Электр́ический велосип́ед (Электровелосипед, пауэрбайк, e-bike, pedelec (англ.)) представляет собой велосипед с электрическим приводом, который частично или полностью обеспечивает его движение. Его называют, также, велогибридом, хотя гибридный велосипед — это велосипед, сочетающий в своей конструкции как атрибуты горного, так и шоссейного велосипедов.

В общем случае электровелосипед отличает от обычного наличие трёх дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. В отличие от электроскутера или же мотоцикла, электровелосипед может приводиться в движение педалями, а его эксплуатация и обслуживание немногим сложней обращения с обычным велосипедом.

Несмотря на наличие электропривода, электровелосипед используется примерно так же, как и обычный велосипед, и в большинстве стран не требует для вождения наличия водительского удостоверения или номерного знака. Электровелосипед хорошо подходит как средство передвижения для широкого круга любителей с самым разным уровнем подготовки, поскольку легко позволяет дозировать физическую нагрузку. В России (и странах СНГ) электрические велосипеды правильно было бы назвать мопедами. ("МО"-Мотор+"ПЕД" педали),

В России в соответствии с ПДД (редакция 2015 г.) электовелосипед с двигателем не превышающим 0,25 кВт считается велосипедом, с двигателем более 0,25 кВт и менее 4 кВт - мопедом; при управлении мопедом требуется наличие водительского удостоверения категории M, A, или B; при управлении велосипедом водительское удостоверение не требуется.

История

Идея оснащения велосипеда двигателем возникла немногим позже появления самого велосипеда. В 1888 году Джон Данлоп изобрёл пневматические шины, что значительно повысило комфорт и безопасность езды, сделав велосипед одним из самых популярных средств передвижения^[1]. Дальнейшее развитие идеи связано с прогрессом в области электротехники. С 1890 сразу несколькими патентами была защищена конструкция электрического привода, устанавливаемого на велосипеде. Так, патент США^[2] (1895) описывает устройство велосипеда оснащённого электродвигателем постоянного тока. В 1899 году Джон Шнепф разработал модель привода заднего колеса^[3].

Продолжительное время производство электровелосипедов не привлекало крупных производителей, но в 1990-х годах с развитием бытовой электроники и появлением компактных аккумуляторов, интерес к ним возродился. В 1992 году компания Zike начала массовый выпуск электровелосипедов^[4]. C этого момента их выпуск постоянно увеличивается. На рынке США наивысший рост продаж пришёлся на 2002—2003 годы; общий объём продолжает расти^[5].

В Китае первые промышленные образцы электровелосипедов местного производства появились в 1998 году^[6] и в 2007 году их ежегодный выпуск достиг 17 млн штук, а к 2010 году, согласно оценкам, вырастет до 22 млн. Китай крупнейший в мире и производитель и потребитель электровелосипедов. Мировое производство в 2007 году оценивалось в 18 млн штук и к 2010 году ожидался прирост до 30 млн штук в год^[7].

Достоинства и недостатки

Принципиальные преимущества

• Велосипед с электромотором позволяет преодолевать крутые подъёмы и значительные расстояния физически неподготовленным людям
• Наиболее совершенные из существующих LiFePO4 аккумуляторы имеют срок службы 5-10 лет и обеспечивают запас хода до 100 км.
• Заряд аккумуляторов осуществляется от бытовой электросети^[8]
• Когда батарея разрядится, можно использовать педальный привод
• При сопоставимой скорости в городских условиях, энергетические и экономические затраты на перемещение одного человека оказываются на порядок меньше, чем у любого другого вида транспорта, включая общественный^[9]
• В сравнении с легковыми автомобилями эксплуатация, парковка и хранение электрических велосипедов требуют в десятки раз меньше расходов и пространства.
• Уменьшение загрязнения атмосферы в случае массового отказа от автомобилей с ДВС в пользу электровелосипедов.

