Электробайк самодельный. Собираем цепную передачу. Что входит в комплект

Тема электротранспорта меня интересовала всегда.
И вот наступил долгожданный момент, когда я от теории наконец перешел к практике. О своём опыте я поведаю ниже.

Пара мыслей в качестве вступления.
Почему именно сейчас так активно заговорили про электромобили, электросамолёты, электробайки? Наконец почти разрешилась основная проблема электротранспорта - начали появляться достаточно компактные и емкие батареи. Более того, они заряжаются за терпимое время. Собственно только этого и ждали, все остальное давно создано и «обкатано» - кузов, ходовая часть, электроника, электромоторы. Все это уже используется сотню лет. А электромоторы позволяют использовать непривычные решения - к примеру устанавливать себя в ступицы самих колес.

Технические характеристики:

Велосипед обычный, средней ушатанности, цена примерно 200$
- электромотор на 48V и мощность 380W
- батарея на 48V и 10A
- скорость без помощи педалей по ровной дороге 35-40 км/ч
- дальность поездки 22-25 км по легкой холмистой местности и в городе
- время полного заряда 2 часа

Надо отметить, что переоборудование не сильно бросается в глаза и большинство людей на улице просто не замечают ничего необычного в велосипеде.

Весь комплект приобретен в Китае через eBay. Искать комплекты стоит по ключевым словам «ebike, Motor Conversion, kit, LiFePO4». Вся покупка обошлась в примерно 650$ USD с пересылкой из Китая.
Покупать придется два комплекта - сам KIT и батарею.

KIT состоит из уже собранного колеса, контроллера, рукоятки газа, рукояток тормоза, датчика под педали, фары с замком, кнопки звукового сигнала, сумки для батареи.

Вторая часть комплекта - это батарея и зарядное устройство.

Комплекты бывают на 12, 24, 36 и 48 вольт и мощностью в 250, 380, 500 и 1000 ватт.
Батарею выбирается соответствующего напряжения. Я бы советовал не гнаться за мощностью. 380W для ровной и холмистой местности вполне достаточно. Увеличивая мощность скорость будет увеличиваться не значительно, но в гору «тянуть» будет лучше.
Мой личный опыт - я очень редко помогаю педалями и звездочки стоят все время в положении «максимальная скорость».
Стоит заметить, что в многих странах есть ограничение в 250W.
Почему я выбрал 48V, я сейчас точно сказать не смогу, но в мае, когда я прочесывал интернет перед покупкой была поставлена метка - брать только 48V. С мощностью батареи все просто - у меня 10A, это 25 км. Если купить 20A, будет 50 км пробега и 16 кг батареи вместо 8-ми. Решите, стоит ли вам таскать лишние 4-8 кг веса, если вы не собираетесь далеко ездить. Я понимаю, что мощность не в амперах измеряется, но так их продавцы различают. Не ватт/час, а именно напряжение/амперы.

Мотор

Главное, что надо помнить монтируя колесо - кабель должен выходить из колеса слева! Тогда оно будет вращаться в правильную сторону. Вторая и не очевидная опасность - из колеса выходит три толстых провода и несколько тонких. Первое что делает человек смонтировав колесо - он его крутит. Колесо вырабатывает электричество, между силовым проводом и одним из тонких проводков проскакивает искра и все, сгорел датчик, покатушки отменяются. Поэтому вынув колесо из коробки сразу обматываем эти провода изолентой и до момента подключения к контроллеру так их держим.
Возможно придется слегка подтачивать посадочное место на вилке и ось на колесе, у меня так и получилось. Дремель и несколько режущих дисков хватило, чтобы установить колесо.
Тут надо быть максимально аккуратным, чем плотнее колесо сядет на своё место, тем меньше проблем будет в будущем. Не сточите лишнего. Владельцам дорогих велосипедов с алюминиевыми вилками стоит выбрать заднее колесо, я читал как мощное киловатное колесо просто выламывало усы на вилке при пробном включении. Передняя вилка рассчитана на нагрузку вверх и назад, а колесо тянет вперед и по кругу. А вот мотор на заднем колесе дает нагрузки на раму не отличающиеся от педалей.

Контроллер

Единственная замечание. Из-за законодательного ограничения скорости в некоторых странах в контроллере есть блокировка. Чаще всего это провод, который надо просто разомкнуть. Заблокированный контроллер не даст разогнаться быстрее 25 км/ч.

Управление

Во первых надо заменить рукоятки тормозов. Я не стал менять рукоятку переднего тормоза. Заменил только заднюю. Зачем надо менять? В рукоятке находится контакт, который отключает электромотор в момент торможения.

Во вторых на левую сторону руля надо установить рукоятку газа. Снимаем резиновую ручку, отрезаем её с внутренней стороны на необходимую ширину. Ставим все на своё место.

В третьих надо установить фару. В фаре находится «замок зажигания» и звуковой сигнал. Кнопку звукового сигнала я не стал подключать, могу и так поорать. А вот пара ключиков весьма порадовала. Ключ заменяет выключатель питания, а дальнейший поворот включает фару. Это удобно. Вытащить ключ из «фары» не выключив велосипед не получится. Велосипед довольно тяжелый, а ход на педалях тоже не так прост (ведь они стоят на максимуме и еще надо провернуть мотор, который в таком случае становится генератором) - запрыгнуть и укатить на вашем велосипеде вору будет не так просто. Даже просто укатить его в руках. Это позволяет не сильно «напрягаться» отвлекаясь от велосипеда на несколько минут и не пристегивать его каждый раз замком.
На фото заметно, что фара сделана из дешевого пластика и начала протираться от обрезиненного тросика передач.
Светодиоды в теории должны показывать степень разряда батареи. Возможно на свинцовых так и есть, но на LiFePO4 батарее это не работает. Сначала светится полный заряд, потом красный светодиод - батарея пустая. Кроме того, это суперлайт светодиоды и они банально слепят ночью прямо в лицо, да и днем тоже мешают. Поэтому там и находится эта полоска клейкой бумаги. Потом я сточу кончики светодиодов и капну сверху по капле термоклея, чтобы получить просто матовое свечение.

