Электрический велосипед

Основная статья: Велосипед
Типичный городской электровелосипед. Хорошо видно переднее мотор-колесо и контейнер с аккумуляторными батареями на багажнике

Электри́ческий велосипе́д (электровелосипед, пауэрбайк, e-bike, pedelec (англ.)) представляет собой велосипед с электрическим приводом, который частично или полностью обеспечивает его движение. Его называют также велогибридом, хотя гибридный велосипед — это велосипед, сочетающий в своей конструкции как атрибуты горного, так и шоссейного велосипедов.

В общем случае электровелосипед отличает от обычного наличие трёх дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. В отличие от электроскутера или же мотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями, а его эксплуатация и обслуживание немногим сложней обращения с обычным велосипедом.

Несмотря на наличие электропривода, электровелосипед используется примерно так же, как и обычный велосипед, и в большинстве стран не требует для вождения наличия водительского удостоверения или номерного знака. Электровелосипед хорошо подходит как средство передвижения для широкого круга любителей с самым разным уровнем подготовки, поскольку легко позволяет дозировать физическую нагрузку. В России (и странах СНГ) электрические велосипеды правильно было бы назвать мопедами. ("МО"-Мотор + "ПЕД"-педали),

В России в соответствии с ПДД (редакция 2015 г.) электровелосипед с двигателем не превышающим 250 Вт считается велосипедом, с двигателем более 250 Вт и менее 4 кВт - мопедом; при управлении мопедом требуется наличие водительского удостоверения категории M или любой другой открытой категории прав (например, A или B); при управлении велосипедом водительское удостоверение не требуется. Впрочем, на практике это правило не работает.

ИсторияПравить

Идея оснащения велосипеда двигателем возникла немногим позже появления самого велосипеда. В 1888 году Джон Данлоп изобрёл пневматические шины, что значительно повысило комфорт и безопасность езды, сделав велосипед одним из самых популярных средств передвижения[1]. Дальнейшее развитие идеи связано с прогрессом в области электротехники. С 1890 сразу несколькими патентами была защищена конструкция электрического привода, устанавливаемого на велосипеде. Так, патент США[2] (1895) описывает устройство велосипеда оснащённого электродвигателем постоянного тока. В 1899 году Джон Шнепф разработал модель привода заднего колеса[3].

Продолжительное время производство электровелосипедов не привлекало крупных производителей, но в 1990-х годах с развитием бытовой электроники и появлением компактных аккумуляторов интерес к ним возродился. В 1992 году компания Zike начала массовый выпуск электровелосипедов[4]. C этого момента их выпуск постоянно увеличивается. На рынке США наивысший рост продаж пришёлся на 2002—2003 годы[уточнить]; общий объём продолжает расти[5].

В Китае первые промышленные образцы электровелосипедов местного производства появились в 1998 году[6] и в 2007 году их ежегодный выпуск достиг 17 млн штук, а к 2010 году, согласно оценкам, должно было вырасти до 22 млн. Китай — крупнейший в мире и производитель и потребитель электровелосипедов.

Мировое производство в 2007 году оценивалось в 18 млн штук и к 2010 году ожидался прирост до 30 млн штук в год[7].

