e-drive, accu en BMS

Waarschuwing: dit is een stukje over elektronica in hybride fietsen. Veel theorie dus. Het kan wel van belang zijn voor wie denkt aan het "hybridiseren" van zijn (lig-)fiets of velomobiel.

In eFAW staat de "e" voor de elektrische ondersteuning. Die doet het prima, dank u. Het principe met de motor voor de trapas is eenvoudig qua opzet, betrouwbaar en het blijkt de aandrijving geen pijn te doen. Af en toe wordt namelijk geopperd dat die motor op de aandrijflijn een extra belasting hiervan betekent. Dat is uiteraard zo, maar ik merkte daar nog geen nadelige gevolgen van.

De "gas"hendel doet het ook goed.

Een ander, minder gelukt, aspect is de Cyclone accu en dat is waar dit stukje over gaat. In de twee jaar dat ik met eFAW rijd, heb ik met die accu al een aantal minder goede ervaringen opgedaan. Grosso modo de helft van de LiFePo4 (prismatische) cellen was ondertussen vervangen, maar dat loste het probleem niet op. Nu lijkt het erop dat de oorzaak niet zozeer de kwaliteit van de cellen is, maar het BMS of een combinatie van beide componenten.

BMS staat voor Battery Management System: een stukje elektronica dat de staat van de afzonderlijke cellen bewaakt. Het systeem meet een aantal waarden en stuurt een reeks zaken:

• laden stopt zodra de maximale spanning van 29,2V bereikt is
• laden stopt zodra een cel of cellenpaar de maximale spanning van 3,85V bereikt heeft
• na een eerste laadbeurt start het "balanceren": de cellen die volgeladen zijn worden gedeeltelijk ontladen, waarna het laadproces weer start
• het laden stopt volledig zodra de batterij de maximale spanning van 29,2V bereikt heeft
• de stroomtoevoer wordt onderbroken als de totale spanning onder 23,2V zakt (dit is een conservatieve waarde. Andere BMS-fabrikanten werken met een lagere benedengrens) 
• stroomtoevoer stopt wanneer de minimale spanning van een cel onder de 2,9V daalt

Nu bleek dat het BMS in de originele accu wel de maximumgrens bewaakt, maar dat geen rekening (meer) gehouden wordt met de benedengrens van de individuele cellen.
Dat het BMS de boel niet uitbalanceert, betekent dat het laden stopt zodra de maximale batterijspanning van 29,2V bereikt is. De cellen die daar wat meer tijd voor nodig hebben, bijvoorbeeld omdat hun capaciteit wat hoger is, raken daardoor nooit volledig geladen. Dat heeft al vanaf het begin als gevolg gehad dat de opgegeven capaciteit van de accu (16 Ah) nooit gehaald werd.
Die 16 Ah is uiteindelijk puur een rekenkundige waarde: elk element heeft een opgegeven capaciteit van 8 Ah. Elk paar bereikt dus 16 Ah. Er zijn 8 paren, wat tot een gemiddelde spanning van 25,6V leidt. Zo krijg je een accupack van "nominaal" 24V (8 x 3V) en 16 Ah. Dat is geen realiteit, maar een theoretische opgave. De capaciteit wordt enkel bereikt onder de volgende omstandigheden:

• elke individuele cel heeft een reële capaciteit van 8 Ah
• elke cel wordt geladen tot de maximumspanning van 3,85V
• de stroom wordt pas onderbroken als elke cel de minimale spanning bereikt heeft

Dat de benedengrens van de individuele cellen niet gecontroleerd wordt, heeft als gevolg dat, als ik de accu echt leeg rijd, cellen te diep ontladen worden en zo beschadigd raken.
Dat zijn zaken waar je zomaar geen zicht op hebt. In eFAW bouwde ik wel een Cycle Analyst in, maar die geeft enkel algemene waarden: spanning, geleverd en opgenomen vermogen, aantal laadbeurten, ...

Het is pas als de zaak echt fout loopt en een specialist (in deze mijn vader) een grondige analyse maakt, dat dergelijke dingen boven water komen. Het lijkt er dus sterk op dat de oorzaak niet te zoeken is bij een minderwaardige kwaliteit van cellen (wat eerst zo leek), maar bij een foute keuze of instelling van het BMS. Is dat een gevolg van de complexiteit van het systeem, van onvoldoende kennis bij Cyclone of van een foute keuze om de kosten te drukken, dat zal ik wellicht nooit weten. Ik, als eindgebruiker, kocht namelijk een accupack, een geheel van cellen, BMS en een verpakking hiervoor.

Een andere mogelijke oorzaak is veroudering van de cellen. Bij de technische specificaties van LiFePo4 cellen wordt vol trots gemeld dat ze tot 2000 keren of meer herladen kunnen worden. Als je dat aantal laadbeurten omzet in een levensduur, kom je makkelijk op vijf tot tien jaar uit. Het lijkt er echter sterk op dat de tijd een veel grotere rol speelt; dat cellen in de praktijk zo snel verouderen dat ze nooit aan die laadbeurten raken, maar ondertussen al dood zijn of toch zo goed als. Dat heeft dan niets met het aantal laadbeurten te maken, maar gewoon met de ouderdom van de cellen. Voor een aantal ervan blijkt zelfs een levensduur van twee jaar het maximum!

Een hele collectie defecte cellen

Fietser.be heeft me hierin wel goed ondersteund. Op dit moment rijd eFAW met een andere 16Ah accu die Brecht bezorgde, waarin we ook weer enkele cellen dienden te vervangen, afkomstig van alweer een andere donoraccu. Dit geheel doet het eindelijk goed: alle cellen hebben zo goed als dezelfde capaciteit en het BMS doet wat het moet. Deze keer haalt de accu (bijna) de opgegeven 16 Ah.
Daarnaast staat nog een 20ah accu klaar om te testen. Dat is de (zeer redelijke) tegenprestatie die Brecht van mij verwacht. Zodra die geassembleerd is (BMS is volledig nagezien, alle cellen geladen, ontladen, opnieuw geladen en gemeten) en goedgekeurd, krijgt hij een perfect functionerende 20 ah accu terug.