Я упомянул, что в комплекте есть датчик на педали. Его я не ставил. Он заменяет рукоятку газа. Начав крутить педали вы включаете мотор, но он только помогает ехать. Не более того, думаю это должно быть довольно экономно, но меня не заинтересовало.

Батарея

Кроме батареи в сумке находится плата-балансира зарядки. С неё идет пучок проводов в саму батарею. Тоесть батарея заряжается по частям и отдельные «банки» элементов балансируются между собой.

Почему не обычная кислотно-свинцовая батарея? Аналогичная по параметрам моей батареи будет весить больше 20-ти кг. Будет возня с электролитом, долгая зарядка, количество циклов заряд-разряд не больше тысячи, а всего сотня-две. Мало того, если я пойду покупать у себя в магазине такие батареи - это будет стоить не намного меньше. Так что даже по деньгам я не выгадаю.

Аппарат в квартире на зарядке. Полный заряд занимает два часа, зарядка легкая и сравнительно небольшая, можно кинуть в рюкзак и заряжать велосипед в дороге. В придорожном кафе к примеру или на заправке.

Заключение

Что приятно - права не нужны, страховка не нужна, в квартиру закатывается, бензином не пахнет.

Каждому человеку будет очень тяжело крутить педали при подъеме в горку, особенно с затяжным уклоном. Не менее утомительно ездить на велотранспорте против сильного ветра, когда даже со спуска нужно прилагать усилие на педали, чтобы не остановиться. На прямых участках дорог, ну и особенно на склонах, велосипед имеет одни преимущества: тишина хода, нет ограничения в запасе топлива, не предъявляются требования государственного транспортного учёта. Скорее всего, если бы были массово доступны велосипеды с электроприводом, то легким двухколесным транспортом пользовались бы раза в два больше людей.

Устройство электровелосипеда

Чтобы собрать самодельный электропривод или установить купленный комплект на велосипед необходимо знать назначение отдельных устанавливаемых деталей. По сути, электровелосипед – это обычный велосипед, на котором дополнительно закреплены следующие детали:

• электродвигатель;
• передаточный механизм;
• аккумуляторная батарея;
• контроллер;
• регулятор скорости;
• оборудование контроля.

Электродвигатель может быть коллекторным, со щетками, или бесколлекторным, более простым по устройству, но более габаритным при равной мощности. Рационально устанавливать на велосипед электромоторы мощностями в пределах 150-1500 Вт. По рабочему напряжению электродвигатели выбираются на 12, 24, 36, 48 В. Чем выше напряжение, тем ниже ток, протекающий по обмоткам двигателя и подключаемым проводам, следовательно, можно использовать проводники меньшего сечения.

Своими руками можно собрать ременной, цепной или фрикционный передаточный механизм.

Аккумуляторная батарея обычно закрепляется на багажнике или в креплении на раме велосипеда. Лучше использовать необслуживаемые аккумуляторы, без жидкости. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют больший вес, в сравнении с другими типами аккумуляторов, при той же емкости. К тому же из них вытекает кислота при наклоне велосипеда. Разумно поставить батарею емкостью не более 20 Ач, так как большего объема батареи будут слишком тяжелыми, чтобы возить их на велосипеде.

Контроллер, заводский сборки, представляет собой прямоугольный блок в алюминиевом корпусе, для лучшего охлаждения. Главное назначение контролера – это изменять величину тока питания электродвигателя, по падению напряжения на переменном сопротивлении в регуляторе скорости. Регулируется ток силовыми тиристорами или полевыми транзисторами, им то и нужно охлаждение при работе. Второстепенные функции электронного блока: измерять уровень заряда батареи, ограничивать ток заряда батареи, ограничивать скорость передвижения на велосипеде.

Регулятор скорости фактически является переменным резистором. Для удобства этот реостат устанавливается в привычную поворотную ручку, которая одевается на руль.

К оборудованию контроля относятся:

• предохранители;
• тормозная ручка с микроконтактом, который отключает электродвигатель во время торможения;
• фара в корпусе, с выключателем питания, сигналом, светодиодным индикатором уровня заряда батареи;
• датчик, включающий двигатель при вращении педалей.

Виды электроприводов

Электроприводы для велосипедов бывают трех видов:

1. Фрикционные.
2. Цепной, ременной.
3. Мотор-колесо.

Фрикционная передача

Подобная разновидность электропривода встречается в продаже, но большой популярностью не пользуется. Монтируется привод в сборе с электродвигателем и батареей на подседельный штырь, над задним колесом. Передача вращения от электродвигателя происходит за счет трения обрезиненного ролика об покрышку. Кажется, что в такой передаче все просто и надежно. Но такой способ передачи отлично работает только на детских электрических машинках и велосипедах, а для ежедневного использования на большом велосипеде он является не удачным.

У фрикционной передачи много недостатков.

• Быстро стирается покрышка приводимого в движение колеса.
• Необходимо поддерживать повышенное давление в камере движимого колеса.
• Возникает пробуксовка приводного ролика при подъеме в горку, перевозке груза, особенно при езде по мокрой дороге или снегу.
• Тяжелый привод создает сильное изгибающее усилие на подседельный штырь и постепенно ломает раму велосипеда.

Фрикционный электропривод для велосипеда имеет одно преимущество – простота установки . Велосипед оборудовать таким приводом посильно каждому человеку: достаточно закрепить устройство над колесом, установить ручку-регулятор, и можно отправляться в дорогу.

Ременной или цепной электропривод

Такой вариант привода многие мастера собирают своими руками из электромоторов от стиральных машин, автомобильных стартеров, клиновых ремней, цепей, тяжелых свинцово-кислотных аккумуляторов.

У электроприводов с цепными и есть недостатки.

• Открытая передача подвержена повышенному износу.
• Такая передача на колесо значительно более шумная, чем у других электроприводов на велосипед. Особенно слышен шум цепи, ремня при прогулке на велосипеде по парку, лесу.
• Чтобы подключить подобный электропривод к велосипеду, необходимо на раму поместить громоздкую конструкцию для крепления электродвигателя и ведущей звездочки или шкива.