Достоинства и недостаткиПравить

Принципиальные преимуществаПравить

 
Электровелосипед с двойным приводом (переднее и заднее колесо). Аккумуляторные батареи смонтированы в раме
  • Велосипед с электромотором позволяет преодолевать крутые подъёмы и значительные расстояния физически неподготовленным людям
  • Наиболее совершенные из существующих аккумуляторов для электровелосипедов имеют срок службы более 5 лет и обеспечивают запас хода более 100 км на одной зарядке.
  • Заряд аккумуляторов осуществляется от бытовой электросети[8]
  • Когда батарея разрядится, можно использовать педальный привод
  • При сопоставимой скорости в городских условиях энергетические и экономические затраты на перемещение одного человека оказываются на порядок меньше, чем у любого другого вида транспорта, включая общественный[9]
  • В сравнении с легковыми автомобилями эксплуатация, парковка и хранение электрических велосипедов требуют в десятки раз меньше расходов и пространства.
  • Уменьшение загрязнения атмосферы в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов.
  • Благодаря отсутствию испускаемого запаха, компактного размера и доступного для транспортировки веса электровелосипеда им могут пользоваться жители многоквартирных домов, храня у себя в квартире. Это один из немногих видов самодвижущегося транспорта, который можно хранить в квартире.
  • Электровелосипеды имеют высокую надёжность по сравнению с транспортными средствами на основе ДВС благодаря минимальному количеству компонентов и электронной составляющей, которая выполняет основную работу. Фактически износу подвержены только аккумуляторные элементы, подшипники, редуктор (при наличии) и резина на колёсах.
  • В продаже имеются комплекты, позволяющие создать электровелосипед из обычного велосипеда. Таким образом, нет необходимости покупать готовый электровелосипед, достигается экономия денег и места. Комплекты могут быть разной конфигурации: вид мотора (мотор-колесо, на каретку, подвесной), аккумулятор необходимой ёмкости, тип корпуса аккумулятора (с креплением на раму, к подседельному штырю, на багажник), тормозные ручки, регулятор газа (курок или мотоциклетная ручка, с индикацией заряда или без), дисплей (ЖК, светодиодный, без дисплея), PAS и т.п.
  • Широкий выбор компонентов для электровелосипеда позволяет собрать велосипед под свои нужды.

Несовершенства существующих конструкцийПравить

  • Педалирование и управление электровелосипедом с ёмкой батареей осложняется большой массой (от 30 кг и более), соответствующей инерцией и неудобствами с транспортировкой.
  • Недостаточный для многих пользователей запас хода только на электроприводе от аккумуляторов малой ёмкости (не более 20 км для обычной модели).
  • Длительное время зарядки обычных батарей (не менее 4-6 часов). Проблема решается использованием литий-титанатных аккумуляторов.
  • Короткий срок службы наиболее распространённых свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных батарей (не более 2-3 лет при средней нагрузке). LiFePO4 - до 5-7 лет. Литий-титанатные аккумуляторы - более 10 лет.
  • Ограничения эксплуатации электровелосипедов на основе свинцовых и литий-ионных аккумуляторов при отрицательных температурах. Данные батареи при этом начинают сильно деградировать. Ниже -20°C возможно применение только литий-титанатных и некоторых моделей литий-железофосфатных аккумуляторов.
  • Недостаточная проходимость и надёжность на дорогах без покрытия для электровелосипедов с редукторным мотор-колесом: пластиковые шестерни мотор-колеса в условиях повышенных вибраций быстро изнашиваются.
  • Высокая стоимость изделия и его эксплуатации по сравнению с обычным велосипедом (в 2 и более раза).
  • Невозможность совместить высокую скорость и большой запас хода: с доступными в данный момент аккумуляторами приходится выбирать что-то одно.

РазновидностиПравить

В общем случае электровелосипеды можно разделить на:

  • Собранные в заводских условиях. Для заводских электровелосипедов характерны специальные рамы, разработанные для крепления батарей (существуют даже модели, в которых батареи спрятаны внутри трубчатой конструкции рамы), а также специальные конструкции колёс и в целом специфический дизайн. Например, А2В.
  • Любительские (самостоятельно собранные) электровелосипеды — в своей основе обычные городские велосипеды с установленными на них компонентами, доступными на рынке. В настоящее время в продаже есть самые разнообразные готовые комплекты (двигатель, контроллер, батареи, зарядное устройство), которые позволяют практически любому человеку с небольшой технической подготовкой собрать такое средство передвижения.

КомпонентыПравить

Специфика и характеристики электрических компонентов во многом объединяют электровелосипед и электромобиль.

ЭлектроприводПравить

На сегодняшний момент существуют 2 основные разновидности электровелосипедов: с мотор-колесом и кареточным мотором.

Мотор-колесоПравить

Основная статья: Мотор-колесо

Самый распространённый вариант велосипедного электропривода на основе бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Двигатель вмонтирован в колесо вместо втулки. Устанавливается как на переднее, так и на заднее колесо. Использование мотор-колеса позволяет с минимальными затратами переоборудовать практически любой распространённый городской велосипед под электропривод, причём его дизайн почти не нарушается. Мотор-колесом может быть любое из колес или оба одновременно. Часто мотор-колесо продаётся в уже собранном (заспицованном) виде. Диапазон мощности у серийно выпускаемых мотор-колёс, приводящих в движение электровелосипеды, как правило, колеблется в пределах от 200 до 5000 Ватт.

