Электрические велосипеды: машины на замену легковым автомобилям

Электрические велосипеды: машины на замену легковым автомобилям

Окружающая среда современного мира загрязнена в значительной степени. И степень загрязнения атмосферы лишь нарастает с каждым годом. Такие критические условия заставляют людей обратить внимание на электрические велосипеды – своего рода прообраз обычного педального байка. Машины экономно потребляющие энергию, обладающие низким уровнем шума, не оставляющие загрязнений (в отличие от автомобиля), становится важным направлением развития парка транспортных машин в границах всего мира. Быстрое развитие научных технологий способствует совершенству конструкции электрических велосипедов. Последние 20 лет этого направления индустрии демонстрируют существенное развитие.

Электрические велосипеды – базовые элементы конструкции

Велосипед  на электрическом ходу отличается от обычной машины такого типа включением в конструкцию ряда дополнительных компонентов:

  • электромотора,
  • аккумулятора,
  • электронной системы управления.

Электроника используется для контролирования движения кривошипов, подобно системам других машин и механизмов. Нередко в состав системы контроля работы электрического велосипеда входит визуально ориентированная панель для просмотра состояния аккумулятора, скорости велосипеда, а также общего расстояния, пройденного велосипедом на электрическом ходу.

Компоненты системы безопасности машины:

  • тормоза,
  • освещение,
  • конструкция кузова,

как правило, имеют несколько усиленное исполнение на электронных велосипедах, по сравнению с обычными машинами подобного типа. Такой подход обусловлен необходимостью выдерживать более тяжелые механические нагрузки.

Аккумуляторная батарея велосипеда на электрическом ходу

Аккумулятор выступает основным компонентом для электрических велосипедов. Существует масса разных типов АКБ, однако наиболее подходящими в данном случае видятся никель-металлогидридные, никель-ионные, литий-ионные аккумуляторы.

Электрические велосипеды - литий-ионная батарея АКБ для питания энергией
Литий-ионная аккумуляторная батарея для снабжения двухколёсной машины энергией — классический вариант закрепления элемента на багажнике

Ёмкость существующих велосипедных аккумуляторов варьируется в широких пределах. В целом, запас энергии АКБ электрических велосипедов находится в границах 400 Вт/час. Качество аккумулятора определяют два фактора:

  1. Количество циклов заряда.
  2. Остаточный процент ёмкости после граничной цифры цикличности, который измеряется путём сравнения с первоначальной ёмкостью.

Для никель-металлогидридных батарей допустимым считается от 400 до 800 циклов перезарядки, тогда как для литиевых батареей цифра может составлять более 1000 циклов. Время заряда в целом зависит от типа используемых батарей и составляет от 2 до 9 часов.

Самым надежным велосипедным источником энергии на данный момент времени считается литий-ионный аккумулятор. Лёгкий по весу, этот элемент питания повышает эффективность работы байка на электрическом ходу. Кроме того, литий-ионный АКБ долговечен и стабильно держит заряд продолжительное время.

Электрические велосипеды — заряд АКБ и повышение эффективности

Разработаны системы, позволяющие заряжать батарею двухколёсной машины тремя различными способами:

  • бытовая сеть 220В переменного тока,
  • солнечная панель, закреплённая на велосипедной раме.
  • генератор электричества от вращения педалей.

Последняя в списке вариация привлекательна тем, что позволяет организовать процесс поддержания энергии АКБ непрерывно. Этим процессом увеличивается также эффективность работы батареи.

Электрические велосипеды - набор тестирующих приборов для АКБ
Такой набор для тестирования источника энергии необходим: 1 — вольтметр; 2 — тестируемый источник питания; 3 — микрометр; 4 — ватт-метр; 5 — коммутатор (селектор)

Наконец, экспериментальная опция перезарядки батареи электрического велосипеда реализует процесс с помощью динамо. Динамо в конструкции байка работает от вращения колёс, соответственно, производит электричество для заряда батареи. На данный момент, однако, технология динамо-машины находится на стадии экспериментального совершенства.