Wat ik ook leerde ondertussen, is dat alleen al een "accu" voor een elektromotor een zeer complex gegeven is. Om te weten hoe dit werkt, is heel wat uren studie nodig. Ik ben dus benieuwd hoe fietshandelaren hiermee omspringen. Wellicht blijft de "kennis" bij problemen op dat vlak beperkt tot vervangen - binnen de garantietermijn - of een nieuwe verkopen.

Het grootste probleem is dat het bijna onmogelijk is om vooraf de kwaliteit van een accupack te kennen. Je zou kunnen zeggen: "ik kies voor Panasonic cellen". Dan heb je het enkel over de cellen, maar weet je nog niet wat je BMS waard is. In een BMS zit ook een eprom en als die niet goed geconfigureerd is, loopt het ook fout. Ondertussen merkte ik ook dat bepaalde fabrikanten blijkbaar in elk accupack hetzelfde BMS gebruiken. 8 cellen, 16, 24,.. maakt niet uit. Dit is uiteraard kostenbesparend en zo kan een goedkoper product aangeboden worden, maar technisch is het ver van optimaal. Maar, zoals gezegd, dat kun je niet zomaar weten.
En omdat het zo nieuw is en zo snel evolueert, mag je zelfs niet verwachten dat je fietshandelaar dit weet. Die moet op zijn beurt weer vertrouwen op zijn leverancier. Of die dat vertrouwen waard is, dat weet je handelaar ook pas na x tijd. Ondertussen zijn het wel jouw zuurverdiende centen die uitgegeven zijn.

In de praktijk worden wellicht voornamelijk voorgeconfigureerde elektrische fietsen verkocht, waarbij je er op moet vertrouwen dat de fabrikant zijn huiswerk goed gemaakt heeft. Je fietshandelaar is dan enkel doorgeefluik voor een afgewerkt product, waarbij enkel nog wat afstelwerk nodig is. Dit is zowat analoog aan mijn ervaringen met motorfietsen in het verleden: de klassiek geschoolde mechanicien kon prima sleutelen aan de motor, kon de motor tunen (ik had in mijn VFR een Dynojet kit zitten, die vermogen en koppel verbeterde), maar haakte af zodra de elektronica eraan kwam en haperingen vertoonde.
Ook hier, in de fietswereld, geldt hetzelfde: de geometrie van een fiets, de mechanische afstelling en de rudimentaire elektrische circuits hebben geen geheimen voor de fietsmechanicien, maar zodra meer gesofisticeerde elektronica zijn intrede doet, wordt de grens van het kunnen bereikt. Elektromotoren met alles wat daarbij hoort, horen duidelijk tot dat domein.

Accumiserie

Helemaal in het begin, een maand of twee na de aankoop van de Alleweder, bouwde ik die om tot een hybride velomobiel. Daarvoor werd een Cyclone- elektromotor ingebouwd voor de trapas. De energie komt van een Cyclone 24V 16 Ah LiFePo4 accu en de stroomtoevoer wordt geregeld met een "handgas".

De motor en het handgas werken sindsdien feilloos. De accu, dat is een ander verhaal. Fietser.be kreeg hiervoor absoluut geen ondersteuning van Cyclone en wellicht was ik één van de laatsten die bij hen een accu van dat merk kon aanschaffen: daarna schakelden ze om naar een Europese leverancier, om van die ellende af te zijn.

Wat is nu het probleem? Een LiFePo accu is wel iets anders dan zo'n NiMh celletje dat je gebruikt om een batterijlamp van stroom te voorzien.
Deze 16 Ah/24V accu is samengesteld uit 8 paren 8000 mAh cellen. Dat zijn platte pakketjes, telkens per twee gekoppeld om aan 16 Ah te raken en elk paar is dan weer verbonden om aan 24V te komen.

Om dat alles te regelen, wordt het geheel gecontroleerd door een "BMS" ofte battery management system. Dit controleert o.a. bij het laden de spanning van elk paar cellen. Zodra een paar de maximale spanning bereikt heeft, stopt het systeem de lading en zorgt het ervoor dat de lading van dat paar vermindert tot hetzelfde niveau als bij de anderen (balanceren). Dan wordt weer verder geladen tot alle cellenparen aan de maximale spanning komen (29,2 V).

Het bizarre is dat in de lader óók een spanningsregeling zit. De eerste lader die ik meekreeg, stopte de stroomtoevoer bij 28,5V. Daardoor raakte de accu nooit volledig geladen.

Het BMS zorgt ook voor het afsluiten van de stroom indien teveel stroom gevraagd wordt (in ampères uitgedrukt) of indien de spanning te laag wordt. Dit alles dient om het accupack te beschermen.
Dit is de theorie. In de praktijk blijkt de Cyclone controller dat balanceren niet uit te voeren, of toch niet zoals het hoort. Die stopt simpelweg de lading zodra in één cel de maximale lading gemeten wordt. Ook de minimale spanning staat vrij hoog ingesteld. Hierdoor haalde het pak nooit de opgegeven 16 Ah.
Ook hierdoor is de cellen geen lang leven beschoren.

Omdat Fietser.be niet kon rekenen op ondersteuning van Cyclone, kreeg ik een hele poos terug een defecte 8 Ah accu mee, waarvan ik de goede cellen kon recupereren. Het BMS was daarin ook defect.

