E-bike или как электрифицировать велосипед

Тип привода

Для начала определяемся с типом привода. Есть мотор-колесо вместо заднего или переднего. Есть мотор в каретку. Мне больше нравится последний вариант, т.к. он не требует больших переделок, усилений, не нарушает развесовку велосипеда и сохраняет привод через задние переключатели передач, а следовательно двигатель работает в области максимальных моментов при максимальной эффективности (почитайте мою статью). В своих поездках по Европе я в основном наблюдаю именно этот тип двигателей.

Мощность и скорость

Вторым моментом является определение требуемой мощности. Существуют варианты от 250 до 1000 Вт. Для себя определил, что хватит 250 Вт при 36 В батареи. Почему? Вот вам цитата про развиваемую велосипедистом мощность при педалировании:


«Примерные мощности, которые можно поддерживать до 10 минут: 250±20 Вт — активный молодой мужик неспортсмен; 310 Вт — I разряд в велоспорте для мужика; 350 — КМС; 400 — национальный чемпион в велоспорте-шоссе; 490 — мировой.» Более подробно в первоисточнике.

Другими словами, двигатель мощностью 250 Вт эквивалентен мышечной силе обычного человека. А все узлы нашего обычного велосипеда рассчитаны именно на эту мощность. Однако, какой русский не любит быстрой езды? Часто видишь, что наш народ заказывает помощнее. Но большие мощности — это:

  1. большой вес двигателя и батарей — вам будет сложно педалировать без помощи мотора, особенно на мотор-колесе с постоянными магнитами;
  2. большая скорость — экспоненциальное снижение уровня безопасности, особенно для неподготовленных, необходимость применения мотоэкипировки, большее сопротивление воздуха, больший расход батареи;
  3. больший холостой ток и меньшая эффективность при езде на средних и малых скоростях — меньший пробег на единицу емкости батареи.
  4. ПДД напоминает, что с двигателем более 250 Вт велосипед превращается в мопед, а значит нужны водительские права категории M и выше.

Большая мощность, по-моему,  оправдана только в двух случаях: неспортивная (без педалирования) езда с затяжными горными подъемами, неспортивная езда на большие расстояния по шоссе на усиленном велосипеде (мопеде).

Итоговый выбор пал на хороший китайский бренд Bafang BBS01. Характеристики ниже:

Из характеристик мотора запоминаем максимальный и номинальные токи, а также скорость.

Лично для меня, езда на скоростях выше 30 км/ч вызывает опасения. Это скорость шоссейного велосипеда. Езда на обычном горном велосипеде обычного нетренированного человека в черте города в потоке машин или по проселочным дорогам с ямами и ухабами с такими скоростями не сулит ничего хорошего.

Каденс, т.е. скорость вращения педалей, для обычного человека не превышает 80. Быстрее нам крутить не комфортно, а медленнее 40 и с большим усилием провоцирует проблемы с коленями. Как видим, номинальная скорость вращения нашего двигателя как раз 78±5 оборотов/мин. Зная количество зубьев на крайних звездах задней передачи можно вычислить необходимое число зубьев передней звездочки для нужного диапазона скоростей будущего электровелосипеда. У меня 8 скоростей на заднем переключателе со звездами от 11 до 30 зубьев. Двигатель же можно купить с одной из трех вариантов передних звезд на выбор: 44Т, 46Т или 52Т. Выбрал 44Т, т.к. 44/11=4, а это считается много (обычно не больше 3). Длина окружности 2πr, а диаметр моих колес 26″. Посчитать скорость не проблема, но лень — заходим на онлайн калькулятор http://www.surplace.fr/ffgc/ и быстро получаем:

При каденсе 80 скорость почти 40 км/ч. Этого более чем. Большее количество зубьев на передней звезде увеличит не только максимальную, но и минимальную скорость.

Принято считать, что каденс ниже 60 вреден для колен. С таким каденсом и 30 зубьями на задней звезде получим минимальную скорость 11 км/ч. С соотношением 44/30 и 26″ колесами проедем 3 метра пути за один оборот педалей, что для подъема в горку опять же многовато. Так что если предполагается езда в горных условиях лучше поискать дополнительную переднюю звезду с меньшим количеством зубьев.

Все описанные выше правила справедливы для обычного велосипеда, но для электровелосипеда увеличенное передаточное число приводит к усиленному износу, а вот педалировать при поддержке электромотора на таких соотношениях реально. Нехватка может ощущаться лишь на крутых подъемах, где вторая передняя звезда была бы кстати.

Расстояние и Емкость

Расчеты зависимости пройденного расстояния от энергоемкости батареи можно подсмотреть у немцев (стр. 46-50). Если им верить, то в режиме 50% педалями + 50% двигателем на 250 Вт с батарей 500 Втч (36 В * 13.4 Ач) на скорости 25 км/ч можно проехать около 135 км. Забегая вперед скажу, что в реальности мне удалось получить 115 км.

 

Исходя из этих данных и предполагаемого использования в горах, выбираю максимальный вариант батареи в 500 Втч. Для города и равнины выбрал бы 300, т.к. покатушки более 40 км — редкость и для этих случаев лучше иметь вторую сменную батарею. Мой выбранный мотор запитывается от 36 В. Отсюда требуется батарея примерно на 500/36=13,8 Ач.

