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ottobre 16, 2022 8 minuti letti

Qualche tempo fa abbiamo scritto dell'autonomia delle biciclette elettriche con batterie agli ioni di litio, anche se fondamentalmente la maggior parte delle batterie di questo tipo si basa sugli stessi principi. In quel post, abbiamo fatto una sintesi dei principali motivi per cui una batteria agli ioni di litio scarica l'energia che ha accumulato e, quindi, possiamo determinare la distanza. Questa volta affronteremo l'argomento da un punto di vista più preciso, approfondendo il meccanismo che rende possibile il dispendio energetico delle nostre batterie agli ioni di litio. Sfateremo anche dei miti sul funzionamento di queste batterie poiché, in molte occasioni, non siamo consapevoli dei cambiamenti tecnologici che avvengono intorno a noi, promuovendo idee che prima erano reali ma ora non lo sono più.

Esistono molti tipi di batterie al litio con diverse combinazioni chimiche e che quindi si differenziano per le loro capacità e le loro carenze. Le celle elettrochimiche che utilizziamo nelle nostre batterie sono composte da un catodo NMC (ossido di cobalto, nichel e manganese) e da un anodo di grafite che sono la causa della reazione REDOX (ossido-riduzione) che avviene grazie alle proprietà dell'ossido di litio. Il funzionamento è relativamente semplice, e diciamo relativamente perché se analizziamo le proprietà fisiche e chimiche dei materiali che ne rendono possibile il funzionamento, l'argomento diventa estremamente denso e complesso.

In breve, una batteria di questo tipo funziona immagazzinando energia e rilasciandola attraverso il processo di elettrolisi, e la proprietà più notevole del litio è semplicemente che il processo di elettrolisi può essere ripetuto fino a centinaia o migliaia di cicli. La durata delle celle è determinata da diversi fattori, come i tempi di utilizzo e disutilizzo, la temperatura o il numero di cicli di carica e scarica. Ciò che è inevitabile è la degradazione chimica del litio, che fa sì che le sue proprietà diminuiscano a ogni utilizzo. Ciò è dovuto a diversi fattori che illustreremo di seguito.

Sono le 9:45 del mattino e il telefono squilla nell'ufficio di Legend E-Bikes. Un cliente proprietario di una Legend Etna vuole parlare con Ramon, il nostro responsabile SAT. Il cliente chiede spiegazioni sulla leggera diminuzione dell'autonomia della sua batteria Panasonic-Sanyo da 10,4Ah perché, dopo un uso intensivo, ha notato che la capacità di carica non è più quella del primo giorno.

 

Molti utenti si chiedono come migliorare l'autonomia delle biciclette elettriche. È una domanda che vediamo regolarmente, e non solo nelle biciclette elettriche, ma anche nelle auto elettriche, negli smartphone, nei computer portatili e praticamente in tutti i dispositivi che richiedono l'uso di batterie al litio per il loro funzionamento.

Il fatto è che molti non sanno che lo scenario dell'accumulo elettrico non è così all'avanguardia come sembra e, anche se è vero che sono stati fatti molti progressi rispetto alle vecchie e pesanti batterie al piombo, la tecnologia attuale presenta diversi inconvenienti di cui dobbiamo tenere conto se vogliamo prolungare la vita delle nostre batterie.

1.La seconda legge di Newton

Sebbene la seconda legge di Newton spieghi la relazione tra potenza, massa e movimento, non è nostra intenzione far risolvere al lettore delle equazioni per determinare se la vostra batteria sarà all'altezza del compito, quindi la riassumeremo in modo molto più pratico.

Può sembrare un'ovvietà, ma alcuni non si rendono conto dell'importanza di questo dettaglio: più si pesa, più energia occorre per muoversi. Quando sentiamo cifre come la distanza che possiamo percorrere con un carico, dobbiamo tenere presente che questi calcoli si basano su uno standard, ovvero un ciclista di 70 kg. Pertanto, più superiamo questa cifra, meno autonomia otterremo dalla stessa batteria. Allo stesso modo, minore è la massa corporea, maggiore sarà il numero di chilometri per carica che potremo percorrere.

2. Profilo di viaggio

Questa sezione è regolata dagli stessi principi della precedente ed è d'importanza pari o superiore, poiché il peso della persona è di secondaria importanza.



