Устройство электровелосипеда и принцип его работы

Двухколесный электротранспорт набирает все большую популярность, как в России, так и в мире, и если вы задумались о приобретении электровелосипеда, то наверняка задались вопросом — что он собой представляет, как устроен и функционирует.

В данной статье рассмотрим компоненты, из которых состоит электровелосипед, разберем для чего каждый из них нужен и как они между собой взаимодействуют.

Из чего состоит электровелосипед

Электровелосипед (электрический велосипед, электробайк, e-bike) — это велосипед с электроприводом, который может ехать как исключительно на электротяге, так и помогать велосипедисту двигателем при вращении педалей.
Состав электровелосипеда условно можно разделить на два вида комплектующих:

• Компоненты велосипеда. К ним относятся те комплектующие, из которых состоит обычный велосипед — рама, вилка, колеса, руль, педали, трансмиссия и тормозная система.

• Электрические компоненты. Сюда входят комплектующие, отвечающие за электрический привод — двигатель, аккумулятор, контроллер, панель управления, ручка газа (акселератора), PAS или торк-сенсор и датчики тормоза.

Принцип работы электровелосипеда

Как известно, в случае обычного велосипеда крутящий момент передается на заднее колесо от вращения педалей через систему трансмиссии. Она включает цепь, звезды и переключатель, позволяющий выбирать звезду нужного размера и, соответственно, менять передаточное отношение.

В случае электровелосипеда к существующей схеме добавляется электродвигатель, расположенный в кареточном узле или в центре колеса (вместо втулки). Энергия на него поступает от аккумулятора через контроллер, который формирует управляющие сигналы исходя из положения ручки газа, установленной на руле, или сигналов от датчиков ассистентного режима (PAS-сенсор или торк-сенсор).

На руле современных электробайков установлена панель управления, которая отображает параметры поездки (скорость, время, расстояние) и параметры системы (напряжение батареи, температура двигателя). Кроме того, она имеет кнопки для выбора степени помощи при педалировании (ассистентный режим), которая определяет, насколько сильно вам будет помогать мотор при вращении педалей.

Разновидности электропривода

В зависимости от способа передачи крутящего момента на колесо, различают следующие виды электропривода велосипеда:

• Центральный (кареточный) мотор — располагается в кареточном узле. Крутящий момент передается на заднее колесо через трансмиссию велосипеда, то есть через цепь, звезды и задний переключатель. Применяется при езде по горной местности, так как передаточным отношением можно управлять путем переключения передач велосипеда.

• Мотор-колесо — представляет собой двигатель, заспицованный в обод на место втулки. Передаточное соотношение не меняется, а крутящий момент передается непосредственно на обод колеса. Позволяет продолжить движение даже в случае обрыва цепи или поломки переключателя.

В зависимости от наличия редуктора, двигатели мотор-колес делятся на следующие разновидности:

• Прямого привода (безредукторные) — один оборот ротора соответствует обороту колеса. Считаются более надежными благодаря простоте конструкции и используются в основном на мощных электровелосипедах.
• Редукторные — внутри мотора находится редуктор с определенным передаточным отношением. Один оборот колеса происходит за несколько оборотов ротора. Такие двигатели легче моторов прямого привода, но при неправильной эксплуатации возникает опасность срезания шестерней редуктора.
• Фрикционный привод. Вращающий момент передается непосредственно на покрышку колеса через прижимной резиновый ролик. Наименее распространенный вид электропривода велосипеда.

Какие бывают аккумуляторы для электровелосипедов

Аккумулятор электровелосипеда является одним из самых дорогих компонентов (конкурируя с двигателем), и определяет его запас хода на одном заряде, вес и, в конечном итоге, срок службы.

Рассмотрим основные виды аккумуляторов, используемых на электровелосипедах:

• Литий-ионный — самый распространенный на сегодняшний день тип аккумулятора, имеет относительно небольшой размер и вес. Существует в различных конфигурациях в зависимости от исполнения и катодных материалов (литий-кобальтовые, литий-железо-фосфатные, литий-полимерные и др.). Как правило, состоит из соединенных по определенной схеме ячеек и платы управления батареей (BMS).

• Свинцово-кислотный — самый дешевый вид аккумуляторов. Они не требуют платы управления, но являются самыми тяжелыми и имеют довольно низкую плотность энергии.

• Гелевые — очень похожи по характеристикам на свинцово-кислотные, но в отличие от последних, заполнены электролитом в гелеобразном состоянии, который не вытекает и не испаряется.

Принцип работы контроллера

Контроллер электровелосипеда является своего рода его мозгом, и выполняет сразу несколько функций:

1. Управление электродвигателем. На современных электробайках используются бесщеточные двигатели постоянного тока, и чтобы такой двигатель вращался, к нему нельзя напрямую подключить аккумулятор. Контроллер определяет положение ротора двигателя по сигналам с датчиков Холла и формирует высоковольтные сигналы, которые поступают на мотор по трем силовым проводам, заставляя его вращаться.
   От контроллера к бесщеточному двигателю идет кабель с двумя типами проводов:
   • Силовые провода — используются для передачи электрической энергии, которая будет непосредственно вращать мотор, поэтому имеют большое сечение. Как правило, это желтый, зеленый и синий провод.
   • Сигнальные провода — более тонкие, по ним передаются сигналы с датчиков положения ротора, датчиков температуры и скорости.
2. Реализация ассистентного режима, или режима помощи при педалировании, при котором используется один из двух датчиков:
   • PAS-сенсор (Pedal Assist System) — позволяет контроллеру определить сам факт вращения педалей и запустить двигатель.
   • Торк-сенсор (torque — крутящий момент) — необходим для определения усилия, с которым велосипедист давит на педали, и подачи на мотор мощности, пропорциональной этому усилию.
3. Взаимодействие с панелью управления. Включение контроллера производится с панели управления на руле. Кроме этого, он отправляет на нее данные о скорости и температуре мотора, а получает информацию о выбранной степени помощи ассистентного режима.
4. Контроль температуры мотора. Современные контроллеры позволяют отслеживать температуру электродвигателя, чтобы своевременно снизить мощность и исключить его перегрев. Для этого в двигателе должен быть установлен датчик температуры.
5. Взаимодействие с ручкой газа и датчиками тормоза.
   Ручка газа (акселератора), установленная на руле, отправляет на контроллер управляющий сигнал в диапазоне от 0,9 В (исходное положение) до 4,5 В (полный газ). В зависимости от этого напряжения, на мотор подается соответствующая порция энергии.
   Если электровелосипед оснащен датчиками тормоза, то даже при незначительном нажатии тормозного рычага контроллер прекращает работу двигателя — это позволяет повысить безопасность эксплуатации, что особенно актуально на мощных велосипедах.

Как видите, электровелосипед устроен не так уж и сложно, как могло показаться с первого взгляда, и при желании можно переделать обычный велосипед в электрический самостоятельно, установив на него один из доступных на рынке электрокомплектов.