Пока что электрический велосипед не предусматривает использование системных зарядных устройств, непосредственно прикреплённых к велосипеду. Применяется стандартный аккумулятор, который заряжается через обычную электрическую розетку бытовой сети.

В этом видится одно из неудобств эксплуатации техники, так как требуется вынимать аккумулятор и перезаряжать, когда мощности АКБ недостаточно для управления велосипедом на электрическом ходу.

Типы аккумулятора под электрические велосипеды

Как уже отмечалось, литий-ионный аккумулятор считается лучшим среди доступных байкам аккумуляторов, согласно отчёту о производительности. Отчёт получен сравнительным исследованием различных типов аккумуляторов, изучением разных аспектов, например:

  • процента заряда,
  • наличия конденсата,
  • веса и других.

Ниже представлена таблица типичных источников питания под электрический велосипед, определяющая уровни эффективности и максимальной долговечности АКБ.

Тип источника питания Объёмная плотность энергии Удельная плотность энергии Удельный термодинамический потенциал Условная цена,

W/ч

Литий-Ионный

(LI-I)

230 128 0,46 3,12
Кислотно-Свинцовый

(Lead-Acid)

100 41 0,14 1,13
Алкалиновый

(Alkaline long-life)

320 110 0,40 1,26
Карбон-Цинковый (Carbon-Zinc) 92 36 0,13 2,06
Никель-Металлогидрид (NIMH) 300 95 0,36 6,58
Никель-Кадмий (NICD) 140 39 0,14 9,97

Также нелишним будет отметить другие технические аспекты, касающиеся источников питания электрических велосипедов. Следующая таблица показывает эти аспекты, безусловно, не менее важные для понимания потенциальными владельцами электрических велосипедов.

Тип батареи Кислотно-Свинцовый Никель-Металлогидрид Никель-Кадмий Литий-Ион
Ёмкость, мА,ч 2000 600 1000 1200
Напряжение, В 12 7,2 7,2 7,2
Энергия заряда, Wч 24 4,5 7,5 8,6
Число циклов 250 1000 500 500

Роль контроллера для функции источника питания

Технология применения контроллер для питания мотора велосипеда на электрическом ходу видится достаточно сложным процессом. Мотор электрического велосипеда потребляет энергию только в случае необходимости. Иначе двигатель остаётся полностью отключенным от основного источника питания.

Электрические велосипеды - контрольный дисплей LCD на руле
Дисплей LCD на руле байка: 1 — управление скоростью мотора; 2 — уровень двигателя; 3 — дистанция; 4 — индикатор ёмкости (заряда) источника питания; 5 — скорость движения

Такая система функционирования позволяет экономить значительное количество энергии источника питания. Контроллер считывает потребность силы, исходя из поведения велосипедиста.

Когда велосипедисту не используется педальный механизм, этот момент, как правило, означает, что нужная скорость достигнута. Соответственно, необходимость крутить педали и увеличивать скоростной режим, попросту отпадает.

В течение этого времени процесс подачи питания на двигатель полностью блокируется. Но как только велосипедист начинает крутить педали, контроллер мгновенно реагирует — начинает действовать, активируя блок питания (аккумулятор) для подачи питания на концентратор двигателя.

Этот механизм делает функцию источника питания велосипеда на электрическом ходу наиболее сложной, поскольку работает автоматически с целью повышения эффективности АКБ. Кроме того, благодаря использованию двигателя электрического велосипеда в нужное время, особенно на пересеченной местности, поездка остаётся лёгкой и комфортной.

Как работают моторы электрических велосипедов?

Мотор велосипеда на электрическом ходу содержит:

  • катушки статора,
  • вращающийся ротор,
  • магниты сил вращения.

Используемые в конструкции магниты работают по принципу электромагнетизма. Другими словами, электричество влияет на железо таким образом, что железо действует подобно магниту с характеристиками притяжения. Тем самым генерируется эффект движения.

