Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Зміст

1. Призначення і область застосування

Електровелосипед (пауербайк, ebike, (англ.)) – це сучасний багатообіцяючий вид міського транспорту[1]. Одним з незаперечних переваг електровелосипеда є необмежений вибір в моделях велосипедів, які можна з легкістю зробити електричними. Готовий електровелосипед це мобільний транспортний засіб і за технічними характеристиками ні скільки не поступається бензиновим мопедів, а по економічній вигоді перевершує в рази. Всі один кілометр їзди на електровелосипед коштує менше, ніж пів копійки. На електровелосипеді без особливих труднощів можна добиратися на навчання або на роботу.

Для управління велосипедом абсолютно не потрібні водійські права. Електровелосипед не підлягає реєстрації в ДАІ.

2. Огляд підходів до реалізації електровелосипеда

Електровелосипед є велосипед з електричним приводом, який частково або повністю забезпечує його рух. Електровелосипед відрізняється від звичайного наявністю трьох додаткових компонентів: електродвигуна, акумуляторної батареї і контролера з дисплеєм. На відміну від електроскутера або ж електромотоцикла, електровелосипед може приводитися в рух педалями, наприклад при розрядці акумулятора, а його обслуговування і експлуатація трохи ускладнюється в порівнянні звичайним велосипедом.

Електровелосипеди не сильно відрізняються від звичайних велосипедів. Основною відмінністю є фізичні зусилля, які необхідно докладати власнику. Простими словами, якщо людина втомилася крутити педалі, за нього цю роботу починає виконувати електропривод. Завдяки цьому пристосуванню велосипед пересуватися в режим мопеда і без особливих зусиль може подолати відстані в кілька десятків кілометрів. Існують спеціальні датчики крутного моменту (асистент педалей), які при крученні педалей посилають сигнали в контролер, тим самим запускають електродвигун, який значно полегшує зусилля велосипедиста.

На сьогоднішній день переваги елетровелосіпедов в порівнянні з міським громадським та приватним транспортом стають все більш очевидними. Безліч людей, у великих містах, бажаючи заощадити час на пересування і уникнути довгих пробок, відмовляються від громадського транспорту і пересідають на велосипеди.

Але не кожна доросла людина в стані долати великі відстані на велосипеді. І саме такі люди найчастіше вибирають елетровелосіпеди. На даний момент постійне зростання продажів електровелосипедів стає очевидним, що за цими велосипедами майбутнє. Популярності елетровелосіпедам додає і той факт, що для управління ними майже немає необхідності отримувати якісь дозвільні документи або мати водійське посвідчення, хоча власникам потужних електродвигунів все ж потрібно мати документ, що підтверджує потужність електромотора.

Основні переваги:

Недосконалості існуючих конструкцій:

3. Узагальнений опис апаратної частини електровелосипеда

У загальному випадку електровелосипеди можна розділити на:

Найпоширеніший варіант велосипедного електроприводу на основі безколлекторного електродвигуна постійного струму (вентельний мотор). Двигун встановлюється в колесо замість маточини як на переднє, так і на заднє колесо (Малюнок 1.1). Використання мотор-колеса дозволяє з мінімальними витратами переобладнати практично будь-який поширений міської велосипед під електропривод, причому його дизайн майже не порушується. Мотор-колесом може бути будь-яка з коліс (переднє або заднє) або обидва одночасно. Часто мотор-колесо продається в уже зібраному (заспіцованном) вигляді. Всі мотор-колеса встановлюються в обід має лише 36 отворів для спиць. Діапазон потужності у серійному виробництві мотор-коліс, що приводять в рух електровелосипеди, як правило коливається в межах від 250 до 5000 Ватт.

