Велогибриды – взгляд в будущее

Аннотация

Рассмотренны потребительские качества и технические характеристики разработанных моделей велосипедов с электрическим приводом.

Введение

Если раньше мы видели на улицах игрушечные электромобили и мотоциклы, то сегодня все чаще людей, которые катаются на настоящих электровелосипедах, известных под названием велогибриды.

В Евросоюзе к 2050 году собираются убрать с городских улиц транспорт с бензиновыми ДВС. Вывод очевиден – скоро все будем ездить на альтернативных электротехнических транспортных средствах. В 2011 году в Германии продано 215000 велогибридов. Рынок велотехники переживает настоящий бум.

Анализ публикации

Как свидетельствуют многочисленные публикации, электрическая энергия успешно применяется в гибридных трансмиссиях. Технологическим центром, где разрабатывается новые модели велогибридов является Западная Европа, Япония, США, которая тоже успешно работают в этом напрвлении. Производства многих фирм находятся в Китае. Наблюдается четкая тенденция к увелечению мощности двигателей. Применяются дорогие системы фирм Shimano, SRAM, UBC, ELTREKO и др.[3].

Цель и постановка задачи

Цель данной статьи – анализ конструктивных решений элементов электропривода при разработке моделей велогибридов и организации их производства.

Результаты исследований

Мы находимся в самом начале пути по изучению эксплуатационных свойств электровелосипедов. Хотелось бы привлечь внимание специалистов к этой весьма многоплановой и интересной проблеме, связанной с эксплуатацией велосипедов и электровелосипедов. Можно очертить круг проблем, возникающих при эксплуатации такой техники:

1. устройство электровелосипедов и их эксплуатационные характеритики;
2. проблемы поведения велосипедиста на дорогах общего пользования;
3. вопросы влияния эксплуатируемых транспортных средств на здоровье населения нашей страны.

Обратимся к устройству электровелосипедов. Базовым элементом современных машин является мотор‑колесо. Это трехфазная электромашина переменного тока, высокие удельные характеристики которой определяются применением постоянных сверхсильных ниобийсодержащих магнитов. Выпускается довольно широкая номенклатура мотор‑колес по номинальной мощности и напряжению питания: 24 В/250 Вт; 36 В/350 Вт; 48 В/500 Вт; 60 В/750 Вт, 1000 Вт и 1500 Вт. Как видно из этого ряда, напряжение питания мотор‑колес выбирается кратным 12 В. Это определяется напряжением, пока что наиболее распространенного свинцово‑кислотного аккумулятора. Большинство двигателей, кроме самых мощных, рассчитаны на номинальный ток 10 А. Надо сказать, что применяемые мотор‑колеса легко выдерживают трехкратную перегрузку по току в течении до 5 минут. Такие данные получены нами экспериментальным путем при преодолении таких харьковских подъемов, как Бурсацкий и улица Революции. Ресурс мотор‑колеса определяется состоянием применяемых подшипников и достигает 50–100 тыс.км[1, 2].

Следующим элементом рассматриваемого электропривода является контроллер. Основное его назначение заключается в вырабатывании трехфазного импульсного напряжения для питания мотор‑колеса. Для обеспечения обратной связи между двигателем и контроллером в двигателе установлен трехфазный датчик Холла, сигналы которого задают частоту и фазу трехфазного напряжения, вырабатываемого контроллером. Текущая мощность двигателя определяется длительностью трехфазных импульсов генерируемых контроллером. В свою очередь, длительность этих импульсов регулируется велосипедистом посредством ручки газа. Кроме этого, контроллер имеет вспомогательные функции: выключение питания электродвигателя при торможении и ограничение максимальной мощности. Для выключения питания двигателя при торможении ручными тормозами электровелосипед комплектуется специальными ручками тормозов, оснащенными контактами, которые замыкаются при попытке затормозить. Сигнал от этих контактов поступает на контроллер и отключает питание двигателя. Ограничение максимальной мощности, прежде всего, необходимо для получения приемлемых показателей показателей пробега на одном заряде аккумуляторных батарей [3].

