Электрический велосипед

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Типичный городской электровелосипед. Хорошо видно переднее мотор-колесо и контейнер с аккумуляторными батареями на багажнике

Электр́ический велосип́ед (Электровелосипед, пауэрбайк, e-bike, pedelec  (англ.)) представляет собой велосипед с электрическим приводом, который частично или полностью обеспечивает его движение.

В общем случае электровелосипед отличает от обычного велосипеда 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 прав или номерного знака. Электровелосипед хорошо подходит как средство передвижения для широкого круга любителей с самым разным уровнем подготовки, поскольку легко позволяет дозировать физическую нагрузку.

История[править | править вики-текст]

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; 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, вырастет 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 недостатки[править | править вики-текст]

Принципиальные преимущества[править | править вики-текст]

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
  • Если батарея разрядится, то можно использовать педальный привод
  • Заряд аккумуляторов осуществляется от бытовой электросети[8]
  • При сопоставимой скорости в городских условиях, энергетические и экономические затраты на перемещение одного человека оказываются на порядок и более ниже, 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.

Несовершенства существующих конструкций[править | править вики-текст]

  • Педалирование и управление затруднено большой массой (от 20 до 50 кг и более) и соответствующей инерцией электрических велосипедов
  • Недостаточный для многих пользователей запас хода только на электроприводе (редко больше 25-50 км)
  • Длительное время зарядки батарей (как правило не меньше 2-6 часов)
  • Короткий срок службы свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных батарей (не более 2-3 лет при средней нагрузке). (Для LiFePO4 аккумуляторов до 10 лет).
  • Высокая стоимость готового изделия и его эксплуатации по сравнению с обычным велосипедом (от 2-х до 10 раз)

Разновидности[править | править вики-текст]

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.

На конференции по изменению климата в Копенгагене в 2009 году представителями Массачусетского технологического института было представлено «Копенгагенское колесо», которое 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, запасая энергию в аккумуляторе. Для управления колесом используется телефон, подключающийся к колесу по BlueTooth. Так же в колесо встроены датчики, собирающие информацию об экологической обстановке, GPS, GPRS[10][11].

Компоненты[править | править вики-текст]

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

Электродвигатель[править | править вики-текст]

На сегодняшний момент, существует три разновидности электропривода, применяемые в электровелосипедах:

Мотор-колесо[править | править вики-текст]

Самый распространённый вариант велосипедного электропривода на основе бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Двигатель вмонтирован в колесо вместо ступицы. 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 1000 Ватт.

Преимущества использования мотор-колеса:

  • гармонично вписывается в дизайн любого велосипеда
  • бесшумная работа электродвигателя
  • переделка обычного велосипеда с помощью мотор-колеса требует минимальных усилий

К недостаткам можно отнести:

  • существенное утяжеление колеса велосипеда
  • при превышении определенной скорости мотор-колесо начинает работать как генератор, вызывая торможение велосипеда

Электропривод с цепной или ременной передачей крутящего момента[править | править вики-текст]

Этот вариант электропривода является более эффективным чем мотор-колесо. При меньшем весе и мощности, электровелосипеды с цепной передачей достигают больших скоростей. Часто для переделки велосипедов используются двигатели, применяемые в какой-либо бытовой или автотехнике. Встречаются упоминания о электродвигателях из стиральных машин, стеклоочистителей автомобиля и даже электродрели. Диапазон мощности, как правило колеблется в пределах от 200 до 1500 Вт, а набор из двух моторов по 1,5 кВт разгоняет электровелосипед до 100 км/ч.

Из преимуществ цепного электропривода можно выделить:

  • меньший вес двигателя и аккумуляторов, рассчитанных на меньшее напряжение
  • более высокая максимальная скорость
  • возможность использовать систему переключения передач велосипеда, что повышает КПД

К недостаткам можно отнести:

  • более сложная установка комплекта и необходимость использования специального инструмента
  • шумы, издаваемые электродвигателем и цепью

Фрикционный электропривод[править | править вики-текст]

Менее распространённая, малоэффективная схема, при которой электродвигатель крепится над колесом (как правило задним) и передаёт крутящий момент с вала двигателя непосредственно на покрышку велосипеда.

Единственный плюс:

  • достаточно простая установка привода, так как нет необходимости разбирать велосипед

Недостатки:

  • чрезвычайно низкий КПД
  • быстрый износ покрышки и необходимость поддерживать определенное давление внутри колеса
  • проскальзывание ролика в мокрую погоду

Батареи[править | править вики-текст]

Батареи обычно крепятся на багажнике в специальном контейнере, на велосипедной раме или в специальных отсеках внутри рамы, если это предусмотрено конструкцией. Наиболее распространённые типы батарей[12]:

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[13]. Ещё более внушительными характеристиками (энергоемкость и разрядный/зарядный токи) обладают Li-Pol аккумуляторы. В частности, для блока в 3,5 кг, указанного выше из LiFePO4 (40 В, 10 А*ч – 400 Вт*ч), при том же весе Li-Pol будут иметь большую энергоёмкость (45 В, 10 А*ч – 450 Вт*ч), и выдерживать длительные разрядные токи в 4С (40 А при 10 А*ч) и зарядные в 3С (30 А при 10 А*ч). Это позволяет собирать относительно лёгкие батареи для мощных комплектов (свыше 2 кВт), и заряжать их за считанные минуты – 15 минут с использованием 1,5 кВт зарядки (48 В, 30 А) для приведённых выше 45 В, 10 А*ч. Но у Li-Pol есть недостаток: они могут воспламениться при сильном перезаряде или механическом повреждении[источник не указан 534 дня].

Контроллер[править | править вики-текст]

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); 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.

Производители и рынок[править | править вики-текст]

См также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]