Una corsa in salita raramente è lineare, sia in città che in campagna, è frequente pedalare su pendenze e terreni variabili o curve di ogni tipo. Ovviamente se il nostro percorso è in salita la quantità di energia di cui avremo bisogno sarà maggiore. Anche in questo caso, i valori che possiamo apprezzare nelle specifiche di qualsiasi batteria si basano su standard e questi si basano su un'inclinazione neutra del pendio, cioè sul piano.

3. Interruzioni di viaggio

Il maggior consumo di energia si verifica nelle partenze. Per vincere la resistenza rappresentata dal peso combinato della bicicletta e del ciclista da fermo fino a una velocità di 25 km/h, viene utilizzata molta energia, molto più di quella impiegata per mantenerci costanti a quella velocità per un lungo periodo. Questo perché, una volta raggiunta una velocità costante, l'energia viene utilizzata solo per vincere la resistenza meccanica offerta dalle parti in movimento della bicicletta e la resistenza del vento. In pratica, se volete aumentare l'autonomia della vostra bicicletta, cercate di mantenere sempre l'inerzia e non abbiate fretta quando vi avvicinate a un semaforo rosso che vi obbliga a fermarvi. Invece, anticipate e rallentate gradualmente man mano che vi avvicinate e, se tutto va bene, quando arriverete a destinazione sarà già diventato verde.

4. Condizioni meteorologiche

Ancora una volta, le forze esterne interferiscono in modo significativo con le prestazioni delle nostre batterie. È stato documentato un aumento delle prestazioni del 22% nelle batterie a causa del vento contrario, e cali altrettanto significativi sono stati osservati quando si pedala contro il vento contrario.

 

Anche la temperatura è un fattore determinante: a differenza dei circuiti elettronici e dei chip, le batterie non funzionano meglio a basse temperature, poiché si tratta di reazioni chimiche. Una temperatura di 0º è sufficiente a ridurre le prestazioni della batteria del 20% e questo non significa che perda la carica o che ci sia un guasto nelle celle, semplicemente il freddo non permette agli elettroni di muoversi liberamente come a temperature elevate. Tuttavia, questo non significa che più fa caldo, meglio funzionerà la nostra batteria: esiste un intervallo di funzionamento ottimale di 35°/45°. Se superiamo questo intervallo, inizieremo a notare come la batteria perda la sua carica a causa dell'instabilità degli ioni di litio.

5. Pneumatici

È fondamentale mantenere una pressione corretta degli pneumatici; il contatto costante genera un attrito che deve essere ridotto il più possibile. I pneumatici con poca aria fanno sì che una superficie maggiore del pneumatico entri in contatto con il terreno, causando così un attrito che offre resistenza. Allo stesso modo, il tipo di pneumatico può farci perdere un po' di efficienza. Uno pneumatico liscio sarà molto più efficiente sull'asfalto, mentre uno con grandi tasselli ci farà viaggiare di più sui terreni ripidi.

6. Uso dell'acceleratore

Nonostante il fatto che nell'UE non sia legale utilizzare un acceleratore su una bicicletta elettrica, ci sono utenti che scelgono di installare uno di questi accessori, o perché sono affaticati o semplicemente per comodità. In ogni caso, l'acceleratore è in grado di ridurre l'autonomia di una batteria fino al 50%. La spiegazione è ovvia: se si omette l'assistenza umana, il consumo di energia da parte del motore è maggiore.

7. Componenti regolati in modo errato

Sia che si utilizzino freni a disco o freni a V, una cattiva regolazione può causare lo sfregamento delle pastiglie o delle ganasce sul disco o sul cerchio e produrre resistenza. Questo può sembrare scontato, dato che è facile accorgersi che la bicicletta sta frenando, ma prima che la frenata indesiderata diventi evidente, c'è una graduale cattiva regolazione che probabilmente non si nota. Su una bici normale sarà difficile pedalare e probabilmente si noterà subito l'attrito, ma su una bici elettrica non lo si noterà così facilmente, perché il motore continuerà a lavorare lo stesso ma consumando più energia. Allo stesso modo, un asse decentrato, raggi allentati o una sospensione troppo lasca possono offrire una resistenza minima che può farci perdere un po' di autonomia.