Элекпропривод через цепь или ремень является очень удобным, чтобы построить самодельный электровелосипед.

1. Можно подключить цепной привод к многоскоростной передаче велосипеда. Переключая передачи, легко регулировать величину усилия на электродвигатель, при подъеме в гору, проезжая глубокий песок, снег. Когда электродвигатель вращается на полных оборотах, не гудит, он потребляет меньше тока. Заряда аккумуляторов хватает на долгое время, если не перегружать электродвигатель.
2. Можно собрать такой электрический велосипед с цепным или ременным приводом, который сможет развивать большую скорость, чем готовые, заводской сборки варианты. Развить рекордную скорость на велосипеде поможет имеющаяся скоростная цепная передача.
3. Свободный выбор места установки электродвигателя, так как длину цепной и ременной передачи можно менять в широких пределах.

Продаются готовые наборы со звездочками, цепью, электромотором, батареей, зарядным устройством, контроллером, ручкой-регулятором, которые подойдут на велосипед без амортизаторов, с жестким хвостом (хардтейл) и полным подвесом. Только цены на электронаборы с цепной передачей выше, чем на комплекты электроприводов другого вида. Большую популярность среди покупателей имеют наборы с цепной передачей тайваньского производителя Cyclone.

Мотор-колесо

Наиболее распространенный вид электропривода, имеющийся в продаже. В таком устройстве бесколлекторный электродвигатель установлен в ступицу колеса.

Преимуществ у колеса с электромотором много:

• Установить мотор-колесо несложно, как сзади на раму, так и спереди на вилку.
• Можно собрать полноприводной велосипед, установив два мотор-колеса.
• Работающий бесколлекторный двигатель практически не слышно.
• Колесо на велосипеде с большой ступицей смотрится значительно лучше, чем закрепленный на раме электродвигатель.

Имеется несколько замечаний по опыту использования мотор-колеса.

1. Нельзя устанавливать колесо с электромотором большой мощности на алюминиевую вилку, иначе тангенциальная сила вращения мотора сломает усик дропаута вилки. Вилка велосипеда отлично выдерживает поперечную силу, направленную снизу вверх. Задние дропауты велосипеда рассчитаны на тангенциальную силу, которая смещает колесо перпендикулярно оси, поэтому на них можно смело ставить колесо с электромотором максимальной мощности.
2. Нельзя крутить мотор-колесо с замкнутыми проводами, выходящими из него. Первое, что делает человек, взяв колесо в руки – он начинает его крутить. При принудительном вращении любой электромотор вырабатывает электрический ток. От статора электродвигателя выходит три толстых провода и два или более тонких от датчика. Если при вращении колеса эти провода будут замкнуты между собой, то между ними пробьет искра, и испортит датчик.
3. Монтировать электроколесо нужно так, чтобы провода, выходящие из его ступицы, были слева. Тогда колесо будет вращаться в нужную сторону.
4. Во многих азиатских странах существует ограничение скорости передвижения на велосипеде – не более 25 км/ч. Поэтому в контроллере предусмотрена блокировка от превышения установленной скорости. Быстрее разогнаться не получится, даже ускоряя велосипед педалями. Выключенный контроллером электродвигатель будет работать в режиме генерации, как электромагнитный тормоз.

Продается множество наборов, в которые входят: собранное колесо с электродвигателем от 200 до 1000 Вт, контроллер, батарея, зарядное устройство, оборудование контроля, регулятор скорости. Можно купить более дешевый комплект мотор-колеса на велосипед, в котором нет аккумуляторной батареи, и продается не собранное колесо, а отдельно втулка с мотором. Самые популярные электроколеса на велосипед выпускают фирмы: Electra, Golden motor, Polariss, Yamasaki.

Нужно сказать, что сейчас нет смысла собирать электровелосипед из подручных комплектующих, так как можно приобрести проверенный, надежный набор электропривода на велосипед. К тому же, можно купить готовый, красиво собранный электровелосипед например у таких производителей: GRACE, Izip, Sanyo Electric, Schwinn, Yamaha.

В этой статье будет рассказано о том, как сделать электровелосипед своими руками из обычного велосипеда.

Собрать довольно просто, когда есть готовый набор комплектующих. Чтобы превратить обычный велосипед в электровелосипед, на него необходимо установить мотор-колесо , аккумулятор , тормозные ручки с датчиками отключения питания, а также рукоятку «газа» . Помимо всего прочего, эти части необходимо соединить с контроллером с помощью разъемов типа «папа-мама». На контроллере есть много проводов с разными разъемами, соответствующими своим элементам, перепутать их невозможно.

Итак, собираем электровелосипед:

Установка мотор-колеса

Переделка велосипеда в электровелосипед начинается с установки мотор-колеса - это обычное велосипедное колесо с двигателем внутри, устанавливается как обычно. Контакты на проводах, идущие от колеса, необходимо закрыть колпачком или замотать изолентой, чтобы на них не попало масло. При установке нельзя крутить колесо, так как это генератор, который вырабатывает ток, и если контакты не будут закрыты, то может произойти замыкание. Разъем, идущий от колеса, необходимо соединять с проводом из контроллера в самом конце сборки, после установки аккумулятора, тормозных ручек и ручек газа. Подсоединить что-то не так невозможно без изменения конструкции контактов, каждая пара разъемов уникальна и перепутать их с другими не получится, это сделано для простоты соединения элементов и для защиты от дураков.

Установка тормозных ручек и ручек газа на руль

В комплекте идут 2 тормозные ручки с датчиком, который отключает электродвигатель при торможении. Их необходимо установить вместо штатных велосипедных тормозных ручек. На контроллере вы найдете два одинаковых разъема для подсоединения каждой ручки, соедините их в любом порядке, так как каждый датчик выполняет одну и ту же работу.

Ручка газа, она же рукоятка акселератора, устанавливается после тормозных ручек, имеет разъем, который вставляется в такой же разъем контроллера, перепутать их или неправильно соединить невозможно.

