Bateria para bicicleta elétrica: (quase) tudo o que precisa de saber!

Bateria para bicicleta elétrica: um componente indispensável e caro da BVA

A bateria é ainda o elemento mais caro da bicicleta elétrica. Por uma questão de custo inicial, o ciclista elétrico arrisca investir numa bateria de capacidade limitada para depois debater-se com a autonomia. É preciso pedalar, antecipar, travar o menos possível e não solicitar demasiado a bateria para ter a certeza de chegar ao fim do trajeto. Na maioria das vezes não há wattímetro instalado e o piloto está cego face às informações que permitiriam gerir a energia embarcada.

Seja como for, o objetivo é definir um investimento duradouro em vez de uma despesa para um sistema demasiado limitado: nas linhas seguintes poder-se-ão encontrar algumas pistas de reflexão, sabendo que se trata de generalidades.

Terras raras: a China é impreterível

Hoje em dia a produção de terras raras – extração e refinação – é 90% chinesa (saber mais na Wikipédia). Esta atividade é particularmente nociva para o ambiente e por enquanto a China parece acomodar-se: um mercado com um crescimento anual de 20% e de 120 mil milhões de dólares não se recusa. Com estas terras raras, empresas chinesas ou joint-ventures (Sanyo, Panasonic, etc.) produzem células que permitem alimentar os smartphones, os computadores portáteis, as cadeiras de rodas, os automóveis e as motos elétricas, sem esquecer as bicicletas de assistência elétrica (BVA). O mercado é tão importante do ponto de vista estratégico que se tornou um elemento da política externa chinesa: o Japão já foi ameaçado de embargo!

Da terra rara às células

Uma bateria é composta de células. Somando as células em série e em paralelo, obtém-se a tensão desejada. Voltaremos mais tarde à química; saiba apenas que:

• em tecnologia Li-Ion e LiPo cada célula tem uma tensão nominal de 3,7V e a tensão máxima é de 4,2V. Uma bateria de 48V é composta geralmente de 13 células; uma vez carregada a tensão máxima é de 13*4,2V ou seja 54,6V
• em tecnologia LiFePO4 cada célula tem uma tensão nominal de 3,2V e a tensão máxima é de 3,65V. Uma bateria de 48V é composta geralmente de 16 células e quando a bateria está carregada, a tensão máxima é de 16*3,65V ou seja 58,4V

A montagem em série das células é identificada pela letra S. Na bateria de 10Ah composta de 13 células, diz-se que é uma 13S1P, o “1P” indica 1 em paralelo. No caso da nossa bateria de 20Ah com dois grupos de 13 células, fala-se de 13S2P: duas vezes treze células.

Battery Management System (BMS)

As células que compõem a bateria são muito frágeis: há que respeitar absolutamente certas regras: não ultrapassar a tensão máxima de 4,2V, não descer abaixo da tensão mínima. Para tal, uma placa eletrónica gere:

• a corte alta e baixa,
• a intensidade de descarga e de carga
• os parâmetros de equilíbrio das células
• por vezes a temperatura assim como outros parâmetros

As células e o BMS determinam a capacidade de saída: uma bateria que entrega 20Ah e de capacidade 20Ah entrega 1C. Se a bateria for capaz de entregar 40Ah, então é de capacidade 2C: as chamadas de corrente são mais fortes, mas a duração durante a qual a corrente é fornecida é dividida por dois. O BMS é dimensionado para a capacidade de saída.

A propósito da capacidade, é importante compreender a adequação entre a potência pedida (pelo controlador) e a capacidade da bateria. Se o seu controlador é dado para 28Ah e a sua bateria de 15Ah só pode entregar 20Ah, então a sua configuração não está correta.

O BMS associado às células define o regime de descarga. Por exemplo:

• Maximal Continuous Discharge C-Rate: 30Amps / significa que a bateria pode entregar 30 amperes de forma contínua
• Maximal Discharge Current: 60Amps / significa que a bateria pode entregar 60 amperes durante alguns segundos

A química

Uma bateria é composta de várias células idênticas. As baterias de chumbo já não são usadas para as bicicletas (salvo produtos de gancho que convém desaconselhar formalmente) e hoje em dia há três tecnologias presentes, mas nem sempre fáceis de identificar: a Europa e a China não retêm a mesma terminologia!

