Почему не все электрические велосипеды оснащаются этим оборудованием, которое обычно присутствует в электромобилях?

Электромобили заряжают свои аккумуляторы при нажатии на педали и при торможении. Почему же не происходит того же с велосипедами и другими индивидуальными электротранспортными средствами? Вот объяснения.

Попробовав электрический велосипед с помощью двигателя (ЭВП), человек быстро понимает, что во многих ситуациях и для поездок, как в городе, так и в пригородах на расстоянии до 10–15 километров, он может заменить автомобиль. Обычно время в пути остается прежним или даже меньше, чем при поездке на обычном велосипеде от двери до двери, а экономия денег и снижение уровня стресса ощущаются сразу, не говоря уже об уменьшении загрязнения окружающей среды.

Кроме того, существуют другие виды использования — в досуге, например, для прогулок на выходных или даже для длительных путешествий по дорогам протяженностью в несколько сотен километров. В таких случаях управление энергией и запасом хода может приобретать еще большее значение при планировании маршрута. Этот вопрос становится тем более важным, что зарядка электромобиля требует гораздо больше времени, чем зарядка обычной машины — речь идет не о минутах, а о часах, причем для полной зарядки требуется от 5 до 7 часов в зависимости от размера аккумулятора. Поэтому не стоит рисковать, пытаясь сделать небольшую зарядку по дороге, ведь если вы рассчитываете на остановку в 30 минут, в лучшем случае у вас хватит энергии преодолеть всего 10 километров. Следовательно, зарядка возможна только ночью в лагере.

Именно здесь возникает вопрос о управлении энергией... а значит, и о её восстановлении. Этот вопрос задавали себе почти все пользователи электровелосипедов хотя бы один раз: почему электровелосипеды не оснащены системой регенерации, позволяющей заряжать аккумулятор при педалировании и торможении, как это есть в электромашинах?

Во-первых, как именно это работает? Принцип регенеративного торможения в электромобиле основан на способности электродвигателя функционировать как генератор. Во время ускорения он потребляет электроэнергию для приведения в движение колес. При замедлении колеса могут, в свою очередь, приводить его в движение: тогда он оказывает сопротивление движению и преобразует часть энергии автомобиля в электричество, которое возвращается в аккумулятор. Для этой рекуперации не обязательно нажимать на педаль тормоза, поскольку в зависимости от модели автомобиля и выбранного режима она начинает действовать сразу после отпускания педали газа, причем интенсивность часто может регулироваться. Ее также можно активировать с помощью педали тормоза, при этом электроника распределяет нагрузку на двигатель и механические тормоза.

Это устройство позволяет восстанавливать энергию, которая в противном случае рассеивалась бы в виде тепла в тормозах, и снижать нагрузку на них, что в совокупности способствует улучшению управляемости, к которой многие владельцы электромобилей быстро привыкают.

Поскольку электрический велосипед также оснащен двигателем и аккумулятором, можно было бы ожидать наличия подобной функции. Однако его трансмиссия существенно меняет ситуацию.

Свободное колесо — первое препятствие для рекуперации энергии

На обычном велосипеде, когда вы прекращаете педалить, заднее колесо продолжает вращаться, не приводя в движение цепь и педали. Именно для этого существует свободное колесо, которое позволяет использовать импульс движения, не прилагая усилий для каждого оборота колеса ногами. Однако на многих электровелосипедах двигатель расположен прямо у педалей. Он передает свою мощность на заднее колесо через цепь. Когда вы перестаёте педалить, свободное колесо не позволяет заднему колесу обратно приводить в движение эту передачу. Поэтому двигатель не вращается под действием движения велосипеда и не может генерировать электричество.

Именно поэтому обычные центральные приводы не обеспечивают рекуперации энергии. Это ограничение связано с их механической конструкцией и не может быть устранено простым обновлением программного обеспечения. Компания Kalkhoff даже указывает именно эту конструкцию среди причин редкости таких устройств.

Установка двигателя непосредственно в центре колеса, в его ободе, может помочь преодолеть эту проблему. Однако для этого колесо должно действительно способно приводить в движение двигатель. При этом некоторые колесные двигатели также имеют механизм свободного вращения, который отсоединяет их, когда помощь отсутствует. Следовательно, и в этом случае рекуперация энергии невозможна.

Тем не менее некоторые электровелосипеды уже это делают

Тем не менее регенеративное торможение действительно существует на электровелосипедах, хотя и остается редкостью.

Благодаря системе Zehus, которая используется, в частности, компанией REF Bikes, велосипедист может активировать рекуперацию энергии, педалируя назад: двигатель замедляет велосипед, одновременно возвращая электричество в аккумулятор. Именно движение велосипеда и вращение колес обеспечивают энергию для рекуперации. Однако, на мой скромный взгляд, продолжение педалирования, даже в обратном направлении, на самом деле не является настоящей «пассивной» системой рекуперации энергии.

У компании Stromer в категории спид-педэлек (электровелосипедов с помощью двигателя до скорости 45 км/ч, относящихся к категории мопедов), система рекуперации также может служить двигателем торможения при спуске. Бренд предлагает различные настройки и функцию, которая адаптирует сопротивление двигателя для поддержания выбранной скорости спуска. По заявлению производителя, благодаря рекуперации достигается дополнительный запас хода до 20%. При этом следует учитывать, что такие велосипеды немного тяжелее и имеют большую инерцию, что способствует более эффективной рекуперации. Если сделать аналогию с автомобилем, это настоящий парадокс: обычно справедливо критикуют чрезмерную массу некоторых моделей, но именно они обладают наилучшей способностью к рекуперации. Однако, чтобы быть совершенно точным, процесс регенерации снижает недостаток, связанный с весом, но не превращает его в энергетическое преимущество.

