Współczesny rower elektryczny

Współczesny rowerowy napęd elektryczny składa się z czterech bloków:

1. Silnik
2. Sterownik
3. Bateria Li-ion zintegrowana z układem BMS
4. Ładowarka

Specjalny rowerowy silnik BLDC może być zamontowany w jednym z trzech miejsc:

tylna piasta, mid-drive, przednia piasta.

Silników na przednią piastę nie polecamy, gdyż sprawiają one problemy z przyczepnością. Rower jest tak skonstruowany, że większość ciężaru przypada na tylne koło i właśnie to koło korzystniej jest napędzać silnikiem, gdyż cały czas jest dociśnięte do podłoża.

Jak widać na powyższym zdjęciu, rowerowy silnik BLDC jest nietypowy (nie dotyczy to napędów mid-drive), bo „wywinięty” na drugą stronę. Stojan z cewkami (połączonymi w gwiazdę) jest osadzony na nieruchomej osi przykręconej do ramy. Natomiast wirnik jest osadzony na łożyskach i się obraca wokół stojana. W środku zawiera on pierścień z magnesami neodymowymi. Na zewnątrz obudowy wirnika przytwierdzone są szprychy.

Więcej informacji o silniku znajdziecie Państwo w dziale Jaki silnik wybrać?. W dużym skrócie można powiedzieć, że silnik działa jak głośnik, który zagra tak, jak mu podyktuje wzmacniacz – czyli sterownik.

Silnik BLDC do prawidłowej pracy wymaga specjalnego kontrolera – sterownika, który jest sercem instalacji elektrycznej roweru. Rower jest zasilany prądem stałym z baterii, natomiast silnik BLDC wymaga prądu przemiennego 3-fazowego o ściśle określonych parametrach. Prąd taki zapewnia sterownik. Można stwierdzić, że sterownik jest rodzajem specjalizowanego falownika 3-fazowego.

Ponadto sterownik zbiera dodatkowe informacje z czujników rozmieszczonych w rowerze oraz w samym silniku i odpowiednio modyfikuje prąd wysyłany do silnika. Dodatkowo sterownik wyświetla rozmaite parametry na opcjonalnym wyświetlaczu na kierownicy. Aby nie przepalić uzwojeń silnika, sterownik musi być odpowiednio dobrany. W świecie rowerów elektrycznych przyjęło się, że silnik ze sterownikiem paruje producent silnika tworząc komplet (na przykład w przypadku napędów mid-drive silnik jest zawsze zintegrowany ze sterownikiem w jednej obudowie).

Rowerowa bateria jest wykonana najczęściej w standardzie 36 V lub 48 V. Do jej budowy najczęściej wykorzystuje się ogniwa litowo-jonowe, które w przeciwieństwie do ogniw LiFePO4 zapewniają większą gęstość energii i są nieznacznie tańsze. Do budowy baterii nie wykorzystuje się akumulatorów żelowych (z uwagi na ich bardzo niską żywotność przy głębokim rozładowywaniu) ani ogniw niklowo-kadmowych (z uwagi na zawartość metalu ciężkiego – kadmu oraz kłopotliwą eksploatację).

Bateria litowo-jonowa musi być wyposażona w specjalną „elektronikę” – czyli układ BMS (z ang. Battery Management System), która zabezpiecza baterię przed nadmiernym rozładowaniem i przeładowaniem. Ponadto dobrej klasy BMS jest wyposażony w układ balansujący ogniwa, którego działanie zapewnia znaczne wydłużenie żywotności baterii. Baterie litowo-jonowe buduje się z niepodzielnych cegiełek nazywanych ogniwami o napięciu nominalnym 3,7 V. Napięcie to w praktyce oscyluje w zakresie 2,5–4,2 V w zależności od stopnia naładowania. W przypadku baterii 36 V połączenie szeregowe zakłada użycie 10 ogniw, a w przypadku baterii 48 V wymaga się połączyć 13 ogniw szeregowo. Z kolei pojemność baterii zwiększa się dodając dodatkowe ogniwa równolegle. Najpowszechniejsze ogniwa litowo-jonowe stosowane w e-rowerach to ogniwa w obudowie (rozmiarze) 18650. Najpojemniejsze z nich mają pojemność 3,5 Ah. W typowym rowerze łączymy 4–5 ogniw równolegle, aby osiągnąć pojemności rzędu 14–17,5 Ah.

Warto jeszcze wspomnieć, że układ BMS może nie tylko zabezpieczać i wydłużać żywotność baterii, ale również pełnić dodatkowe funkcje, takie jak komunikacja przewodowa (np. UART albo SMBus) oraz bezprzewodowa (np. przez Bluetooth), za pośrednictwem której może przekazywać rozmaite informacje eksploatacyjne i diagnostyczne. Jeszcze bardziej zaawansowane technologicznie baterie są wyposażone w dodatkowe przetwornice służące do szybkiego ładowania nowoczesnych smartfonów.

