«ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΟΔΗΛΑΤΟΥ»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΟΔΗΛΑΤΟΥ» Εκπόνηση: Χαλατσάκος Οδυσσέας, 7282 Επιβλέπων: Επ. Καθηγητής Δημουλιάς Χάρης Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2016

2 Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία, παρουσιάζεται η μελέτη και ο σχεδιασμός ενός οικονομικού συστήματος μετατροπής ηλεκτρικού ποδηλάτου. Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων δεκαετιών, όσον αφορά στους ηλεκτρικούς κινητήρες και στις ηλεκτρικές μπαταρίες, καθώς και η μεγαλύτερη περιβαλλοντική συνείδηση που έχουν αποκτήσει οι άνθρωποι, έχουν δώσει μεγάλη ώθηση στην ανάπτυξη της αγορά των ηλεκτρικών ποδηλάτων. Παρότι το κόστος της μετατροπής ενός ποδηλάτου σε ηλεκτρικό συνεχώς μειώνεται, βρίσκεται ακόμα σε αρκετά υψηλά επίπεδα για έναν μέσο άνθρωπο που κατοικεί στην Ελλάδα. Στόχος αυτής της εργασίας είναι να παρουσιάσει τη σχεδίαση ενός συστήματος μετατροπής με πρωταρχικά κριτήρια τη λειτουργικότητα και το χαμηλό κόστος του, σε σχέση με τα συστήματα που κυκλοφορούν στην ελληνική αγορά. Μελετάται και σχεδιάζεται ένα ηλεκτρικό ποδήλατο που θα φέρει τον κινητήρα του κοντά στον άξονα των πεντάλ και θα τροφοδοτείται από μια μπαταρία ιόντων λιθίου. Το συγκεκριμένο είδος μετατροπής επιτρέπει πολλές σχεδιαστικές ελευθερίες. Έπειτα από τη διαστασιολόγηση των συστατικών κομματιών του ηλεκτρικού συστήματος, γίνεται μια εκτεταμένη έρευνα αγοράς και το τελικό κόστος της μετατροπής προκύπτει αρκετά χαμηλότερο από αυτό των εμπορικών συστημάτων. ii

3 Περιεχόμενα 1. Ιστορικά Στοιχεία και Εξέλιξη των Ηλεκτρικών Ποδηλάτων Θεμελιώδεις αρχές πρόωσης ηλεκτρικών ποδηλάτων Ισχύς που καταναλώνεται κατά την ανάβαση σε πλαγιές ή ανηφόρες Ισχύς που απαιτείται για να ξεπεραστεί η αντίσταση του ανέμου Ισχύς που απαιτείται για να ξεπεραστεί η αντίσταση κύλισης Ισχύς που απαιτείται για την επιτάχυνση του ποδηλάτου Ηλεκτρικοί κινητήρες και ελεγκτές για ηλεκτρικά ποδήλατα DC κινητήρες με ψήκτρες και συλλέκτη DC κινητήρες χωρίς ψήκτρες AC κινητήρες Μπαταρίες ηλεκτρικών ποδηλάτων Απαιτήσεις για την επιλογή της μπαταρίας του ηλεκτρικού ποδηλάτου Ηλεκτρικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος (Lead-Acid) Μπαταρίες νικελίου-καδμίου (Ni-Cd) και νικελίου υδριδίου μετάλλου (NiMH) Μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) Περιγραφή των διαφορετικών τύπων ηλεκτρικών ποδηλάτων Ποδήλατα με ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο στον άξονα του μπροστινού ή του πίσω τροχού Ποδήλατα με ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο κοντά στον άξονα των πεντάλ (electric bike with mid-drive motor) Ηλεκτρικά ποδήλατα με μετάδοση της κίνησης μέσω τριβής (friction drive) Μελέτη και σχεδιασμός ενός προσαρμοσμένου mid-drive ηλεκτρικού ποδηλάτου Διαστασιολόγηση ηλεκτρικού κινητήρα Διαστασιολόγηση της ηλεκτρικής μπαταρίας Ελεγκτής και χειροκίνητος έλεγχος κινητήρα Προσδιορισμός πρόσθετου γραναζιού και αλυσίδας Κοστολόγηση μετατροπής του ποδηλάτου σε ηλεκτρικό και σύγκριση με εμπορικά συστήματα μετατροπής Τρισδιάστατο σχέδιο απεικόνισης του τρόπου στήριξης του κινητήρα πάνω στο πλαίσιο του ποδηλάτου Βιβλιογραφία iii

