Почему спуск не возвращает электровелосипеду всю энергию подъёма

На спуске энергия высоты не обязательно возвращается в батарею.

Евгений Буянов - автор статьи, основатель проекта, преподаватель МГУ имени М.В. Ломоносова.

Почему спуск не возвращает электровелосипеду всю энергию подъёма

Дальше вы сможете оценить физический потолок возврата по набору высоты, понять разницу между мотор-колёсами и средними приводами и правильно учесть холмистый маршрут в запасе хода без выдуманного «процента рекуперации».

В статье вы узнаете:

Подъём сохраняет энергию в высоте

Когда велосипед поднимается, система из велосипеда, райдера и груза получает гравитационную потенциальную энергию. Проще говоря, поднятую массу можно отпустить вниз, и сила тяжести снова начнёт выполнять работу. Для обычных перепадов высоты эту энергию считают так:

E = m × g × h

Здесь m обозначает общую массу в килограммах, g равно примерно 9,81 м/с², h является набором высоты в метрах. Результат получается в джоулях. Чтобы перевести его в ватт-часы, нужно разделить на 3600.

Допустим, электровелосипед, человек и багаж вместе весят 100 кг, а дорога набирает 300 м. Энергия высоты равна:

100 × 9,81 × 300 = 294 300 Дж = 81,75 Вт·ч

Число 81,75 Вт·ч задаёт механическую энергию, связанную только с высотой. Оно не показывает расход батареи. На подъёме нужно ещё преодолеть сопротивление шин и воздуха, а мотор, редуктор и контроллер теряют часть энергии при преобразовании. Одновременно райдер продолжает крутить педали и вносит собственную работу. Поэтому нельзя посмотреть на mgh и решить, что именно столько отдала батарея.

При сопоставимых скоростях в начале и конце и без других внешних источников электрический расход одного мотора обычно оказался бы больше 81,75 Вт·ч из-за сопротивлений и потерь привода. Если половину работы выполнил человек, доля батареи могла бы быть заметно меньше. Высота ничего не знает о том, откуда пришла энергия. Она хранит общий результат работы мотора и ног.

Перевести полученные джоули в ватт-часы можно в калькуляторе единиц энергии. Но это будет только физический потолок для дальнейшего рассуждения, а не прогноз заряда на спуске.

На спуске высота сначала оплачивает воздух и шины

Представим, что велосипед начал и закончил спуск с одинаковой скоростью. Значит, его запас кинетической энергии в начале и конце не изменился. Потерянная энергия высоты должна была уйти в сопротивление воздуха, деформацию шин, трение в подшипниках и торможение.

На пологом спуске велосипед может держать удобную скорость вообще без тормозов. Сила тяжести тянет его вперёд, а воздух и качение забирают ровно столько же энергии. При прежней скорости вся мощность тяжести уже уходит в сопротивления; включение рекуперации снизит установившуюся скорость. Перепад высоты есть, рекуперация при этом может быть нулевой.

На более крутом склоне силы тяжести уже хватает для разгона. Чтобы удержать скорость, лишнюю энергию нужно убрать. Обычный дисковый тормоз превращает её в тепло. Рекуперативное торможение направляет часть механической энергии через мотор и контроллер в батарею. Если водитель нажал тормоз сильнее, чем способен затормозить мотор, оставшуюся работу всё равно выполняют колодки.

Отсюда важное различие. Спуск может уменьшить электрический расход всей поездки просто потому, что мотор некоторое время не помогает. Это ещё не зарядка. О рекуперации можно говорить только тогда, когда энергия действительно течёт обратно в батарею, а дисплей или журнал системы фиксирует отрицательную мощность либо возвращённые ватт-часы.

Ехать с лишним торможением ради зарядки тоже нет смысла. Если скорость безопасна и велосипед может свободно катиться, сохранённое движение полезнее, чем двойное преобразование: сначала превратить его в электричество с потерями, затем снова тратить заряд на разгон. Рекуперация полезна в момент, когда замедлиться всё равно необходимо.

Рекуперация начинается с механической связи колеса и мотора

Электродвигатель способен работать генератором, если вращающееся колесо действительно заставляет вращаться его ротор. В прямом мотор-колесе обод и ротор связаны постоянно. При подходящем контроллере такое колесо может создавать тормозной момент и отдавать ток назад.

У многих компактных редукторных мотор-колёс внутри стоит муфта свободного хода. Во время разгона мотор крутит колесо через планетарный редуктор, а накатом муфта размыкается. Колесо продолжает вращаться, но мотор за собой не тянет. Это уменьшает сопротивление при выключенной помощи, зато обычная рекуперация становится невозможной.

Редукторный мотор без свободного хода является исключением. Он сохраняет связь с колесом и в принципе может рекуперировать. Поэтому фраза «редукторные моторы никогда не возвращают энергию» слишком широкая. Проверять нужно устройство конкретного привода, а не только слово geared в описании.

Средний мотор передаёт тягу через шатуны, цепь и заднюю втулку. В обычной велосипедной трансмиссии свободный ход позволяет колесу крутиться, пока цепь и педали стоят. Такая схема тоже не передаёт движение со спуска обратно к мотору. Инженерно возможны особые конструкции, но наличие среднего мотора само по себе не означает рекуперацию.

Постоянной связи мало. Контроллер должен поддерживать генераторный режим, система управления должна передавать ему команду, иногда через датчик тормозной ручки, а аккумулятор и его система управления должны принимать обратный ток. Два внешне похожих велосипеда с прямыми мотор-колёсами поэтому могут вести себя по-разному: один тормозит мотором и заряжает батарею, второй просто отключает тягу.

