Электровелосипед — доступность и эффективность на личном примере

В последнее время часто проскакивают статьи про электровелосипеды, анонсированные крупными компаниями или выложенные на кикстартере и аналогах. Но всех их объединяет одно — низкая эффективность и многократно завышенная цена. Например, Xiaomi Mi Qicycle Folding Electric Bicycle (на фото) проезжает до 45 км в идеальных условиях при скорости 20 км/ч. Зачем при такой скорости вообще мотор? Но при увеличении скорости каждые 10км/ч увеличивают расход, грубо говоря, в два раза. Да ещё надо учесть то, что чем больше мощности отбираем у аккумулятора, тем меньше ёмкости он отдаст. Делаем выводы про дальность.

Про то, как я дошёл до электротранспорта и какой ценой — читайте ниже.

Купил в своё время ашанбайк с гордым названием «Racer» за 8 тыс. руб. Купил осознанно, выбрал лучшее из худшего, потратил три дня на доводку аппарата до ума и получил весьма годный велосипед за недорого. Катал на нём до деревни и обратно с куда большей эффективностью, чем когда-то на «Урале» и был счастлив. Замечу, что во времена «Урала» был ещё мопед, у которого то поршневая сотрётся, то карбюратор чистить надо, то сахар в бачке… В общем, помучился я с ним, помучился и обратно на «Урал», ибо велосипед надёжнее. Потом пришла работа. Сразу осознал, что катать на велосипеде за пределы города по работе — это хорошо, но по приезду оказываешься уставший, вспотевший, и работать вообще не прёт. Посему вопрос электрификации велосипеда перешёл из стадии «вот бы было круто» в стадию «срочно надо!», и я начал действовать.

На одном форуме по электротранспорту, который идёт первой ссылкой в гугле, набрался теории. Теория же такова, что моторов для велосипеда как минимум три вида: редукторный, прямоприводный и подвесной. 

Редукторное мотор-колесо. Состоит оно из, собственно, мотора и планетарного редуктора, как правило с передачей 5 к 1. Отличается от прямоприводного меньшим весом (1,5 — 5кг) и большим крутящим моментом при прочих равных. Подходит для холмистой местности и плохих дорог. Имеет фривил, позволяющий ехать накатом и на педалях не хуже, чем с обычным велосипедным колесом. 

Прямоприводное мотор-колесо. Статор с катушками жёстко связан с осью, ротор с магнитами — со всем остальным колесом, больше ничего. Больший ресурс, чем у редукторного, ибо из трущегося только два подшипника. Большие КПД и скорость, но большой вес (7 — 10кг) и меньший крутящий момент, чем у редукторного. Отлично подходит для ровных дорог и больших скоростей. Позволяет рекуперацию (зарядку аккумулятора за счёт торможения). Езда на педалях осложняется тем, что мотор-колесо при этом работает, как генератор, отбирая часть энергии на себя. 

Подвесной мотор. Крепится под кареткой, крутящий момент передаётся ведущей звезде через фривил. Установка сложнее, чем у предыдущих. Наивысшая эффективность за счёт использования велосипедной трансмиссии, но ценой повышенного износа последней. Подходит для абсолютно всего.

Мотор-колёса устанавливаются вместо обычного колеса простой заменой, бывают передними под 100мм и задними под 135мм с резьбой под трещотку. Встречаются и под кассету, но редко. Мощные мотор-колёса могут крутящим моментом выломать дропауты, особенно на вилке, поэтому обязательно нужно ставить усилители дропаутов. Для маломощных мотор-колёс это не обязательно, но желательно. Я с 350Вт мотором ставить не стал. 

Чтобы мотором управлять, нужен контроллер, которые тоже разные не только по мощности. У электромотора есть интересная особенность — обороты задаёт напряжение, а крутящий момент — ток. Что позволяет, меняя эти параметры в контроллере, добиться при том же потреблении от батареи как большой скорости, так и большой тяги, в зависимости от ситуации. Всё то, чем занимается КПП (вернее это ближе к вариатору) в случае с ДВС. Одни контроллеры управляют по напряжению, то бишь ручкой газа управляешь скоростью от нуля до максимума, а ток подбирается автоматически для достижения этой скорости. Полезно по грязи, где нужны постоянные обороты с большим крутящим моментом. Другие же управляют по току, то бишь ручкой газа управляешь тягой, скорость же всегда максимальна (на холостом ходу). Позволяет самому управлять мощностью. Также по потреблению различают батарейный и фазный ток. Батарейный ток — это ток, отбираемый от батареи, соответственно. Фазный — идущий к мотору, его трём фазам (как правило, хотя существуют моторы с другим числом фаз, но это уже стендовая экзотика). Последний полезно ограничивать, поскольку, например, 500Вт могут быть как 50В 10А, так и 5В 100А, а 100А не каждая обмотка долго выдержит, но не все контроллеры это могут.