4 iv

5 1. Ιστορικά Στοιχεία και Εξέλιξη των Ηλεκτρικών Ποδηλάτων Οι πρώτες προσπάθειες εξηλεκτρισμού των οχημάτων της εποχής, αναφέρονται σε τρίκυκλα οχήματα και χρονολογούνται στις αρχές της δεκαετίας του Ένα από τα πρώτα τέτοια οχήματα, σχέδιο του οποίου σώζεται μέχρι σήμερα, είναι το Ayrton and Perry, το οποίο κυκλοφόρησε στους δρόμους το Τα πρώτα ηλεκτρικά ποδήλατα, με τη μορφή του δίκυκλου όπως τα γνωρίζουμε σήμερα, πρωτοεμφανίστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του Η πρώτη πατέντα σχεδίου ηλεκτρικού ποδηλάτου κατοχυρώθηκε στις 31 Δεκεμβρίου, 1895 από τον Ogden Bolton, Jr. και αφορούσε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο με μπαταρίες και έναν 6-πολικό DC κινητήρα με ψήκτρες και συλλέκτη ενσωματωμένο στον άξονα του πίσω τροχού. Ο κινητήρας δεν περιείχε κανένα εσωτερικό γρανάζι και μπορούσε να «τραβήξει» ρεύμα 100 Α από μια μπαταρία 10 V. Η αμέσως επόμενη, χρονολογικά, πιο γνωστή κατοχύρωση πατέντας για ηλεκτρικό ποδήλατο ανήκει στον Hosea W. Libbey, ο οποίος εφηύρε το ποδήλατο με τον διπλό κινητήρα, τις δύο μπαταρίες και τους δύο πίσω τροχούς, τον Δεκέμβριο του Χρησιμοποίησε έναν 5-πολικό DC κινητήρα με ψήκτρες και συλλέκτη που τοποθετήθηκε στον Εικόνα 1. Ηλεκτρικό τρίκυκλο "Ayrton and Perry" Εικόνα 2. Το πρώτο ηλεκτρικό ποδήλατο που εφευρέθηκε από τον Ogden Bolton το 1895 στροφαλοφόρο άξονα του ποδηλάτου και οδηγούσε τους δύο πίσω τροχούς που ήταν πολύ κοντά, παράλληλα τοποθετημένοι. Η λογική των δύο μπαταριών ήταν ότι σε επίπεδο έδαφος θα χρησιμοποιούνταν η ενέργεια της μίας μόνο μπαταρίας, ενώ σε κεκλιμένο έδαφος, όπως κατά την οδήγηση στην ανηφόρα ενός λόφου, θα χρησιμοποιούνταν η ενέργεια και των δύο μπαταριών. Η 1

6 Εικόνα 3. Ηλεκτρικό ποδήλατο με σύστημα κινητήρα-τροχαλίας-ζώνης, 1898 Εικόνα 4. Ηλεκτρικό ποδήλατο με σύστημα μετάδοσης τροχαλία κινητήρα χωρίς ζώνη, 1899 οδήγηση των πίσω τροχών από τον κινητήρα κατέληξε μετά από αρκετές διορθώσεις να γίνεται μέσω αλυσίδας. Το 1898 ο Mathew J. Steffens εφηύρε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο το οποίο λειτουργούσε με μια ζώνη, η οποία ήταν τοποθετημένη περιμετρικά του πίσω τροχού και γύρω από τον κινητήρα. Ο πίσω τροχός ήταν ειδικά σχεδιασμένος με ένα αυλάκι, έτσι ώστε να αποφεύγονται τυχόντα γλιστρήματα της ζώνης κατά την επαφή με το έδαφος. Ο κινητήρας ήταν τοποθετημένος κάτω από τη θέση και οδηγούσε, μέσω αλυσίδας και γραναζιών, την τροχαλία της ζώνης. Το σκεπτικό αυτό, της τροχαλίας, εξέλιξε ο John Schnepf το Ο Schnepf δημιούργησε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο με την ίδια λογική μετάδοσης κίνησης, μόνο που αφαίρεσε την ζώνη. Χρησιμοποίησε την τροχαλία για την απευθείας μετάδοση της κίνησης στον πίσω τροχό, τοποθετώντας την ακριβώς στο επάνω μέρος του τροχού, δηλαδή με άμεση επαφή. Παράλληλα, ο Schnepf ήταν και ο πρώτος που εισήγαγε την ιδέα της φόρτισης της μπαταρίας από τη λειτουργία της τροχαλίας σας δυναμό, κατά την κάθοδο απότομων πλαγιών λόφων. Έπειτα από αυτήν την περίοδο, το ενδιαφέρον για τα ηλεκτρικά ποδήλατα και γενικά για την ηλεκτροκίνηση μειώθηκε δραματικά. Το πετρέλαιο ήταν αρκετά φθηνό, η περιβαλλοντική συνείδηση των ανθρώπων δεν ήταν καθόλου αναπτυγμένη και η μαζικοποίηση της παραγωγής των κινητήρων εσωτερικής καύσης για οχήματα είχε ήδη αρχίσει. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να μηδενιστεί το ενδιαφέρον για τα ηλεκτρικά ποδήλατα με τις πανάκριβες, μεγάλου βάρους ηλεκτρικές μπαταρίες. 2

7 Θα έπρεπε να περάσουν 20 χρόνια από το 1899, έτσι ώστε να αρχίσουν ξανά να γίνονται μικρές προσπάθειες εξέλιξης και εμπορευματοποίησης των ηλεκτρικών ποδηλάτων. Η πρώτη γνωστή αναφορά σε ηλεκτρικό ποδήλατο στον 20 ο αιώνα, συναντάται το 1920 από τη γερμανική εταιρεία Heinzmann. Η εταιρεία αυτή άρχισε τότε να κατασκευάζει μαζικά ηλεκτρικούς κινητήρες για ποδήλατα, οι οποίοι τοποθετούνταν σε ένα συρόμενο καρότσι πίσω από το ποδήλατο. Οι κινητήρες αυτοί προορίζονταν για τα ποδήλατα των ταχυδρόμων στην τότε Γερμανία. Λίγα χρόνια αργότερα, το 1927, μια γαλλική εταιρεία κατασκεύασε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, αρκετά παρόμοιας λογικής με αυτά που κυκλοφορούν σήμερα, αλλά τεχνολογικά πολύ μακριά, το Electrocyclette. Το Electrocyclette είχε έναν ηλεκτροκινητήρα ισχύος 0.5 HP και μια μπαταρία των 150 Ah. Έτσι μπορούσε να φτάσει τα 25 km/h με αυτονομία περίπου 20 km. Μεγάλο του μειονέκτημα ήταν το τεράστιο βάρος του που έφτανε τα 75 kg, κυρίως λόγω της πολύ μεγάλης μπαταρίας του. Η πρώτη αξιόλογη προσπάθεια για τη δημιουργία ενός αξιόπιστου ποδηλάτου ήρθε αρκετά χρόνια μετά. Το 1969, ο A. Wood, Jr. βασίστηκε στην εφεύρεση του Schnepf και προσπάθησε να την εξελίξει. Δημιούργησε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο όπου η μετάδοση κίνησης γινόταν μεσώ της τριβής. Χρησιμοποίησε 4 κινητήρες οι οποίοι ήταν τοποθετημένοι στην κορυφή του πίσω τροχού και οδηγούσαν ένα μικρό τροχό, ο οποίος μέσω τριβής γύριζε τον τροχό του ποδηλάτου. Στη συνέχεια η κρίση του πετρελαίου, καθώς και οι πρώτες κινήσεις ενδιαφέροντος για το περιβαλλοντικό πρόβλημα, αναθέρμαναν το ενδιαφέρον, τόσο των ανθρώπων όσο και των εταιρειών, για την Εικόνα 5. Electrocyclette 1927 Εικόνα 6. Ηλεκτρικό ποδήλατο τριβής, 1969 ηλεκτροκίνηση και τα ηλεκτρικά ποδήλατα. Αυτό, σε συνδυασμό με την τεχνολογική ανάπτυξη των ηλεκτρικών κινητήρων, των μπαταριών και των συστημάτων ελέγχου τους, έχει οδηγήσει σήμερα στην ολοένα και μεγαλύτερη αγορά του ηλεκτρικού ποδηλάτου. Ένα παράδειγμα εμπορικού ηλεκτρικού ποδηλάτου, που ήταν από τα πιο δημοφιλή της χρονιάς του, ήταν το Zike, 3

8 το οποίο κυκλοφόρησε το 1992 από την εταιρεία Vector Services Ltd. Αυτό το ποδήλατο είχε μια μπαταρία Ni-Cd ενσωματωμένη στο σκελετό του καθώς και έναν κινητήρα συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη, βάρους 850 g. Η αυτονομία του ήταν περίπου 60 km. Τα ηλεκτρικά ποδήλατα της δεκαετίας του 2010 κατασκευάζονται με την τελευταία λέξη της τεχνολογίας, ενσωματώνοντας προηγμένα συστήματα ελέγχου και κινητήρες ακριβείας. Οι επιδόσεις τους φτάνουν έως τα 130 km σε αυτονομία και μπορούν να αναπτύξουν ταχύτητα έως και 80 km/h. Παρ όλ αυτά όμως το κόστος ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου παραμένει και σήμερα αρκετά υψηλό και αυτό οφείλεται κυρίως στο υψηλό κόστος των εξελιγμένων μπαταριών από τις οποίες τροφοδοτούνται. 4

9 2. Θεμελιώδεις αρχές πρόωσης ηλεκτρικών ποδηλάτων Τόσο όσον αφορά στη μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή, αλλά και σε ότι αφορά την αγορά ενός ηλεκτρικού ποδηλάτου είναι καλό να υπάρχει η γνώση του μαθηματικού μοντέλου το οποίο αποτυπώνει την απαιτούμενη ισχύ και την ενέργεια που καταναλώνει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο. Έτσι ο υποψήφιος αγοραστής, αλλά πολύ περισσότερο ο υποψήφιος σχεδιαστής, θα μπορέσει να κάνει τις επιλογές εκείνες που θα του επιτρέψουν να έχει το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα προσαρμοσμένο στις εκάστοτε ανάγκες του. Η απαιτούμενη ενέργεια που καταναλώνει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο μπορεί να χωριστεί σε κατηγορίες. Αρχικά είναι η ενέργεια που καταναλώνεται κατά την ανάβαση σε πλαγιές ή ανηφόρες, η ενέργεια που καταναλώνεται στο να ξεπεραστεί η αντίσταση του ανέμου, η ενέργεια για να ξεπεραστεί η αντίσταση τριβής κύλισης με το έδαφος καθώς και η ενέργεια που καταναλώνεται κατά την επιτάχυνση του ηλεκτρικού ποδηλάτου. Για τον υπολογισμό της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας μπορούν να γίνουν αναλυτικοί υπολογισμοί Ισχύς που καταναλώνεται κατά την ανάβαση σε πλαγιές ή ανηφόρες Η ισχύς που καταναλώνεται κατά την ανάβαση μιας ανηφόρας ή μιας πλαγιάς λόφου αποτελεί σημαντικό ποσοστό της συνολικής ισχύος που καταναλώνει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο. Προφανώς είναι ανάλογη της κλίσης του εδάφους και θα πρέπει να λαμβάνεται πολύ σοβαρά υπ όψη, όταν το ποδήλατο που θα σχεδιαστεί ή θα επιλεγεί πρόκειται να κινηθεί σε έδαφος με μεγάλες αλλαγές κλίσεων. Ο υπολογισμός της ισχύος αυτής γίνεται από την εξίσωση: Όπου, P u = 9.81 M υ g G (W) Μ [kg]: η συνολική μάζα του ποδηλάτου, του ποδηλάτη και ίσως κάποιου φορτίου που μπορεί να μεταφέρεται υg [m/s]: η ταχύτητα εδάφους του ποδηλάτου G: η κλίση του εδάφους. Η κλίση του εδάφους υπολογίζεται σαν ο λόγος της υψομετρικής διαφοράς προς την απόσταση που διανύθηκε. Για πάρα πολύ απότομες κλίσεις, η κλίση G θα πρέπει να αντικατασταθεί από το sin[tan 1 υψόμετρο απόσταση ]. 5

10 2.2. Ισχύς που απαιτείται για να ξεπεραστεί η αντίσταση του ανέμου Ακόμη πιο σημαντική από την ισχύ που καταναλώνεται σε ανηφόρες, είναι η ισχύς που δαπανάται για να ξεπεραστεί η αντίσταση του ανέμου. Η αεροδυναμική οπισθέλκουσα δύναμη που ασκείται στον ποδηλάτη υπολογίζεται από την εξής σχέση: Όπου, Α [m 2 ]: η μετωπική επιφάνεια Cd: ο αεροδυναμικός συντελεστής F D = 1 2 A ρ C 2 d υ rel ρ [kg/m 3 ]: η πυκνότητα του αέρα, η οποία δίνεται από τη σχέση ρ = 1.2 e h, όπου h το υψόμετρο από την επιφάνεια της θάλασσας σε [km] υrel [m/s]: η σχετική ταχύτητα του αέρα, η οποία είναι η ταχύτητα του εδάφους (υg) όταν προστίθεται με το διάνυσμα της ταχύτητας του ανέμου (υw) Όσον αφορά στο συντελεστή Α, οι Morchin & Oman αναλύουν στο βιβλίο τους, Electric Bicycles A Guide to Design and Use, τον τρόπο με τον οποίο μέτρησαν τον αεροδυναμικό συντελεστή για διάφορα σχήματα, καθώς και την συνολική μετωπική επιφάνεια ενός κανονικά ντυμένου ποδηλάτη σε όρθια στάση και βάρους 80 κιλών. Έτσι από τη μελέτη τους προέκυψαν οι παρακάτω πίνακες που δίνουν αυτό το συντελεστή. Στον πίνακα 1, φαίνεται ο αεροδυναμικός συντελεστής για τα διάφορα σχήματα καθώς και η ισχύς που καταναλώνεται για επιφάνεια των σχημάτων 0.5 και 0.4 m 2, όταν η ταχύτητα του αέρα είναι 32 km/h. Στον πίνακα 2, φαίνεται η επίδραση των διάφορων μερών του σώματος του ανθρώπου στην συνολική μετωπική επιφάνεια. Στο ίδιο βιβλίο και με βάση αυτούς τους πίνακες αναφέρεται ότι τελικά ο αεροδυναμικός συντελεστής μπορεί να ληφθεί ίσος με 0.77 για έναν σκυφτό ποδηλάτη και ίσος με 1 για έναν όρθιο ποδηλάτη. Επίσης η συνολική μετωπική επιφάνεια ενός συνηθισμένου ποδηλάτη προκύπτει περίπου 0.5 m 2. 6

11 Πίνακας 1. Αεροδυναμικός συντελεστής για διάφορα γεωμετρικά σχήματα Πίνακας 2. Μετωπική επιφάνεια για διάφορα μέρη του ανθρωπίνου σώματος Έτσι μέσω του υπολογισμού της αντίστασης του αέρα, μπορεί να υπολογιστεί η ισχύς που καταναλώνεται από αυτή, όπως υποδεικνύει η εξής σχέση: P w = F D υ g (W) P w = 1 2 [C d ρ A (υ w + υ g ) 2 ] υ g (W) 7

