Чому електровелосипеди не мають усі цього обладнання, яке є стандартним у електромобілях?

Електромобілі заряджають свої акумулятори під час газування та гальмування. Чому не електричні велосипеди та інші індивідуальні електропристрої? Пояснення.

Як тільки людина спробує електричний велосипед з допоміжним двигуном, вона швидко розуміє, що він може замінити автомобіль у багатьох ситуаціях та для поїздок як у місті, так і в пригородах на відстані від 10 до 15 кілометрів. Зазвичай час у дорозі залишається таким самим або навіть меншим, ніж при поїздці на звичайному велосипеді від дверей до дверей, а економія грошей та стресу стає помітною дуже швидко, не кажучи вже про менше забруднення навколишнього середовища.

А ще є інші способи використання — для дозвілля, як прогулянки на вихідних чи навіть довгі подорожі по дорогах тривалістю кілька днів та сотень кілометрів. У таких випадках управління енергією та автономністю може набувати особливої важливості під час планування маршруту. Це ще більш критичне питання, оскільки зарядка електромобіля займає набагато більше часу, ніж звичайного автомобіля — мова йде не про хвилини, а про години, а саме від 5 до 7 годин для повного заряджання залежно від розміру акумулятора. Тож не варто вирушати з надією на коротке заряджання по дорозі, адже якщо планувати зупинку на 30 хвилин, у найкращому випадку ви отримаєте енергії лише на 10 кілометрів. Тож зарядка можлива лише вночі в таборі.

Саме тут виникає питання щодо управління енергією... а отже, і її відновлення. Це питання ставили собі принаймні один раз більшість прихильників електровелосипедів: чому електровелосипеди не оснащені системою регенерації, яка дозволяла б заряджати акумулятор під час швидкого руху та гальмування, як у електромобілях?

По-перше, як саме це працює? Принцип регенеративного гальмування в електромобілі ґрунтується на здатності електродвигуна функціонувати як генератор. Під час прискорення він споживає електроенергію для приведення в рух коліс. Під час уповільнення колеса можуть, у свою чергу, приводити його в рух: тоді двигун створює опір руху та перетворює частину енергії автомобіля на електроенергію, яка повертається до акумулятора. Для цього не обов’язково натискати на педаль гальма, адже, залежно від моделі автомобіля та обраного режиму, цей процес починається вже після відпускання газу, причому інтенсивність часто може регулюватися. Його також можна активувати за допомогою педалі гальма, при цьому електроніка розподіляє навантаження між двигуном та механічними гальмами.

Цей пристрій дозволяє відновлювати енергію, яка інакше б розсіялася у вигляді тепла в гальмах, та зменшувати навантаження на них, що разом з покращенням характеристик керування сприяє тому, що багато власників електромобілів швидко до цього звикають.

Оскільки електричний велосипед також має двигун та акумулятор, можна було б очікувати наявності цієї функції. Проте його трансмісія суттєво змінює ситуацію.

Вільне колесо — перша перешкода для відновлення енергії

На звичайному велосипеді, коли ви припиняєте педалювати, заднє колесо продовжує обертатися, не приводячи в рух ланцюг та педалі. Саме для цього існує вільне колесо, яке дозволяє скористатися його імпульсом, не потрібною кожен оберт колеса підтримувати ногами. Однак на багатьох електровелосипедах двигун розташований на рівні педалей. Він передає свою силу задньому колесу через ланцюг. Коли ви припиняєте педалювати, вільне колесо запобігає тому, щоб заднє колесо зворотно приводило в рух цю передачу. Тому двигун не обертається під дією руху велосипеда та не може генерувати електроенергію.

Саме тому звичайні центральні двигуни не дозволяють збирати енергію. Ця обмеженість походить від їхньої механічної конструкції та не може бути усунена простою оновленням програмного забезпечення. Виробник Kalkhoff навіть згадує саме таку конструкцію серед причин рідкісності цього пристрою.

Встановлення двигуна безпосередньо в центрі колеса, у валу, може допомогти обійти цю проблему. Проте необхідно, щоб колесо дійсно могло приводити в рух двигун. Однак деякі двигуни для коліс також мають механізм вільного обертання, який від’єднує їх, коли допомога не функціонує. Тож і тут неможливо збирати енергію.

Проте деякі електровелосипеди вже це роблять

У будь-якому разі регенеративне гальмування дійсно існує на електровелосипедах, хоча воно залишається рідкісним.

За допомогою системи Zehus, яку використовує, зокрема, REF Bikes, велосипедист може активувати відновлення енергії, педалюючи назад: двигун тоді уповільнює велосипед, водночас повертаючи електроенергію назад у акумулятор. Саме це назаднє педалювання використовується для керування пристроєм, і саме рух велосипеда та обертання колеса забезпечують енергію, яка відновлюється. Проте, на мою скромну думку, продовжувати педалювати, навіть у зворотному напрямку, насправді не є справжньою „пасивною“ системою відновлення енергії.

У компанії Stromer у категорії швидких електровелосипедів (ЕВМ із допомогою двигуна до 45 км/год, які класифікуються як мотоцикли), функція рекуперації енергії також може використовуватися як двигун гальмування під час спуску. Бренд пропонує різні налаштування та функцію, яка адаптує опір двигуна для підтримки обраної швидкості спуску. Компанія стверджує, що завдяки рекуперації досягається додаткова автономність у 20%. У цьому випадку варто враховувати, що ці велосипеди є трохи важчими, а отже, мають більшу інерцію, що сприяє кращій рекуперації енергії. Якщо порівнювати з автомобілем, це справжній парадокс: ми схильні звинувачувати — часто з поважних причин — надмірну вагу деяких моделей, але саме вони мають найкращу можливість рекуперації енергії. Проте, щоб бути абсолютно точним, процес регенерації зменшує недолік, пов’язаний із вагою, але не перетворює його на енергетичну перевагу.

