Электрический велосипед

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[11]
• 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[12]
• В сравнении с легковыми автомобилями эксплуатация, парковка и хранение электрических велосипедов требуют в десятки раз меньше расходов и пространства.
• 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), тормозные колодки 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.
• Низкий уровень шума.

• 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).
• 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 и литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы - более 10 лет, однако они в несколько раз дороже аналогов.
• Ограничения эксплуатации электровелосипедов на основе свинцовых и литий-ионных аккумуляторов при отрицательных температурах. Данные батареи начинают сильно терять емкость при охлаждении (обратимо). 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 в серийном производстве аккумуляторами приходится выбирать что-то одно.
• Использование электропривода для движения обесценивает идею велосипеда как спортивного средства, служащего для поддержания пользователя в хорошей физической форме. С другой стороны, использование педального привода на электровелосипеде заставляет пользователя прикладывать избыточные усилия для перемещения «мертвого груза» электродвигателя и аккумулятора.

• Уменьшение загрязнения атмосферы в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов, однако электричество по-прежнему вырабатывается сжиганием углеводородов, а также вопрос с утилизацией отработанных аккумуляторов.

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

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 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[13][14].

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 использовании моторов средней мощности (от 500 до 2000 вт) рекомендуется устанавливать дополнительный кронштейн — усилитель дропаута из прочных марок стали, препятствующий провороту оси колеса. Такие детали выпускаются промышленно или изготавливаются сборщиками электровелосипедов самостоятельно. Для моторов большой мощности (от 3 кВт) используются только специальные рамы для электровелосипедов с рассчитанными на данную нагрузку дропаутами (усилители для обычной рамы такой крутящий момент не выдерживают).

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[15].

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[15].

Достоинства кареточных электромоторов:

• Не нужно менять или спицевать колёса, мотор устанавливается вместо каретки (неприменимо для моторов с высоким крутящим моментом - обычные спицы его не выдержат).
• Контроллер встроен в мотор.
• В отличие от мотор-колес с директ-драйвом при севшем аккумуляторе крутить педали электровелосипеда также легко, 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[15].

Фрикционный мотор основан на фрикционной передаче (лат. frictio, родительный падеж frictionis — трение) — кинематической паре, использующей силу трения между собой для передачи механической энергии. В патенте США 699,066, выданном Джону Шнепфору в 1899 году, описан первый электрический велосипед основанный на трении роликового колеса с покрышкой. Изобретение в разных вариациях использовано в концептах и серийных конструкциях XX и XXI века[16].

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[17]:

• Никель-металл-гидридный (NiMH)
• Литий-ионный (Li-ion)
• Литий-полимерный (Li-Pol)
• Литий-железо-фосфатный (LiFePO4)

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.
• Стиль езды (степень ассистирования педалированию мотором, наличие или отсутствие резких разгонов)[18][19].

Наиболее перспективным считается использование литиевых батарей ввиду их лучших характеристик (хотя и сравнительно более высокой цены) и постоянного увеличения их производства[9].

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[20].

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.[21]

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[22].