Ładowarka do roweru elektrycznego jest w pełni automatycznym urządzeniem elektrycznym, które podłącza się do rozładowanej baterii poprzez specjalny port ładowania. Ładowarka taka to w istocie standardowy zasilacz impulsowy SPMS zasilany prądem sieciowym o napięciu 230 V, którego sercem jest dedykowany układ scalony ładowarki Li-ion, realizujący strategię ładowania najpierw stałym prądem, a w końcowej fazie ładowania stałym napięciem (CC–CV). Większość ładowarek ma w obudowie zamontowaną 2-kolorową diodę, która sygnalizuje proces ładowania świecąc na czerwono i zakończenie ładowania – świecąc na zielono. Ładowarki są dobrane do baterii na podstawie ilości ogniw szeregowo zawartych w baterii. Przykładowo, ładowarka do ładowania baterii Li-ion w standardzie 36 V ma napięcie 42 V (10 × 4,2 V), a ładowarka do ładowania baterii Li-ion w standardzie 48 V ma napięcie 54,6 V (13 × 4,2 V).

Istotnym parametrem ładowarek jest prąd ładowania. Standardem stały się 2 ampery, które pozwalają naładować do pełna standardową baterię rowerową w ok. 8 godzin. Na rynku są dostępne ładowarki ładujące większym prądem (3, 4 a nawet 5 A), które są w stanie skrócić proces pełnego ładowania do poniżej 4 h, zaś czas ładowania do 80% pojemności – nawet do poniżej 2 h. W celu wydłużenia żywotności baterii należy jednak zachować zdrowy rozsądek i nie ładować cyklicznie baterii prądem większym niż 1 A na jedno ogniwo połączone równolegle (np. nie przekraczać 5 A dla baterii 5 P).

Lepsze ładowarki są hermetycznie zamknięte i rozpraszają ciepło poprzez obudowę. Dzięki temu znacznie lepiej sprawdzają się przy ładowaniu roweru elektrycznego „w terenie”, gdyż nie mają wiatraczka, który zasysałby pył. Ponadto takie ładowarki są zabezpieczone przed wilgocią. Istotną zaletą ładowarek chłodzonych pasywnie jest również bezgłośna praca.

Warto zdawać sobie sprawę, że unijne przepisy zakładają szereg ograniczeń mocy rowerów elektrycznych. Przepisy te są powszechnie krytykowane przez rowerzystów, gdyż znacznie ograczają one dozwoloną moc silnika, jednak jest to obowiązujące prawo i należy go przestrzegać. W szczególności, wymienić można następujące wymogi prawne:

• Silnik elektryczny o mocy znamionowej (ciągłej) nieprzekraczającej 250 W (dla standardu 36 V jest to prąd 6 A, a dla standardu 48 V – prąd 4,5 A).
• Wspomaganie ograniczone do prędkości 25 km/h, po przekroczeniu której napęd elektryczny się odłącza (moc silnika powinna spadać stopniowo wraz ze wzrostem prędkości, tak aby przy 25 km/h silnik płynnie się wyłączył).
• Napęd uruchamiany jedynie naciskiem na pedały (aktywowany czujnikiem PAS i/lub tensometrycznym czujnikiem nacisku w korbie) – zakaz posiadania działającej manetki „gazu” na kierownicy.
• Instalacja elektryczna nie może pracować na większym napięciu znamionowym niż 48 V.

W praktyce powyższe przepisy oznaczają, że napęd elektryczny jedynie delikatnie wspomaga rowerzystę i najlepiej sprawdza się w jeździe miejskiej po płaskich, dobrze utrzymanych drogach rowerowych. Napęd taki daje niewielką korzyść w terenie. Stąd wielu rowerzystów, ryzykując złamaniem przepisów, decyduje się na mocniejsze konfiguracje, z zastrzeżeniem, że rower taki będzie służył do jazdy poza drogami publicznymi.

Można wymienić dwa główne powody, dla których rowerzyści decydują się na rowery elektryczne.

1. Dojazdy do pracy, po zakupy, jazda miejska. Wiele osób wybiera rower elektryczny, ponieważ jest znacznie szybszy od tradycyjnego i pozwala dojechać do pracy elegancko ubranym, bez konieczności przebierania się i brania prysznica po dotarciu na miejsce (co często jest niemożliwe).
2. Zwiększenie zasięgu wycieczek rowerowych. Przeciętny rowerzysta na wycieczce rowerowej pokonuje ok. 50 km. Gdy przesiądzie się na rower elektryczny, zasięg ten może ulec nawet potrojeniu. Dzięki temu rowerzysta w krótszym czasie pokona dłuższy, a przez to obfitujący w większą ilość atrakcji szlak. Często osoby mieszkające w dużej aglomeracji miejskiej cały wysiłek poświęcają na wyjazd rowerem poza granice miasta i zwyczajnie nie mają już siły i czasu na jazdę na terenach podmiejskich, gdzie tak naprawdę zaczyna się prawdziwa przyjemność z jazdy na rowerze (obfitość atrakcji takich jak np. jeziora i przepiękne widoki). Rower elektryczny rozwiązuje ten problem.

W efekcie, każdy konsument ma inny zestaw preferencji, którymi się kieruje dokonując wyboru sprzętu.