Deze week was de capaciteit van de accu gezakt tot 6 Ah. Vervelend: zo lang geen 3 Ah verbruikt is, kan niet opnieuw geladen worden. Voor mijn woonwerkrit ligt het verbruik meestal rond 2,5 Ah, maar dat hangt uiteraard af van de omstandigheden, dus moet ik, met zo'n beperkte capaciteit, goed rekenen. Dus maakte ik het pakket open om de staat van de cellen te bekijken. Moeilijk is dat niet: je ziet letterlijk waar het fout loopt.

Blauw omcirkeld is het BMS - de stuurelektronica - en rood omcirkeld de defecte cellen. Doordat de capaciteit van deze cellen erg laag geworden was, raakten ze overladen en zo ontstaat gasvorming. Dat is precies wat het BMS moet voorkomen, omwille van de veiligheid. De folie rond zo'n cel is onwaarschijnlijk sterk, maar uiteindelijk kan de gasdruk zo hoog oplopen dat de cel letterlijk ontploft.

Deze cellen werden zaterdag dus nog maar eens vervangen.

Het nieuw samengestelde accupack werd dan weer aan de lader gehangen, maar die stopte al bij een (onbelaste) spanning van 27,1V. Dat betekende dat de volgende zwakke schakel het begeven had: een andere cel...

Met andere woorden: twee jaar na de aankoop is de accu (aankoopprijs € 550) stuk. Dit is hoogstwaarschijnlijk vooral het gevolg van

1. een slecht functionerend BMS
2. een niet voldoende compatibele lader

Het lijkt erop dat Cyclone wat elementen verzamelde (cellen, BMS en lader), daar zelf iets mee samenstelde, maar ofwel onvoldoende zorg besteedde aan de kwaliteit ofwel onvoldoende beslagen was in de materie.

Nu kan ik dus ofwel op zoek gaan naar wat identieke cellen (prismatische LiFePo4 cellen) ofwel naar een andere accu. Bijzonder vervelend, want bij Flevobike wordt momenteel de bestelde e-Orca geassembleerd, dus een nieuwe accu kan ik nog drie maanden gebruiken.
Anderzijds: eFAW verkopen met een slechte accu, dat kan ook niet en tenslotte moet ik de velomobiel ook nog gebruiken.

Zonder accu verder rijden kan ook, maar dan is een oude Alleweder niet echt de aangenaamste velomobiel in de stadsrand.
Gelukkig is het deze week aangenaam zacht en droog weer: de Kobra zal weer heel wat kilometers afleggen!

Pedelevs: variaties op een thema

Laten we er maar even van uitgaan dat je open staat voor een bio-elektrische hybride aandrijving, anders is alles wat daarover gaat onzin.

Pedelev... de term werd in het leven geroepen op Ligfiets.net in een vrijdagbericht, naar aanleiding van een reeks berichten op deze blog met testverslagen over de eWAW, de elektrAngo en de E-Orca. Een "pedelev" wordt gedefinieerd als een velomobiel met trapondersteuning; een variatie op de elektrische fiets.

Heb je wat aan zo'n pedelev? Dat moet je voor jezelf uitmaken, natuurlijk, en niet voor een ander, anders verzanden we in discussies als wie een "echte fietser" mag genoemd worden.

Een belangrijk element lijkt me hoe je je fiets gebruikt. Wie fietst om aan de conditie te werken of om te sporten, heeft met dat doel voor ogen geen ondersteuning nodig, want die werkt dan contraproductief. Je zal met een pedelev ook niet moeten inschrijven voor een HPV-wedstrijd. Da's nogal evident.
Daarnaast zijn er verschillende opinies over wat die ondersteuning doet. In eerste instantie denk je daarbij aan "sneller gaan", maar bij een velomobiel en binnen de grenzen van de wet is dat niet mogelijk (behalve bij een pittige klim, misschien). Ook hierbij merkte ik al veel vooringenomenheid, veel aannames. Meestal in de stijl "het wordt een elektrische brommer" of "gewoon om sneller te gaan". Zo wordt een pedelev (laten we die term maar verder gebruiken) geklasseerd als "niet sportief".

Ik ben eerder een utilitaire velonaut. Gedurende de voorbije weekenddagen waren er in het Gentse fietsmanifestaties, waarbij ik, samen met enkele collega's van de Fietsersbond, aanwezig was om onze organisatie te promoten.
Dat betekende dat eFAW afgeladen vol zat met banners, vlaggen, folders, boekjes, ... Wellicht een extra gewicht van 10 à 15 kg. Daar komt dan nog een digitale reflexcamera bij en wat ander materiaal en zo kom je algauw aan 20 kg toegevoegd gewicht. In beide gevallen kwam ik niet buiten de bebouwde kom en moest voortdurend afgeremd, gestopt en weer aangezet worden. Zondag, tijdens de heenrit, raakte de accu leeg. Dat had ik meteen gemerkt! Een brug oprijden met een fiets die 50% meer weegt en zonder ondersteuning, dat is niet niks. Aan elk kruispunt, aan elk rood licht, weer moeten optrekken van 0 tot rond 30 km/u: dat valt niet mee. Het gaat dan telkens om korte eindjes: een paar 100m verder moet je alweer vertragen.

Dat ik gewonnen ben voor ondersteuning mag dus wel duidelijk zijn.

De tests van de hybride velomobielen maakten me duidelijk dat elektrische ondersteuning bij de diverse fabrikanten anders ingevuld wordt: het doel dat ze ermee voor ogen hebben is verschillend, de technische oplossing al evenzeer.