12 Από την εξίσωση αυτή είναι φανερό ότι η ισχύς για να ξεπεραστεί η αντίσταση του αέρα είναι συνάρτηση του τετραγώνου της σχετικής ταχύτητας. Για αυτό το λόγο όσο η σχετική ταχύτητα αυξάνεται, είτε λόγω της ταχύτητας του εδάφους είτε της ταχύτητας του αέρα, η ισχύς που απαιτείται γίνεται σημαντικά μεγαλύτερη Ισχύς που απαιτείται για να ξεπεραστεί η αντίσταση κύλισης Η ισχύς της δύναμης της αντίστασης κύλισης που δέχεται το ποδήλατο κατά την πορεία του αποτελεί ένα αρκετά σημαντικό ποσοστό της συνολικής καταναλισκόμενης ισχύος, κυρίως όταν η ταχύτητα του ποδηλάτου είναι χαμηλή. Η αντίσταση κύλισης εξαρτάται από το συνολικό βάρους στου συστήματος του ποδηλάτου και του ποδηλάτη, από τον τύπο των ρουλεμάν που χρησιμοποιούνται και από το είδος των ελαστικών του ποδηλάτου. Ο Morchin, για τις ανάγκες του βιβλίου που αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, έκανε μετρήσεις, έτσι ώστε να αποφύγει τη μελέτη όλων αυτών των παραμέτρων που επηρεάζουν την αντίσταση κύλισης. Αντί για αυτό προσπάθησε να μετρήσει το σύνολο της επίδρασης της αντίστασης κύλισης απευθείας. Έβγαλε το συμπέρασμα ότι ο συντελεστής κύλισης είναι συνάρτηση της συνολικής μάζας του συστήματος ποδήλατου ποδηλάτη, και πρότεινε για αυτόν τη σχέση: C r = A + B W Όπου Α και Β σταθερές και W η συνολική μάζα [kg]. Τιμές των σταθερών αυτών για ένα ηλεκτρικό ποδήλατο με σταθερή πίεση ελαστικών 35 psi δίνονται στον πίνακα 3. Στο διάγραμμα της εικόνας 7, δίνεται η γραφική παράσταση του συντελεστή κύλισης σε συνάρτηση με τη συνολική μάζα για διάφορους τύπους οχημάτων. Η γραμμή που αφορά στο ηλεκτρικό ποδήλατο δίνεται με το σχήμα. Με συμβολίζεται ένα ανακλινόμενο ποδήλατο με πίεση ελαστικών 35 psi, ενώ με ένα ίδιο ποδήλατο, αλλά με πίεση ελαστικών 15 psi. Με + συμβολίζεται ένα συμβατικό mountain ποδήλατο. Με το σύμβολο 0 και σε κάθε αριθμό αντιστοιχούν ξεχωριστές μετρήσεις για διάφορα ποδήλατα, ως εξής: 1 για μικρό σε ηλικία ποδηλάτη, 2 για ευρωπαϊκό ποδήλατο περιφερειακών διαδρομών, 3 για ανακλινόμενο ποδήλατο, 4 για αγωνιστικό, 5 για τρίτροχο και 6 για ποδήλατο που σέρνει ξεχωριστό φορτίο πίσω του. 8

13 Πίνακας 3. Τιμές συντελεστών Α και Β για ηλεκτρικό ποδήλατο με πίεση ελαστικών 35 psi Εικόνα 7. Γραφική παράσταση συντελεστή κύλισης σε συνάρτηση με τη συνολική μάζα. Το ηλεκτρικό ποδήλατο συμβολίζεται με το Τελικά η ισχύς που καταναλώνεται στην αντίσταση κύλισης και με το συντελεστή κύλισης να δίνεται από την παραπάνω γραφική παράσταση, δίνεται από τη σχέση: P r = 9.81 C r M υ g (W) Όπου Μ η συνολική μάζα του συστήματος [kg] και υ g η ταχύτητα του εδάφους [m/s]. 9

14 2.4. Ισχύς που απαιτείται για την επιτάχυνση του ποδηλάτου Εάν η δύναμη που ασκείται στο ποδήλατο είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των δυνάμεων του αέρα και των τριβών, τότε η κινητική ενέργεια του ποδηλάτου θα αυξηθεί, δηλαδή αυτό θα επιταχυνθεί. Η δύναμη επιτάχυνσης δίνεται από το γινόμενο της μάζα με την επιτάχυνση F a = M a (N). Η δύναμη αυτή μεταφράζεται σε ροπή, η οποία απαιτείται από τον κινητήριο τροχό για να επιταχυνθεί και η οποία ροπή τελικά θα δοθεί από τον ηλεκτρικό κινητήρα και από τον ποδηλάτη μέσω των πεντάλ του ποδηλάτου. Η ροπή που απαιτείται από τον κινητήριο τροχό έτσι ώστε να επιταχυνθεί το ποδήλατο με μια συγκεκριμένη επιτάχυνση α [m/s 2 ] είναι: T a = M r a [Nm] όπου r είναι η ακτίνα του τροχού σε [m] και Μ η συνολική μάζα ποδηλάτου ποδηλάτη σε [kg]. Η σύνδεση μέσω γραναζιών του κινητήρα και των πεντάλ με τον κινητήριο τροχό θα προσαρμόσει την τιμή της ροπής σύμφωνα με τη σχέση μετάδοσης. Μηχανισμοί γραναζιών που μειώνουν την ταχύτητα των πεντάλ και του κινητήρα, σε σχέση με αυτή του κινητήριου τροχού, θα μειώσουν αντίστοιχα τη ροπή που απαιτείται από τον κινητήρα και τα πεντάλ. Σε αυτή την απαιτούμενη ροπή επιτάχυνσης συμμετέχει και η ροπή αδρανείας όλων των μηχανικών μερών του ποδηλάτου. Παρ όλα αυτά αυτή η ροπή μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι πολύ μικρή σε σχέση με τη συνολική απαιτούμενη ροπή και έτσι να αμεληθεί. Το έργο που δαπανάται κατά τη φάση της επιτάχυνσης είναι το γινόμενο της δύναμης επιτάχυνσης με την απόσταση που διανύεται κατά τη φάση αυτή. Η απόσταση που διανύεται σε μία ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση είναι: S = 1 2 a t2 + υ 0 t [m] Όπου υ 0 η αρχική ταχύτητα σε [m/s], α η σταθερή επιτάχυνση σε [m/s 2 ] και t ο χρόνος της επιτάχυνσης σε [s]. Έτσι το έργο που δαπανάται κατά τη φάση της επιτάχυνσης είναι: W a = F a S = M a ( 1 2 a t2 + υ 0 t) [ J ] Και αν το έργο διαιρεθεί με το χρόνο επιτάχυνσης προκύπτει η ισχύς επιτάχυνσης: P a = 1 2 M a2 t + M a υ 0 [W] 10