Установка панели управления

Панель управления отображает уровень заряда батареи, силу тока и обороты двигателя, устанавливается на руль. В некоторых моделях есть кнопка выключения питания или замок зажигания. После установки необходимо подключить провод, идущий от панели к контроллеру.

Установка аккумулятора

В зависимости от типа аккумулятора, установка может производится на раму велосипеда, на багажник в велосумку, или в рюкзак, кому как удобно. Подсоедините аккумулятор к контроллеру, найдя на нем соответствующие разъемы. При подсоединении возможно будет небольшая искра – это нормально, не переживайте, полярность не перепутаете.

Установка контроллера

Контроллер и его контакты должны быть защищены от влаги и грязи, устанавливайте в велосумку на багажник или в любое другое место.

После установки всех элементов можно подключать мотор-колесо к контроллеру и проверить работоспособность электровелосипеда.

Вот и всё, самодельный электровелосипед готов, теперь можно провести тест-драйв.

Поэтому при следующей доработке батарея с помощью самодельных креплений перекочевала на нижнюю трубу велосипеда. В результате развесовка получилась лучше, но выглядела конструкция страшно и неприлично. Для описания подобных творений очумелых ручек у отечественный байкостроителей появился даже устоявшийся термин - «шахид-дизайн» .

На байке с более правильной развесовкой можно было уже довольно комфортно ездить, но стало понятно, что стандартной батареи 500 Вт*ч (50 В, 10 А*ч) для велосипеда мощности выше среднего хватает ненадолго - на электричестве можно доехать из пункта А в пункт Б, а обратно уже только на педалях. В итоге была куплена большая батарея 1000 Вт*ч (50 В, 20 А*ч), которая в передний треугольник рамы вроде бы влезала, но закрепить её пришлось изолентой;) Выглядело всё это вот так:

У получившегося монстра из-за ширины батареи даже не вращались педали.

Понятно, что оставлять это так было нельзя.

Нужно было что-то придумать с батареей - изменить её пространственную компоновку, чтобы за неё не задевали педали, и разобраться с её креплением, изготовив надёжный батарейный бокс. Для выполнения этой задачи после долгих поисков и отсеивания кандидатов был привлечён Александр Костюк - знакомый по велоклубу «ВелоСамара», который также глубоко проникся идеей проектирования электровелосипеда. Имея за плечами многолетний опыт конструирования и постройки различных прототипов всего что только движется, он взялся за задачу построения бокса. Решено было сделать его из листа АМг (сплав алюминия с магнием) толщиной 2.5 мм, соединив алюминиевыми уголками. Окраска бокса - порошковая. Также на велосипед был установлен ваттметр Cycle Analyst, позволяющий измерять кучу показателей, включая расход энергии в ватт-часах на километр. С таким прибором можно было больше не переживать, что батарея неожиданно разрядится в самый неподходящий момент - каждый потраченный ампер-час или ватт-час на счету. В итоге получился вот такой байк:

На таком аппарате с ёмкой, удобно и надёжно закреплённой батареей уже можно было спокойно кататься по городу без опасения, что что-нибудь отвалится в самый неподходящий момент. Да и выглядел велосипед уже поприличнее. Готов был байк аккурат под зиму 2012-2013 и отлично показал себя в зимних условиях, включая езду и в снегопады, и в метель и в морозы минус 35 градусов.

Только вперёд!

Решено было создать универсальный электрокомплект, позволяющий превратить любой современный горный велосипед в электро. Горные велосипеды были выбраны в качестве базы не случайно - они очень популярны в России (количественно составляют основной класс велосипедов для взрослых), универсальны (позволяют ездить как по городу, так и по бездорожью) и надёжны. Также немаловажно, что детали и узлы горных велосипедов стандартизованы, что позволяет также стандартизовать электрокомплект.

Предстояло подобрать адекватные комплектующие для байка и решить ещё целый ряд инженерных задач:

• Подобрать мотор, способный выдавать большую мощность и момент, при этом лёгкий.
• Собрать компактную и лёгкую батарею достаточной ёмкости, способную держать большие токи.
• Укрепить дропауты заднего колеса, чтобы в них не проворачивалась ось высокомоментного двигателя.
• Разработать датчики срабатывания для гидравлических тормозов (серийные гидротормоза с датчиками только начинают появляться в продаже и имеют свои недостатки), ведь автоматическое отключение мотора при нажатии тормозов - одно из базовых стандартных требований для электробайков. А механические тормоза уже не подходят по характеристикам для безопасного торможения на тех скоростях, что мы намеревались достичь.
• Продумать решения для питания передней фары и заднего фонаря (с сигналом) от бортового напряжения электровелосипеда, предусмотрев встроенный преобразователь постоянного тока.
• Определиться с подходящими разъёмами (желательно герметичными), велокомпьютерами-ваттметрами, светотехникой и многим другим.

Итоговое решение должно было быть простым в монтаже, технологичным и дешёвым в изготовлении.

Вот один из первых этапов на этом пути, бокс построенный весной 2013 года:

Вот ещё один из промежуточных этапов:

Что получилось?

Характеристики этих аппаратов:

• скорость - до 63 км/ч;
• мощность - до 2.5 кВт;
• ёмкость батареи - до 1 кВт*ч;
• дальность пробега - 40 км на максимальной скорости (63 км/ч) и до 100 км в режиме «эконом» (30 км/ч).

В условиях пересечённой местности байк тоже не пасует:

Ещё видео

Велосипед или мотоцикл?

Так что получился функционально вполне себе мопед, но в велосипедной оболочке. В результате можно пользоваться преимуществом обоих видов транспорта: велосипеду у нас везде «зелёный свет» (пешеходные зоны, тротуары, наземные и подземные переходы, переходные эстакады, парки, тропинки да и просто бездорожье), при этом на дороге доступна скорость и динамика мопеда / скутера (при большей, чем у любого скутера или мотоцикла маневренности), что делает мощный электровелосипед в условиях реального трафика самым быстрым наземным городским транспортом.

