Электрический велосипед

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 0,25 кВт считается велосипедом, с двигателем более 0,25 кВт и менее 4 кВт - мопедом; при управлении мопедом требуется наличие водительского удостоверения категории M, A, или B; при управлении велосипедом водительское удостоверение не требуется.

История[править | править код]

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 код]

Принципиальные преимущества[править | править код]

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.

Несовершенства существующих конструкций[править | править код]

  • 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).
  • 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).

Разновидности[править | править код]

Заводской электровелосипед в московском прокате Велобайк

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 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].

Компоненты[править | править код]

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

Электродвигатель[править | править код]

На сегодняшний момент, существует 4 разновидности электропривода, применяемые в электровелосипедах:

Мотор-колесо[править | править код]

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. Шестерни в редукторе обычно изготавливаются из пластика, поэтому они подвержены повышенному износу и при регулярной эксплуатации редукторного мотор-колеса подлежат замене каждые 2-3 года.

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.

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 1000 Вт) крепление оси колеса к стандартной велораме (т. н. «дропауты») может быть не рассчитано на то, что к оси будет приложен высокий крутящий момент, что без принятия дополнительных мер способно привести к износу и разрушению рамы. 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 цепной или ременной передачей крутящего момента (mid-drive/мид Драйв, Подвесной мотор или Подкареточный)[править | править код]

Этот вариант электропривода является самым старым. Используются недорогие и распространённые коллекторные моторы в бюджетных электровелосипедах, нередко дополняемых свинцовыми аккумуляторами. Любители часто для переделки велосипедов используют 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 3000 Вт. Одна из китайских компаний начала производить мотор этого типа для велосипеда, мощность которого заявлена 18 КВт ("такой велосипед очень сложно назвать электровелосипедом") Главное преимущество цепного электропривода - низкая стоимость.

К недостаткам можно отнести:

  • сложная установка комплекта и необходимость использования специального инструмента, нередко нужна сварка
  • шумы издаваемые электродвигателем и цепью
  • больше трущихся деталей, более частое ТО и, соответственно, меньше надёжность, КПД и больше финансовых затрат

Фрикционный электропривод[править | править код]

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:

  • простая установка привода, так как нет необходимости разбирать велосипед

Недостатки:

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

Кареточный[править | править код]

Второй по популярности тип привода для электровелосипеда после мотор-колеса. В основе лежит передача механической энергии мотора непосредственно на ось каретки. Благодаря этому остаются все преимущества многоскоростного велосипеда в управлении передаточным отношением и крутящим моментом. Фактически мотор "заменяет ноги".

Плюсы :

  • возможность менять передачи при езде на электротяге (для многоскоростных велосипедов)
  • при установке мотора колёса не затрагиваются

Минусы :

  • высокая стоимость
  • совместим не со всеми велосипедами
  • относительно низкая надёжность из-за сложного устройства
  • наличие пластиковых шестерней, подверженных повышенному износу
  • ограниченная мощность (стандартно до 1000 Вт)
  • уязвимое место мотора под рамой, который в некоторых случаях может повредиться при ударе о препятствия
  • в большинстве случаев невозможность использовать передние передачи, т.к. после установки мотора остаётся одна ведущая звезда

Аккумуляторная батарея[править | править код]

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[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 1984 дня].

Контроллер[править | править код]

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.[14]

Производители и рынок[править | править код]

На российском рынке представлен ряд производителей электровелосипедов из Европы и Китая[15]. 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.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]