Ганебний маленький секрет електричного велосипеда
-
Практикуючи енергетичний дизайн 09 березня 2020 р. 19 коментарів
Коли я опублікував статтю про щойно придбаний електричний мотоцикл Incub, я отримав багато коментарів.
Деякі прибули від байкерів. Тоді я задався питанням, чи міг законно мій новий транспортний засіб називатися "мотоциклом". Зрештою, те, що байкери, яких я зустрічаю, роблять V пальцями, не означає, що досвід подібний. Як сказав мені один з них, "мотоцикл без шуму та вібрації втрачає значну частину своєї привабливості".
Я також отримав багато повідомлень від велосипедистів. Деякі злились або допитувались. За їхніми словами, мій електричний мотоцикл був набагато менш актуальним транспортним засобом, ніж велосипед з електричним приводом (VAE). Зокрема, вони стверджували, що "принаймні на VAE ми крутимо педалі".
Хоча я знову і знову повторював, що на сьогоднішній день моїм улюбленим транспортним засобом є велосипед (справжній, "м'яз"), суб'єкт працював на мене. Питання надходили з усіх боків ...
Ось кілька думок щодо цих кумедних двоколісних електромобілів.
VAE: смерть м'язового велосипеда
Моє перше серйозне опитування щодо VAE датується двома роками тому. Однак у мене була можливість користуватися таким транспортним засобом набагато довше: у моєї мами такий велосипед був майже 10 років. Я ніколи не був дуже переконаний. Я знайшов машину важкою, погано підходить для мого стилю водіння. Оскільки я вільно їду в місті близько 30 км/год, обмеження VAE до 25 км/год є справжнім дискомфортом для мене. Тож я залишився вірним своєму «нормальному» велосипеду.
Але того дня я пішов купити (гарний) велосипед для свого сина Свона. Перед нами, біля каси, чоловік років п’ятдесяти купував електричний гірський велосипед понад 3000 євро. Він базікав із менеджером магазину, і я почув таке речення: "У будь-якому разі, ми більше не продаємо, квадроцикли з м'язом".
Свонн на своєму прекрасному "мускулистому самохідному" велосипеді
Гірські гірські велосипеди ... світ перетворився. Тому об'єкт з електричним приводом, який купував замовник, просто називали "квадроциклом". Велосипед, який я купив для Свона, був "м'язовим велосипедом". Це довго кружляло в моїй голові ...
VAE: Електрична допомога… або м’язова допомога ?
Що мене непокоїло, це проблема розподілу зусиль. Перед нами об’єкт, який виробляє рух, поєднуючи два джерела енергії: електрику та м’язи.
Поки ми неявно описуємо велосипед, що має електричну допомогу, це стосується об’єкта, який в основному м’язовий. Звичайний велосипед з невеликим прискоренням "коли важко".
Але коли ми говоримо про "м’язовий гірський велосипед", я маю на увазі інше: мова йде про транспортний засіб, який, позбавлений свого звичайного джерела енергії (електрики), повинен поживити м’язи.
Це все було неявно, в порядку сумнівів ... Але я почав уважно роздивлятися ці машини, ставлення пілотів, їхній очевидний рівень зусиль. І я намагався порівняти це зі своїм пережитим досвідом.
Зовсім недавно, під час навчального курсу енергетичного дизайнера, ми взяли бика за роги: пішли шукати цифри. О, нічого надто складного. Просто стандартна інформація, просто для того, щоб маніпулювати порядками. Хочете повторити цю вправу зі мною ?
На тренінгу Energy Designer ви крутите педалі. і не лише трохи !
(Тим, кому це все подобається, я рекомендую захоплюючий сайт VeloMath - за що я побічно дякую за порівняння цифр!)
VAE: яка електрична потужність ?
Почнемо спочатку: визначення об’єкта. Наприклад, на цьому веб-сайті міститься основна інформація про законодавчу базу для VAE.