Мотор-колёса бывают двух видов: редукторные и безредукторные. В корпусе редукторного мотор-колеса находится двигатель с высокой частотой вращения и низким крутящим моментом, который более компактен, дёшев и технологичен благодаря невысокой магнитной индукции статора, планетарный редуктор и обгонная муфта. Безредукторное мотор-колесо (прямого привода) — это низкооборотистый двигатель с большим моментом, вращение которого передаётся колесу напрямую, что упрощает конструкцию и увеличивает надёжность. Однако для получения двигателя с нужными характеристиками частоты и момента вращения необходимо очень сильное магнитное поле в его статоре, поэтому безредукторные мотор-колёса имеют большие размеры и вес двигателя из-за массивных редкоземельных постоянных магнитов в статоре.

Обгонная муфта редукторных мотор-колёс, с одной стороны, облегчает движение силой велосипедиста или накатом — в моменты, когда внешнее воздействие вращает колесо быстрее, чем это делает двигатель, вся моторная ступица ведёт себя как простой подшипник. Но с другой — этот же эффект делает невозможной рекуперацию кинетической энергии электровелосипеда. У безредукторного мотор-колеса, обгонной муфтой не оборудованного, частота вращения двигателя всегда равна частоте вращения колеса. С одной стороны, это позволяет использовать рекуперативное торможение, но с другой — даже если полностью отключить обмотки мотора от электрической цепи, в нём возникают заметные потери на вихревые токи, ухудшающие накат и затрудняющие езду на педалях (примерно как при езде против легкого ветра).

Сателлитные шестерни в планетарной передаче редукторных моторов, как правило, пластиковые — как самая дешёвая и легкозаменяемая часть планетарного механизма они являются расходным материалом, сберегая от износа зубцы металлических ротора и корпуса, и требуют плановой замены раз в 5-7 тысяч километров пробега двигателя.

Одним из вариантов мотор-колеса является так называемое Копенгагенское колесо (англ.) которое было представлено представителями Массачусетского технологического института на конференции по изменению климата в Копенгагене в 2009 году. Оно представляет собой велосипедное колесо с интегрированным в него электродвигателем, аккумулятором и контроллером, что позволяет переделать обычный велосипед в электро- просто заменой заднего колеса. Такое колесо автоматически помогает при педалировании, а для торможения использует электродвигатель в генераторном режиме, запасая энергию в аккумуляторе. Для управления колесом используется телефон, подключающийся к колесу по BlueTooth. Также в колесо встроены датчики, собирающие информацию об экологической обстановке, GPS, GPRS[10][11].

Преимущества использования мотор-колеса:

  • гармонично вписывается в дизайн любого велосипеда
  • малошумная работа электродвигателя
  • переделка обычного велосипеда с помощью мотор-колеса требует минимальных усилий
  • мотор-колесо совместимо с большинством моделей велосипедов
  • малые потери энергии на трение из-за минимального количества подвижных частей мотора (особенно у безредукторных мотор-колёс)

К недостаткам можно отнести:

  • ощутимое утяжеление колеса велосипеда
  • при использовании мощных мотор-колёс (от 500 Вт) крепление оси колеса к стандартной велораме (т. н. «дропауты») не рассчитано на то, что к оси будет приложен высокий крутящий момент, что без принятия дополнительных мер способно привести к износу и разрушению рамы (на скорости это может повлечь тяжелые травмы вплоть до летального исхода). Поэтому при высокодинамичных режимах езды рекомендуется устанавливать дополнительный кронштейн — усилитель дропаута из прочных марок стали, препятствующий провороту оси колеса. Такие детали выпускаются промышленно или изготавливаются сборщиками электровелосипедов самостоятельно.

Электропривод с кареточным электромоторомПравить

Электровелосипед с мотором установленным в кареточный узел рамы. Передача крутящего момента цепная или ременная. Производителями кареточных электромоторов являются такие известные компании, как: Bosch, Panasonic, Bafang, Yamaha и Shimano. Кареточные электромоторы используются для создания современных горных электровелосипедов такими известными велобрендами, как Diamondback, Raleigh, Kalkhoff, Univega, Focus, Trek, IZIP, Specialized, BH, KTM, Rotwild и Bulls. Причина в том, что они имеют определённые преимущества по сравнению мотор-колесами[12].

