Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Содержание

1. Назначение и область применения

Электровелосипед (пауэрбайк, ebike,(англ.)) – это современный многообещающий вид городского транспорта[1]. Одним из неоспоримых преимуществ электровелосипеда является неограниченный выбор в моделях велосипедов, которые можно с легкостью сделать электрическими. Готовый электровелосипед это мобильное транспортное средство и по техническим характеристикам ни сколько не уступает бензиновым мопедам, а по экономической выгоде превосходит в разы. Все один километр езды на электровелосипеде стоит меньше, чем пол копейки. На электровелосипеде без особых затруднений можно добираться на учебу или на работу.

Для управления велосипедом абсолютно не нужны водительские права. Электровелосипед не подлежит регистрации в ГАИ.

2. Обзор подходов к реализации электровелосипеда

Электровелосипед представляет собой велосипед с электрическим приводом, который частично или полностью обеспечивает его движение. Электровелосипед отличается от обычного наличием трёх дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера с дисплеем. В отличие от электроскутера или же электромотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями, например при разрядке аккумулятора, а его обслуживание и эксплуатация немного усложняется в сравнении обычным велосипедом.

Электровелосипеды не сильно отличаются от обычных велосипедов. Основным различием есть физические усилия, которые необходимо прилагать владельцу. Простыми словами, если человек устал крутить педали, за него эту работу начинает выполнять электропривод. Благодаря этому приспособлению велосипед передвигаться в режим мопеда и без особых усилий может преодолеть расстояния в несколько десятков километров. Существуют специальные датчики крутящего момента (ассистент педалей), которые при кручении педалей посылают сигналы в контроллер, тем самым запускают электродвигатель, который значительно облегчает усилия велосипедиста.

На сегодняшний день преимущества элетровелосипедов по сравнению с городским общественным и частным транспортом становятся все очевидней. Множество людей, в больших городах, желая сэкономить время на передвижение и избежать долгих пробок, отказываются от общественного транспорта и пересаживаются на велосипеды.

Но не каждый взрослый человек в состоянии преодолевать большие расстояния на велосипеде. И именно такие люди чаще всего выбирают элетровелосипеды. На данный момент постоянный рост продаж электровелосипедов становиться очевидным, что за этими велосипедами будущее. Популярности элетровелосипедам придает и тот факт, что для управления ими почти нет необходимости получать какие-то разрешительные документы или иметь водительское удостоверение, хотя владельцам мощных электродвигателей все же требуется иметь документ подтверждающий мощность электромотора.

Основные преимущества:

Несовершенства существующих конструкций:

3. Обобщенное описание аппаратной части электровелосипеда

В общем случае электровелосипеды можно разделить на:

Самый распространённый вариант велосипедного электропривода на основе безколлекторного электродвигателя постоянного тока (вентельный мотор). Двигатель устанавливается в колесо вместо ступицы как на переднее, так и на заднее колесо (Рисунок 1.1). 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 (переднее или заднее) или оба одновременно. Часто мотор-колесо продаётся в уже собранном (заспицованном) виде. Все мотор-колеса устанавливаются в обод имеющий только 36 отверстий для спиц. Диапазон мощности у серийно выпускаемых мотор-колёс, приводящих в движение электровелосипеды, как правило колеблется в пределах от 250 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, легок, дёшев и технологичен благодаря невысокой магнитной индукции статора, планетарный редуктор и обгонная муфта. Обгонная муфта редукторных мотор-колёс, с одной стороны, облегчает движение силой водителя или накатом в моменты, когда внешнее воздействие вращает колесо быстрее, чем это делает двигатель, мотор ведёт себя как простой подшипник. Но с другой стороны - этот же эффект, в отличии от двигателя прямого хода, делает невозможной рекуперацию энергии электровелосипеда. Пластиковые (поликарбонатные) шестерни планетарного редуктора сделаны для уменьшения шума и веса мотор-колеса, однако имеют не большой запас прочности в отличии от металлических. Также эти шестерни уменьшают износ вала двигателя и обгонной муфты.

Мотор-колесо

Рисунок 1.1 – Мотор-колесо

3.1 Безредукторное колесо

Безредукторное колесо (колесо прямого хода) — это низкооборотистый двигатель с большим моментом, вращение которого передаётся колесу напрямую, что упрощает конструкцию и увеличивает надёжность[7]. 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 неодимовых магнитов в статоре.

У двигателя прямого хода отсутствует редуктор и обгонная муфта с шестернями, поэтому двигатель всегда вращается. 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.

Преимущества использования мотор-колеса:

К недостаткам можно отнести:

3.2 Подвесной мотор

Подвесной мотор - вариант электропривода является более эффективным чем мотор-колесо, но и более дорогим. 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,например электродвигатель от дрели (Рисунок 1.2).