Электрические велосипеды - трёхколёсные грузовые машины
Одна из эффективных грузовых конструкций, на практике доказывающая собственную значимость среди огромного количества разных машин — трёхколёсный электрический велосипед

Задача конструкции — переключать направление сил, чтобы двигатель работал непрерывно от момента запуска, до момента его остановки. В конструкциях электрических велосипедов обычно используются два типа двигателей:

  1. Щёточный.
  2. Безщёточный (мотор-колесо).

Все современные электрические велосипеды в основном комплектуются «безщёточными» мотор-редукторами. Причина очевидна – такие моторы долговечны, затраты на обслуживание очень малы. Ограниченное производство таких движков сопровождается дороговизной. Но в долгосрочной перспективе это самый надёжный вариант.

Электрические велосипеды — щёточный или безщёточный мотор-редуктор?

Щёточный мотор-редуктор (ступичный двигатель) содержит металлические «щётки», контактом которых передаётся электрическая энергия вращающимся деталям. Этот контакт изнашивает щётки с течением времени, что сопровождается необходимостью замены щёток.

Замена щёток новыми не требует больших расходов, но саму работу по замене сделать непросто. Вместе с тем имеется преимущество щёточных моторов — использование менее сложных контроллеров управления.

Тем не менее, предпочтительнее использовать безщёточные двигатели только по той причине, что после вскрытия двигателя для ремонта, мотор уже невозможно преобразовать в исходный стандарт.

Электрические велосипеды - внутренний вид безщёточного мотора
Так выглядит внутренняя составляющая безсщёточного двигателя, используемого в конструкциях велосипедов на электрическом ходу

Конструкция безщёточного двигателя электрического велосипеда не предполагает физических контактов с какими-либо частями внутри. Следовательно, практически полностью отсутствуют возможности износа. Долговечность таких типов моторов фактически безгранична.

Однако двигателям такого типа требуются более сложные контроллеры для управления тремя разными обмотками. Питание при этом подаётся на отдельные обмотки в соответствии с положением в движении.

Когда двигатель электрического велосипеда проходит одну обмотку, контроллер передаёт энергию другой обмотке, заставляя движение продолжаться без остановки. Эти типы двигателей самые популярные на текущий момент.

Электрический велосипед и контроллер на безщёточный мотор

Существуют различные датчики, используемые для проверки и контроля скорости движения. Например, достаточно эффективным считается датчик Холла. Электрический велосипед требует сильный начальный крутящий момент.

Механизм безопасного управления скоростью – датчик, имеет специальные функции точного контроля скорости. Электронным контроллером обеспечивается ввод данных в реальном времени для реагирования в зависимости от ситуации.

Обычно измеряемыми датчиком значениями являются текущая сила и текущая скорость двухколёсной машины. Контроллеры байков работают с механизмом управления скоростью, используя обратную связь для точного управления скоростью.

Осуществляется регулировка скорости, а также скачок перенапряжения, вход сверхтока или другие уровни защиты. Контроллером используется принцип ШИМ (широтно-импульсная модуляция) для регулировки мощности, подводимой к двигателю машины на электрическом ходу.

В некоторых конструкциях байка система регенеративного торможения вносит дополнительную роль в процесс выработки электроэнергии и управления от контроллера. Одним словом – контроллер должен обеспечивать безопасность системы.

Наряду с контроллером, байк на электричестве дополняется регистратором данных — инструментом тестирования батареи. Регистратор данных даёт дополнительную, более точную информацию, чем обычный измеритель мощности.

Полезно измерить ёмкость батареи по фактору скорости накопления энергии в процессе заряда и увеличение мощности при росте нагрузки. Логично измерять общую ёмкость аккумулятора машины на электрическом ходу, чтобы определить количество сохраняемой энергии.

Таким образом, становится проще рассчитать эффективность источника питания байка для любых условий эксплуатации.


При помощи информации: BTH