15 Από την εξίσωση της ισχύος βγαίνει το συμπέρασμα ότι όσο πιο γρήγορα ταξιδεύει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο τόσο περισσότερη ισχύς χρειάζεται για να το επιταχύνει, αφού αυτή είναι συνάρτηση της αρχικής ταχύτητας κατά το στάδιο της επιτάχυνσης. Επομένως αυτός είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για την τελική ταχύτητα που μπορεί να έχει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, καθώς και για την αυτονομία του. 11

16 3. Ηλεκτρικοί κινητήρες και ελεγκτές για ηλεκτρικά ποδήλατα Οι κινητήρες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, μπορεί να πει κανείς ότι είναι 2 ειδών: AC κινητήρες, DC κινητήρες. Μέχρι την περασμένη δεκαετία οι κινητήρες που χρησιμοποιούνταν κατά κόρον σε ηλεκτρικά ποδήλατα ήταν οι κλασικοί κινητήρες συνεχούς ρεύματος με ψήκτρες και συλλέκτη. Οι τεχνολογικές εξελίξεις των περασμένων ετών οδήγησαν όλο και περισσότερους κατασκευαστές στη χρησιμοποίηση των κινητήρων συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Από την άλλη μεριά, οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος αποτελούν μόνο ένα πολύ μικρό κομμάτι της αγοράς των ηλεκτρικών ποδηλάτων DC κινητήρες με ψήκτρες και συλλέκτη Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος με ψήκτρες και συλλέκτη κατέχουν μέχρι και σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό των ηλεκτρικών κινητήρων συνεχούς ρεύματος στην αγορά. Ήταν οι κινητήρες που χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά στα τέλη του 19 ου αιώνα. Παράχθηκαν μαζικά και χρησιμοποιήθηκαν σε πάρα πολλές εφαρμογές μέχρι και σήμερα. Αυτού του τύπου ο κινητήρας χρησιμοποιήθηκε και στο πρώτο πατενταρισμένο ηλεκτρικό ποδήλατο που δημιουργήθηκε το 1895 από τον O. Bolton. Η χρησιμοποίηση αυτών των κινητήρων είναι τόσο πολύ διαδεδομένη για τον απλό λόγο ότι τα συστήματα των μπαταριών που χρησιμοποιούνται είναι πηγές συνεχούς ρεύματος. Πλεονεκτήματα των κινητήρων αυτών είναι ότι είναι πάρα πολύ καλοί στον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής τους. Ανταποκρίνονται πάρα πολύ καλά όταν απαιτούνται μεγάλες μεταβολές της ταχύτητας. Επιπλέον, παρέχουν πάρα πολύ καλή ροπή εκκίνησης και έτσι είναι ιδανικοί για την εκκίνηση σε εφαρμογές ηλεκτρικών ποδηλάτων. Ο έλεγχός της ταχύτητας περιστροφής τους είναι πολύ απλός, αφού για αυτόν αρκεί να γίνεται έλεγχος της τάσης τροφοδοσίας τους. Έτσι είναι πολύ εύκολο να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχό τους κάποιος DC DC μετατροπέας με PWM διαμόρφωση. Ο κύκλος εργασίας αυτού του μετατροπέα μπορεί να ελέγχεται από τον ποδηλάτη μέσω ενός γραμμικού ρεοστάτη χαμηλής κατανάλωσης. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και τη χρησιμοποίηση των IGBTs και των MOSFETs, οι ελεγκτές αυτοί 12

