Рекуперация на электровелосипеде

Рекуперация – торможение электрическим двигателем способным работать в режиме генератора, при котором часть кинетической энергии транспортного средства преобразуется в электрическую и возвращается назад в аккумуляторную батарею. Основная цель торможения электродвигателем – увеличение пробега.
Есть ли на вашем электровелосипеде система рекуперации? Это часто задаваемый вопрос. Многие считают, что зарядка аккумулятора в процессе движения на велосипеде не представляет особых физических трудностей для велосипедиста. При этом совсем забывают о том, что приобретают электровелосипед по его прямому назначению — для облегчения обычной езды на велосипеде, а не для зарядки аккумуляторов.

Давайте разберемся с рекуперацией на электровелосипеде:
Рекуперация возможна, если на электровелосипеде установлен двигатель прямого привода. Этот тип двигателя способен работать в генераторном режиме. Однако практика использования систем рекуперации на электровелосипедах говорит о том, что это довольно спорная затея. Опыт использования системы рекуперации на электровелосипеде показывает, что возвращается не более 3 % заряда батареи. При движении в сильно холмистой местности до 5 %. Это связано с тем, что для осуществления заряда аккумуляторной батареи колесо Электровелосипеда должно иметь достаточно большие обороты, чтобы двигатель в генераторном режиме мог выдавать достаточное напряжение необходимое для зарядки аккумулятора. Во-вторых, торможения двигателем может быть недостаточно, и на крутом спуске приходится задействовать штатные тормоза, при этом возможны значительные потери энергии. Да и литиевая аккумуляторная батарея электровелосипеда не способна к скоростной перезарядке и способна поглотить всего 25-30% энергии. Для этой цели больше подошли бы суперконденсаторы (ионисторы) а не аккумулятор. В-третьих, система преобразования кинетической энергии в электрическую и возврате ее назад в батарею на электровелосипеде имеет кпд около 50%.
Заряжать же аккумуляторную батарею педалируя велосипед по относительно равнинной местности, задача не из легких. Даже просто ехать на электровелосипеде с выключенным двигателем прямого привода не очень легко. Наличие большого количества сильных магнитов в двигателе прямого привода и отсутствие обгонной муфты приводит к тому, что двигатель существенно подтормаживает колесо велосипеда даже при отсутствии питания. А при работе двигателя в режиме генератора это торможение можно сравнить с движением в достаточно крутую гору. Причем скорость движения при этом должна быть около 20 км/час.
При скорости 20 км/час зарядный ток аккумулятора будет около 2 ампер. (При таком токе аккумулятор емкостью 10 A/час зарядится за 5 часов.) Велосипедист при этом должен развивать мощность 2A*48В= 96 Вт. Однако здесь не учтены потери в системе преобразования энергии и потери при зарядке. А они составляют около 50%. Другими словами – велосипедисту необходимо развить мощность для зарядки аккумулятора в два раза большую – приблизительно 180 Вт. Следует также учесть, что для движения с такой скоростью на обычном велосипеде велосипедист должен развивать мощность около 100 Вт. Суммарная мощность, требуемая от велосипедиста, для зарядки аккумулятора и само передвижение со скоростью, по крайней мере, в 20 км/час составит около 180+100=280 Вт.
Для справки:
— хороший спортсмен велосипедист может отдавать кратковременно, мощность 500-600 Вт;
— при движении в гору с большим уклоном нетренированный человек может кратковременно отдавать мощность 220-290 Вт;
Нетрудно сделать вывод, что ехать на велосипеде в таком режиме, сколько ни будь продолжительное время нереально.

Недаром практически на все электровелосипеды заводского изготовления устанавливают не двигатели прямого привода способные работать в генераторном режиме, а двигатели с редуктором и обгонной муфтой. И это неспроста.
Если сравнивать экономичность этих двух двигателей, то можно увидеть, что редукторные двигатели мотор колеса более чем на 30% экономнее расходуют энергию, запасенную в аккумуляторной батарее, чем двигатели прямого привода, и они не тормозят движение при отсутствии питания. Ко всему, редукторные двигатели мотор колеса в два раза легче – эквивалентных двигателей прямого привода. По этой причине почти на всех серийно изготавливаемых электровелосипедах устанавливают только редукторные двигатели.
Сравните:
— используя двигатель прямого привода и систему рекуперации, вы можете вернуть в батарею максимум 5% энергии, а если будете использовать редукторный двигатель, то сможете, сэкономить 30% энергии запасенной в батарее, другими словами проехать расстояние на 25% больше, чем на двигателе прямого привода. И ваш велосипед будет существенно легче. Выбор как говорится очевиден.
Применив в качестве движущей силы на велосипеде мотор-колесо с редукторным двигателем идею рекуперации энергии на электровелосипеде можно успешно забыть, выиграв при этом около 30% пробега на одной зарядке при авиавлентоной по энергоемкости аккумуляторной батарее.