Мой контроллер

Самая дорогая часть — аккумулятор. Некоторые начинают со свинцовых аккумуляторов, как правило от ИБП, потому что дешевле за штуку. Но, так или иначе, все приходят к литию, потому что больше отдаваемые токи, ресурс и заметно меньше масса, из-за чего удовольствия от катания больше и стоимость эксплуатации получается порой меньше, хоть за штуку и заметно дороже. И тут начинается великое разнообразие. На рынке есть много видов литиевых аккумуляторов разной химии и производителей, а значит качества. Самые популярные — литий-ионные и литий-полимерные из-за цены и малого веса. Но есть риск возгорания при пробое или перезаряде. Последствия печальны, но случаи самовозгорания единичны. Ресурс порядка 500-800 циклов заряда-разряда. Самыми надёжными считаются литийжелезофосфатные или LiFePО4, поскольку не боятся морозов до -30С, имеют ресурс порядка 2000 циклов, наибольшую токоотдачу и не горят вообще. Но среди лития самые тяжёлые и дорогие. Так же популярны так называемые «народные котлеты», которые есть модельные аккумуляторы, единственным преимуществом которых является цена. Но преимуществом настолько существенным, что порой задумаешься. Ресурс порядка 100 циклов, вздуваются часто, но при должном контроле и некотором везении по качеству могут жить вполне себе долго. 

Заказал у одного из форумчан набор. Получилось 1030 юаней за набор, состоящий из 36в 350Вт редукторного мотор-колеса, контроллера, спиц, ободов, тормозных ручек с датчиками нажатия и ручкой газа. Аккумулятор 48в 12Ач типа «лягушка» обошёлся в 1615 юаней. 9руб за 1 юань на момент покупки, то бишь 24 тыс.руб. за всё или 32 тыс. руб. за всё, включая велосипед. Это основной минимум. Впрочем купить всё можно много где, в том числе на всяких алиэкспресах с ебеями. Если считать разные добавления типа ваттметра, багажника или пневмогудка, то стоимость легко переваливает за полсотни, но это всё необязательно и может быть установлено с тем же успехом на обычный велосипед. Ну, разве что, кроме ваттметра, который очень советую, ибо показывает напряжение, ток, мощность текущую и потраченную, что позволяет судить о разряде аккумулятора нагляднее, чем всякие индикаторы заряда и в целом эффективности движения.

Сборка труда не составляет, всё подключается согласно логике, в соответствии с разъёмами и цветами. Впрочем, у китайцев цвета совпадают не всегда. В этом случае в ход идёт метод научного тыка, желательно сперва мультиметром. В комплекте идут тормозные ручки с датчиками нажатия. Крайне желательны, поскольку отключают мотор при торможении. Если на велосипеде-доноре гидравлические тормоза или какие-то хитрые ручки, которые не хочется менять, то надо приколхозить датчики к ним (хоть герконы, хоть микрики, хоть даже датчики холла).

После сборки получился такой аппарат:

(Фотографии предствалены в виде перекрёстных стереопар. Как их смотреть читаем тут. Кто не может или не желает просматривать их в виде трёхмерных снимков, может смотреть, как обычные картинки, чем и прекрасны такие стереопары) 

Масса 27 кг. Без проблем заносится на 5-й этаж без лифта. Сей аппарат бежит до 42км/ч по прямой ровной дороге без ветра относительно земли. При удержании ручки газа в одном положении несколько секунд включается круиз-контроль, после чего ручку можно отпустить и велосипед будет ехать с заданной скоростью. Отключается круиз ручкой газа или тормозными ручками. При тапке в пол и с педалями хватает до деревни и обратно, 40км и ещё немного остаётся. Но при такой нагрузке аккумулятор отдаёт только 400-450ВТч энергии от своих 590Втч. Если ехать 30км/ч, то расход уменьшится в примерно два раза и аккумулятор отдаст больше ввиду меньшей нагрузки, соответственно дальность получится более 80км. А если ехать 20км/ч?

Консольное крепление аккумулятора отказалось служить верой и правдой на жёсткой раме по нашим дорогам, лопнув самым наглым образом. Пришлось думать, куда разместить аккумулятор. На багажнике манёвренность страдает, ибо зад перегружен. В рюкзаке на спине манёвренность выше, но спина против и шанс перелететь через руль при торможении из-за высокого центра тяжести. В настоящее время всё размещено в сумках в треугольнике рамы. 

Нынешний вид:

Для безопасности сделал стоп-сигнал из катафота и красных смд светодиодов формата 5050.

Управляется микроконтроллером ATtiny13 через мосфет. Микроконтроллер с мосфетом вмонтированы в корпус зарядки от когда-то летающего вертолётика племяшей, питание берёт от обычной usb-зарядки, которая хорошо себя чувствует в условиях 48В питания. К слову, большинство подобных зарядок и блоков питания нормально работают от 48В.

При подаче питания микроконтроллер включает стоп-сигнал шимом на четверть мощности, а при нажатии тормозных ручек (пропадает +5В с них на входе в контроллер мотора) включает на полную. 

Электровелосипед используется второй сезон, связка аккумулятор-контроллер-мотор работают без ухудшения характеристик и потребности в ремонте. При первых поездках было занятное впечатление. Мотор в движении не чувствуется от слова «совсем» и, в сочетании с круиз-контролем, создаётся иллюзия того, что сам крутишь эти 42км/ч. Но при отключении мотора нагрузка на ноги возрастает и вся иллюзия развеивается. Сейчас же уже привык, и поездки стали вполне обыденными, а динамика и надёжность не располагают к переходу на двс, чего и вам советую.

И еще вот такое видео, от простого к сложному :)