17 πλέον έχουν πάρα πολύ μικρή αντίσταση σειράς και επομένως αμελητέες απώλειες ενέργειας. Άρα γίνεται φανερό ότι ο έλεγχος των κινητήρων αυτού του τύπου είναι μια απλή και φθηνή διαδικασία. Επίσης το συνολικό βάρος του συστήματος κινητήρα ελεγκτή είναι κατάλληλο για εφαρμογή σε ηλεκτρικό ποδήλατο. Από την άλλη μεριά, παρόλο που οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος με ψήκτρες είναι πάρα πολύ καλοί στον έλεγχο των απότομων μεταβολών των στροφών τους, δεν είναι το ίδιο καλοί στο να κρατήσουν σταθερή την ταχύτητα του ποδηλάτου. Επιπλέον, έχουν όλα τα συνηθισμένα προβλήματα που έχουν να κάνουν με τη συντήρηση τους, όσον αφορά τη φθορά των ψηκτρών και του συλλέκτη καθώς και την επιβάρυνσή τους με τα στοιχεία εκείνα που επιδιορθώνουν αυτά τα προβλήματα DC κινητήρες χωρίς ψήκτρες Οι DC κινητήρες χωρίς ψήκτρες (Brushless Direct Current motors, BLDC) άρχισαν να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο σε ηλεκτρικά ποδήλατα, έπειτα από τις αρχές της δεκαετίας του Είναι σύγχρονοι κινητήρες που τροφοδοτούνται από μια πηγή συνεχούς ρεύματος μέσω ενός ενσωματωμένου αντιστροφέα (inverter), ο οποίος παρέχει το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό σήμα για την οδήγηση του κινητήρα. Ο δρομέας του κινητήρα είναι συνήθως κατασκευασμένος από μόνιμο μαγνήτη. Η λειτουργία των ψηκτρών και του συλλέκτη σε αυτή την περίπτωση αντικαθίσταται από έναν ηλεκτρονικό ελεγκτή, και έτσι δεν υπάρχουν τα προβλήματα που σχετίζονται με τις ψήκτρες και το συλλέκτη (φθορά, συντήρηση, σπινθηρισμοί, κλπ.). Σε περίπτωση που ο κινητήρας περιλαμβάνει μόνιμο μαγνήτη, τότε αυτός είναι που παρέχει την απαιτούμενη μαγνητική ροή χωρίς να καταναλώνει ενέργεια. Ο κινητήρας αυτός μπορεί να περιστρέφεται με ταχύτητα που ανταποκρίνεται ακριβώς στη συχνότητα τροφοδοσίας και μπορεί με αυτό τον τρόπο να ελέγξει πολύ καλά τις μεταβολές αλλά και τη σταθερή ταχύτητα του ποδηλάτου. Άλλα πλεονεκτήματα του BLDC κινητήρα είναι ότι προσφέρει πολύ υψηλό λόγο ροπής προς μάζα, περισσότερη ροπή ανά μονάδα ισχύος, αυξημένη αξιοπιστία, ελάχιστο θόρυβο και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σχέση με τον κλασικό κινητήρα συνεχούς ρεύματος με ψήκτρες και συλλέκτη. 13

18 Η αντικατάσταση του συστήματος μεταγωγής με τον ηλεκτρονικό ελεγκτή στον BLDC κινητήρα αυτόματα αυξάνει την πολυπλοκότητα της κατασκευής του. Ο έλεγχος αυτός είναι ιδιαίτερος και απαιτεί αρκετά εξελιγμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα για να εφαρμόσουν κατάλληλα την DC τροφοδοσία στον κινητήρα. Ο πιο εξελιγμένος και ιδιαίτερος έλεγχος που απαιτείται, καθώς και η κατασκευή του που πολύ συχνά περιέχει μόνιμο μαγνήτη καθιστούν αυτήν την επιλογή κινητήρα ακριβή σε αγορά, σε σχέση με τον κλασικό DC κινητήρα. Η υψηλότερη ροπή που μπορεί να παρέχει κάνουν το BLDC κινητήρα ιδανική επιλογή για ποδήλατα τα οποία κινούνται σε εδάφη με απότομες κλίσεις. Σε τέτοιες περιπτώσεις οι κινητήρες αυτοί ενσωματώνονται στον τροχό του ποδηλάτου, όπως φαίνεται στην εικόνα 8. Εικόνα 8. BLDC κινητήρας ενσωματωμένος στον πίσω τροχό ηλεκτρικού ποδηλάτου 14

19 3.3. AC κινητήρες Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιούνται σπάνια σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Ο λόγος για αυτό είναι ότι απαιτείται αντιστροφέας για την τροφοδοσία τους από την μπαταρία. Επίσης το σύστημα ελέγχου των στροφών τους είναι πιο πολύπλοκο. Αυτά τα δύο χαρακτηριστικά κάνουν την επιλογή ενός κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος μια αρκετά ακριβή επιλογή. Επιπλέον έχουν μικρότερη ροπή εκκίνησης από τους DC κινητήρες, παρόλο που ο έλεγχος των στροφών τους είναι πολύ καλός και η λειτουργία τους είναι αθόρυβη. Ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα των κινητήρων AC στη χρήση τους σε ηλεκτρικά ποδήλατα είναι ότι είναι πολύ μεγάλοι σε μέγεθος και βάρος για τις τιμές της ισχύος που απαιτούνται. 15