Недостатки кареточных электромоторов:

  • Износ цепи или ремня, зубьев звездочек и переключения передач заметно выше, чем при использовании мотор-колес, но ничем не отличается от обычных велосипедов (если учитывать износ в зависимости от пробега).
  • Установка на велосипед требует наличия специальных ключей для работы с кареткой.
  • Если используется передняя звёздочка небольшого диаметра (меньше 38), то кареточный мотор уменьшает клиренс. Если 38 и больше, то клиренс ограничен звездочкой[12].

Достоинства кареточных электромоторов:

  • Не нужно менять или спицевать колёса, мотор устанавливается вместо каретки.
  • Контроллер встроен в мотор.
  • В отличие от мотор-колес с директ-драйвом при севшем аккумуляторе крутить педали электровелосипеда также легко, как на обычном велосипеде.
  • Нагрузка на спицы и обода как на обычном велосипеде.
  • Есть возможность выбора передачи соответственно дороге.
  • При проколах камер и ремонте остается возможность легко снимать колёса.
  • Низкий уровень шума (< 55 дБ).
  • У электровелосипедов с кареточным мотором центр тяжести расположен посередине, что привычно и хорошо сказывается на управляемости, что особенно актуально на бездорожье, при агрессивном катании и при перемещениях по снегу.
  • Значительная часть кареточных моторов оснащены торк-сенсором, который дает более «естественные» ощущения при педалировании и экономит заряд батареи[12].

Аккумуляторная батареяПравить

Батарея электровелосипеда обычно крепится на багажнике в специальном контейнере, на велосипедной раме или в специальных отсеках внутри рамы, если это предусмотрено конструкцией. Наиболее распространённые типы батарей[13]:

На расход энергии аккумуляторной батареи и дальность поездки без подзарядки существенно влияют:

  • Суммарный вес электровелосипеда, велосипедиста и багажа.
  • Тип электромотора. Редукторные модели позволяют проехать расстояние примерно на 30% больше, чем прямоприводные (при идентичности остальных параметрах).
  • С увеличением ёмкости батареи увеличивается пробег на одном заряде. При увеличении скорости — уменьшается пробег на одном заряде поскольку с увеличением скорости возрастает и расход энергии, которая затрачивается на преодоление силы трения и всех сопротивлений (качению, аэродинамического и пр.). Они имеют квадратичную зависимость от скорости: если ехать вдвое быстрее, на преодоление сопротивлений будет затрачиваться в 4 раза больше энергии.
  • Качество дорожного покрытия.
  • Давление в шинах. Для увеличения пробега нужно минимизировать пятно контакта, т.е. туго накачать шины.
  • Стиль езды (степень ассистирования подалированию мотором, наличие или отсутствие резких разгонов)[14][15].

Наиболее перспективным считается использование литиевых батарей ввиду их лучших характеристик (хотя и сравнительно более высокой цены) и постоянного увеличения их производства[6].

В 2007—2008 годах на рынке появляется новая разновидность литий-ионных аккумуляторов — литий-железо-фосфатные (LiFePO4). Их появление решило две проблемы традиционных литий-ионных аккумуляторов: риск воспламенения и взрыва при перегреве во время заряда или разряда большими токами, а также относительно небольшое количество циклов заряда-разряда (обычно заявляются 500 и 2000 циклов соответственно). Типичные характеристики LiFePO4 батарей 2009 года выпуска: напряжение 39,6 В, ёмкость 10 А*ч, масса 3,5 кг, что при типичном расходе энергии 15 ватт-час на километр даёт запас хода электровелосипеда около 25 км[16].

КонтроллерПравить

 
Велокомпьютер для электровелосипеда, показывающий также уровень зарядки батарей.

Контроллер (велокомпьютер) — это электронное устройство, управляющее работой электровелосипеда. Обычно контроллеры делаются в виде платы, расположенной в алюминиевом корпусе, выполняющем функции радиатора для отвода тепла и предохраняющем устройство от окружающей среды. Из корпуса выводятся кабели с контактными разъёмами для различных устройств электровелосипеда.

Основные функции контроллера: подавать ток от аккумулятора на электродвигатель в соответствии с установками пользователя; выдавать на индикатор остаток заряда батареи; определять вращение/остановку педалей; ограничивать максимальную скорость движения велосипеда для экономии энергии; поддерживать постоянную скорость движения (круиз-контроль); заряжать аккумулятор при торможении.