Двигатели прямого привода логично применять, если Ваша цель скорость и Вас не сильно волнует экономическая сторона вопроса. В таком случае этому двигателю не будет конкурента со стороны редукторного собрата. Если необходима скорость более 50 км/час, приготовьтесь взять двигатель мощностью 1000 – 1500 Вт (максимальная мощность 1500-2500 Вт) в комплекте с энергоемкой , тяжелой и дорогостоящей аккумуляторной батареей. Батарея должна быть рассчитана на номинальный разрядный ток 20-30 A. Велосипед будет очень тяжелым. Это будет уже не велосипед. Это уже скорее скутер. И к тому же передвигаться со скоростью болеее 30 км/час на обычном велосипеде слишком рисковано, что подтвержается существующей статистикой.

Включить рекуперацию на электровелосипеде

При рекуперативном торможении велосипеда с тяговым мотором прямого привода, поддерживающим функционирование в режиме генерации энергии, электроэнергия трансформируется в другую форму и поступает обратно в сеть или копится в АКБ. Известно, что порядка 30% кинетической энергии при торможении превращается в тепло и рассеивается. Рекуперация позволяет избежать этих потерь и направить сохраненную энергию на питание АКБ, тем самым немного увеличивая дальность хода электровелосипеда без подзарядки.

Как включить рекуперацию на электровелосипеде?

Рекуперация как торможение электродвигателем, способным функционировать в режиме генератора, обеспечивается путем перехода механической энергии в электрическую. В процессе торможения электромотор играет роль генератора, преобразует тепловую энергию, и она в дальнейшем протекает через сеть и идет в АКБ. Данная система была разработана более 50 лет назад и на данный момент востребована в гибридных и электрических моделях транспорта. Особенно она эффективна для средств передвижения с длинным тормозным путем.

Конструкция мотор-колеса электровелосипеда дает возможность накапливать кинетическую энергию, которая высвобождается при торможении или езде с горки, и пользоваться ею при потребности транспорта в импульсе для ускорения езды. Рекуперация обеспечивается благодаря снятию напряжения со статорных обмоток мотора и его переходу в режим генератора.

Рекуперация энергии: ожидания и реальность

При выборе набора для электрификации велосипеда многие покупатели задаются вопросом, поддерживает ли электроника выбранного набора функции рекуперации? Возможность преобразования тепловой энергии при торможении интересна многим велосипедистам. Но важно понимать, что увеличение пробега за счет рекуперативного торможения электрического велосипеда будет достигать максимум 10% энергии АКБ.

Возможности мотор-колеса не безграничны, поэтому и результаты использования системы рекуперативного торможения будут не слишком впечатляющими. Тем не менее, в некоторых ситуациях и незначительный объем рекуперированной энергии может сыграть значимую роль, например, позволит вам доехать оставшиеся пару километров до пункта назначения на электротяге. Кстати, целесообразность рекуперации возрастает с увеличением веса средства передвижения.

Принцип и особенности рекуперации

Рекуперативное торможение – 2-ступенчатый процесс, протекающий при взаимодействии мотора-генератора и АКБ. Кинетическая энергия благодаря генератору трансформируется в электроэнергию, а после этого – в химическую энергию АКБ. На объем генерируемой энергии существенно влияет протяженность холмистых спусков на маршруте, угол их уклона, результативность применения системы тормозов, качество работы мотора, контроллера и АКБ.

По расчетам, чтобы полностью восполнить заряд АКБ электробайка при спусках со склонов, нужно спускаться с очень крутого склона протяженностью свыше 322 км. На практике с помощью рекуперации удается восполнять небольшую часть энергии – порядка 5%. К тому же, ни один из современных типов АКБ не может принимать энергию со скоростью, соответствующей интенсивности ее выделения при торможении. Но продолжают разрабатываться новые методики по более результативному использованию энергии рекуперативного торможения с применением специальных конденсаторов.