И хотя мощность наших стандартных электрокомплектов и без того сравнима с мопедом, в качестве спортивного интереса и эксперимента (весьма не дешёвого, как оказалось после подсчёта стоимости всех комплектующих), были собраны тяжёлые и мощные электровелосипеды на базе специализированных пространственных рам от Qulbix:

И украинской «рамы Чоботара»:

Эти 6-10-киловаттные монстры способны развивать скорость уже до 90 км/ч, имея при этом динамику лёгкого мотоцикла. А при открытии полного газа с места привстают «на козла». Батарея 3 кВт*ч позволяет проехать 120 км на скорости 40 км/ч или 40 км на скорости 90 км/ч, благодаря чему можно использовать такой байк в качестве дальнобойного загородного транспорта и для езды по трассе.

Что дальше?

«Стандарт» (на базе обычной велосипедной рамы): мощность 2.2 кВт, ёмкость батареи 1 кВт*ч, скорость до 63 км/ч;

Электрочопперы (без педалей) «Электро-классик»: мощность 6 кВт, скорость до 85 км/ч, ёмкость двух съёмных батарей до 3 кВт*ч;

И «Электро-боббер».

.

Последний также оборудован уникальной параллелограммной вилкой из титана, выпущенной ограниченным тиражом.

Немного об устройстве электровелосипеда

Основные электрические компоненты электровелосипеда

“Сердцем” или мускулами электровелосипеда является электромотор (подробнее о моторах и их типах ниже). В современных электровелосипедах используются бесколлекторные синхронные двигатели постоянного тока (Brushless Direct Current Motor или BLDC), позволяющие эффективно работать в широком диапазоне оборотов с высоким моментом. Изредка используются асинхронные моторы, в качестве центральных. (Про “Двигатели Шкондина”, про которые так много шуму в интернете, можно выпустить отдельный разоблачающий материал;).

“Мозг” же электробайка - контроллер . Контроллер управляет электродвигателем, подавая в нужный момент питание на его обмотки в зависимости от требуемой скорости вращения и мощности. Контроллер также управляет всей всей “логикой” велосипеда: на входе получая сигналы от положении ручки газа, переключателей режимов работы (можно, например, в разных режимах ограничивать скорость, мощность или даже включать задний ход), кнопки круиз-контроля (очень помогает при езде в загородном режиме), сигналы с датчиков тормозов (т.к. нужно выключать питание мотора при нажатии ручки тормоза или даже включать рекуперативное торможение двигателем, если оно поддерживается) и т.п.

Энергия для питания сердца и мозга электробайка запасается в аккумуляторной батарее . Обычное напряжение батарей электровелосипедов - от 36 В до 48 В. Скоростные аппараты могут комплектоваться высоковольтными батареями (до 100 В).
В настоящее время в подавляющем большинстве электровелосипедов используются литиевые батареи (подробнее об их типах ниже), имеющие наилучшую энергоёмкость. Тяжёлые свинцовые батареи применяются лишь на самых дешёвых аппаратах.
Батарея состоит из отдельных аккумуляторных ячеек, соединённых последовательно / параллельно.

У батареи также есть свой “мозг” - это система управления батареей (Battery Management System или BMS ). Защищает батарею от перезаряда, переразряда, превышения допустимого тока, а также балансирует отдельные ячейки батареи, чтобы они разряжались равномерно.

Для отображения всей необходимой информации и точного “подсчёта калорий” необходим ваттметр , позволяющий точно сказать, сколько энергии потрачено и сколько ещё осталось. Специализированный ваттметр сочетает в себе функции велокомпьютера, считая также скорость, расстояние и производные показатели, такие как как энергопотребление на километр пути (Вт*ч / км).

Для питания низковольтных потребителей (фара, задний фонарь, гудок, повторотники) необходимо снижать бортовое напряжение до более низкого (5, 8 или 12 вольт). Для этого используются высокоэффективные преобразователи постоянного тока (DC-DC ).

Сложности переходного возраста

Батареи

Основные типы литиевых аккумуляторных элементов

• LiFePO4 (литий-железо-фосфатные). Могут эксплуатироваться на морозе до -30 градусов, доступен быстрый заряд за 45 мин, имеют самое большое число циклов заряда-разряда (1500-2000), позволяют отдавать большую мощность, пожаробезопасны, не горючи. Однако, имеют вдвое более низкую удельную ёмкость, чем у литий-ионных аккумуляторов (т.е. в 2 раза выше вес при той же ёмкости), относительно дороги (но удельная цена эксплуатации самая низкая из за большого числа циклов).
• Используются нами в качестве основного решения в комплектах для велосипедов-хардтейлов, однако из за своих габаритов не подходят для установки в передний треугольник рамы велосипедов-двухповесов, где очень мало свободного места.
• Li-Ion (литий-ионные). Классические литиевые батареи, используемые в основном для питания электроники. Они наиболее легкие и ёмкие, наиболее дешёвые, имеют максимальную на сегодняшний день удельную емкость (Вт*ч/кг). Однако, имеют узкий температурный диапазон эксплуатации (от 0 до +40 градусов Цельсия), небольшое число циклов заряда-разряда (300-400), не позволяют отдавать большие токи. Эти батареи наиболее часто используются в маломощных электровелосипедах, но для мощных аппаратов они малопригодны из за низкого C-rating.
• LiPo (литий-полимерные). Высокая энергоёмкость, почти такая же, как у элементов Li-Ion. Допускают высокие разрядные токи, высокий C-rating. Однако, как и Li-Ion имеют меньшее число циклов заряда-разряда (300-700) и узкий температурный диапазон: при эксплуатации ниже 0 выходят из строя, а на жаре, от короткого замыкания или механических повреждений могут воспламениться. Из за своей высокой пожароопасности на электровелосипедах применяются только бесстрашными энтузиастами.
• LiNiCo / LiNiCoMnO2 (литий-никель-кобальт). Имея преимущества LiPo (высокую энергоёмкость и способность выдавать большие токи), лишены их недостатков: имеют более широкий температурный диапазон, и, главное пожаробезопасны. В результате своей компактности используются нами в электрокомплектах, предназначенных для установки на велосипеды-двухподвесы.