Мотор-колеса бувають двох видів: редукторні і безредукторні. У корпусі редукторного мотор-колеса знаходиться двигун з високою частотою обертання і низьким обертовим моментом, який більш компактний, легкий, дешевий і технологічний завдяки невисокій магнітної індукції статора, планетарний редуктор і обгону муфта. Обгону муфта редукторних мотор-коліс, з одного боку, полегшує рух силою водія або накатом в моменти, коли зовнішній вплив обертає колесо швидше, ніж це робить двигун, мотор поводиться як простий підшипник. Але з іншого боку - цей же ефект, на відміну від двигуна прямого ходу, унеможливлює рекуперацію енергії електровелосипеда. Пластикові (полікарбонатні) шестерні планетарного редуктора зроблені для зменшення шуму і ваги мотор-колеса, проте мають не великий запас міцності на відміну від металевих. Також ці шестерні зменшують знос вала двигуна і обгонів муфти.

Мотор-колесо

Рисунок 1.1 – Мотор-колесо

3.1 Безредукторне колесо

Безредукторного колесо (колесо прямого ходу) - це з низькими обертами двигун з великим моментом, обертання якого передається колесу безпосередньо, що спрощує конструкцію і збільшує надійність[7]. Однак для отримання двигуна з потрібними характеристиками частоти і моменту обертання необхідно дуже сильне магнітне поле в його статорі, тому безредукторні мотор-колеса мають великі розміри і вага двигуна через масивні рідкоземельних постійних неодімових магнітів в статорі.

У двигуна прямого ходу відсутній редуктор і обгону муфта з шестернями, тому двигун завжди обертається. З одного боку, це дозволяє використовувати рекуперативного гальмування, але з іншого, навіть якщо повністю відключити обмотки мотора від електричного кола, в ньому виникають помітні втрати на вихрові струми, які погіршують накат і ускладнюють їзду на педалях.

Переваги використання мотор-колеса:

До недоліків можна віднести:

3.2 Підвісний мотор

Підвісний мотор - варіант електроприводу є більш ефективним ніж мотор-колесо, але і більш дорогим. При меншій вазі і потужності, електровелосипеди з ланцюговою передачею досягають великих швидкостей. Часто для переробки велосипедів використовуються двигуни, що застосовуються в якій-небудь побутової або автотехніки, наприклад електродвигун від дрилі (Малюнок 1.2).

Підвісний мотор

Рисунок 1.2 – Підвісний мотор

Діапазон потужності, як правило коливається в межах від 250 до 3000 Вт, набір з мотора потужністю 3 кВт може розігнати електровелосипед до 100 км / ч.

З переваг ланцюгового електроприводу можна виділити:

До недоліків можна віднести:

Менш поширена, малоефективна схема, при якій електродвигун кріпиться над колесом (як правило заднім) і передає крутний момент з валу двигуна безпосередньо на покришку велосипеда (Малюнок 1.3). Існують варіанти установок електродвигуна болгарки без ріжучого диска. При включенні такого двигуна бажано заздалегідь з'єднувати мотор з колесом щоб уникнути швидкого зносу покришки. Такі мотори зазвичай харчуються від мережі 220 В, а значить крім акумулятора необхідно мати інвертор на достатню потужність. Такий варіант значно зменшує ККД всієї установки.

Фрикційний електропривод

Рисунок 1.3 – Фрикційний електропривод

Єдиний плюс:

Недоліки:

3.3 Кареточний електропривод

Кареточний електропривод (Mid Drive)[6] – такий же мало поширений тип (в основному через ціну), в основі своїй лежить передача механічної енергії безпосередньо на вісь каретки, один з найбільш прихованих і не помітних типів (Малюнок 1.4).

Такий електропривод володіє дуже потужним крутним моментом, тому що всередині приводу знаходяться три редукторні шестерні, одна з якої зроблена з полікарбонату. Застосування полікарбонатною шестерні зменшує шум видаваний мотором і трохи знижує вагу, але швидше стирається і вимагає спеціальної силіконової змазки.

Найпопулярніший виробник такого типу моторів є фірма Bafang (8fun). Даний виробник також виробляє і мотор-колеса різних розмірів і потужності.