Laat me het eerst nog even kort samenvatten:

• bij de eWAW wordt een (Cyclone)motor voor de trappers gezet, die door middel van een ketting op een tweede kettingblad het vermogen overbrengt. Het vermogen regel je met een handgas. Dit is het systeem dat ik ook in eFAW toepaste.
• Sinner plaatst een Sunstar S03 motor op de trapas. De ondersteuning wordt, zoals bij een e-bike, geregeld met enkele knoppen bij een display. Het systeem maakt daarbij gebruik van een ingebouwde trap- en koppelsensor.
• Flevobike gaat nog een stapje verder: de elektromotor wordt op de tussenas gemonteerd, op de Rohloffnaaf. Hier is de motor dus echt geïntegreerd in de aandrijflijn. De bediening gebeurt op dezelfde manier als bij de Sunstar motor.

In het eerste geval is de motor bedoeld als ondersteuning bij het aanzetten. Een WAW rijdt zo efficiënt dat de motor tijdens het rijden nog weinig meerwaarde biedt. Maar in een stedelijke omgeving, met het veelvuldig afremmen, stoppen en weer versnellen, is een steuntje bij het op snelheid komen welkom.

Sinner en Flevobike zien de aandrijving meer zoals op een elektrische fiets: het is een continu trapondersteuning. Uitschakelbaar, dat wel, en indien uitgeschakeld merk je amper dat die ondersteuning ingebouwd is, maar vooral bedoeld om altijd mee te werken (met een instelbaar vermogen).

Je kunt het nog anders zien: de eWAW is en blijft in de eerste plaats een sportieve velomobiel. Dat is logisch, gezien zijn afkomst en oorspronkelijk doel. De Mango en nog meer de Orca zijn ontwikkeld vanuit een andere visie, waarbij de weerbeschutting, het comfort en bergruimte primeren en pure prestatie wat minder. Het ene is niet noodzakelijk beter dan het andere; dat hangt af van je eigen insteek en doel.

Fietser denkt trouwens ook over het inbouwen van een Bafang (8fun) middenmotor op de trapas, waarmee ze verder evolueren in de richting van de beide anderen. Maar hier is het afwachten wat de tests zullen tonen. Het duidt er vooral op dat er volop geëxperimenteerd en gezocht wordt. Daarbij moet je ook rekening houden met het basisgegeven: zelfs met alle wijzigingen blijft het basisontwerp en het idee erachter overeind. Een Orca wordt nooit bloedsnel; een WAW blijft een racer.

Dan heb je de kwestie van het vermogen. Wettelijk is dat beperkt tot 250W (nominaal opgegeven vermogen). In vlakke gebieden, zoals het grootste deel van Vlaanderen en Nederland, is dat ruim voldoende en in veel gevallen zelfs teveel, zeker in het concept zoals gebruikt in de eWAW. Dan zou een 100W motor evengoed volstaan, want het piekvermogen dat zo'n motor levert is grosso modo het dubbele van het nominale.
Maar velonauten leven ook in andere gebieden en het overgrote deel van de wereld is niet vlak. Daar is het concept van de eWAW of van de middenmotor (op de trapas) minder tot niet bruikbaar. Daar zijn twee redenen voor: de "trapasmotoren" (Bosch, Sunstar, Panasonic, ...) zijn (bijna) allemaal beperkt tot ongeveer 250W. In zekere mate kan dit opgedreven worden door de spanning te verhogen, maar daar zijn (wettelijke en fysische) grenzen aan. In een bergachtig gebied blijkt dat onvoldoende om de massa van een velomobiel in beweging te houden. Reken maar op 35 à 40 kg, plus je eigen gewicht. Vandaar dat er in landen als Zwitserland gepleit wordt om het maximale vermogen van een elektromotor voor een e-bike op te trekken tot 500W, met behoud van de snelheidslimiet.
Een tweede, veel belangrijker reden: bergaf heb je niets aan zo'n motor en het extra gewicht zal de remmen nog zwaarder belasten. De stroomlijn van een velomobiel is in een afdaling al een nadeel, want daardoor versnelt die veel meer dan een gewone fiets en de toegenomen massa zal hieraan nog bijdragen. Dan moet je er maar in slagen die hele massa af te remmen. Hier en daar lees je dan dat een remparachute gebruikt wordt, omdat de trommelremmen het na een poos niet meer houden (fading).

In die omstandigheden moet je dus een motor gebruiken die evengoed als rem dienst kan doen (en die ondertussen de energie recupereert). Geen motor voor de trapas (Cyclone) dus en ook geen middenmotor, maar een naafmotor. Dat is een heel andere benadering: zo'n motor kan geen gebruik maken van de versnellingen en moet dus een groter toerentalbereik hebben.
In een berggebied heb je dus een andere configuratie nodig, met een motor die twee doelen dient: extra vermogen bij het klimmen, energierecuperatie en afremmen bij het dalen. Zo kun je de remmen ontlasten. Harry Lieben, van Sinnerbikes, weet daar alles van!

Dit leidt ook tot bizarre conclusies, omdat dikwijls geen rekening gehouden wordt met het reliëf. Zo lees/hoor je dat de fabrikanten er niets van bakken, omdat ze kiezen voor de oplossingen zoals hierboven opgesomd, terwijl hier in ons vlakke landje een naafmotor dan weer als onzinnig beschouwd wordt. De configuratie moet dus aangepast zijn aan de omstandigheden.

En er is nog werk aan. De combinatie bio-elektrisch betekent dat de aandrijving behoorlijk wat extra vermogen te verwerken krijgt. Schakelen op zo'n moment betekent een zware belasting voor de derailleur of versnellingsnaaf. Wie niet met gevoel schakelt, krijgt wellicht gauw te maken met defecten of vroegtijdige slijtage. Een derailleur zal al snel laten horen dat het genoeg geweest is en een versnellingsnaaf schakelt helemaal niet vlot onder die zware belasting. Er wordt gedacht aan oplossingen hiervoor - Flevobike denkt aan een elektronische sturing, die de stroomtoevoer kort onderbreekt en het schakelen uitstelt tot dat vermogen wegvalt -, maar het risico is dat die oplossingen zo complex worden dat de betrouwbaarheid erop achteruit gaat. Denk maar aan alle elektronica die in de hedendaagse auto's zit en de vele grote en kleine problemen die daardoor ontstaan.
Elke toevoeging is een potentieel defect, dus ook de elektromotor.