Ми дізнаємось, що згідно з європейською директивою 2002/24/EC потужність двигунів не повинна перевищувати 250 Вт. Крім того, двигун не запускається, якщо ви не накрутите педаль, за винятком (невеликого) винятку.
Конкретно, більшість машин на ринку мають двигуни потужністю від 200 до 250 Вт.
Тож питання, яке закономірно виникає: чи багато це чи ні? І про яку владу ми говоримо ?
Ну, на перший погляд, оскільки ефективність електродвигуна дуже висока (зазвичай перевищує 80%), ми можемо вважати, що ці 250 Вт відповідають як споживаній електричній потужності, так і поданій механічній потужності.
В основному, ми будемо вважати, що електричний двигун має ККД 100%. Ви побачите, що з огляду на явища, які ми розглядаємо, це наближення, яке ми значною мірою можемо собі дозволити
VAE: яка сила м’язів ?
Пізнати силу вершника важче хоча б тому, що є розмитість. Ми говоримо про корисну потужність (механічну потужність, яку постачає велосипедист), або остаточну потужність (потужність, споживану велосипедистом) ?
Поміж ними існує ефективність людської машини, яка, як вважається, становить не більше 20%, за оптимальних умов.
Два джерела дозволяють нам оцінити цей порядок.
По-перше, це відео, добре відоме, в якому ми бачимо велосипедиста дуже високого рівня, що виробляє 700 Вт. Тому це корисна потужність, враховуючи, що механічне/електричне перетворення становить 100%.
Якщо припустити, що він має коефіцієнт корисної дії 20%, то Роберт Фестерманн споживає в області стегон 74 см в окружності 3500 Вт менше ніж за дві хвилини.
Інше джерело є більш прямим. Це міра, на AirBike, у приміщенні, моєї сили та сили студентів-енергетиків.
Тренер Анто (з CrossFit Chambéry) показує мені, що він насправді має у стегнах
Ми вимірюємо максимальну споживану потужність, руки та ноги разом. Він коливається приблизно від 1200 Вт до 500 Вт. Для тренерів він піднімається майже до 2000 Вт. Цей максимум досягається за кілька секунд, не більше.
І все ж з ефективністю, оціненою в 20%, це означає "корисну" механічну потужність, що коливається від 400 Вт (для автобусів) до приблизно 100 Вт.
Крім того, я знаю, що можу підтримувати механічну потужність близько 100 Вт протягом приблизно 5 хвилин (відображається від 400 до 450 Вт) ... але тоді я вже в кінці свого життя;-).
На мій погляд, ми можемо підрахувати на цій підставі, що для простих людей, які нормально крутять педалі і залишаються нижче режиму "спорт", механічна потужність становить кілька десятків ват.
VAE - Порівняння електроенергії/сили м’язів
Отже, ми маємо таке порівняння:
- з одного боку, електрична "допомога", яка виробляє приблизно 250 Вт механічного
- з іншого боку, м'язова "основа" в кілька десятків ват, скажімо, від 20 до 80 Вт.
Я задаю вам питання: який із них є "допоміжним" ?
Я думаю, з цифр, що м’язи насправді випадкові. Насправді більша частина потужності надходить від електродвигуна.
Але, можна заперечити, тут ми розглядали лише максимальні сили. Немає доказів того, що електродвигун завжди працює на максимальній потужності. Це було б навіть дуже дивно
Щоб отримати проект верифікації, нам потрібно розглянути спожиту енергію. Але де знайти цю інформацію ?
Найпростіший спосіб - зайти і подивитися, що нам повідомляють дані продавців, наприклад тут чи там .
Ми дізнаємось, що ємність акумуляторів, як правило, становить від 400 до 500 Вт Whч. Для другої моделі («спортивний» гірський велосипед) передбачається 3 години спортивної практики.
Це дає нам цікаву підказку !
Ми також можемо зробити просте перетворення: 400 на 500 Вт Whч становить 344-430 ккал, тобто приблизно енергія, що міститься в 50 г вершкового масла або в 400 г філе минтая (робіть, що хочете, з цією інформацією).