Несовершенства существующих конструкций

• Педалирование и управление затруднено большей массой (от 14 до 50 кг и более) и соответствующей инерцией электрических велосипедов
• Недостаточный для многих пользователей запас хода только на электроприводе от недорогих аккумуляторов (25-50 км)
• Длительное время зарядки обычных батарей (не менее 4-6 часов)
• Короткий срок службы наиболее распространённых свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных батарей (не более 2-3 лет при средней нагрузке).
• Недостаточная проходимость и надёжность на дорогах без покрытия для электровелосипедов со стандартным моторколесом: пластиковые шестерни моторколеса в условиях повышенных вибраций быстро изнашиваются.
• Высокая стоимость изделия и его эксплуатации по сравнению с обычным велосипедом (от 3 до 10 раз)

Разновидности

В общем случае электровелосипеды можно разделить на:

• Собранные в заводских условиях. Для заводских электровелосипедов характерны специальные рамы разработанные для крепления батарей (существуют даже модели, в которых батареи спрятаны внутри трубчатой конструкции рамы), а также специальные конструкции колёс и в целом специфический дизайн. Например, А2В.

• Любительские (самостоятельно собранные) электровелосипеды — в своей основе обычные городские велосипеды с установленными на них компонентами, доступными на рынке. В настоящее время в продаже есть самые разнообразные готовые комплекты (двигатель, контроллер, батареи, зарядное устройство), которые позволяют практически любому человеку с небольшой технической подготовкой собрать такое средство передвижения.

На конференции по изменению климата в Копенгагене в 2009 году представителями Массачусетского технологического института было представлено «Копенгагенское колесо», которое представляет собой велосипедное колесо с интегрированным в него электродвигателем, аккумулятором и контроллером, что позволяет переделать обычный велосипед в электро- просто заменой заднего колеса. Такое колесо автоматически помогает при педалировании, а для торможения использует электродвигатель в генераторном режиме, запасая энергию в аккумуляторе. Для управления колесом используется телефон, подключающийся к колесу по BlueTooth. Также в колесо встроены датчики, собирающие информацию об экологической обстановке, GPS, GPRS^[10][11].

Компоненты

Специфика и характеристики электрических компонентов во многом объединяют электровелосипед и электромобиль.

Электродвигатель

На сегодняшний момент, существует 4 разновидности электропривода, применяемые в электровелосипедах:

Мотор-колесо

Самый распространённый вариант велосипедного электропривода на основе бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. Двигатель вмонтирован в колесо вместо втулки. Устанавливается как на переднее, так и на заднее колесо. Использование мотор-колеса позволяет с минимальными затратами переоборудовать практически любой распространённый городской велосипед под электропривод, причём его дизайн почти не нарушается. Мотор-колесом может быть любое из колес или оба одновременно. Часто мотор-колесо продаётся в уже собранном (заспицованном) виде. Диапазон мощности у серийно выпускаемых мотор-колёс, приводящих в движение электровелосипеды, как правило колеблется в пределах от 200 до 5000 Ватт.

Мотор-колёса бывают двух видов: редукторные и безредукторные. В корпусе редукторного мотор-колеса находится двигатель с высокой частотой вращения и низким крутящим моментом, который более компактен, дёшев и технологичен благодаря невысокой магнитной индукции статора, планетарный редуктор и обгонная муфта. Безредукторное колесо — это низкооборотистый двигатель с большим моментом, вращение которого передаётся колесу напрямую, что упрощает конструкцию и увеличивает надёжность. Однако для получения двигателя с нужными характеристиками частоты и момента вращения необходимо очень сильное магнитное поле в его статоре, поэтому безредукторные мотор-колёса имеют большие размеры и вес двигателя из-за массивных редкоземельных постоянных магнитов в статоре.

Обгонная муфта редукторных мотор-колёс, с одной стороны, облегчает движение силой водителя или накатом — в моменты, когда внешнее воздействие вращает колесо быстрее, чем это делает двигатель, вся моторная ступица ведёт себя как простой подшипник. Но с другой — этот же эффект делает невозможной рекуперацию кинетической энергии электровелосипеда.

