Modeling, design, control and validation of a full hybrid electric bicycle

The Thesis deals with the project and design of a full hybrid electric bicycle. The designed novel algorithm manages the main power source (the cyclist) and the secondary power source (the battery pack) with the aims of globally decrease cyclist effort and sustain the charge of the battery pack being independent from the grid. The Thesis is structured into two parts: the first part describes the hybrid electric bike algorithm design and validation while the second part deals with some features that allow the assistance algorithm to work properly and to improve its safety. The modelling and validation of a complete electro-mechanical model of the bike and a control-oriented analysis of the cyclist metabolic efficiency guide the design of the control algorithm. The idea is to recover energy from the cyclist when he is most efficient and then return it during low efficiency pedaling. A lot of simulations support the designing and tuning phases. The proposed system is extensively tested on several users, showing that it can achieve a 25 % improvement in equivalent cycling efficiency, and a reduction in the peak Heart Rate and fatigue during urban cycling. An innovative road grade Kalman filter estimator and a cyclist on-seat-detection algorithm are developed to improve the charge-sustaining algorithm performances and safety.

La tesi riguarda la progettazione e lo sviluppo di una bicicletta elettrica con architettura ibrida parallela. L'algoritmo innovativo sviluppato gestisce la fonte di energia pincipale (il ciclista) e quella secondaria (il pacco batterie) con l'obiettivo di ridurre lo sforzo complessivo del ciclista e mantenere lo stato di carica delle batterie in modo che la bicicletta sia indipendente dalla rete elettrica. La tesi è suddivisa in due parti: la prima parte descrive l'algoritmo sviluppato, la sua implementazione e validazione sperimentale; la seconda parte riguarda alcune caratteristiche che permettono all'algoritmo di funzionare in modo opportuno e in sicurezza. La modellizzazione e la validazione del modello dell'intero sistema elettro-meccanico e un'analisi orientata al controllo dell'efficienza metabolica hanno permesso di delineare le linee guida per lo sviluppo dell'algoritmo. L'idea è quella di recuperare energia dal ciclista quando pedala alla massima efficienza attivando l'assistenza elettrica nei tratti in cui è meno efficiente. Numerose simulazioni hanno accompagnato le fasi di sviluppo e taratura dei parametri. Il sistema proposto è stato testato in modo intensivo da molti utenti e si è dimostrato che in percorsi cittadini permette di aumentare del 25% l'efficienza metabolica e di ridurre sia la fatica che i picchi del battito cardiaco. Infine, nella seconda parte vengono descritti un innovativo stimatore della pendenza stradale basato sul filtro di Kalman e un algoritmo che stima la presenza del ciclista in sella con l'obiettivo di: da un lato, migliorare le prestazioni dell'algoritmo che mantiene lo stato di carica e dall'altro, aumentare la sicurezza del sistema.