• Na China LiMnO4 e Li-NiCoMnO2 são denominadas “Li-ion”.
• Na Europa distingue-se:
  • – Li-Ion para iões Li+ e um eletrólito líquido num invólucro sólido,
  • – Li-Po para um polímero sólido que permite um invólucro flexível facilmente identificável
  • – LiFePO4: Lítio Ferro Fosfato

Atenção: as duas primeiras tecnologias têm células de 4,2V máx e a terceira de 3,65V: em consequência, nunca utilizar um carregador destinado a uma tecnologia para outra tecnologia. Por exemplo, em 48V a Li-PO carrega a 54,6V e a LiFePO4 a 58,6V!

Número de ciclos

Comparação das químicas

• O preço indicativo é para uma bateria comprada na China, sem transporte nem taxa de importação. Para um preço entregue à sua porta, utilize um coeficiente 1,5!

** A % de peso é bastante variável, de 7 a 8kg para uma 20Ah, mas consoante as baterias pode chegar-se a 10 ou 11kg para uma 48V 20Ah em LiFePO4

*** Uma bateria cuja tensão é mais elevada permitirá circular mais depressa. Empiricamente 48V = 48km/h, mas isso depende do enrolamento do motor!

Alguns comentários:

• o preço inicial favorece a Li-Ion mas o custo de exploração favorece a LiFePO4. Um cálculo empírico (15000km para uma 20Ah em Li-Ion a 450€ e 30000km para uma LiFePO4 a 500€) dá um custo de exploração de 3€ nos 100km para a primeira e de 1,67 para a segunda.
• a densidade energética favorece a Li-Ion, o que significa que a Li-Ion pesa menos e pode ser determinante consoante a aplicação

Autonomia e conselhos sobre a capacidade

Visto que a bateria é cara, tende-se a calcular o mais justamente possível. É um erro, porque:

• uma bateria nunca deveria ser esvaziada mais de 80% da sua capacidade para preservar o seu número de ciclos
• quando se circula a 0° consome-se 30% mais (porque a resistência interna aumenta)
• quando sopra o vento o consumo explode

Isto significa que se pensa que uma bateria de 10Ah chega para o seu trajeto, é aconselhado tomar uma bateria de 15Ah.

Como visto acima, adapte o seu controlador e a sua bateria: um controlador de 20A acordará perfeitamente com uma bateria que entregue 20A ou mais de forma contínua.

Para os números em utilização real, consulte o parágrafo “Na prática” abaixo.

Descargas, recargas, manutenção, armazenamento

Os pontos abaixo são conselhos que permitem gerir bem a bateria:

• No princípio dos telemóveis e das suas baterias de NiCd, devido ao efeito de memória desta química, o conselho era esvaziar completamente e recarregar “a fundo” para quebrar o efeito de memória. Esta ideia ficou na memória coletiva e alguns (ignorantes) querem aplicá-la à química Li-Ion ou LiFePO4 das baterias de bicicleta atuais: é um erro terrível e destrutivo, é preciso evitar as descargas profundas
• Se a sua bateria é do tipo Li-Ion, considere que cada célula não deve descer abaixo de 3,2V: para uma bateria composta de 13 células, não desça abaixo de 41,6V, mesmo que o seu BMS ou o controlador tenham cortes baixos inferiores
• Para além do ponto anterior, o BMS é uma montagem eletrónica que utiliza a energia da bateria para funcionar, as células tendem à autodescarga: recarregue o mais frequentemente possível a sua bateria
• não há nenhuma maneira de manter a sua bateria (não se pode “mudar o filtro de óleo” nem “refazer a pressão”) se não for respeitando as células: tensões altas e baixas, sem descargas profundas. Dito isto, como as células tendem à autodescarga, pode recarregar a bateria pelo menos uma vez por mês
• e para terminar com o armazenamento: a tendência para a autodescarga é menor com as baixas temperaturas: tanto quanto possível, armazene-a ao frio!