Ми можемо зробити простий розрахунок: 500 Втч витрачається за 3 години спортивної практики. Це дає нам середню потужність за 3 години потужності 500/3 = 166 Вт.
Для міських моделей виробники частіше оголошують пробіг в км, часто близько 30 або 40 км. Розрахунок є менш негайним, але здійсненним, навіть приблизно. Вважайте середню швидкість 15 км/год. Таким чином, наша батарея на 400 Втч дозволить нам проїхати 40 км за 2,6 години, тобто середня електрична потужність 150 Вт.
Ми знаходимо однаковий порядок величини в обох випадках, приблизно 150 Вт середньої потужності за кілька годин використання електродвигуна.
Тож електрична або м’язова допомога ?
Давайте відновимо наше порівняння з цим середнім значенням, яке здається більш підходящим для практики: електрична допомога забезпечувала б в середньому 150 Вт, з піками в 250 Вт.
І пам’ятайте, що 100 Вт - це потужність, яку я можу утримати кілька хвилин, залишаючись повністю сфокусованою. Я не є ні чемпіоном світу, ні сидячою людиною. У будь-якому випадку, коли я кручу педалі, щоб отримати 100 механічних Вт, це не має нічого спільного з міськими велосипедистами, яких я зустрічаю, спокійними та прохолодними у своїх костюмах.
Я тестував це кілька днів тому. На Voie Verte, що проходить уздовж Лейсу, в Шамбері, мені вдалося «втримати кермо» двох гірських байкерів (отже, електричних) приблизно 1 км. Я дав усе, що міг, на рівному шляху, зустрічний вітер.
Вони були спокійні, на найвищій передачі. Ми їхали зі швидкістю 25 км/год. Їхній темп кручення педалей був удвічі менший. У спокої вони розробили загальну силу, яку я міг надати по максимуму ... і знову! Їх машина, мабуть, важила на 6-8 кг більше, ніж моя, з шинами MTB.
І я готовий посперечатися, що вони були велосипедистами для відпочинку.
Тому я пропоную цю гіпотезу: на VAE при нормальній роботі менше третини потужності забезпечується педалюванням, часто менше.
Ми розглянули миттєву потужність та кількість енергії, яку ми перетворили на середню потужність.
У нас досі є одна важлива інформація, про яку виробники часто сперечаються: крутний момент.
Наприклад, ви можете знайти подібну інформацію про "спортивний" гірський велосипед, посилання на яку ми вже бачили: "Подолайте всі перешкоди своїм крутним моментом центрального двигуна (70 Нм)".
У категорії "об'єкти, що не мають назви", я люблю цю "велобілет"
(Якщо ви не знаєте, що таке пара, невелике нагадування можна знайти тут)
Тому ми дізнаємось, що "крутний" (тобто "мускулистий", міцний) двигун для велосипеда становить близько 70 Нм.
У цій статті ми також знаходимо типові значення двигунів VAE від 50 до 70 Нм
Для порівняння, для електричного мотоцикла крутний момент становить 150 Нм. Для злегка спортивних автомобілів ми часто знаходимо значення від 300 до 400 Нм.
Не так просто оцінити крутний момент, який забезпечує "людський двигун", оскільки він постійно змінюється під час повороту педалі.
Існує чудовий підхід, що поєднує вимірювання та обчислення на сайті VéloMath. Ми дізнаємось, що крутний момент "на педалі" зазвичай коливається від 10 до 50 Нм. Це значення є максимальним, коли вершник стоїть на педалі, сам горизонтально.
Висновок? У кращому випадку крутний момент, що подається велосипедистом, має той же порядок величини, що і електричний двигун. Іншими словами: електрична допомога дає змогу принаймні подвоїти крутний момент, а то й потроїти або збільшити в чотири рази.
У наведеній нижче таблиці узагальнено порівняння, проведене нами за основними значеннями: максимальна потужність, середня потужність та крутний момент.
Максимальна потужність, що подається (Вт)
Середня потужність, що подається (Вт)