Электрический велосипед

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 мотоцикла или скутера, электровелосипед может приводиться в движение педалями, а его эксплуатация и обслуживание немногим сложней обращения с обычным велосипедом.

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

История

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. 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 (1895) описывает устройство велосипеда оснащенного электродвигателем постоянного тока. В 1899 году Джон Шнепф разработал модель привода заднего колеса .

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 . C этого момента их выпуск постоянно увеличивается. На рынке США наивысший рост продаж пришёлся на 2002-2003 годы; общий объём продолжает расти.

В Китае первые промышленные образцы электровелосипедов местного производства появились в 1998 году 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.

Достоинства и недостатки

Достоинства

Электровелосипед с двойным приводом (переднее и заднее колесо). Аккумуляторные батареи смонтированы в раме

• Электровелосипед позволяет преодолевать крутые подъёмы и значительные расстояния физически неподготовленным людям
• Если заряд батарей кончится, то можно доехать на педалях
• Возможна зарядка батарей от бытовой электросети
• Электровелосипед, как и обычный, можно хранить в городской квартире
• При сопоставимой скорости в городских условиях, энергетические и экономические затраты на перемещение одного человека меньше, чем у любого другого вида транспорта, включая общественный. В частности, суммарные затраты первичной энергии для электрического велосипеда в 2-4 раза ниже, чем у обычного велосипеда .
• Меньшее загрязнение атмосферы в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов.

Недостатки

• Высокая цена
• Длительное время зарядки батарей и малый срок их службы
• Малый запас хода на электроприводе (20-50 км) даже с самыми дорогими аккумуляторами
• Педалирование затруднено большим весом конструкции
• Больше загрязнение окружающей среды (отжившими срок службы литиевыми аккумуляторами и отходами от их производства) в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов.

Разновидности

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 о экологической обстановке, GPS, GPRS.

Компоненты

Специфика и характеристики электрических компонентов во многом объединяют электровелосипед и электромобиль

Электродвигатель

Возможны, вообще говоря, два основных способа передачи крутящего момента от электродвигателя к колесу.

Мотор-колесо (en) - в настоящее время наиболее распространённая разновидность привода. Здесь в качестве электродвигателя используется бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. При этом собственно двигатель крепится на месте ступицы переднего или заднего колеса велосипеда. 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.

Менее распространённой является схема, при которой электродвигатель крепится над колесом (как правило задним) и передает крутящий момент через цепную или ременную передачу. В этом случае мощность сравнительно такая же, как и в случае мотор колеса, но переоборудование становится сложнее и несколько страдает внешний вид.

Батареи

Наиболее распространены следующие типы батарей

• Свинцово-кислотные
• Никель-металл-гидридные
• Li-ion
• LiPo
• LiFePO4

Батареи обычно крепятся на багажнике в специальном контейнере, на велосипедной раме или в специальных отсеках внутри рамы, если это предусмотрено конструкцией. Наиболее перспективным считается использование литиевых батарей ввиду их лучших характеристик (хотя и сравнительно более высокой цены) и постоянного увеличения их производства.

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. Еще более внушительными характеристиками (энергоемкость и разрядный\зарядный токи) обладают LiPo 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 LiPo 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 легкие 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 приведенных выше 45 В, 10 А*ч. Но у LiPo есть недостаток: они могут воспламениться при сильном перезаряде или механическом повреждении.

Контроллер

Велокомпьютер для электровелосипеда, показывающий также уровень зарядки батарей.

Контроллер (controller - с англ. "контролёр") - это электронное устройство, управляющее работой электровелосипеда.

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

Контроллеры делятся по следующим параметрам: напряжение питания (24/36/48/64/72/80 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.

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.

Применение

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.

Ссылки

• Электровелосипед сегодня и завтра №8, 1999 «Наука и жизнь»
• Electric bike articles
• ELECTRICAL BICYCLE Modular motorized electric wheel hub assembly for bicycles and the like

См также

• Электроскутер
• Электрокар
• Электромобиль
• Электродвигатель постоянного тока
• Велосипед с мотором
• Веломобиль
• Мотор колесо для велосипеда

Примечания

Типы велосипедов