Toch blijft het een boeiende ontwikkeling, met nu al vele voordelen. Een pedelev maakt het nog meer haalbaar om voor middellange afstanden de auto thuis te laten, ook voor minder getrainde fietsers. Naast de gekende voordelen van elke velomobiel, krijg je er nog een verhoogde autonomie bij, voor wie zelf niet voldoende vermogen kan leveren of onvoldoende getraind is. Ook wie wenst in gewone stadskledij rond te rijden, is erbij gebaat. Denk hierbij aan de Sunrider II, die binnenin heel netjes afgewerkt is. Deze leunt eigenlijk sterk aan bij de E-Orca qua uitgangspunt, maar er werd voor andere technische oplossingen gekozen (subframe, Boschmotor, ...).

De grenzen vervagen dus. Vervang de ketting door een generator op de trapas, waardoor geen directe verbinding meer bestaat tussen de trappers en het achterwiel, en je schuift nog verder op naar een overdekte elektrische snor- of bromfiets. Het is maar een kwestie van tijd eer dergelijke zaken er komen, vooropgesteld dat er voldoende belangstelling voor bestaat.

Akkefietjes

Vanmorgen rolde ik eFAW, zoals op elke werkdag, uit de garage om door de (erg) frisse ochtend naar de werkplaats te rijden.
Toen ik vertrok, steeg van achter mij een gepiep en gekraak op... Vanavond moet ik de fiets dus even nakijken: vermoedelijk heeft een vorig jaar in oktober vervangen lager in de kettingrol op de achterbrug het begeven. Een gevolg van de constante pekelregen die erop gesproeid wordt door de achterband ?

 
De lagers zouden "onderhoudsvrij" moeten zijn, want afgedicht. Dat zal wel weer vervangen worden!

In het voorbije weekend ging de Cyclone-accu "onder het mes": de capaciteit was fel afgenomen en ik vermoedde dat er één slechte cel in het pack (van 16) zat.
Bij het nazien bleek dat de onderkant van de accu - het geheel zit verpakt in een draagtas uit cordura-achtig materiaal - behoorlijk last heeft gehad van vochtigheid: een aantal schroeven was compleet gecorrodeerd.
Ik had het moeten weten: een velomobiel is nu eenmaal geen auto. Soms komt er wat water in en soms is de bodem wat vochtig. Binnen in die draagtas zaten nog enkele plaatjes karton en dat is ideaal om dat vocht vast te houden... Vocht, accucellen en stroom: geen ideale combinatie. Voortaan gaat de accu in een plastic draagtas in eFAW, zeker als het buiten nat kan zijn.

Toen bleek ook dat één cel een slecht contact gaf: intern zit er een metalen plaatje, dat op één of andere manier aan de cel vastgelast zit. Dat plaatje was over bijna de hele lengte doorgebroken. Een ontwerpfout ? In elk geval was die onherstelbaar.

Alle geroeste bouten zijn vervangen, net als de defecte cel. Nu kan ik de capaciteit weer testen.

Fietsonderhoud: a never ending story !

Mooie techniek

Vorige week ging ik nog eens bij Fietser.be langs: er moest een bestek opgemaakt worden voor recent opgelopen schade.

Terwijl ik daar was, kon ik een WAW in aanbouw bewonderen. De koper had enkele bijzondere wensen, die door Fietser ingelost konden worden.

Als versnellingssysteem werd gekozen voor een Rohloffnaaf. Ondertussen zie je mooi hoe in een WAW het achterwiel opgehangen is (en waardoor de bagagecapaciteit wat beperkt is).

Omdat de toekomstige eigenaar in het Luikse woont en het daar niet echt vlak te noemen is, werd het bereik verder uitgebreid door de bracketas te vervangen door een Schlumf speeddrive met 155 mm crancks.

En om helemaal zeker te zijn dat bij onverwachte zwakte de bestuurder toch op zijn bestemming zou raken, werd hier een Cyclone motor aan toegevoegd.

Al bij al een aandrijflijn die heel wat aan moet kunnen. De tol die ervoor moet betaald worden is het extra gewicht (naaf, motor en bijhorende accu), maar dat zal naar mijn inschatting niet opwegen tegen de voordelen.
Uiteraard hebben die opties hun weerslag op het prijskaartje. Reken maar op € 10.000 voor deze WAW, waarmee die in dezelfde prijsklasse terechtkomt als de eOrca.

verdere accu-informatie

Vooruit maar: nog eens een technisch stukje. 't Is wat ingewikkeld, maar ik onderneem toch maar een poging.

Stilaan wordt de oorzaak van het te beperkte bereik met de Cyclone-accu duidelijk. Het geheel bestaat uit drie grote elementen: de accucellen (telkens 8 Ah en 3,55 V, gecombineerd in serie en parallel geplaatst om aan 24 V te raken en aan 8 of 16 Ah) - de zilverkleurige pakken centraal op de foto -, het BMS - de groene printplaat onderin - en de lader.

Het battery management system (BMS dus) controleert alles: sluit de lading af als de maximale spanning bereikt is, balanceert de cellen - zodat ze allemaal dezelfde spanning bereiken - en sluit de stroom af zodra de spanning onder een bepaalde drempel zakt. Maar nu blijkt dat de lader zelf over een soort BMS beschikt, dat deze uitschakelt voor het eigenlijke BMS reageert. Hierdoor werd de maximale lading nooit bereikt en werden de cellen nooit uitgebalanceerd...

Via wat kunstgrepen slaagden we onlangs in de onbelaste spanning van de accu van 26 naar 28 V te verhogen. Het resultaat was een poosje geleden dat de spanning na 100 km nog steeds ruim 26 V bedroeg. Fietser gaf me ook een andere lader mee, die slechts de helft van de laadstroom levert (2 A in plaats van 4), maar die bij een hogere spanning afsluit.

Daarmee leek het laderprobleem opgelost. Blijft dat in de 8 Ah accu een cel stuk is, waardoor de accu in het geheel niet meer geladen wordt en dat in de 16 Ah accu één of twee cellen veel sneller ontladen dan de andere. Ook niet goed, dus. Daar bovenop lijkt het erop dat het uitbalanceren, wat door het BMS gestuurd wordt, ook niet werkt, maar dat vraagt nog onderzoek. Onderzoek dat bestaat uit meten en vooral erbij zijn als de spanning bereikt is waarbij het balanceren moet beginnen.

Hoe ver kun je hier nu mee rijden ? Geen idee, want dat hangt natuurlijk af van hoeveel vermogen je vraagt van die motor en hoe dikwijls je hem aanspreekt. Gebruik je hem enkel om tot aan de gewenste snelheid te raken, waarna je op eigen kracht verdergaat, dan is het bereik vele honderden kilometers.

Met een A2 is dat voor mij niet zo bruikbaar, want zo'n oude velomobiel heeft niet dezelfde efficiënte overbrenging als de huidige generatie en daar bovenop is eFAW (voorlopig) uitgerust met een Shimano Nexus 7, die ook al geen schitterend rendement heeft. De motor wordt dus meer aangesproken. Toch was ik na 100 km naar schatting nog niet halfweg de lading geraakt. Naar schatting, want ik wist niet welke capaciteit de accu nu haalde. Dat werd in de loop van de volgende weken wel duidelijk.

Daarbij moet ook de bedenking gemaakt worden dat dit een rit op vlak tot licht glooiend terrein was. In heuvelachtig gebied zal het andere cijfers geven; in de bergen nog anders, vooral omdat het concept met de motor voorin regeneratie onmogelijk maakt. Anderzijds biedt het als voordeel dat je motor ook van de versnellingen gebruik maakt.

Verder meten en observeren leerde me dat de de capaciteit al tot meer dan 13 Ah verhoogd is (bedroeg 8 Ah voordien). De reden is dat de slechte cellen in de accu vervangen werden - zodra ook maar één cel onder de benedengrens zakt, schakelt het BMS de accu uit - en het gebruik van een andere lader. Nu alle cellen ongeveer over dezelfde karakteristieken beschikken, presteert het geheel veel beter. Helaas is dit nog niet de opgegeven 16 Ah. Nu ligt de oorzaak waarschijnlijk bij de lader, die nog altijd te vroeg afsluit. Daarin valt niets in te stellen, dus is dit het gevolg van een foute configuratie - het geheel accu, BMS en lader - bij Cyclone. Of we dit nog kunnen oplossen - en hoe - is ook weer niet duidelijk.

De lader sluit nu af bij een spanning van ongeveer 28,5 V, terwijl de BMS pas ingrijpt vanaf 31,2 V. Gek, want bij Cyclone stellen ze dat de accu's getest worden en dat kan dus niet gebeuren met de meegeleverde lader, want die haalt dit niet ! Vermoedelijk is het geheel een samenraapsel van wat Cyclone links en rechts aankoopt, zonder de configuratie goed uit te testen. Een andere mogelijkheid is dat de toleranties te groot zijn, waardoor de ene lader te vroeg afsluit en de andere niet... Nu heb ik er al twee - verschillende types - en geen van beiden doet het goed. De originele laadt de accu tot 26,2 V, de nieuwere tot 28,7. Da's al heel wat beter, maar nog altijd niet genoeg.

De slechte cellen zijn nu onderweg naar Taiwan, waarna (hopelijk) nieuwe terugkomen.

Zou een elektrische fiets die je aankoopt dezelfde problemen geven ? Ik vraag me af hoe de fietshandelaars daarmee omgaan, als je ziet welke kennis daarvoor nodig is !

eFAW: versterkte motorsteun

Bij de eerste tests met de Cyclone elektromotor in eFAW bleek de steun niet stevig genoeg: de plaat boog onder belasting, waardoor de ketting minder gespannen stond en niet meer uitgelijnd bleef.


Een week later werd dit probleem aangepakt door middel van het oplassen van twee driehoeken.

Op de foto, van schuin boven genomen, zie je de bovenste driehoek. Het schuin lopende plaatje daarboven is een L-steun om de koplampen te stabiliseren.


Ondertussen, enkele weken en honderden kilometers verder, blijkt die oplossing beter te presteren dan verwacht. De motor werkt tot nu toe zonder ook maar één keer verdachte geluiden te laten horen, de ketting sleept niet meer en blijft op spanning. Mission accomplished.

FAW wordt eFAW (maidentrip)

kilometerstand FAW: 1000 km


De voorbije week is de rest van het materiaal voor de elektro-aandrijving aangekomen:

• een stuk aluminium dat dient om de motor te verbinden met de flenzen waarop de centrale koker eindigt. Dit dient om het draaimoment van de motor op te vangen. De plaat - bij benadering 40 x 8 cm en 3 mm dik - zal voor het tussenschot komen.
• Een 43T kettingblad met beschermrand (Alligt) met de nodige bouten, ringen en andere toebehoren.
• Een ketting om de motor met de trapas te verbinden.
• Een "duimgas" om de stroom te regelen (Cyclone).
• Een LiFePo(4) accupack (Cyclone) van 16 Ah met geïntegreerd BMS (battery management system).
• Een lader voor het accupack (Cyclone).

Dan moest dit alles een plaatsje krijgen in de FAW.


