Energy management of full hybrid electric bike : human and electric energy integration

Energy and environmental considerations, new paradigms for urban mobility and transportation increased in the past few years the interest on Light Electric Vehicle (LEV). In that context, Electrically Power Assisted Cycles (EPACs)received a great attention: several efforts have been made in order to improve their performance in terms of autonomy, weight, aesthetic and feeling with the driver. This Thesis deals with the project and design of a full hybrid electric bicycle (HEB). The main characteristics of this novel vehicle are: - Small added weight with respect to a traditional bike; - A main power source (the cyclist) and a secondary power source storage(the battery pack); - Charge sustaining mode (bike does not need to be recharged from electricgrid differently from all the other electric bicycles present in the market); - Reduction of main power source effort (i.e. the human effort). The Thesis is structured as follows: first, system setup is described, underlining substantial equivalency in terms of weight and appearance with respect to a traditional bike. Second, estimation problems are presented. In particular the Thesis details a Kalman Filter method to estimate the State-of-Charge of the battery pack, a torque estimation algorithm for half pedaling torque sensors and a kinematic technique to estimate road grade angle for two-wheeled vehicles with a reduced sensor set. Third, the Thesis discusses the identification and validation of a complete electro-mechanical model of the bike. Fourth, metabolic experiments performed in a cycling track and a human fatigue model available in literature have been analyzed to achieve the objective of reducing the human effort. From the results of this analysis, control algorithms to reduce cyclist effort while maintaining State-of-Charge have been designed and validated, collecting oxygen consumption and heart rate data during experimental campaigns in Milan and in Paris. Particularly, the attention has been focused on the ratio between the total developed mechanical energy and the total oxygen consumption. This ratio has been called equivalent metabolic efficiency. Experimental campaigns to compare oxygen consumption and heart rate measurements of cyclist riding HEB and traditional bike in the same track and following the same speed profile show that the equivalent metabolic efficiency increases of almost 30% while riding the HEB and heart-rate peaks are reduced up to 30 bpm.

Nei recenti anni, la spinta verso nuovi sistemi di propulsione unitamente a considerazioni di carattere ambientale e a nuovi paradigmi di mobilità e trasporto urbani, hanno contribuito ad un crescente interesse verso i cosiddetti Veicoli Elettrici Leggeri. In tale contesto, le biciclette a pedalata assistita (EPAC) sono state e sono oggetto di particolare attenzione, specialmente con l’obiettivo di migliorarne l’autonomia, l’estetica e il “feeling” di guida e contemporaneamente ridurne il peso. Questa Tesi propone un nuovo concetto di bicicletta a pedalata assistita: un veicolo completamente ibrido. Le caratteristiche di questo nuovo veicolo sono le seguenti: - Il peso aggiunto (motore, elettronica e pacco batterie) è limitato rispetto al peso di una bici tradizionale - Il veicolo presenta una fonte di energia primaria (il ciclista) e una fonte di energia secondaria (il pacco batterie) - Il veicolo è caratterizzato dal mantenimento dello stato di carica (il pacco batterie non richiede di essere ricaricato dalla rete elettrica, a differenza di quanto avviene per tutte le biciclette elettriche attualmente commercializzate) - La fonte di energia primaria risulta meno affaticata (ovvero vi è una diminuzione dello sforzo del ciclista) La tesi è strutturata come segue: per prima cosa è descritto il setup del sistema, sottolineando la sostanziale equivalenza in termini di peso ed estetica rispetto ad una bici di tipo tradizionale. In seguito, sono presentati i problemi di stima. In particolare la Tesi presenta in modo dettagliato un metodo basato sul Filtro alla Kalman per la stima dello stato di carica del pacco batterie, un algoritmo di stima della coppia al pedale mediante un sensore di coppia di metà pedalata e infine un algoritmo per la stima della pendenza stradale per veicoli a due ruote mediante un layout sensoristico ridotto. Il capitolo successivo affronta il problema di identificazione e validazione del modello elettromeccanico completo della bici ibrida. A valle di questo modello, vengono analizzati gli esperienti metabolici condotti al velodromo e i modelli di “stato di fatica” presenti in letteratura. Lo scopo della sezione è di ottenere una migliore comprensione di quali sono i meccanismi su cui concentrarsi per ridurre la fatica del ciclista. Dai risultati di questa analisi, sono stati progettati algoritmi di controllo per ridurre la fatica del ciclista mantenendo contemporaneamente lo stato di carica del pacco batterie. L’analisi di tali algoritmi è seguita dalla loro validazione per mezzo di esperimenti condotti a Milano e Parigi nei quali sono stati acquisiti dati relativi al consumo di ossigeno e ai battiti cardiaci. In particolare l’attenzione è stata rivolta al rapporto tra il l’energia meccanica totale sviluppata e l’ossigeno totale consumato. Questo rapporto è stato chiamato efficienza metabolica equivalente. Le campagne sperimentali di comparazione tra bici tradizionale e ibrida hanno sottolineato la possibilità di incrementare l’efficienza metabolica equivalente del 30% e al contempo ridurre i picchi di battito cardiaco di oltre 30 battiti al minuto.