Третьим и наиболее слабым элементом велосипедного электропривода является аккумуляторная батарея. Пока что наиболее распространенным источником энергии являются привычные автомобилистам свинцово‑кислотные аккумуляторные батареи в несколько модернизированном варианте. Это так называемые ACM – гелиевые аккумуляторы. Во‑первых, они полностью герметичные; во‑вторых, в электролит добавлено специальное вещество, превращающее его в гель, в‑третьих, в литейный сплав из которого льют решетки аккумуляторов вместо сурьмы добавляют кальций. В результате такие аккумуляторы вдвое дороже аналогичных, например, мотоциклетных. Приобретенные нами четыре аккумулятора 12 В 12 А/ч, обеспечивают пробег электровелосипеда на одном заряде от 20 до 40 км.

Величина пробега зависит от стиля езды и степени пересеченности местности. Вес батареи из четырех таких аккумуляторов составляет 16 кг. Срок службы 7 лет, выдерживают от 300 до 500 циклов заряд‑разряд, время заряда – 8 часов.

Уже появились в эксплуатации новые литий‑ферум‑фосфорные аккумуляторы, которые обладают совсем другими характеристиками: они выдерживают 2000 циклов заряд‑разряд, вес батареи 48 В – 5 кг, номинальный разрядный ток 80 А, время заряда – 2 ч.

На базе таких аккумуляторов создан уникальный городской электровелосипед со складной рамой, который весит 15 кг. Такие велосипеды уже доступны в Харькове.

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик электровелосипеда является наличие рекуперации или электротормоза. Серийно выпускаемые контроллеры не имеют такой функции. Поэтому мы начали исследования с целью создания таких систем. Уже получены предварительные результаты. Экспериментальный образец электротормоза удерживает велосипед на любом из Харьковских спусков, стабилизируя скорость в диапазоне 15–20 км/ч, в зависимости от крутизны спуска. При этом на заряд аккумуляторных батарей направляется ток до 20 А. Предстоит провести исследования влияния рекуперации на пробег велосипеда на одном заряде в зависимости от рельефа местности и разработать конструкцию серийного контроллера рекуперации.

Хочется сказать несколько слов о безопасности езды на велосипедах.

В Европе проблемы этой не существует. Велосипеды являются равноправными участниками дорожного движения. Для них выделена полоса движения, оборудованы стоянки для хранения велосипедов. На рис. 1 представлена одна из улиц г. Барселоны.

Предлагаем ездить на велосипеде по полосе вторичного движения, во‑первых, из‑за того, что велосипед проблематично оснастить качественными зеркалами, во‑вторых, из‑за трудности анализа дорожной обстановки непрофесиональным велосипедистом. Такая мера, с нашей точки зрения, позволит значительно повысить безопасность движения велосипедистов по дорогам общего пользования.

И, наконец, о влиянии использования электровелосипедов на здоровье владельца. Это влияние весьма многогранно. Велосипед – это одна из возможностей вести активный образ жизни, при этом можно совмещать приятное с полезным, например, ездить на велосипеде на работу. Но при этом существует много обстоятельств, препятствующих слабым или тучным людям ездить на работу на велосипеде. Это и большие расстояния, и сложный рельеф местности, и, наконец, потливость. Электровелосипед позволяет преодолеть эти трудности и приехать на работу, зачастую быстрее, чем даже на автомобиле, при этом оставаясь свежим и получить возможность размяться по дороге на работу при движении по прямой и на спусках. В то же время, пробки на дорогах и менталитет украинских водителей зачастую приводят к тому, что на автомобиле мы приезжаем на работу далеко не в лучшем настроении.

Выводы

Проведенные испытания разработанных моделей велогибридов с различным сочетанием навесного оборудования и велосоставляющих показали, что они имеют высокие эксплуатационные характеристики (скорость движения, запас хода до подзарядки). Также они являются достаточно экологичными и очень перспективны при решении транспортных проблем в условиях современного мегаполиса.

Список использованной литературы

1. www. amazon.com: Elektric and Hibrid Vehickles: Uesign Fundamentals.
2. Сленцов M.A. Основы электрического транспорта / M.A. Сленцов, Т.П. Долаберидзе. – М.: Академия, 2004. – 464 с.
3. Разработка компанией Toyota литий‑ионных батарей / Автостроение за рубежом. – 2010. – №3. – С. 16.