Eerst nog even de motor (Cyclone met geïntegreerde controller en reductie):

De bevestiging van de motor en de overbrenging naar de kettingbladen is ondertussen klaar. Daarvoor moest een aluminium plaat gemaakt worden om het tussenschot te versterken en daarop kwam de voordien gemaakte steun voor de motor. Die is gemaakt uit een oude bumper van een Volvo 142.

versterking tussenschot met motorsteun (de ketting is ook al voorzien)

Detail van de motorophanging

In de volgende beelden zie je wat er allemaal achter de neus van eFAW verborgen zit.

De motor is gemonteerd en de ketting ligt erop

Verlichting en geluidssignaalgevers ook toegevoegd

Op dit laatste beeld zie je ook duidelijk dat op dat moment de elektrische en elektronische verbindingen nog moesten gemaakt worden. Meer nog: het enige onderdeel dat op dat moment geplaatst was, was die motor.


De rest vraagt nog wat denk- en opzoekwerk.
Bijvoorbeeld:

• waar zet ik de batterij ? Nu heeft die een plekje gekregen links achter het zitje (laag en tussen voor- en achterwielen).
• Is het veilig om zondermeer die batterij met de motor te verbinden, of komt daar beter een zekering tussen. En als dat nodig is, welke waarde moet die hebben ? De batterij heeft blijkbaar een eigen beveiliging tegen overbelasting en te lage spanning (geen idee van de waarden); voor de motor is die informatie niet te vinden. Het is een versie met ingebouwde controller en het zou dus kunnen dat die ook beveiligd is. Voor alle zekerheid komt er een platte zekering van 20 A in een vochtbestendige behuizing tussen. Die krijgt een plekje boven de wielkast.
• Is het nodig en nuttig om een schakeling te voorzien om de voeding te onderbreken ? En indien wel, hoe moet die eruit zien ? Hiervoor beslisten we om een relais toe te voegen. Voorlopig wordt dat met een aan/uit drukschakelaar bediend, maar binnenkort komt er een contact tussen met sleutel om het systeem te beschermen tegen "onbevoegden". Ook het relais komt boven de wielkast. Daar is het goed afgeschermd van de weersomstandigheden.

De batterij wordt daarnaast met een stekker en tegenstekker verbonden met de motor. Zo kan die makkelijk uit de eFAW gehaald worden om op te laden. Hieronder een overzicht van wat je in de cockpit vindt.

Het accupack is net te breed om naast de middentunnel te passen, maar toch lijkt dit de beste plaats.
De stekkerverbinding is gemaakt met standaard materiaal: 230V stekker en contact met aarding. De aarding wordt natuurlijk niet gebruikt, want het gaat om een batterij, dus gelijkstroom. De stekker met aarding is gekozen om twee redenen:

• kan voldoende stroom aan. Platte stekkers kunnen gegarandeerd geen 20A aan.
• de aardingspen zorgt ervoor dat de stekker niet omgekeerd kan verbonden worden. Belangrijk voor een gelijkstroomsysteem.

De spanningsregelaar is "multifunctioneel".

Bovenaan zie je een rudimentaire indicatie van de batterijcapaciteit. Onderaan zit een aan/uit schakelaar voor de regeling (die schakelt enkel de sturing in en uit) en rechts zit de "gashendel". Op de overzichtsfoto zie je dat ik deze aan de linkerkant, dus ondersteboven installeerde.


Voor de aardigheid nog even een foto van de aandrijving binnenin.

Dit is een opname vanuit de cockpit naar voren toe. Je ziet het 65T blad van de trappers naar het achterwiel en rechts daarvan het 43T blad dat door de motor aangedreven wordt. 


Gisteren was het dan zover: de voorlopige configuratie was klaar en eFAW kon getest worden. Ik zette aan en gaf voorzichtig "gas". Dat werd beloond met een zacht gezoem en een wind-in-de-rug gevoel. Iets meer gas zorgde ervoor dat van achter het tussenschot een geratel klonk dat gepaard ging met een overspringende ketting...
Ik ben geen ingenieur - anders was dat allicht ook niet gebeurd - maar het was duidelijk dat de montageplaat voor de motor te licht was. Het resultaat: als de motor harder moet trekken, wordt die naar het kettingblad toe getrokken en kantelt daarbij. Technisch: het draaimoment is sterker dan de bevestiging. Bijgevolg sleepte de ketting langs de randen van de openingen in het tussenschot en versprong die ondertussen over het tandwiel op de motor. Niet goed dus...


Dit is de bevestigingsbeugel in de huidige toestand.

En dit is wat het moet worden: driehoeken toevoegen om het geheel te stabiliseren.

Met voorzichtig vermogen gebruiken werkt het voorlopig wel. De Cyclone motor produceert daarbij een licht gezoem, amper luider dan de geluiden van de aandrijfketting op de kettingwielen. Het effect is hetzelfde als bij elke e-bike: net alsof je de wind in de rug hebt. Omdat de motor niet in de naaf zit, maar vooraan via de trappers aandrijft, werkt het zowat als een halfautomatische versnelling op een scooter: schakelen en simultaan gas lossen en in de volgende versnelling het vermogen weer laten opkomen.
Dat moet dus erg voorzichtig gedoseerd worden, omdat de steun anders meeveert.


Terug naar de tekentafel dus...


Wat de mechanische kant betreft, denk ik eraan om de ketting tussen motor en kamwiel op spanning te houden met behulp van een kettingspanner. Ik wil er wel nog even over nadenken of dit een nuttige toevoeging zal zijn en hoe haalbaar dit wordt. In principe kun je de ketting ook op spanning houden door de motor iets vooruit te schuiven, maar daarvoor moet de neus er elke keer weer af.