А що, якщо заново створити стару добру динамо?

Велосипедисти, які користувалися освітленням, що живилося від динамо, ймовірно, пам’ятають той маленький камінчик із колесиком, який кріпили до боку шини. Колесо приводило його в рух, що створювало електроенергію для живлення та, відповідно, освітлення ламп фар. При цьому виникала опір руху, яка могла спричинити пітніння (так, потреба у додатковій енергії передавалася на велосипедиста — фізика безжальна).

Чому б не використати цю ідею для заряджання акумулятора? З технічної точки зору принцип є дійсним. Незалежний генератор, який приводиться в рух безпосередньо колесом, міг би виробляти електроенергію навіть у велосипеді, у якого двигун допомоги розташований біля педалей. Відповідна електроніка б займалася перетворенням та регулюванням цієї енергії для її надсилання до акумулятора. Однак потрібно вийти за межі звичайної динамо-машини для освітлення, просто підключеної до акумулятора. Для отримання значної потужності необхідний генератор, розрахований відповідним чином, сумісна електроніка та акумулятор, здатний приймати заряду за таких умов.

Камінчик, що торкається шини, також створюватиме проблеми з шумом та, що найважливіше, з зносом. Розміщення генератора в центрі колеса уникнуло б такого контакту з шиною, але все одно додало б обладнання, вагу та витрати. Отже, ідея є реалізовуваною, але за рахунок додаткової складності.

Можна навіть довести цю логіку до кінця, відтворивши поведінку електромобіля під час натискання на педаль. Датчик виявить припинення руху педалі, після чого електроніка керуватиме генератором відповідно до рівня, вибраного на кермі: вільне колесо, легке, середнє чи інтенсивне відновлення енергії. Вимикачі гальм також можуть вимагати більш інтенсивного відновлення. Така система ідеально підійшла б для велосипеда, за умови, що велосипедист матиме можливість вибору. Адже припинення руху педалею може відповідати кільком цілям: уповільнення перед перехрестям, контроль швидкості на спуску чи просто скористання імпульсом на рівній ділянці.

У перших двох випадках відновлення енергії має очевидну перевагу. У третьому випадку генератор спричиняє швидше зниження швидкості, яку потім доводиться відновлювати шляхом педалювання або використання допомоги. Ось чому існує перевага вільного колеса, яке я постійно рекомендую під час екологічної їзди на електромобілі.

Скільки енергії можна насправді відновити?

Щоб оцінити ефективність системи, також необхідно враховувати кількість енергії, яка використовується. Візьмемо велосипед та велосипедиста вагою 100 кг, які рухаються зі швидкістю 25 км/год. Їхня кінетична енергія руху становить приблизно 0,67 Вт·год. Тож повна зупинка дозволила б, за ідеальними умовами без втрат, відновити енергію, еквівалентну приблизно 0,13% від акумулятора ємністю 500 Вт·год. На практиці лише частина цієї енергії потрапляє до акумулятора. У генератора та електроніки є власні втрати, а опір повітря та тертя також сприяють уповільненню, не створюючи електроенергії. Тож кожна зупинка забезпечує досить незначний внесок, хоча ці внески можуть сумуватися.

Рельєф пропонує більший потенціал. Для тієї ж маси 100 кг спуск на висоту 500 метрів відповідає приблизно 136 Вт·г енергії гравітаційного потенціалу. Це число також є теоретичним показником: частина енергії витрачається на подолання опору повітря та тертя, і система може відновити лише частину решти. Проте це пояснює, чому довгий спуск може зробити відновлення енергії значно ефективнішим. Але знову ж таки, саме фізика нагадує нам, що енергетичних чудес не існує: результат завжди залежатиме від маршруту, маси, яку транспортують, швидкості, необхідності гальмування та ефективності обладнання.

До речі, а що з електросамокатами?

Оскільки двигун електросамокатів зазвичай вбудований безпосередньо в колесо, без використання ланцюга та педалей, їхня конструкція дозволяє легше здійснювати відновлення енергії. У моделях, створених саме для цього, колесо приводить у рух двигун під час уповільнення, а той постачає електроенергію назад у акумулятор. Xiaomi Electric Scooter 5 забезпечує відновлення енергії під час послаблення газу чи застосування гальм, причому інтенсивність можна налаштовувати на трьох рівнях у додатку. Таким чином, функціонування цього пристрою досить точно відповідає тому, до чого звикли власники електромобілів.

Однак фізичні обмеження залишаються такими ж, як і у велосипеда: при порівнянній швидкості та масі кількість енергії, яка є під час уповільнення, є схожою. Приклад самоката показує насамперед те, що систему відновлення енергії можна інтегрувати у легкий та відносно простий пристрій, за умови, що його двигун спроєктований саме для цієї мети.

Розробка цієї функції в кінцевому підсумку є результатом компромісу. На легкому велосипеді, призначеному для рівних маршрутів, додаткове обладнання може принести мало переваг через його вагу та вартість. Натомість для велосипедиста, який щодня подолає довгі спуски, належним чином інтегрована та регульована система відновлення могла б бути більш корисною. Залишається запропонувати систему, чиї переваги під час використання виправдовують наявність обладнання, залишаючи водночас велосипедисту можливість повернутися, коли він бажає, до цієї дуже простої та завжди ефективної функції — вільного колеса.