С типом используемой батареи имеется большой разброс по параметрам от свинцовых до литиевых. Для себя определил лучший вариант — простые литиевые аккумуляторы для лета и LiFePO4 для зимы. Разница между ними в том, что железистые при том же типоразмере и весе имеют в 2 раза меньшую емкость и больший саморязряд, но при этом в 2-3 раза больше количество циклов заряд-разряд, не так сильно теряют емкость при отрицательных температурах и являются самыми безопасными из доступных (круче только литий-титановые). Поэтому с точки зрения срока службы LiFePO4  чуточку лучше, но используя обычный литий сэкономлю в массе, что в данном случае важнее.

Массово, т.е. дешево, не выпускается литий-ионных элементов емкостью 13 Ач, поэтому потребуется соединить параллельно N стандартных элементов. Каждый такой элемент должен длительно пропускать ток 9,3/N. Наиболее дешевый Ач сейчас на рынке представлен элементами 18650 с емкостью 2.5-3.5 Ач на элемент. Таким образом, нужно соединить 4-5 таких элементов для получения необходимых 13 Ач, а следовательно через каждый потечет ток не более 2.3 А, что не превысит нагрузку 1С. Этому условию соответствует большинство выпускаемых элементов (китайский ширпотреб не берем), а значит можно выбирать из наиболее емких типов, а не только среди специальных высокотоковых, получая выигрыш в соотношении емкость/вес. При выборе также следует учесть, что кратковременно элемент должен выдать (максимальный ток  мотора)/N=15/4=3.75А.

когда используешь манетку скорости до упора (режим «турбо») мощность на непродолжительное время увеличивается в 2 раза до 500 Вт, отсюда максимальный ток 15А.

Конкретную модель лучше выбрать основываясь на тестах. Мне понравились эти. В их пользу говорит еще тот факт, что NASA проводило дотошный тест их первых версий еще в конце 2009 года. Из доклада кстати вытекает важный вывод о влиянии кратности тока заряд/разряд на количество циклов (стр. 10) — лучше не превышать C/5 заряд и C/2 разряд, причем ток заряда влияет намного больше, чем ток разряда. У нас уже усовершенствованное поколение LiNi (фирменная технология NNP от Panasonic) со специальным термочувствительным слоем Heat Resistance Layer (HRL), увеличивающим безопасность батареи при перегреве (никель обладает высокой энергоемкостью, но неустойчив). Энергетическая емкость у них 243 Втч/кг. Выше только у NCA, но они на данный момент дороже. Альтернативу можно поискать среди современных NMC.

Можно собрать самому или купить готовый комплект в удобном корпусе и креплением на раму. Я собрал сам. 4 в параллель и 10 последовательно итого 40 шт. + BMS. Ничего сложного. Мои первые полевые испытания собранной батареи 500 Wh показали расход 70% на 80 км при примерно 50% помощи педалями на средней скорости 20 км/ч.

Т.к. эти батареи отлично горят при внешнем повреждении, корпус для их крепления на байк сделал из оцинкованной трубы. Летом, металлический корпус должен способствовать отводу тепла. На батареях однозначно написано, что греть их свыше 100 °C недопустимо, так что если и красить, то только в белый и не оставлять на солнцепёке. NASA утверждает, что при перегреве при отсутствии внешних повреждений эти батареи не воспламеняются (технология HRL), но выходят из строя. Попозже может сделаю короткое видео о корпусе батареи.

Вес

Вес батареи 2.6 кг, вес мотора 3.8 кг плюс провода, экранчик, манетка газа, новые тормозные ручки и рычаги педалей, звезда (+7,4 кг) минус передний переключатель с манеткой, старые передние звезды, тормозные ручки и рычаги педалей (-1.4 кг). Итоговый вес моего байка после переоборудования составил 20.5 кг, что не превышает веса среднестатистического ашан-байка. Кататься на нем без включения электромотора почти так же легко как и до электрофикации. Разница будет заметна на подъемах и разбитой дороге.

Цена

  1. Кит электрофикации обошелся с курьерской доставкой 418$;
  2. Батареи купил оптом 100 шт за 500$ с курьерской доставкой. Если взять только необходимые 40 шт, то где-то 209$;
  3. Защита батареи BMS обошлась всего 10$;
  4. Моя работа по сбору батареи и установке кита — бесценна.

Итого 637$ или 37500 руб на момент написания статьи (лето 2017). Сам велик хотел продать за 10 тысяч, но вовремя передумал.
Ну а кто дочитал до конца — получает купон с 50% скидкой на велосипеды.

E-bike или как электрифицировать велосипед: 3 комментария

  1. Интересно посмотреть что получится. Жень, я правильно понимаю, что общая стоимость доработок 918$? Давай соберем электро активную лебёдку.

    1. Там батареек с избытком. Если посчитать с одной батареей, то получится 37 тыс. руб. Сегодня обкатал что получилось. на лебедку нужен движок помощнее и контроллер самому делать.

    2. Да, там нужно несколько киловатт. Вот весь вопрос в контроллере.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *