Rower elektryczny (1)

Może wydawać się, że rower elektryczny jest nowym wynalazkiem, ale jego historia  ma już ponad 120 lat. Pierwszy e-bike skonstruowano i zbudowano w 1892 r. Jego bateria ważyła 30 kg, a cały rower ważył prawie 80 kg. Inne, późniejsze rozwiązanie pokazano na fotografii 1. Od tego czas postęp technologiczny pozwolił na konstruowanie rowerów elektrycznych o nieporównywalnie lepszych parametrach i o ponad 50 kg lżejszych od pierwowzoru.

Rowery elektryczne mają wiele zalet. Przede wszystkim są bardzo tanie w eksploatacji, a dobrze wykonany rower jest praktycznie bezawaryjny. W niektórych sytuacjach jest to też idealny zamiennik samochodu, który może posłużyć na przykład, do dojazdu do pracy czy do szkoły. Dzięki niemu unikamy korków w miastach oraz oszczędzamy pieniądze, ponieważ koszt przejechania 100 kilometrów wynosi zaledwie kilka złotych. A jeśli lubimy spędzać wolny czas poza domem, to taki rower umożliwi nam poznawanie nawet odległych miejsc, do których trudno by nam było dotrzeć na tradycyjnym rowerze napędzanym jedynie siłą naszych mięśni.

Niestety, kupno markowego roweru elektrycznego wiąże się z wydatkiem od kilku do kilkunastu tysięcy złotych i to jest chyba największa wada e-bike'u. Ale jeśli takiego roweru będziemy używali do dojazdów do pracy, to już nawet po jednym sezonie taka inwestycja może nam się zwrócić. Nie wspominając już o przyjemności, którą daje nam taki rower podczas jazdy i zwiedzania okolicy.

Aktualnie możemy stać się posiadaczem takiego roweru na trzy sposoby:

• Kupić gotowy, fabryczny rower elektryczny.
• Zlecić konwersję naszego normalnego roweru firmie, która się tym zajmuje.
• Własnoręcznie przebudować typowy rower.

Kupno fabrycznego roweru wiąże się z dosyć dużym wydatkiem. Taki rower jest wytwarzany zgodnie z przepisami obowiązującymi w Unii Europejskiej. Oznacza to, że silnik będzie działał tylko podczas pedałowania (brak manetki gazu) do prędkości 25 km/godzinę, po której przekroczeniu wyłączy się. Znamionowa moc silnika elektrycznego zamontowanego w takim rowerze może wynosić maksymalnie 250 W, a napięcie baterii nie może przekraczać 48 V. Często rowery fabryczne mają baterie o niewielkiej pojemności, wystarczającą na przejechanie maksymalnie około 50…60 km na jednym ładowaniu. Niektóre fabryczne rowery stanowią wyjątek, ale niestety są one bardzo drogie.

Druga opcja jest idealna dla kogoś, kto nie ma umiejętności technicznych lub nie ma czasu na samodzielnie wykonaną konwersję. Wtedy mamy możliwość wyboru parametrów naszego e-bike'u, które najbardziej nam odpowiadają.

Są trzy podstawowe parametry  roweru elektrycznego. Należą do nich: moc napędu, prędkość maksymalna, zasięg na jednym ładowaniu. Maksymalne wartości tych parametrów dla typowej konwersji roweru oscylują w granicach: prędkość 60…70 km/godz., moc do 3000 W, zasięg do 100 km bez pedałowania przy jeździe z prędkością około 25 km/godz. Sama procedura konwersji roweru przez firmę jest nieskomplikowana: dostarczamy do takiej firmy rower, zlecamy konwersję z parametrami, które nas interesują i po jakimś czasie mamy gotowy rower elektryczny. Musimy oczywiście za taką usługę zapłacić.

Ostatnia opcja polegająca na samodzielnej konwersji roweru nie jest szczególnie trudna, zwłaszcza dla osób będących czytelnikami „Elektroniki Praktycznej”. Oprócz oczywistej zalety, którą jest posiadanie e-roweru, dodatkowo możemy nauczyć się wielu nowych umiejętności, zaoszczędzić pieniądze, a w razie awarii wiemy, jak naprawić nasz pojazd, bo przecież sami go zbudowaliśmy. Mamy również możliwość dostosowania parametrów roweru do naszych potrzeb.

Musimy jeszcze pamiętać, że przy opcji drugiej i trzeciej, aby taki rower mógł legalnie poruszać się po drogach publicznych i ścieżkach rowerowych, musi spełnić wymagania prawne (opisałem je przy fabrycznym rowerze). To prawo obowiązuje tylko w tych dwóch wymienionych miejscach, więc jeśli mamy rower o większej mocy, to możemy legalnie jeździć nim po drogach terenowych, niepublicznych. Gdy zajdzie potrzeba wjechania na drogę publiczną lub ścieżkę rowerową takim „mocnym” rowerem elektrycznym, to możemy skorzystać z funkcji ogranicznika. Większość rowerów poddanych konwersji ma zamontowany taki ogranicznik.

Cena wszystkich komponentów potrzebnych do samodzielnej przebudowy roweru to co najmniej 2000 złotych. Taki e-rower jest moim zdaniem lepszy od fabrycznych modeli w przedziale cenowym od 3000 do 4000 złotych. Co ważne, podczas samodzielnej konwersji sami decydujemy o tym, jakiej jakości części użyjemy w naszym projekcie.

Części składowe

W rowerze elektrycznym mamy 3 podstawowe komponenty elektryczne: sterownik, silnik, akumulator. Oprócz tych głównych części trzeba jeszcze uwzględnić takie elementy, jak włącznik, przyciski na kierownicy, manetka, komputerek pokładowy oraz kontrolki. Omawianie poszczególnych elementów składowych zacznijmy od napędu, a więc od silnika.

Nic nie stoi na przeszkodzie, aby do napędu roweru użyć typowego silnika szczotkowego, jednak znacznie lepsze od nich są bezszczotkowe silniki BLDC. Mają one większą sprawność energetyczną, a ponadto można je zabudowywać w niespotykany dotąd sposób. Warto przy tej okazji podkreślić, że moc podawana jako parametr silnika elektrycznego oznacza parametry napięcia i prądu, przy których silnik nie powinien ulec uszkodzeniu. To, jak będzie funkcjonował nasz pojazd, zależy w dużej mierze od sterownika silnika.

W rowerach elektrycznych są stosowane 3 rodzaje silników BLDC, które można podzielić na dwie grupy: HUB Drive oraz MID Drive:

1. Termin MID Drive oznacza tak zwany napęd centralny, w którym silnik jest zamontowany w ramie  roweru i najczęściej poprzez łańcuch oraz przerzutki napędza jego tylne koło. Jego zaletą jest mały ciężar oraz możliwości łatwego zmieniania przełożenia napędu poprzez zmianę przerzutek w trakcie jazdy. Przy silnikach o małej mocy jest to dużym atutem, ponieważ z reguły w terenie potrzebujemy większego momentu obrotowego, ale raczej małą prędkość. Jeśli wyjedziemy na utwardzoną drogę, to znowu bardziej przydaje się większa prędkość, natomiast mniejszy moment obrotowy. Wadą takiego sposobu zabudowy silnika jest stosunkowo skomplikowana i narażona na awarie budowa. Więcej elementów bierze też udział w przeniesieniu napędu (łańcuch, koła zębate itd.), co skutkuje podwyższeniem kosztów eksploatacyjnych. Napęd tego typu jest często stosowany w fabrycznych rowerach z „wyższej półki cenowej” (5000…6000 złotych). Można też nabyć silniki tego typu przeznaczone do samodzielnego montażu.
2. Termin HUB Drive oznacza silnik zabudowany w piaście koła. W handlu są dostępne dwa typy silników:

• Silnik przekładniowy Typowo są to silniki o mniejszej mocy (zwykle poniżej 1000 W mocy znamionowej), wyposażone w przekładnię planetarną. Taki rodzaj silnika charakteryzuje się małym ciężarem, dobrym przyśpieszeniem przy ruszaniu, a dzięki zastosowaniu sprzęgła jednostronnego praktycznie brakiem jakiegokolwiek oporu podczas jazdy z wyłączonym napędem. Jego wady to przekładnia oraz sprzęgło, które się zużywają, szczególnie jeśli jeździmy w trudnym terenie. Taki silnik jest idealny do roweru, którym jeździ się raczej tylko po utwardzonych drogach lub szutrach, głownie ze wspomaganiem. Do takiego mało wymagającego zastosowania jest to idealna opcja, ale jeśli chcemy trochę „poszaleć” w terenie, to taki silnik nie będzie najlepszym wyborem.
• Silnik bezprzekładniowy Silniki tego typu są bardzo trwałe, ponieważ jedynymi zużywającymi się w nich częściami są dwa łożyska, które wymienia się okresowo, na przykład po przejechaniu 30 tys. kilometrów. Taki silnik może mieć znacznie większą moc niż inne, opisywane wcześniej rodzaje napędu. Stosuje się je przede wszystkim w rowerach do jazdy terenowej. Jedne z najmocniejszych silników są w stanie oddać nawet 15 tysięcy watów mocy szczytowej. Do wad silnika należy jego dosyć spory ciężar, na przykład jeden z takich najmocniejszych silników waży prawie 20 kg.

Jeśli porównamy ciężar silnika przekładniowego z bezprzekładniowym o takiej samej mocy, to zauważymy, że silnik przekładniowy może być w tym porównaniu nawet o 3 kg lżejszy.

Silniki bezprzekładniowe mają taką zaletę, że dobrze zabezpieczone przed przegrzaniem mogą dać z siebie więcej, niż przewidział producent. Przykładowo, silnik firmy Nine Continent, który fabrycznie ma moc  znamionową 500 W, przy współpracy z mocniejszym sterownikiem przeżyje nawet 3000 W mocy szczytowej po drobnych modyfikacjach. Silniki tego typu są bardzo dobrym wyborem do rowerów o mocy od 1000 W do 2000 W+ z przeznaczeniem do jazdy w terenie, ze względu na ich bezawaryjność, niewymagającą obsługę oraz dużą moc.

Sterowniki silników BLDC, które możemy zastosować w rowerze, również są oferowane w 3 rodzajach. Różnią się one budową, sposobem  działania oraz funkcjami i możliwościami. Pierwszym, najbardziej podstawowym rodzajem są sterowniki blokowe. Są one dość popularne w tańszych konstrukcjach ze względu na niską cenę. Charakteryzują się dość głośną pracą silnika oraz często wprawiają w rezonans niektóre części pojazdu. Mają również jedną z gorzej wykonanych funkcji softstart. Oznacza to, że po gwałtownym dodaniu gazu silnik również dość gwałtownie zaczyna przyśpieszać po minimalnym opóźnieniu.

Drugim rodzajem są sterowniki sinusoidalne. W przeciwieństwie do sterowników blokowych, które zasilają silnik przebiegiem prostokątnym, zasilają one uzwojenia silnika przebiegiem sinusoidalnym, co zmniejsza straty, natomiast sam silnik pracuje praktycznie bezgłośnie. Dodatkowo wzrasta też o 5% moment obrotowy generowany przez silnik i spada o 5% prędkość maksymalna. Producenci w tych sterownikach usprawnili funkcję softstart, co skutkuje łagodnym ruszaniem i lepszym wyczuciem roweru. Jeżeli zamierzamy jeździć bardziej wyczynowo, softstart w tych sterownikach może być dosyć uciążliwy.

Ostatnim typem sterowników są sterowniki wektorowe, inaczej zwane FOC (Field Oriented Control). Są to sterowniki z najwyższej półki jakościowej i cenowej. Jakość ich pracy oraz komfort użytkowania jest na najwyższym poziomie. Najczęściej mają one możliwość połączenia z komputerem i ustawienia prawie wszystkich możliwych parametrów. W dwóch poprzednich sterownikach mamy sterowanie prędkością obrotową silnika poprzez manetkę, a w tym jest inaczej. Manetka steruje mocą, a nie prędkością obrotową silnika. Jest to o wiele bardziej intuicyjna metoda i bardziej praktyczna w codziennym użytkowaniu. W tej metodzie również zwiększa się o 5% moment obrotowy, a prędkość maksymalna spada o 5% w porównaniu do sterownika blokowego.

Typowe funkcjonalności, które mogą mieć różne sterowniki BLDC:

• Tempomat.
• Przełącznik „3 speed”. Umożliwia ograniczanie mocy lub prędkości sterownika, z reguły mamy do dyspozycji 50%, 75% i 100%. W sternikach programowalnych możemy sobie ustawić te wartości procentowe.
• Wyjście impulsów z czujników Halla do wskaźnika prędkości.
• Hamowanie regeneracyjne (umożliwia hamowanie silnikiem i zarazem ładowanie akumulatora odzyskaną energią).
• Bieg wsteczny.
• Funkcja antykradzieżowa - postojowe hamowanie koła. Kiedy sterownik wykryje obrót koła, zaczyna kręcić nim w przeciwną stronę, aby koło znalazło się w takiej samej pozycji, jak przed próbą wykonania ruchu. Ta funkcja praktycznie uniemożliwia oddalenie się na rowerze.
• Wejście dla manetki do płynnego  hamowania silnikiem - im mocniej naciśniemy manetkę, tym mocniej będzie hamował silnik.

Bardzo ważnym elementem w rowerze elektrycznym jest akumulator. Jest to jedyny komponent, który powinien być wykonany przez osobę dobrze znającą tematykę, ponieważ ewentualne błędy mogą zakończyć się pożarem. Są warsztaty, które budują akumulatory litowo-jonowe na zamówienie klienta, o dowolnej wielkości oraz żądanych parametrach. Jeśli nie jesteś pewien swoich umiejętności w tym zakresie, to bardzo dobrym pomysłem jest skorzystanie z ich usług.

Bartłomiej Płonka