У безредукторного мотор-колеса, обгонной муфтой не оборудованного, при обгоне частоты двигателя частотой вращения колеса извне двигатель всегда обращается. С одной стороны, это позволяет использовать рекуперативное торможение, но с другой — даже если полностью отключить обмотки мотора от электрической цепи, в нём возникают заметные потери на вихревые токи, ухудшающие накат и затрудняющие езду на педалях.

Преимущества использования мотор-колеса:

• гармонично вписывается в дизайн любого велосипеда
• малошумная работа электродвигателя
• переделка обычного велосипеда с помощью мотор-колеса требует минимальных усилий

К недостаткам можно отнести:

• существенное утяжеление колеса велосипеда
• крепление оси колеса к стандартной велораме (т. н. «дропауты») не рассчитано на то, что к оси будет приложен крутящий момент, что без принятия дополнительных мер может привести к износу и разрушению рамы и, в результате, к серьёзному ДТП, особенно в случае переднего привода. При установке мотор-колеса обычно нужно устанавливать дополнительный кронштейн из прочных марок стали, препятствующий провороту оси колеса. Такие детали выпускаются промышленно или изготавливаются сборщиками электровелосипедов из гаечных ключей.

Электропривод с цепной или ременной передачей крутящего момента (mid-drive/мид Драйв, Подвесной мотор или Подкареточный)

Этот вариант электропривода является более эффективным чем мотор-колесо. При меньшем весе и мощности, электровелосипеды с цепной передачей достигают больших скоростей. Часто для переделки велосипедов используются двигатели, применяемые в какой-либо бытовой или автотехнике. Встречаются упоминания о электродвигателях из стиральных машин, стеклоочистителей автомобиля и даже электродрели. Диапазон мощности, как правило колеблется в пределах от 200 до 3000 Вт, а набор из двух моторов по 1,5 кВт может разогнать электровелосипед до 100 км/ч. Недавно "китайская компания Циклов" начала производить мотор этого типа для велосипеда ,мощность которого заявлена 18КВТ ( "такой велосипед очень сложно назвать электровелосипедом") Из преимуществ цепного электропривода можно выделить:

• меньший вес двигателя и аккумуляторов, рассчитанных на меньшее напряжение
• высокая максимальная скорость
• возможность использовать систему переключения передач велосипеда, что повышает КПД

К недостаткам можно отнести:

• сложная установка комплекта и необходимость использования специального инструмента
• шумы издаваемые электродвигателем и цепью
• больше трущихся деталей, более частое ТО и, соответственно, больше финансовых затрат

Фрикционный электропривод

Менее распространённая, малоэффективная схема, при которой электродвигатель крепится над колесом (как правило задним) и передаёт крутящий момент с вала двигателя непосредственно на покрышку велосипеда.

Единственный плюс:

• простая установка привода, так как нет необходимости разбирать велосипед

Недостатки:

• низкий КПД
• быстрый износ покрышки и необходимость поддерживать определенное давление внутри колеса
• проскальзывание ролика в мокрую погоду

Кареточный

Такой же мало распространенный тип, в основе и своей лежит передача Механической Энергии непосредственно на ось каретки -Устанавливается в подседельную трубу) (один из самых скрытых и не заметных типов ) Самый популярный производитель такого типа моторчиков является фирма Viva (стоимость варьируется в пределах 1-2 тысяч долларов США)

Плюсы :

• Самый внешне малозаметный привод (почти невозможно отличить от обычного велосипеда)
• Один из самых легких (комплект Vivax весит ~1.8кг)

Минусы :

• достаточно шумный (из-за шестерни)
• дорогой
• небольшая мощность

Батареи

Батареи обычно крепятся на багажнике в специальном контейнере, на велосипедной раме или в специальных отсеках внутри рамы, если это предусмотрено конструкцией. Наиболее распространённые типы батарей^[12]:

• Свинцово-кислотные
• Никель-металл-гидридные
• Li-ion
• Li-Pol
• LiFePO4

Наиболее перспективным считается использование литиевых батарей ввиду их лучших характеристик (хотя и сравнительно более высокой цены) и постоянного увеличения их производства^[6].

