Электровелосипед

Основная статья: Велосипед

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

Электровелосипед с задним моторколесом и аккумулятором на раме

Электровелосипе́д (e-bike, пауэрба́йк, пе́делек) 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 мощностью, не превышающей 250 Вт, считается велосипедом, более 250 Вт и менее 4 кВт — мопедом; больше 4 кВт — мотоцикл; при управлении мотоциклом требуются водительское удостоверение и госномера; при управлении мопедом требуется наличие водительского удостоверения категории M или любой другой открытой категории прав (например, A или B); при управлении велосипедом водительского удостоверения не требуется.

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, оснащённого электродвигателем постоянного тока. В 1899 году Джон Шнепф разработал модель привода заднего колеса.

Электровелосипед 1932 года выпуска

Американский велосипед 1960 года выпуска, был спроектирован в 1946 году, как электровелосипед

В Германии с 1920-х и Японии с 1970-х различные производители выпускали электровелосипеды и электровеломоторы, а в СССР электровелосипеды не выпускали.

В 1979 году в Японии начали массово производить электровелосипеды, которые быстро приобрели там популярность, в Японии появились заправки для электровелосипедов.

Электровелосипед 1991 года выпуска

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^{[уточнить]}; 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, должно было вырасти 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

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

Электровелосипед велотрайк на солнечных батареях в Казахстане 2013 год

• Велосипед с электромотором позволяет преодолевать крутые или пологие, но протяжённые 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
• 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.
• 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. По тем же причинам электровелосипеды разрешено перевозить в общественном транспорте по тем же правилам, что и обычные велосипеды.
• 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.
• Существуют решения, когда электромотор велосипеда питается непосредственно от солнечной батареи. 250вт, необходимых для питания электромотора, можно получить от батареи площадью 1.5 кв.м., смонтированной на заднем багажнике, что ненамного увеличивает габариты велосипеда.

Несовершенства существующих конструкций

• 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 ёмкость 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.
• Распространённый способ крепления аккумуляторов на багажнике затрудняет использование последнего для перевозки грузов, но есть также модели с креплением аккумуляторов на раме.

Дискуссионные вопросы

• Уменьшение загрязнения атмосферы в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов.
• Уменьшение потребления электроэнергии в случае массового отказа от электромобилей в пользу электровелосипедов.
• Утилизация отработанных аккумуляторов.
• С одной стороны, утверждается, что использование электропривода для движения обесценивает идею велосипеда как спортивного средства, служащего для поддержания пользователя в хорошей физической форме. С другой стороны, электропривод позволяет более гибко дозировать нагрузки, за счет использования электропривода только в определённые моменты времени (либо - не на полную мощность). Кроме того, нагрузки могут быть такими же, но при этом скорость передвижения выше за счет электропривода.

Разновидности

Электровелосипеды можно разделить на четыре основные группы по тому критерию, нужно ли велосипедисту прикладывать усилия для его движения:

1. Электровелосипед приводится в движение педалями, а электромотор создаёт дополнительную тягу, помогая велосипедисту. Для обозначения электровелосипеда этого типа зачастую используется термин педелек.
2. Электровелосипед может передвигаться только за счёт электромотора, без приложения велосипедистом усилий к педалям, но сохраняется возможность комфортной езды на педалях;
3. Электровелосипед может двигаться с помощью педалей, так и с помощью электродвигателя, также есть режим, когда электродвигатель создаёт дополнительную электротягу.
4. Движение без помощи мотора, только на педалях на практике затруднительно ввиду высокой массы и тормозящего эффекта от мотор-колеса, а педали используются сугубо в качестве резервной системы на случай поломки двигателя или разряда аккумулятора. Данный тип электровелосипедов де-факто является электрическим мотоциклом с возможностью педального хода.

Системы помощи при педалировании

• система PAS (Pedaling Assisted System - система помощи при педалировании);
• система TorqueSensor (Датчик крутящего момента).

Компоненты

По типу изготовления 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.

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

Электропривод

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

Мотор-колесо

Основная статья: Мотор-колесо

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 колёс 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 лёгкого 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.

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
• сложно снимать колёсо при проколах камер и ремонте
• 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 тяжёлые 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).

Электропривод с кареточным электромотором

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-колёсами.

Недостатки кареточных электромоторов:

• Износ цепи или ремня, зубьев звёздочек и переключения передач заметно выше, чем при использовании мотор-колёс, 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 звёздочкой.

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-колёс 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 остаётся 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 даёт более «естественные» ощущения при педалировании и экономит заряд батареи.

Фрикционный мотор

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.

Аккумуляторная батарея

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:

• 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).

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.

Контроллер

Велокомпьютер для электровелосипеда, показывающий также уровень зарядки батарей

Контроллер — 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.

Контроллер работает в паре с велокомпьютером, который, кроме обычных для велокомпьютера функций (индикация скорости и пробега) также служит для управления электромотором (включение/выключение, индикация остатка заряда батареи, дроссель). Контроллер и велокомпьютер — должны быть совместимы.

Основные функции контроллера: переключать катушки статора электродвигателя для создания крутящего момента при любом положении ротора; выдавать на индикатор остаток заряда батареи; определять вращение/остановку педалей; выключать электромотор при нажании на тормоз; отключать электромотор при достижении максимальной скорости движения велосипеда; 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.

Осветительное оборудование

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. На некоторых моделях от основной батареи запитан также и задний красный фонарь.

Производители и рынок

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

Системы городского проката

Дорожный знак стоянка и зарядка для электровелосипедов

Дорожный знак «Электровелосипеды»

Зарядная станция для электровелосипедов от солнечных батарей

Россия

Электровелосипед B'Twin в московском прокате «Велобайк»

Электровелосипед «2.0» в московском прокате «Велобайк»

В августе 2016 года в Москве в рамках системы «Велобайк» был запущен прокат электровелосипедов. В рамках первого этапа пилотного проекта в городе запущены 5 станций электровелопроката и 60 велосипедов. В 2018 году уже 260 электровелосипедов были доступны на 12 станциях. Также в 2018 году проводилась тестовая эксплуатация более 200 электровелосипедов обновлённой модели на 6 станциях. Электровелосипеды этой модели оборудованы системой «педал ассист»: электромотор «помогает» крутящему педали велосипедисту. Вес электровелосипеда снижен с почти 40 до 27 кг. Максимальная скорость — до 25 км/ч. Максимальный пробег без подзарядки 30-40 километров.

См. также

• Велосипед с мотором
• Электроскутер
• Электрический самокат
• Электромобиль
• Электродвигатель постоянного тока
• Бесколлекторный электродвигатель
• Веломобиль
• Тандемный велотрайк

Ссылки

• История электровелосипеда
• Электровелосипед сегодня и завтра // «Наука и жизнь» № 8, 1999
• На рынок выходит самый быстрый электровелосипед // Membrana, 10 сентября 2010
• Электровелосипеды — что это? Тест-драйв Eltreco Turo // ТехноРидус, 17 апреля 2013
• Electric bike articles // NYCeWheels (англ.)
• ELECTRICAL BICYCLE Modular motorized electric wheel hub assembly for bicycles and the like Архивировано 30 мая 2012 года.
• Мишаков В. Электровелосипед — знакомьтесь! газета «Новости Петербурга»