Моторы

Моторы, применяемые для электровелосипедов, можно разделить на три класса, у каждого из которых есть свои недостатки применительно к мощным электробайкам.

Безредукторные мотор-колёса (direct-drive)

Усилие магнитного поля передается сразу на колесо, потому и зовутся direct drive (прямой привод).
Неприхотливы, надёжны, так как в них нет никаких изнашивающихся элементов, кроме подшипников. Допускают использование в качестве электрического тормоза для рекуперативного торможения. Но имеют два больших недостатка.

Первый - большой вес. Например, мотор номинированный на 2.5 kW будет весить в среднем от 7 кг, а мотор на 6 kW целых 12 кг. Это сильно сказывается на весе готового велосипеда. Кроме того, размещение тяжёлого мотора в заднем колесе смещает назад центр тяжести (велосипед становится неудобно носить, совершать на нём трюки / прыгать), а также увеличивает “неподрессоренную массу” колеса, что в худшую сторону сказывается на его живучести, повышая требования к прочности обода, толщине спиц. В связи с этим колёса с тяжёлыми директ-драйвами часто спицуются в мото-обод, т.к. подобрать велосипедные обода нужной прочности сложно.

Второй недостаток - низкий КПД при езде на низких оборотах. Например, при езде в горку, по грязи, песку или бездорожью, где разогнаться не получается, такой мотор будет сильно перегреваться. Например, при езде в горку 20% сферический мотор direct drive на 6 кВт будет работать примерно на 20% своего КПД, а 80% будет уходить в тепло. В таком режиме мощный мотор-колесо может перегреться и сгореть за пару минут, если его вовремя не отключить (обычно реализуют автоматическое отключение мотора по сигналу с термодатчика). Что неудивительно: при слабом теплоотводе в замкнутом пространстве мотора и работе в режиме низкого КПД обмотки нагреваются со скоростью мощного электрического чайника (4.8 кВт в нагрев в нашем примере с 6 кВт мотором). Впрочем, чтобы “чайник” нагревался медленнее, в него можно «налить воды» - отдельные энтузиасты решают проблему с помощью водяного охлаждения .

Редукторные (geared) мотор-колёса

Содержат встроенный планетарный редуктор, обычно имеющий передаточное число 5:1. Имеют меньший вес при той же мощности, больший КПД “на низах” по сравнению с безредукторными моторами. Однако, механически менее надёжны (больше движущихся механический частей) и не поддерживают рекуперативное торможение. Но, главное, серийно не выпускаются для мощностей больше 1000 Вт.

Центральные моторы (middrive)

Миддрайвы, как следует из их названия - это внешний привод с высокооборотистым электромотором, устанавливаемый как правило в районе кареточного узла, передающий усилие через систему цепей, шестерен или ремней. Позволяют добиться наилучшего соотношения мощность-вес (чем выше обороты электромотора, тем более лёгким его можно сделать при той же мощности). Например, авиамодельные двигатели при мощности 6 кВт могут весить лишь чуть более килограмма:


Для сравнения, мотор-колёса direct-drive той же номинальной мощности (Cromotor, Crystalite, Quanshun) весят 12 (!) кг. Также расположение мотора ближе к центральной части велосипеда даёт более правильную развесовку, позволяя использовать такие велосипеды в том числе для прыжков и трюков. Могут работать в оптимальных режимах даже на крутых склонах и глубокой грязи.

Однако, мощность серийных центральных моторов для электровелосипедов обычно ограничивается 500 Вт. Наиболее мощное решение, доступное на данный момент - набор от Cyclone на 1500 Вт:

Более мощные решения на базе центральных моторов собираются энтузиастами самостоятельно, серийных готовых предложений нет. При у создателей таких мощных байков этом возникает ряд технических задач.

Редукция . Для высокооборотисных моторов для снижения оборотов (с нескольких тысяч до 500-700) необходимо применять редуктор (готовых специализированных редукторов нет, каждый изобретает сам) либо цепную / ременную передачу с высоким передаточным отношением (изготавливая самостоятельно звёзды нужного диаметра).
UPD: Впрочем, решения начинают появляться .
Передача . Для высокомощных двигателей стандартная цепь от многоскоростных горных велосипедов не подходит - она попросту порвётся или будет изнашиваться очень быстро. Необходимо использовать широкую прочную цепь для односкоростных велосипедов BMX, цепь от мопеда или минибайка или высокопрочный ремень. А это часто ведёт к необходимости изготовления нестандартных шестерёнок, втулок и обгонной муфты.

Охлаждение . Компактные высокооборотистые моторы (часто в качестве миддрайвов применяют авиамодельные двигатели, рассчитанные на эксплуатации в условиях очень интенсивного обдува воздухом), при использовании на электровелосипедах требуют отдельного подхода к охлаждению: принудительного обдува, установки радиатора, обработки обмоток теплопроводным составом для лучшего отвода тепла и т.п.
Переключение скоростей . Если для передачи таки используется велосипедная цепь и стандартная велосипедная кассета для переключении передач, то при переключении под высокой нагрузкой кассета очень быстро придёт в негодность. Не сильно спасают положение и планетарные втулки, лишь некоторые из которых способны переключаться под нагрузкой. Более живучий вариант - вариаторные втулки NuVinchi, позволяющие плавно менять передаточное соотношение. Другая проблема - в городском цикле постоянное ручное переключение скоростей неудобно, нужно следить не только за ручкой газа, но и за ручкой переключения передач, что снижает простоту и удобство управления электровелосипедом. Выходом здесь могут являться автоматические планетарные / вариаторные втулки, появившиеся в последнее время. Тем не менее в мощных (от 2 кВт) велосипедах с центральным мотором от переключения передач часто отказываются, что упрощает конструкцию и управление, благо выскокооборотистый синхронный двигатель с редукцией позволяет выдавать высокий момент на любой скорости.

А ещё восокооборотистые двигатели, редукторы и цепные передачи шумят.

Тем не менее, благодаря своим преимуществам, центральные моторы имеют огромный потенциал и всё чаще будут использоваться в мощных электровелосипедах по мере появления готовых узлов и решений. Пока, тем не менее, мощные миддрайвы остаются уделом отдельных энтузиастов или фирм, создающих индивидуальные решения под себя .

