Статьи

Главная / Статьи /Электрический велосипед
« Назад

Электрический велосипед  07.06.2011 14:06

Электр́ический велосип́ед (Электровелосипед, велогибрид, электробайк, 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

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

Принципиальные преимущества

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
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
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

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) и короткий срок их службы (не более 1-3 лет при средней нагрузке и умеренной цене аккумуляторов)
Высокая стоимость готового изделия и его эксплуатации по сравнению с обычным велосипедом (от 2-х до 10 раз)
При современных технологиях массовое использование вместо автомобилей с ДВС электровелосипедов не приведёт к значительному уменьшению общего загрязнения окружающей среды вследствие роста объёма отходов производства и утилизации их электрических и электронных компонентов

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 об экологической обстановке, GPS, GPRS.

Компоненты

Специфика и характеристики электрических компонентов во многом объединяют электровелосипед и электромобиль

Электродвигатель

На сегодняшний момент, существует три разновидности электропривода, применяемые в электровелосипедах:
Мотор-колесо. Самый распространенный 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:
1) гармонично вписывается в дизайн любого велосипеда
2) бесшумная работа электродвигателя
3) переделка обычного велосипеда с помощью мотор-колеса требует минимальных усилий
К недостаткам можно отнести:
1) существенное утяжеление колеса велосипеда
2) при превышении определенной скорости мотор-колесо начинает работать как генератор, вызывая торможение велосипеда
Электропривод с цепной или ременной передачей крутящего момента. 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 1,5кВт разгоняет электровелосипед до 100 км/ч.
Из преимуществ цепного электропривода можно выделить:
1) меньший вес двигателя и аккумуляторов, рассчитанных на меньшее напряжение
2) более высокая максимальная скорость
3) возможность использовать систему переключения передач велосипеда, что повышает КПД
К недостаткам можно отнести:
1) более сложная установка комплекта и необходимость использования специального инструмента
2) шумы, издаваемые электродвигателем и цепью
Фрикционный электропривод. Менее распространённая, малоэффективная схема, при которой электродвигатель крепится над колесом (как правило задним) и передает крутящий момент с вала двигателя непосредственно на покрышку велосипеда.
Единственный плюс:
1) достаточно простая установка привода, так как нет необходимости разбирать велосипед
Недостатки:
1) чрезвычайно низкий КПД.
2) быстрый износ покрышки и необходимость поддерживать определенное давление внутри колеса,
3) проскальзывание ролика в мокрую погоду.

Батареи

Батареи обычно крепятся на багажнике в специальном контейнере, на велосипедной раме или в специальных отсеках внутри рамы, если это предусмотрено конструкцией.
Наиболее распространены следующие типы батарей
Свинцово-кислотные
Никель-металл-гидридные
Li-ion
LiPo
LiFePO4
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

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; 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.

Производители и рынок

На данный момент основные производители размещают свои производства в юго-восточной Азии. Лидирующим брэндом в России и СНГ является компания ECOBIKE (www.eco-bicycle.ru) и ELTRECO (www.eltreco.ru)!