Нужна ли электровелосипеду рекуперация?

Функцию рекуперации не стоит считать бесполезной опцией, но и ожидать от нее фантастического эффекта также не нужно. Если вы рассчитываете, что контроллер и мотор-колесо, работающее в режиме генерации энергии, помогут в разы увеличить пробег без подзарядки, вы будете разочарованы функцией рекуперации в действии. Большой экономии она не обеспечит, зато позволит проезжать на одном заряде на пару километров больше. В некоторых случаях такой запас может оказаться очень полезным. К тому же, динамическое торможение благотворно сказывается на долговечности тормозных колодок.

Рекуперативная система – полезное дополнение электровелосипеда, только не нужно переоценивать ее функционал. А продлить пробег электробайка на одном заряде помогут другие методы – использование более емкой аккумуляторной батареи, езда в экономичном режиме и сочетание электропривода с педалированием.

А вместо прямоприводного мотора, поддерживающего функцию рекуперации, в большинстве случаев лучше использовать редукторные моторы с обгонной муфтой. Они более экономно расходуют энергию АКБ, легче весят и не притормаживают при отсутствии питания.

Узнайте в нашем предыдущем материале о причинах растущей популярности электробайков – 7 причин купить электровелосипед.

Контроллер для электровелосипеда и электроскутера

Контроллер управления для бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC, PMSM) – это важное звено в системе электрокомпонентов. Без контроллера электродвигатель не сможет даже запуститься, не говоря о его полноценной работе. Аккумуляторная батарея имеет 2 полюса – положительный и отрицательный, а мотор-колесо – 3 фазных провода. Поэтому подключить аккумулятор и двигатель напрямую невозможно. Для этого используется дополнительное звено – контроллер управления.

Выполняемые функции

Именно контроллер формирует в обмотке статора мотор-колеса вращающееся магнитное поле и получает ответные сигналы о позиции ротора. Сигналы поступают от датчиков Холла, а при управлении моторами без датчиков позиция роторов определяется по противо-ЭДС.

К тому же, контроллер управляет электродвигателем:

• позволяет менять скорость движения – при смене положения ручки газа меняется число импульсов напряжения, подаваемых за секунду на обмотки, и вращение колеса ускоряется или замедляется;
• обеспечивает рекуперацию энергии при торможении двигателем.

Контроллер выступает в роли понижающего преобразователя, поэтому проходящий по обмоткам мотора фазный ток может быть гораздо выше батарейного тока, поступающего от АКБ к контроллеру. Именно от него зависит мощность, поступающая на двигатель. Например, при использовании мотор-колеса номинальной мощностью 1000 Вт можно кратковременно получать значения до 2000–2500 Вт. Главное – использовать подходящий контроллер и постоянно контролировать температуру, чтобы не допустить перегрева двигателя.

Схема контроллера для электровелосипеда или электроскутера

Контроллер для электрического велосипеда или скутера имеет алюминиевый корпус, из которого выходят разноцветные провода с разъемами для подключения разных устройств. Внутри скрыты:

• главный узел – микроконтроллер;
• силовые компоненты – шунты для измерения тока, конденсаторы, транзисторы;
• понижающие преобразователи на 12 В и 5 В – обеспечивающие питание микроконтроллера и периферических устройств (датчиков положения, рычага газа).

Схема подключения

Контроллер для электроскутера, е-байка или электросамоката подключается в соответствии с прилагаемой к нему схемой. Главное – не спешить и внимательно разобраться с назначением проводов. Лучше всего покупать контроллер в комплекте с мотор-колесом, тогда их разъемы будут гарантированно совместимыми.

Общий принцип подключения выглядит так:

1. Толстые провода черного и красного цвета – с соблюдением полярности подводятся к аккумуляторной батарее. При этом может появиться «искра», и даже возможно подгорание разъемов. Это нормально – так заряжаются конденсаторы на входе контроллера. Чтобы исключить искрение, достаточно ненадолго соединить контроллер и АКБ через резистор с сопротивлением в десятки Ом или воспользоваться лампочкой. Когда конденсаторы зарядятся, контроллер можно спокойно соединить с АКБ без посредников.
2. Тройка толстых проводов разных цветов – обеспечивают подключение к фазным проводам 3-фазного электромотора.
3. Связка из 5 тоненьких разноцветных проводов – идет к проводкам мотор-колеса, обеспечивают питание и передачу сигналов от датчиков положения.
4. Отдельный красный проводок – «зажигание». При его замыкании на «плюс» АКБ происходит включение контроллера.
5. Тройка тонких проводов (обычно – черный, красный и зеленый) – для подключения ручки газа.