Вело-компоненты

Прочные колёса

Для мотор-колёс нужен усиленный обод (обычный может смяться от увеличенной нагрузки на колесо, высокой скорости и “колдобин” на дорогах), более толстые спицы. Зачастую с тяжёлыми мотор-колёсами применяют мото-обод.

Мощные и износостойкие тормоза

Для оттормаживания тяжёлого велосипеда на высоких скоростях нужны хорошие гидравлические тормоза с увеличенным диаметром диска и большим ресурсом колодок.
Фактически специализированных тормозов для мощных электровелосипедов не существует или они только начинают появляться . Поэтому используются либо обычные тормоза, с трудом справляющиеся с нагрузкой и быстро изнашивающиеся, либо наиболее мощные тормоза для вело-даунхилла, которые очень дороги. Также можно использовать тормоза от минибайка, самостоятельно приспосабливая их к велосипедным стандартам (изготавливая переходники для крепления тормозной машинки, тормозного диска или даже сам тормозной диск).

Усиленные вилки

Велосипедные амортизаторы также испытывают повышенный износ при работе на больших скоростях при увеличенном весе аппарата. Для наиболее мощных и тяжёлых электровелосипедов единственным подходящим по прочности выбором являются двухкоронные вилки для даунхилла; однако, предназначенные для отработки очень больших неровностей, они слишком мягкие для езды по асфальту.

Таким образом, класс мощных электровелосипедов требует особого внимания к компонентам, многие из которых слишком дороги или требуют доработки. Специализированных компонентов для байков, стоящих посередине между велосипедом, мопедом и мотоциклом, либо не существует, либо они только начинают производиться. Это создаёт определённые сложности, но также и открывает простор для творчества.

Транспорт или развлечение?

Однако это не только практичный транспорт, это ещё и прекрасный способ проведения досуга: катание на скоростном бесшумном байке по пересечённой местности в режиме «эндуро» - нескончаемый источник адреналина. Также, в отличие от скутера или мотоцикла, который с наступлением холодов ставится в гараж, на электробайке

Из числа необычных применений двигателя от стиралки самым необычным можно считать превращение его в мотор для велосипеда. Мотор для велосипеда из стиральной машины – звучит более чем экстравагантно, а выглядит совершенно исключительно. О том, возможно ли изготовить данный «технический артефакт» и как это сделать, читайте в данной публикации. Предупреждаем сразу, проект технически сложный и довольно затратный, так что, если не уверены в своих силах, лучше не начинайте.

Приводной механизм

Прежде чем приступать к переделке обычного велосипеда в электровелосипед, оцените со стороны технический потенциал вашего железного коня. Велосипед должен иметь достаточно мощную раму, поскольку он, как минимум, должен выдерживать вес седока и вес оборудования, которое на него будет установлено. Если с этим все в порядке, можно приступать к переделке велосипеда и установке на него двигателя от стиралки, приводного механизма, системы управления и источников питания.

Начнем с разработки и установки деталей приводного механизма. Отметим сразу, что для того, чтобы сделать самодельный электровелосипед из двигателя старой стиральной машины, нам понадобится полноценная слесарная мастерская. Ну, или хотя-бы токарный, сверлильный станки, сварочный аппарат, а также внушительный набор материалов и инструментов, включая довольно просторное помещение, где можно проводить эксперименты.

Приводной механизм будет состоять из следующих элементов:

• модифицированной велосипедной втулки;
• большого шкива;
• приводного ремня от стиральной машины;
• малого шкива двигателя
• вала двигателя.

Самым трудным здесь, пожалуй, является изготовление большого шкива. Подходящую по размерам штатную деталь найти практически невозможно, так что придется делать.

1. Из стального листа (2 мм), вырезаем идеальный круг.

1. Во втулке заднего велосипедного колеса, между спицами, сверлим маленькие отверстия, Аналогично располагающиеся отверстия сверлим в стальном круге.
   
   
2. По краям стального круга высверливаем большие отверстия, элементарно для того, чтобы уменьшить вес детали. Ибо как уже отмечалось выше, все оборудование вместе с седоком будет весить много, и нужно максимально разгрузить раму велосипеда, выгадав хотя бы несколько килограмм.
3. Далее ответственный момент, необходимо к ребру диска приварить стальную полосу 20х4 мм. Приваривать нужно постепенно сгибая полоску металла ровно по ребру. Это не самое простое дело, ведь сварное соединение должно получиться идеально ровным.
4. После этого заряжаем деталь в токарный станок и обрабатываем ее повторно, убирая все неровности и шероховатости.
   
5. Вот наша деталь и превратилась в полноценный шкив. Теперь нам осталось главную деталь приводного механизма окрасить и прикрутить к заднему велосипедному колесу.

Важно! Толщина большого шкива не позволит колесу велосипеда после установки вращаться, поскольку деталь будет задевать раму. Необходимо либо раму выгнуть, либо модифицировать ее как-то по-другому, в зависимости от конструкции велосипеда.

Модификация рамы

Большой шкив мы сделали, остальные детали приводного механизма приспособили. Кстати остальные детали приводного механизма переделывать не нужно. Малый шкив уже стоит на валу двигателя от стиральной машины, приводной ремень также есть, так что мы со спокойной совестью можем переходить к переделке рамы велосипеда. Модифицируя раму под новый электровелосипед, мы должны учесть, что двигатель на ней должен располагаться максимально жестко. Для этого делаем следующее.

Внимание! Приваривая раму для двигателя, учитывайте высоту его посадочного места. Необходимо чтобы расстояние между малым шкивом двигателя и большим шкивом велосипедного колеса было идеальным для натяжения ремня.

Продолжаем собирать электровелосипед. Устанавливаем на раму двигатель, ставим заднее колесо, с прикрученным шкивом, проверяем вращение колеса. Натягиваем приводной ремень, даем небольшие обороты вручную, проверяя, не соскакивает ли он. Если все нормально начинаем заниматься подключением двигателя стиральной машины и организацией его автономного питания.