Nadien wil ik dit uitbreiden met een onderbreker die de stroom verbreekt bij het remmen. Inspiratie daarvoor vond ik bij de blog van VeloTejo. Dit zal ik ook nog wat laten bezinken: in de praktijk laat je de vermogensregeling los, waardoor die meteen terugkeert naar de nulstand. Een remcontact lijkt in die optiek een nutteloze complicatie.


Nog een uitbreiding die ik op het oog heb, is een Cycle Analyst boordcomputer. Die moet gedetailleerde informatie kunnen geven over het elektrische systeem (verbruik, autonomie, aantal laadbeurten van de accu) en ondertussen de fietscomputer vervangen (of aanvullen door op beide schermen verschillende informatie weer te geven). Tegelijk is het een handig systeem om vermogen en snelheid te regelen of beperken.

En omdat de batterij veruit het duurste onderdeel van de elektro-aandrijving is, vraag ik me af of het niet wijs is om die ook tegen diefstal te beveiligen. Hiervoor zou ik een soort kooi kunnen maken die met een slot dichtgemaakt wordt. Meteen zit de batterij dan ook vast, zodat ze op oneffen wegen of bij maneuvers niet gaat wandelen.

2 zaken tegelijk aanpakken

Plan 1: van de FAW een hybride maken, zodat ik die echt elke dag kan gebruiken.

Plan 2: de conceptfout van de verlichting aanpakken.

Beide zaken hebben te maken met de neus van de FAW. Beide zaken zitten in de neus, voor het tussenschot, of moeten daar terechtkomen, dus kan ik ze meteen samen aanpakken.

Plan 1 is het meest complexe. Daarvoor moet een motor ingebouwd worden op zo'n manier dat hij optimaal rendeert, zo weinig mogelijk in de weg zit en indien het wat kan zo weinig mogelijk lawaai maakt. De keuze viel op een Cyclone motor; de inspiratie voor de montage werd gehaald bij Akkurad. Materiaal en ondersteuning van Fietser. Nadeel van de motor in de neus: het hele gewicht zit helemaal voorin. Voordeel is dat de motor in het verlengde van de ketting zit, helemaal niet hindert en beschermd is tegen de weersomstandigheden. Om de massa wat beter te verdelen, zal ik de accu wellicht achter het zitje plaatsen: laag en centraal. De motor moet vooral assisteren in de stadsrand: het voortdurend op snelheid brengen van de massa van de FAW (met inhoud) vraagt redelijk wat vermogen.

Plan 2 betekent dat de denkbeeldige lijn tussen beide bevestigingen van de koplampen een driehoek moet worden. Zo wordt de verticale beweging van de constructie opgevangen.

Om de zaak nog wat ingewikkelder te maken loopt er door die voorkant ook nog een draadstang die de glasvezel/polyester-neus op zijn plaats houdt. Ook die moet een plekje vinden.

Wat voorafging (wordt in een volgende post wel uitvoeriger besproken): de cranks zijn vervangen door 155 mm exemplaren, voorzien van een vrijloop, in functie van de motoraandrijving.

Het openmaken houdt niet zoveel in: twee moeren vooraan losdraaien (ducttape onderaan verwijderen) en de kap komt er zo af.

De verbouwing verliep, tot op heden, ook eenvoudig. Nadat ik bepaald had waar de motor precies moet komen, konden drie gaten in het tussenschot geboord worden. Voor die plaatsbepaling moest ik met de volgende factoren rekening houden:

• het aandrijvende tandwiel moet in lijn komen met het kettingblad.
• de motor moet stabiel vastgezet worden: als die de fiets aandrijft, worden allerlei krachten opgewekt die opgevangen moeten worden.
• het geheel mag de al aanwezige onderdelen (verlichting, reflector, toeter, ...) niet hinderen.

Nadat alles goed opgemeten en afgetekend werd, kon het L-stuk in 2mm aluminium vastgezet worden. Dit stuk was in de voorbije dagen door mijn vader gemaakt uit een stuk van een stoere Volvobumper.

In een latere fase moet aan de binnenkant van het tussenschot een versterking aangebracht worden. Zoals het nu is, zou de erg dunne plaat van dat tussenschot alle kracht moeten opvangen. Het is duidelijk dat dit niet lang zou houden ! Dat tussenschot is hier ook niet voor gemaakt.

De volgende stap was de motor monteren op de drager.

Van recht vooraan kun je de uitlijning duidelijk zien.

Daarna kon ik vanop de motorsteun een verbinding naar de drager van de koplampen maken. Voorlopig is dit een starre, niet instelbare verbinding. Na wat praktijkervaringen kan ik dit nog aanpassen, mocht dat nodig blijken.

En in de voorlopig laatste fase werd dan een extra steun voor de draadstang gemaakt, waaraan de neus opgehangen is. Origineel was er ook een steun voorzien, maar die zat net waar de motor moest komen.

Nu is het even afwachten tot de rest van het materiaal door Fietser geleverd wordt. Er is een aangepast tweede kettingblad nodig, waarop de ketting vanaf de motor komt; de accu moet ook nog volgen, net als de stuurelektronica ("gas"hendel). In het tussenschot moet tenslotte nog een sleuf gemaakt worden, zodat de ketting tot aan het kettingblad kan raken. Na wat tests zal de motor dus tijdelijk weer verwijderd worden, want nu zorgt die enkel voor 2 kg extra gewicht.

Wat de milieukant betreft: op het werk gebruiken we grotendeels groene stroom, gegenereerd door fotovoltaïsche cellen die het hele bedrijfsdak bedekken. Dit zou de vervuiling bij het laden van de accu tot een minimum moeten beperken, zo lang ik daar kan laden. Ook thuis wordt groene stroom geleverd, hoewel de herkomst daarvan minder duidelijk is. Daarvoor moet ik de leverancier (Lampiris) maar op zijn woord geloven.