Na prática

• uma bateria 48V 20Ah LiIon
• motor Nine Continent 9×7
• cerca de 70km por dia de trabalho durante um ano, cerca de 400 ciclos de recarga (a cada 35km). Perda da capacidade após 400 ciclos: cerca de 20% (restam 16Ah)
• a bicicleta é utilizada “em modo scooter”, ou seja, sem nunca pedalar

Abaixo os quilómetros mensais durante um ano (medição GPS, registo em RunKeeper):

No trajeto:

• velocidade média de carro = 44km/h
• velocidade média em BVA = 42km/h

Algumas observações:

• o frio aumenta a resistência interna da bateria: no inverno, com temperaturas em torno dos 0°, o consumo é 30% mais importante do que a 25°
• autonomia 55km com uma bateria 48V 20Ah e o RH205 9×7 a 25° sem vento, controlador 24Ah, percurso plano e sem pedalar a uma média de +40km/h
• autonomia 41km com uma 48V 15Ah e o motor RH205 9×7 a 25° sem vento, controlador 24Ah, percurso plano e sem pedalar a uma média de +40km/h
• reduzindo a velocidade o consumo diminui fortemente. Com a bateria 20Ah a 30km/h pode-se contar com 80km de autonomia

Alguns números de percursos reais (motor RH205 9×7, bateria 48V 20Ah, controlador 24A):

• 38 km a uma média de 41km/h, vento contra 10km/h, velocidade máx 48km/h, consumo 12A
• Velocidade Máx 55,4km/h com vento a favor de 30km/h
• 36km a uma média de 43,7km/h
• 72km com uma carga, 35km “em modo scooter” a velocidade máxima, o resto pedalando ligeiramente

Baterias de aeromodelismo?

A priori as baterias de aeromodelismo podem representar uma alternativa sedutora: o custo é limitado e pode-se pensar fazer a manutenção nós próprios brincando com os packs. Por exemplo, podem-se montar duas LiPo de 24V 8Ah para fazer um pack 48V a baixo custo.

Na realidade, a única vantagem é a do custo a priori, mas a realidade assemelha-se a um espelho de alices:

• montar um pack de baterias apresenta um primeiro inconveniente: a qualidade das unidades recebidas. Com efeito, acontece frequentemente que:
  • num lote de baterias que se deseja montar, um dos packs seja mau (uma célula primária defeituosa) e seja o pack inteiro que é mau (por exemplo uns Hobby King 24V 8000mAh…)
  • a capacidade anunciada está longe da conta (exemplo WinForce, são precisas seis de 5000mAh para ter as mesmas prestações de dois Hobby King de 8000mAh)
• o pack montado por nós próprios não tem BMS. De modo que se pode descarregar facilmente o pack para além do limite. Isto é impossível com uma bateria que integra o BMS. Pode-se resolver o problema realizando ou comprando um BMS…
• a vigilância de cada célula passa por um assobiador LiPo… Ou não! De modo que ainda mais ligações a efetuar, e sobretudo não esquecer de desligar o assobiador, que vai descarregar a bateria
• a carga é penosa: pode-se ou carregar cada bateria uma a uma (ideal: levantar-se de noite no fim de uma bateria para carregar a outra) ou comprar cablagem e carregar tudo em paralelo. Evite carregar tudo isso no escritório, vai ver-se!
• É preciso comprar um carregador específico e de boa qualidade, o que não é barato
• Para além do carregador é preciso comprar uma fonte de alimentação para o carregador

Em conclusão, montar as próprias baterias é possível, mas em termos de custo não é necessariamente vantajoso. Por outra parte, será preciso prever tempo, paciência e ensaios antes de chegar a uma solução duradoura. Sem contar que toda a cablagem e as caixas (carregador, fonte de alimentação, placa para carga em paralelo, baterias) não passam despercebidas: é muito difícil carregar discretamente no escritório.