8. Età della batteria

C'è un fattore molto importante quando si misura la longevità di una batteria. Forse è il fattore più determinante per quanto riguarda l'autonomia delle biciclette elettriche. La vita di una batteria non inizia nel momento in cui vengono prodotte le celle, e nemmeno nel momento in cui l'assemblatore costruisce la batteria. Il primo giorno di vita della batteria al litio inizia con la prima carica. Ciò è dovuto alla SEI (Solid Electrolyte Interphase), una reazione chimica che alla prima carica provoca la formazione di uno strato di ossido di litio intorno all'anodo di grafite.

Questa reazione segna l'inizio della vita utile della batteria, ma porta a una discreta riduzione della capacità di carica fin dal primo ciclo, cosa abbastanza comune in tutte le batterie agli ioni di litio. Tuttavia, il degrado naturale del litio si verifica di ciclo in ciclo, quindi non bisogna preoccuparsi di acquistare una batteria nuova prodotta un anno fa, poiché i produttori forniscono celle con il 60% del primo ciclo di carica nella maggior parte dei casi.

9. Potenza del motore e accessori

Esistono molti tipi di motori, i più comuni sono da 250W, ma molte altre eBike hanno motori da 500W o più che richiedono un consumo energetico molto più elevato. Si consiglia vivamente di conoscere la potenza del motore o, per essere più precisi, la potenza massima erogata dal controller, al momento dell'acquisto di un'eBike; anche in questo caso, la scelta dipenderà dalle proprie esigenze.
Come ci si può aspettare, l'uso di dispositivi e accessori su una bicicletta richiede energia per funzionare. Molti sono alimentati a batteria o dispongono di una propria batteria interna, ma la cosa più comune è utilizzare la batteria dell'eBike per alimentare luci, smartphone, altoparlanti, display, contachilometri, ecc. L'utilizzo di alcuni accessori di solito non è apprezzato (in termini di prestazioni), ma anche in questo caso tutto dipende dalla quantità di energia di cui abbiamo bisogno per utilizzare i dispositivi esterni. In un'occasione, un cliente ha installato un impianto audio alimentato dalla porta USB della sua Legend Monza e ha sacrificato un po' di autonomia in cambio di essere l'anima della festa.

10. Corsa del pedale

Anche una pedalata errata è causa di un'autonomia ridotta sulle biciclette elettriche. Soprattutto nelle biciclette elettriche con motore centrale è molto importante avere una pedalata corretta e vi spieghiamo perché:

Proprio come i motori a combustione, i motori elettrici hanno un intervallo di giri in cui sono più efficienti. Il picco massimo di efficienza energetica (circa l'80%) si verifica a un numero di giri piuttosto elevato. Ciò significa che al di sotto di queste velocità il motore tende a essere molto meno efficiente ed è molto importante nei motori centrali (che utilizzano la catena, e quindi il deragliatore, come trasmissione), quindi cercate di tenerlo presente quando utilizzate il deragliatore della vostra bicicletta.



Come abbiamo accennato all'inizio, esistono alcuni miti sulle batterie che all'epoca erano corretti ma che oggi non solo sono sbagliati, ma possono anche danneggiare le nostre batterie. Uno dei più diffusi è la raccomandazione di effettuare una carica completa nel primo ciclo per esaurirla completamente prima di effettuare la seconda carica. Fortunatamente, il BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM) all'interno della batteria ha già il compito di limitare la carica o la scarica totale per aumentare la durata delle celle, evitando il sovraccarico. Il BMS è anche responsabile del controllo della velocità di carica e scarica, che è fondamentale per le batterie al litio, poiché non si scaricheranno mai al 100%.

Sebbene le batterie al litio non abbiano effetto memoria, molti produttori consigliano di calibrare la batteria ogni 3 mesi. Qui spiegano come farlo.

Conoscendo queste cause possiamo farci un'idea dell'efficienza che otterremo muovendoci con la nostra bici elettrica e della batteria di cui avremo bisogno a seconda dell'uso che ne faremo. L'utente medio sarà coperto da batterie da 8,8Ah, per un uso più intensivo sarà probabilmente necessario arrivare a 11Ah e nel caso delle flotte di trasporto è molto comune avere un backup di batterie di ricambio in carica costante. Non possiamo però trascurare il fatto che per alcuni utenti, sia perché devono percorrere distanze molto lunghe su pendii molto ripidi, sia perché il loro peso è eccessivo, una bicicletta elettrica potrebbe non essere la soluzione di mobilità ideale.

Qualcosa di poco chiaro o qualche domanda? Noi siamo qui! Contattateci e vi aiuteremo.


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