Кареточний електропривод

Рисунок 1.4 – Кареточний електропривод

Переваги:

Недоліки:

Перед тим як купувати або збирати електровелосипед, всі хочуть знати – який вибрати тип акумуляторної батареї. Від цього вибору будуть залежати пробіг, ціна і вага електровелосипеда. Середні статистичні дані пробігу наведені на рисунку 1.8.

На даний момент використовують три типи акумуляторів:

4. Свинцево кислотні (SLA) і гелієві акумулятори.

Найдешевші і поширені, але мають не великий ресурс і важка вага. Акумулятор 36 В з ємністю 8 А * год важить близько 10 кг з ресурсом близько 300 циклів заряд-розряд[3, 4]. Якщо акумулятор працює в номінальному режимі то втрати ємності не великі, але короткочасне перевантаження може призвести до значної втрати ємності (50-80%). Так само цей вид акумуляторів дуже боїться глибокого розряду. Основні причини зниження ємності – хімічний процес в самому акумуляторі через велику споживання струму (при русі велосипеда в гірку або при пуску).

Слід зазначити – гелієві акумулятори менш чутливі до глибокої розрядки ніж свинцево-кислотні. Необхідно ретельно стежити за рекомендованим режимом експлуатації акумуляторів цих типів.

Такі типи акумуляторів значно поступаються літієвим акумуляторам[2].

5. Літій іонні акумулятори (Li-ion).

Акумулятори на іони літію є кращими силовими джерелами струму[5]. Перевагами Li-ion акумуляторів є велика кількість циклів, висока енергетична щільність і низький саморозряд. Технологія їх виробництва постійно вдосконалюється, а вартість зменшується. Питома щільність енергії, що запасається постійно зростає.

Літій-іонний акумулятор складається з позитивних і негативних електродів, електроліту, пористого сепаратора і контактів. Для негативних пластин використовується графіт. В якості катодного матеріалу використовуються кілька матеріалів:

Хімічний склад використовуваного катодного матеріалу багато в чому визначає технічні характеристики акумуляторів.

Всі акумулятори схильні до деградації в часі і від кількості циклів заряд-розряд. Робота акумулятора на розрядних токах більше номінальної ємності, як правило, призводить до суттєвого зменшення ресурсу акумулятора через підвищення внутрішньої температури осередків в процесі роботи на великих токах. Деградація визначається значною мірою температурою експлуатації та зберігання, і прискорюється з ростом температури.

Літій залізо фосфатні акумулятори (LiFePo4) менше схильні до деградації, ніж всі інші акумулятори літієвої групи.

Варто відзначити, що літій іонні акумулятори мають властивість самозаймання. Самозаймання такого акумулятора погано піддається гасінню не тільки через виділення запасеної електричної енергії, а й з-за ряду хімічних реакцій, що виділяють енергію для саморазогрева, тому такий акумулятор здатний горіти без доступу кисню. Крім того, літій взаємодіючи з водою утворює горючий газ – водень, гасіння водою можливо тільки при малому вмісті літію в батареї. Але в загальному гасіння літієвий акумулятор неефективно.

Загальний вид електровелосипедів

Рисунок 1.5 – Загальний вид електровелосипедів

(анімація: 12 кадрів, 5 циклів повторення, 521 кБайт)

Список джерел

  1. Wikipedia [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_велосипед.
  2. Выбор аккумулятора для электро-велосипеда[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lifepo4.by/akkumulyatory-dlya.
  3. Свинцово кислотные аккумуляторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://pulsar.kiev.ua/vrla_akkumulyatory.
  4. Свинцово кислотные аккумуляторы выбор [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://alternatenergy.ru.
  5. Li-iOn аккумуляторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/post/150661/.
  6. Mid Drive [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://electric-biking.com/bafang-8fun-mid-drive-kit-review/.
  7. Мотор прямого хода [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://motor4koleso.ru/stati-i-obzory/11-kak-vybrat-motor-koleso-dlya-elektrovelosipeda.