А что, если заново придумать старую добрую динамо-машину?

Велосипедисты, которые использовали освещение, питаемое динамо-машиной, вероятно, помнят этот маленький камешек с роликом, который прикрепляли к боку шины. Колесо приводило его в движение, что генерировало электричество для питания и, следовательно, для освещения ламп фар. При этом возникало сопротивление качению, из-за которого велосипедисту приходилось потеть (да, потребность в дополнительной энергии переносилась на самого велосипедиста — физика беспощадна).

Почему бы не воспользоваться этой идеей для зарядки аккумулятора? С технической точки зрения принцип работоспособен. Независимый генератор, приводимый в движение непосредственно колесом, мог бы производить электричество даже на велосипеде, у которого двигатель вспомогательной тяги расположен на педалях. Специальная электроника будет отвечать за преобразование и регулирование этой энергии с целью её передачи в аккумулятор. Однако необходимо выйти за рамки обычной динамо-машины для освещения, просто подключенной к аккумулятору. Для получения значительной мощности требуется генератор соответствующей мощности, совместимая электроника и аккумулятор, способный принимать заряд в таких условиях.

Камешек, находящийся рядом с шиной, также может вызывать проблемы с шумом и, что более важно, с износом. Размещение генератора в центре колеса позволило бы избежать такого контакта с шиной, но это всё равно приведёт к увеличению количества компонентов, веса и стоимости. Следовательно, идея осуществима, но с дополнительной сложностью.

Можно даже довести эту логику до такой степени, чтобы имитировать поведение электромобиля при отпускании педали. Датчик обнаруживает прекращение нажатия на педаль, после чего электроника управляет генератором в соответствии с уровнем, выбранным на руле: свободное вращение колес, слабая, средняя или сильная рекуперация. Рычаги тормозов также могут запросить более интенсивную рекуперацию. Такая система вполне могла бы использоваться на велосипеде, при условии, что велосипедист сможет сам выбирать режим. Ведь прекращение педалирования может означать разные цели: замедление перед перекрестком, контроль скорости на спуске или просто использование импульса на ровном участке дороги.

В первых двух случаях восстановление энергии имеет очевидные преимущества. В третьем случае генератор приводит к более быстрому снижению скорости, которую затем необходимо восстановить педалированием или с помощью системы поддержки. Отсюда и преимущество свободного колеса, которое я постоянно рекомендую при экологичном вождении электромобиля.

Сколько энергии можно на самом деле восстановить?

Чтобы оценить пользу такой системы, необходимо также учитывать количество энергии, задействованной в процессе. Возьмём велосипед и велосипедиста весом 100 кг, движущихся со скоростью 25 км/ч. Их кинетическая энергия составляет примерно 0,67 Вт·ч. Полная остановка позволила бы, в идеальных условиях без потерь, восстановить энергию, эквивалентную примерно 0,13% от емкости аккумулятора в 500 Вт·ч. На практике лишь часть этой энергии попадёт обратно в аккумулятор. У генератора и электроники есть собственные потери, а сопротивление воздуха и трения также способствуют замедлению, не генерируя электричества. Следовательно, каждая остановка приносит довольно незначительный вклад, хотя эти вклады могут накапливаться.

Рельеф открывает ещё больший потенциал. Для того же набора массой 100 кг спуск на высоту 500 метров соответствует примерно 136 Вт·ч гравитационной потенциальной энергии. Это число также является теоретическим показателем: часть энергии тратится на преодоление сопротивления воздуха и трения, и система восстанавливает лишь часть оставшейся энергии. Тем не менее становится понятно, почему длинный спуск может сделать процесс восстановления энергии гораздо более значимым. Но, опять же, именно физика напоминает нам, что чудес энергосбережения не существует: результат всегда будет зависеть от маршрута, массы, перевозимой груза, скорости, необходимости торможения и эффективности оборудования.

А как насчёт электросамокатов?

Поскольку двигатель скутеров обычно встроен непосредственно в колесо, без использования цепи и педалей, их конструкция более подходит для рекуперации энергии. В моделях, специально разработанных для этой цели, колесо приводит в движение двигатель во время замедления, а тот в свою очередь возвращает электричество в аккумулятор. Xiaomi Electric Scooter 5 обеспечивает рекуперацию энергии при ослаблении нажатия на газ или при срабатывании тормозов, причем уровни интенсивности можно регулировать через приложение. Таким образом, здесь довольно точно воспроизведена та самая система, к которой привыкли водители электромобилей.

Однако физические ограничения остаются теми же, что и у велосипеда: при сопоставимой скорости и массе количество энергии, доступное при замедлении, также схоже. Пример самоката показывает прежде всего, что систему рекуперации можно встроить в легкое и относительно простое устройство, если его двигатель спроектирован именно для такого использования.

Разработка этой функции в конечном итоге является результатом компромисса. На легком велосипеде, предназначенном для поездок по ровной местности, дополнительное оборудование может принести незначительную пользу с учетом его веса и стоимости. Однако для велосипедиста, который ежедневно сталкивается с длинными спусками, хорошо интегрированная и регулируемая система восстановления может иметь больше смысла. Остается предложить систему, при которой преимущества ее использования оправдывают наличие такого оборудования, позволяя велосипедисту по желанию вернуться к этой очень простой и всегда эффективной функции — свободному колесу.