Контроллеры делятся по следующим параметрам: напряжение питания (24/36/48/60/64/72/80 и более вольт); рекуперация энергии от мотора (есть/нет); наличие подающей энергии от педалей на аккумулятор(есть/нет); количество датчиков Холла; наличие датчиков от педалей (есть/нет); тип электромотора (щёточный/бесщёточный); тип регулятора мощности (аналоговый/дискретный); возможность подключения к другим контроллерам (есть/нет); круиз-контроль (есть/нет); различные индикаторы, фары и переключатели.

Рекуперация энергии может осуществляться при торможении и/или на холостом ходу, в зависимости от возможностей контроллера и мотора.

Для расчёта характеристик электровелосипеда используются онлайн-калькуляторы, позволяющие рассчитать ёмкость аккумуляторной батареи, скорость, запас хода, мощность мотора и другие параметры.[17]

Осветительное оборудованиеПравить

В отличие от обычных велосипедов, на электровелосипедах используются как велосипедные фары со встроенными источниками питания, так и фары для мотоциклов и автомобилей, имеющие питание от основной аккумуляторной батареи электровелосипеда[18].

Производители и рынокПравить

На российском рынке представлен ряд производителей электровелосипедов из Европы и Китая[19]. Они делятся на три категории: 1) Электровелосипеды под маркой автопроизводителей; 2) Европейские и американские бренды; 3) Российские марки, произведённые в Китае.

Также развит рынок самодельных электровелосипедов для энтузиастов. Комплектующие можно купить в ряде специализированных магазинов или заказать из Китая.

Системы городского прокатаПравить

 
Электровелосипед B’TWIN в московском прокате Велобайк
Россия

В августе 2016 года в Москве в рамках системы Велобайк был запущен прокат электровелосипедов. В рамках первого этапа пилотного проекта в городе запущены 5 станций электровелопроката и 60 велосипедов. В 2018 году уже 260 электровелосипедов были доступны на 12 станциях. Также в 2018 году проводилась тестовая эксплуатация более 200 электровелосипедов обновлённой модели на 6 станциях. Электровелосипеды этой модели оборудованы системой «педал ассист»: электромотор "помогает" крутящему педали велосипедисту. Вес электровелосипеда снижен с почти 40 до 27 кг. Максимальная скорость до 25 км/ч. Максимальный пробег без подзарядки 30–40 километров.[20]

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Bicycle History
  2. Electrical Bicycle 552,271
  3. U.S. Patent 3 431 994
  4. Zikebike company profile
  5. Electric bykes world wide reports (недоступная ссылка). Дата обращения 1 октября 2008. Архивировано 1 июля 2007 года.
  6. 1 2 Electric bicycles gain more market shares China Economic net
  7. E-bike to Become Star Electronic Product 2007 year (недоступная ссылка)
  8. Why choose an ELECTRIC bike?
  9. Shreya, Dave. Life Cycle Assessment of Transportation Options for Commuters (англ.) // Massachusetts Institute of Technology : journal. — 2010. Архивировано 15 июля 2011 года.
  10. Ученые изобрели чудо-велосипед (НТВ)
  11. The Copenhagen wheel (англ.)
  12. 1 2 3 Константинов Д. Кареточные электромоторы для велосипедов. gorodunet.com (06.11.2019). Дата обращения 19 ноября 2019.
  13. What exactly is an electric bike? (недоступная ссылка). Дата обращения 1 октября 2008. Архивировано 26 июля 2008 года.
  14. Electric Bicycle Range. electric-bicycle-guide.com. Дата обращения 27 ноября 2019.
  15. Константинов Д. Купить аккумуляторную батарею для электровелосипеда. gorodunet.com (27.11.2019). Дата обращения 27 ноября 2019.
  16. LiFePO4 Batteries: A Breakthrough For Electric Vehicles  (Проверено 15 июня 2009)
  17. Калькулятор электротранспорта. «Интернет-магазин CarbonBike». Дата обращения 30 января 2018.
  18. Константинов Д. Фара для электровелосипеда. gorodunet.com (19.11.2019). Дата обращения 19 ноября 2019.
  19. Александр Грек. Электровозы // Популярная механика. — 2017. — № 7. — С. 60—63.
  20. До 25 километров в час: в столичном прокате появились электровелосипеды новой модели. Официальный сайт Мэра Москвы (13 ноября 2018).

СсылкиПравить