Подвесной мотор

Рисунок 1.2 – Подвесной мотор

Диапазон мощности, как правило колеблется в пределах от 250 до 3000 Вт, набор из мотора мощностью 3 кВт может разогнать электровелосипед до 100 км/ч.

Из преимуществ цепного электропривода можно выделить:

К недостаткам можно отнести:

Менее распространённая, малоэффективная схема, при которой электродвигатель крепится над колесом (как правило задним) и передаёт крутящий момент с вала двигателя непосредственно на покрышку велосипеда (Рисунок 1.3). Существуют варианты установок электродвигателя болгарки без режущего диска. При включении такого двигателя желательно заранее соединять мотор с колесом во избежание быстрого износа покрышки. Такие моторы обычно питаются от сети 220 В, а значит кроме аккумулятора необходимо иметь инвертор на достаточную мощность. Такой вариант значительно уменьшает КПД всей установки.

Фрикционный электропривод

Рисунок 1.3 – Фрикционный электропривод

Единственный плюс:

Недостатки:

3.3 Кареточный электропривод

Кареточный электропривод (Mid Drive)[6] – такой же мало распространенный тип (в основном из-за цены), в основе своей лежит передача механической энергии непосредственно на ось каретки, один из самых скрытых и не заметных типов (Рисунок 1.4).

Такой электропривод обладает очень мощным крутящим моментом, т.к. внутри привода находятся три редукторные шестерни, одна из которой сделана из поликарбоната. Применение поликарбонатной шестерни уменьшает шум издаваемый мотором и немного снижает вес, но быстрее стирается и требует специальной силиконовой смазки.

Самый популярный производитель такого типа моторов является фирма Bafang (8fun). Данный производитель также производит и мотор-колеса различных размеров и мощности.

Кареточный электропривод

Рисунок 1.4 – Кареточный электропривод

Достоинства:

Недостатки:

Перед тем как покупать или собирать электровелосипед, все хотят знать – какой выбрать тип аккумуляторной батареи. От этого выбора будут зависеть пробег, цена и вес электровелосипеда.

На данный момент используют три типа аккумуляторов:

4. Свинцово кислотные (SLA) и гелиевые аккумуляторы.

Самые дешевые и распространенные, но имеют не большой ресурс и тяжелый вес. Аккумулятор 36 В с емкостью 8 А*час весит около 10 кг с ресурсом около 300 циклов заряд-разряд[3, 4]. Если аккумулятор работает в номинальном режиме то потери емкости не большие, но кратковременная перегрузка может привести к значительной потере емкости (50-80%). Так же этот вид аккумуляторов очень боится глубокого разряда. Основные причины снижения емкости – химический процесс в самом аккумуляторе из-за большого потребления тока (при движении велосипеда в горку или при пуске).

Следует отметить – гелиевые аккумуляторы менее чувствительны к глубокой разрядке чем свинцово-кислотные. Необходимо тщательно следить за рекомендованным режимом эксплуатации аккумуляторов этих типов.

Такие типы аккумуляторов значительно уступают литиевым аккумуляторам[2].

5. Литий ионные аккумуляторы (Li-ion).

Аккумуляторы на ионах лития являются лучшими силовыми источниками тока[5]. Преимуществами Li-ion аккумуляторов являются большое количество циклов, высокая энергетическая плотность и низкий саморазряд. Технология их производства постоянно совершенствуется, а стоимость уменьшается. Удельная плотность запасаемой энергии постоянно растет.

Литий-ионный аккумулятор состоит из положительных и отрицательных электродов, электролита, пористого сепаратора и контактов. Для отрицательных пластин используется графит. В качестве катодного материала используются несколько материалов:

Химический состав используемого катодного материала во многом определяет технические характеристики аккумуляторов.

Все аккумуляторы подвержены деградации во времени и от количества циклов заряд-разряд. Работа аккумулятора на разрядных токах больше номинальной емкости, как правило, приводит к существенному уменьшению ресурса аккумулятора из-за повышения внутренней температуры ячеек в процессе работы на больших токах. Деградация определяется в большой степени температурой эксплуатации и хранения, и ускоряется с ростом температуры.

Литий железо фосфатные аккумуляторы (LiFePo4) меньше подвержены деградации, чем все остальные аккумуляторы литиевой группы.

Стоит отметить, что литий ионные аккумуляторы имеют свойство самовозгорания. Самовозгорание такого аккумулятора плохо поддается тушению не только из-за выделения запасенной электрической энергии, но и из-за ряда химических реакций, выделяющих энергию для саморазогрева, поэтому такой аккумулятор способен гореть без доступа кислорода. Кроме того, литий взаимодействуя с водой образует горючий газ – водород, тушение водой возможно только при малом содержании лития в батарее. Но в общем тушение литиевого аккумулятора неэффективно.

Общий вид электровелосипедов

Рисунок 1.5 – Общий вид электровелосипедов

(анимация: 12 кадров, 5 циклов повторения, 521 кБайт)

Список источников

  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.