Между колесом и батареей стоит несколько ограничений

Во время разгона энергия проходит путь от батареи через контроллер и мотор к колесу. При рекуперации направление меняется, но потери никуда не исчезают. Обмотки мотора нагреваются, силовая электроника рассеивает тепло, а заряд аккумулятора проходит со своим КПД. Даже энергия, уже попавшая в генератор, не доходит до ячеек целиком.

Скорость тоже важна. При медленном вращении мотор создаёт небольшое напряжение, поэтому контроллеру сложнее направить заметный ток в батарею. По мере приближения к нулевой скорости возвращаемая мощность и рекуперативный момент слабеют. Рекуперация не заменяет механический тормоз и удержание велосипеда после остановки.

Аккумулятор может ограничить возврат раньше мотора. Почти заряженная батарея не имеет большого запаса для новой энергии. Система управления следит за напряжением, температурой и зарядным током и при необходимости уменьшает либо отключает рекуперацию. Поэтому одинаковый спуск после старта со 100% и в середине поездки способен дать разный результат.

Хорошую ловушку показывает лабораторная работа с мотор-колесом BLDC. На стенде мотор сначала вращали от батареи 12 секунд, затем переключали в генераторный режим через выпрямитель и повышающий преобразователь. При 320 об/мин исследователи вернули 6,37% измеренной энергии цикла, а при 84 и 45 об/мин ток в батарею не пошёл. Авторы также подчёркивают, что рекуперативное торможение слабо на малой скорости и не должно работать без механического тормоза [Candan, Mamur, 2021].

Эти 6,37% нельзя переносить на дорогу. В опыте использовали холостой мотор, свинцовые батареи и короткое стендовое торможение, а не велосипед с человеком на конкретном склоне. Ценность эксперимента в другом: даже одна установка дала разные результаты при разных оборотах. Универсального процента здесь просто не из чего собрать.

Велосипед несёт гораздо меньше энергии движения, чем автомобиль

Рекуперация стала привычной по электромобилям, но велосипед легче и медленнее. Кинетическая энергия растёт пропорционально массе и квадрату скорости:

E = m × v² / 2

Система массой 100 кг на скорости 25 км/ч несёт около 2411 Дж, или 0,67 Вт·ч поступательной кинетической энергии. Вращение колёс и деталей привода добавляет небольшую величину, поэтому это не строгий потолок полной энергии велосипеда. Реальная батарея примет лишь часть доступной энергии.

Для автомобиля массой 1800 кг на скорости 50 км/ч та же формула даёт примерно 48 Вт·ч. У него больше энергии в таком замедлении, а тяговая система уже рассчитана на двусторонний поток энергии. Поэтому автомобильный опыт создаёт завышенное ожидание от лёгкого велосипеда.

Длинный горный спуск отличается от одной остановки: там основным источником становится не скорость, а потеря высоты. В примере со 100 кг и 300 м это 81,75 Вт·ч до сопротивлений. Такая энергия уже заметна рядом с батареей на 500 Вт·ч, но физический потолок не равен фактическому возврату. Чем выше скорость на спуске, тем сильнее растёт аэродинамическое сопротивление и тем больше энергии остаётся в воздухе.

На замкнутом маршруте большая масса тоже не создаёт энергетического выигрыша. Тяжёлый велосипед получает больше энергии на том же спуске, но перед этим потребовал больше работы на подъёме. Гора не выдаёт кешбэк за установленный багажник.

Холмистый маршрут лучше оценивать по прошлой поездке

Для планирования не нужно вычитать из подъёма предполагаемые 5, 10 или 20 процентов. Сначала посмотрите, поддерживает ли конкретный велосипед рекуперацию вообще. Ответ ищут в инструкции к приводу и контроллеру, а не по значку молнии на дисплее. Если система показывает возвращённые ватт-часы, это лучшая доступная оценка для конкретного привода, хотя дисплей может считать её косвенно.

Без подробного журнала используйте средний расход похожей поездки. Маршрут с тем же набором высоты, скоростью, ветром, температурой и режимом помощи уже включает работу ног, отключение мотора на спусках и возможную рекуперацию. Введите этот расход в калькулятор запаса хода электровелосипеда и оставьте резерв на изменение условий.

Лёгкая передача не возвращает электричество, но может помочь райдеру удержать удобный каденс на подъёме. Сочетания звёзд, укладку и скорость можно заранее сравнить в калькуляторе велосипедных передач. Это честнее обещания, что спуск потом всё компенсирует.

На самом спуске задача тормозов состоит в безопасном управлении скоростью, а не в наборе красивого числа на дисплее. Электрическое торможение может снизить нагрев и износ колодок, но его сила меняется со скоростью и состоянием батареи. Исправные механические тормоза всё равно должны остановить велосипед.

Что хочется сказать в конце. Подъём и спуск действительно связаны одной энергией mgh, но дорога туда и обратно не является обратимой операцией. В одну сторону добавляются сопротивления и потери тяги, в другую сопротивления, ограничения генератора и зарядки. Поэтому для маршрута полезнее собственные Вт·ч/км, чем чужой процент рекуперации с велосипеда, горы и погоды, которых у вас нет.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.

ГлавнаяЖурнал расчётовПочему спуск не возвращает электровелосипеду всю энергию подъёма