Разновидности контроллеров управления

По принципу взаимодействия с электромотором

Для использования с датчиками Холла

Совместимы с мотор-колесами, оснащенными датчиками Холла.

Для работы без датчиков

Совместимы с моторами без датчиков, определяют позицию роторов по противо-ЭДС.

Могут работать и с датчиками положения, и без них.

По виду выходного сигнала

Создающие сигналы прямоугольного вида (меандр)

Цена таких моделей – ниже. При их использовании обеспечивается увеличенная скорость, но из-за вибрации обмоток двигатель шумит сильнее.

Создающие чистые синусоидальные сигналы.

Дороже. Обеспечивают тихую работу мотора и небольшое снижение максимальной скорости – по сравнению с меандровым контроллером при том же напряжении АКБ.

Сознающие сигналы в виде «модифицированной синусоиды» или сглаженного меандра.

По принципу реагирования на сигналы ручки газа

Обеспечивающие управление скоростью, мощностью или крутящим моментом.

Как выбрать контроллер для электровелосипеда?

При выборе контроллера для электровелосипеда или другого транспорта на электротяге нужно оценить рабочие характеристики устройства. Ключевые параметры обычно указаны в маркировке. По ней можно узнать:

• рабочее напряжение батареи и мощность мотора (номинал), для применения с которыми предназначено устройство;
• предельный ток АКБ;
• минимум напряжения АКБ, когда происходит отключение контроллера;
• подходящее расположение датчиков Холла в электромоторе – в электрических градусах по отношению друг к другу.

Для расчета предельной мощности контроллера находим произведение допустимых величин напряжения и силы тока. Диапазон мощности у таких приборов широкий. Для велосипедов на электротяге обычно используются модели с номиналом мощности от 350 до 2000 Вт. Для электрических скутеров – от 1000 до 4000 Вт. Для электромотоциклов – от 5000 до 10 000 Вт. Для электромобилей – от 10 000 до 50 000 Вт и более.

О совместимости

Контроллер, рассчитанный на использование с батареей напряжением 36 В, не стоит подключать к АКБ большего вольтажа. Вначале необходимо вскрыть контроллер и проверить, рассчитаны ли на увеличенное напряжение его компоненты, включая транзисторы и конденсаторы. Возможно, понадобится заменить и резистор в делителе напряжения. Но в продаже встречаются универсальные контроллеры с большим разбросом допустимых входных напряжений, к примеру, от 48 до 72 В или от 24 до 100 В.

Программируемые модели и их задачи

Программируемые контроллеры соединяются по Bluetooth со смартфоном и позволяют настраивать рабочие характеристики – от значений аккумуляторного и фазного токов до углов фазного опережения.

При выборе управляющих контроллеров учитывается и наличие второстепенных функций:

• круиз-контроля;
• обратного хода;
• возможности выбора скоростного режима или мощности;
• рекуперации энергии при торможении;
• отдельного выхода для электропитания фары и габаритных огней.

Расширение функционала

Широкий ассортимент контроллеров позволяет выбрать прибор, по максимуму подходящий под конкретные цели. Наряду с интернет-магазинами, есть специализированные мастерские, для которых не составляет проблемы вывести из контроллера управления провода под нужные заказчику функции.

Многие печатные платы имеют большой функционал, но в серийно поставляемых моделях он используется только частично. К примеру, у многих моделей не выведен провод для круиз-контроля, заднего хода, рекуперации энергии и других возможностей. Но специалисты мастерской VoltBikes могут вывести провода под конкретные задачи непосредственно при покупке контроллера.

О цене

Контроллеры можно купить в разных категориях:

1. Дешевые модели, предназначенные для внутреннего китайского рынка. Они не имеют расширенного функционала и просто позволяют ехать. Как правило, бывают 2-режимные, могут работать совместно с датчиками Холла и без них.
2. Китайские модели, ориентированные на экспорт. Позволяют подключать дисплеи и обеспечивать беспроводное управление по Bluetooth.
3. Устройства производства Германии и США – самые дорогие.