleo. Sin embargo, cabe destacar que solo es una ayuda y es por eso que

cuando se maneja el vehículo en zonas de pendiente, el motor en este caso no tiene la

suficiente fuerza y disminuye la ayuda, haciendo que el ciclista tenga que hacer un mayor

esfuerzo frente una zona llana.


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9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] España. Real Decreto Legislativo 6/2015.

[2] REGLAMENTO (UE) Nº 168/2013 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL

CONSEJO.

[3] DGT, España. Instrucción 16/V-124.

[4] Reglamento Electrotécnico de baja tensión (REBT)

[5] Organización Mundial de la Salud. Obtenido de https://www.who.int/es

[6] Agencia Europea de Medio Ambiente. Obtenido de https://www.eea.europa.eu/es

[7] Apuntes de accionamientos eléctricos

[8] Apuntes de movilidad eléctrica.

[9] Medioambiente y naturaleza. Obtenido de

https://medioambienteynaturaleza.com/consideraciones-y-tipos-de-bicicletas-

electricas/

[10] E-Biker. Obtenido de http://e-biker.es/

[11] Bikelec. Obtenido de https://www.bikelec.es/

[12] Batteryuniversity. Obtenido de https://batteryuniversity.com/

[13] Biobike. Obtenido de https://www.biobike.es/

[14] Ciclotek. Obtenido de https://ciclotek.com

[15] Doria Andrade, J. G., & Rivera Berrío, J. G. Física Volumen II Interactivo. Pascual

Bravo.

[16] F. Gieras, J., Wang, R.-j., & J. Kamper, M. Axial Flux Permanent Magnet Brushless

Machines.

[17] Ing. Hernández Báez, P., Dr Morales Caporal, R., Dr. Ordoñez Flores, R., & Ing.

Saldaña Aguirre, J. M. (2017). Análisis y elección de un motor Brushless para

accionar una bicicleta eléctrica. Congreso Internacional de Investigación

Academia Journals Celaya. México: Academia Journals.

[18] Navarro, P., Rui-Wamba, J., Fernández Camps, A., Altisench, O., García Bañuelos,

C., Juliá, J., & Rui-Wamba Martija, Á. La Ingeniería de la Bicicleta. Fundación

ESTEYCO.

[19] Organización Mundial de la Salud. (s.f.). Obtenido de https://www.who.int/es

[20] Yedamale, P. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals AN885. Microchip

Technology Inc.

[21] Ciclotek. Manual de instrucciones KITs de conversión y Asistencia Eléctrica.

[22] App WIKILOC

[23] App RUNNING

[24] App Strava

https://www.who.int/es

https://www.eea.europa.eu/es

https://medioambienteynaturaleza.com/consideraciones-y-tipos-de-bicicletas-electricas/

https://medioambienteynaturaleza.com/consideraciones-y-tipos-de-bicicletas-electricas/

http://e-biker.es/

https://www.bikelec.es/

https://batteryuniversity.com/

https://www.biobike.es/

https://ciclotek.com/es/motores-ebike/9376-motor-ebike-platinium-250-watt-delantero-26-plata.html


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I. ANEXO

I.I. BRUSHLESS MOTOR DC (BLDC)

Para ver de una manera visual el funcionamiento real del motor, en la siguiente

figura se muestra el comportamiento de la fuerza electromotriz, el par a la salida y la

corriente por cada fase dependiendo de la información recibida por los sensores hall.


LUIS ROCHE PIÑOL

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El par de la salida del motor se mantiene prácticamente constante en todo momento,

pero la corriente por cada fase no debido a que aunque sea un devanado trifásico la entrada

del motor, la corriente solo entra entre dos devanados haciendo que sea un circuito DC.

Es por eso que dependiendo del número de secuencia en el que se encuentre, la corriente

en cada fase va a circular de una manera u otra. A continuación se muestra el recorrido

que lleva a cabo la corriente por cada bobina dependiendo del número de secuencia:

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