Организация питания мотора

О том, чтобы заставить его работать мы неоднократно писали и говорили. Так что не будем снова заострять внимание на этом вопросе, а перейдем сразу к организации автономного питания нашего коллекторного мотора. В противном случае, наш самодельный электровелосипед так и будет приводиться в движение мускульной силой ног.

Для начала разберемся, может ли коллекторный двигатель от стиральной машины работать на постоянном токе? Ведь аккумуляторные батареи, которые станут основным источником питания мотора электровелосипеда, выдают постоянный ток, а стиральная машина и ее агрегаты работают от сети переменного тока (бытовая сеть 220В). Оказывается никаких проблем с этим нет, более того, двигатель от стиралки на постоянном токе работает куда лучше, чем на переменном, что, естественно, нам только на руку.

Выберем подходящие аккумуляторные батареи. С этим могут возникнуть сложности, поскольку нам потребуется несколько довольно массивных батарей, которые сложно крепить на велосипеде из-за их габаритов и большого веса. Оптимальный вариант – восемь компактных мотоциклетных 12 вольтовых аккумуляторов, которые в совокупности выдают напряжение 96В. Но есть проблемка – даже такие аккумуляторы занимают много места и в совокупности весят довольно много и как их разместить на раме электровелосипеда непонятно.

После долгих раздумий и целой серии неудачных экспериментов с ящиками для батарей, аккумуляторы решено было равномерно распределить по всей раме, увешав ими электровелосипед как елку игрушками.

• Во-первых, как видно на рисунке выше, пришлось усиливать раму велосипеда в очередной раз, чтобы она выдержала дополнительную нагрузку. Это, к сожалению, привело к тому, что вес «железного коня» в очередной раз увеличился, но с этим уж ничего не поделаешь.
• Во-вторых, пришлось приваривать к раме 8 отдельных креплений для аккумуляторных батарей, чтобы их можно было надежно закрепить.
• В-третьих, пришлось буквально обвешать всю раму проводами, чтобы соединить аккумуляторные батареи между собой и с двигателем.
• Ну и в-четвертых, пришлось в очередной раз наводить эстетику, перекрасив раму велосипеда почти полностью.

Блок управления

Остался еще ряд технических трудностей, которые пока нами не рассматривались – как управлять оборотами двигателя, как не допустить роста тока до предельных значений при старте электровелосипеда и при его разгоне, и как, наконец, следить за зарядом аккумуляторов во время движения. Разрешить эти трудности поможет блок управления электровелосипедом, который нам и нужно собрать. Нам понадобится:

1. Импульсный понижающий преобразователь на 32.5 кГц.
2. Переменный резистор.
3. Микроконтроллер ATtiny26.
4. Измерительный резистор.
5. Микросхема IR2127S.
6. Три силовых транзистора типа IRFB33N15D.
7. Три диода типа 10CTQ150.
8. Зарядка от мобильного телефона.
9. DC-DC преобразователь P6AU-1215ELF.
10. Красный и зеленый светодиоды.
11. Автомат 6А.
12. Пластиковый корпус подходящих размеров.
13. Металлический радиатор от материнской платы компьютера.

Мы не будем описывать процесс сборки модуля управления, да в этом и нет необходимости, поскольку вся необходимая информация представлена на схеме, размещенной выше. Нужно только прочитать эту схему, понять и воспроизвести на нескольких печатных платах. В результате должно получиться нечто подобное.

Плату нужно обязательно поместить в компактный водонепроницаемый пластиковый корпус, прикрутив к нижней части радиатор.

Подходящего по размеру корпуса под модуль мы не нашли, так что пришлось использовать то что есть. Чтобы модуль управления начал работать, необходимо включить автомат, повернуть «ручку газа», то есть переменный резистор, закрепленный на руле электровелосипеда. После чего двигатель начнет плавно набирать обороты, а на модуле загорится зеленый светодиод.

Если батареи полностью разряжены или их емкости недостаточно, загорится красный светодиод, после чего через несколько секунд цепь будет обесточена. Придется ехать «на своих двоих» до тех пор, пока не удастся подзарядить аккумуляторы.

Испытания и их результаты

Настало время испытать «адскую машину» на которую было потрачено столько времени, труда и денег. К испытаниям мы подошли не менее скрупулезно, чем к тому, чтобы изготовить самодельный электровелосипед и провели их в три этапа:

• Езда по обычной относительно ровной дороге (половина асфальт, половина грунтовка) со скоростью 18 км/ч.
• Езда по ровному асфальту с небольшими подъемами и спусками со скоростью 25 км/ч.
• Езда на максимальной скорости по ровному асфальту без подъемов и спусков.

В результате в первом случае разогнавшись до 18 км/ч и поддерживая эту скорость удалось проехать по грунтовке и ломанному асфальту на одном заряде аккумуляторов 27 км. Мускульная сила ног практически не использовалась. Подъемы и спуски по пути не встречались.

Проехав на электровелосипеде по ровному асфальту с небольшими спусками и подъемами со скоростью 25 км/ч, удалось установить рекорд – 19 км на одном заряде аккумуляторов. И, наконец, испытания на максимальную скорость, показали, что наш самодельный электровелосипед способен разогнаться до 30-35 км/ч, это, конечно, на ровном асфальте, без спусков и подъемов.

К сведению! Вес седока испытывавшего велосипед составлял 96 кг.

Примечательно, что если мы будем помогать двигателю, вращая педали, можно относительно легко достичь максимальной скорости 45-50 км/ч, а если постараться можно выжать и 60 км/ч. При этом аккумуляторы разряжаются быстрее, примерно через 10-15 км такого спринта.

В заключение, отметим, чтобы сделать самостоятельно электровелосипед из движка стиралки, понадобится минимум несколько месяцев, мастерская, немерено сил и терпения, а также денег. К слову, нами на реализацию проекта было потрачено около 700 долларов, при условии, что не пришлось приобретать велосипед и детали старой стиралки. Если вы полны решимости сделать собственный электровелосипед – дерзайте, мы лишь можем пожелать вам удачи!