В 2007—2008 годах на рынке появляется новая разновидность литий-ионных аккумуляторов — литий-железо-фосфатные (LiFePO₄). Их появление решило две проблемы традиционных литий-ионных аккумуляторов: риск воспламенения и взрыва при перегреве во время заряда или разряда большими токами, а также относительно небольшое количество циклов заряда-разряда (обычно заявляются 500 и 2000 циклов соответственно). Типичные характеристики LiFePO₄ батарей 2009 года выпуска: напряжение 39,6 В, ёмкость 10 А*ч, масса 3,5 кг, что при типичном расходе энергии 15 ватт-час на километр даёт запас хода электровелосипеда около 25 км^[13]. Ещё более внушительными характеристиками (энергоемкость и разрядный/зарядный токи) обладают Li-Pol аккумуляторы. В частности, для блока в 3,5 кг, указанного выше из LiFePO₄ (40 В, 10 А*ч — 400 Вт*ч), при том же весе Li-Pol будут иметь большую энергоёмкость (45 В, 10 А*ч — 450 Вт*ч), и выдерживать длительные разрядные токи в 4С (40 А при 10 А*ч) и зарядные в 3С (30 А при 10 А*ч). Это позволяет собирать относительно лёгкие батареи для мощных комплектов (свыше 2 кВт), и заряжать их за считанные минуты — 15 минут с использованием 1,5 кВт зарядки (48 В, 30 А) для приведённых выше 45 В, 10 А*ч. Но у Li-Pol есть недостаток: они могут воспламениться при сильном перезаряде или механическом повреждении^{[источник не указан 1698 дней]}.

Контроллер

Контроллер (велокомпьютер) — это электронное устройство, управляющее работой электровелосипеда. Обычно контроллеры делаются в виде платы, расположенной в алюминиевом корпусе, выполняющем функции радиатора для отвода тепла и предохраняющем устройство от окружающей среды. Из корпуса выводятся кабели с контактными разъёмами для различных устройств электровелосипеда.

Основные функции контроллера: подавать ток от аккумулятора на электродвигатель в соответствии с установками пользователя; выдавать на индикатор остаток заряда батареи; определять вращение/остановку педалей; ограничивать максимальную скорость движения велосипеда для экономии энергии; поддерживать постоянную скорость движения (круиз-контроль); заряжать аккумулятор при торможении.

Контроллеры делятся по следующим параметрам: напряжение питания (24/36/48/60/64/72/80 и более вольт); рекуперация энергии от мотора (есть/нет); наличие подающей энергии от педалей на аккумулятор(есть/нет); количество датчиков Холла; наличие датчиков от педалей (есть/нет); тип электромотора (щёточный/бесщёточный); тип регулятора мощности (аналоговый/дискретный); возможность подключения к другим контроллерам (есть/нет); круиз-контроль (есть/нет); различные индикаторы, фары и переключатели.

Рекуперация энергии может осуществляться при торможении и/или на холостом ходу, в зависимости от возможностей контроллера и мотора.

Производители и рынок

На российском рынке представлен ряд производителей электровелосипедов из Европы и Китая^[14]. Они делятся на три категории: 1) Электровелосипеды под маркой автопроизводителей 2) Европейские и американские бренды 3) Российские марки, произведённые в Китае.

Также развит рынок самодельных электровелосипедов для энтузиастов. Комплектующие можно купить в ряде специализированных магазинов, или заказать из Китая.

Bafang

Ciclon

Vivax

eGo-Kit (c мотором от циклоана) или Kranked

См. также