20 4. Μπαταρίες ηλεκτρικών ποδηλάτων Οι απαιτήσεις των εφαρμογών που αναπτύσσονται κυρίως στην αεροδιαστημική, στην αεροπορία αλλά και στο στρατό έχουν οδηγήσει στη διεξαγωγή εκτεταμένης έρευνας γύρω από το αντικείμενο των ηλεκτρικών μπαταριών. Οι απαιτήσεις αφορούν πρωτίστως χαρακτηριστικά των μπαταριών, όπως είναι η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας καθώς και διάρκεια ζωής τους. Τα τελευταία χρόνια οι βελτιώσεις σε αυτούς τους τομείς είναι πολύ σημαντικές, με αποτέλεσμα να έχουν γίνει διαθέσιμες μπαταρίες με πολύ ικανοποιητικά χαρακτηριστικά, όσον αφορά στα ηλεκτρικά ποδήλατα. Οι επιλογές που έχει κάποιος τη σύγχρονη εποχή είναι πάρα πολλές. Η πρώτη μπαταρία που κατοχυρώθηκε σαν πατέντα το 1894, από τον H. W. Libbey, για χρήση σε ηλεκτρικό ποδήλατο ήταν άνθρακα-ψευδαργύρου. Τα επόμενα χρόνια χρησιμοποιήθηκαν πάρα πολύ οι μπαταρίες μολύβδου οξέος. Αργότερα, οι απαιτήσεις των διαστημικών εφαρμογών οδήγησαν στη χρησιμοποίηση μπαταριών, όπως είναι οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου, νικελίου υδριδίου μετάλλου και νικελίου υδρογόνου, οι οποίες όμως ήταν πολύ ακριβές για χρήση σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Σήμερα, η ανάγκη για ελαφριές μπαταρίες, με μεγάλο κύκλο ζωής και ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας έχει οδηγήσει στη χρησιμοποίηση νέων τύπων μπαταριών, όπως είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και παραλλαγές αυτών, όπως οι φωσφορικού σιδήρου λιθίου και οι λιθίου-οξειδίου του κοβαλτίου. Άλλοι νέοι τύποι μπαταριών που δοκιμάζονται και χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά ποδήλατα είναι οι μπαταρίες αργύρου-ψευδαργύρου και θειικού νατρίου. Η μπαταρία που θα τροφοδοτεί ένα ηλεκτρικό ποδήλατο είναι ένα πολύ σημαντικό κομμάτι του συστήματός του. Παράλληλα είναι συνήθως και το πιο ακριβό. Γι αυτό η επιλογή της μπαταρίας που θα χρησιμοποιηθεί πρέπει να γίνει με προσοχή. Σήμερα οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε ηλεκτρικά ποδήλατα είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Μικρότερο μερίδιο στην αγορά έχουν οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος και νικελίου-καδμίου. Τα χαρακτηριστικά αυτών των μπαταριών αναλύονται στη συνέχεια. 16

21 4.1. Απαιτήσεις για την επιλογή της μπαταρίας του ηλεκτρικού ποδηλάτου Η επιλογή της μπαταρίας που θα επιλεγεί για το ηλεκτρικό ποδήλατο πρέπει να γίνει έπειτα από πολύ καλό ορισμό και ποσοτικοποίηση των απαιτήσεων της εφαρμογής για την οποία προορίζεται. Για παράδειγμα, άλλες απαιτήσεις έχει ένα ηλεκτρικό ποδήλατο που θα κινείται καθημερινά για μεγάλες αποστάσεις και άλλες απαιτήσεις έχει αυτό που θα κινείται μια φορά τη βδομάδα και για μικρές αποστάσεις. Επομένως, είναι απαραίτητο να αναλυθούν όλα τα δεδομένα που υπάρχουν διαθέσιμα και να εξεταστούν διεξοδικά όλες οι διαθέσιμες εναλλακτικές λύσεις. Κάποια από τις βασικές γενικές απαιτήσεις που πρέπει να ληφθούν υπ όψη κατά την επιλογή της μπαταρίας είναι: Η απαιτούμενη απόδοση του ηλεκτρικού ποδηλάτου σε όρους αυτονομίας σε μια πλήρη φόρτιση, επιτρεπόμενου βάρους της μπαταρίας και ισχύος που απαιτείται σε περίπτωση που ο ποδηλάτης δε συνεισφέρει στην κίνηση. Η μέγιστη επιτρεπόμενη μάζα του συστήματος ποδηλάτου, ποδηλάτη και μπαταρίας. Η μεγαλύτερη κλίση του εδάφους που μπορεί το ηλεκτρικό ποδήλατο να ανέβει. Θα πρέπει να υπολογιστεί το μέγεθος της κλίσης, το μήκος αυτής της ανηφόρας, καθώς και η ταχύτητα με την οποία θα πραγματοποιείται η ανάβαση. Εξίσου σημαντική είναι η ενδεχόμενη συνεισφορά του ποδηλάτη στην ανάβαση, όπου θα πρέπει να εξεταστεί το ποσό της ισχύος που αυτός μπορεί να διαθέσει. Το εύρος της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος στο οποίο πρόκειται να λειτουργήσει η μπαταρία. Ο απαιτούμενος κύκλος ζωής της μπαταρίας όσον αφορά τους κύκλους φόρτισης εκφόρτισης. Άλλες ειδικές ανάγκες που απαιτούνται από την εφαρμογή για την οποία θα χρησιμοποιηθεί το ηλεκτρικό ποδήλατο, όπως για παράδειγμα το συχνό κουβάλημα κάποιου φορτίου ή η μεταφορά του ποδηλάτη από και προς το χώρο εργασίας του. Άλλες παράμετροι που μπορούν να καθορίσουν την επιλογή μια μπαταρίας είναι το αρχικό κόστος αγοράς της, η κατανάλωση ενέργειας που έχει ανά χιλιόμετρο ταξιδιού, που μπορεί να ελαχιστοποιήσει το κόστος κατά τη λειτουργία, καθώς και προσωπική επιθυμία του εκάστοτε ποδηλάτη. 17

22 Παρόλο που η επιλογή της μπαταρίας μπορεί να γίνει σύμφωνα με την ανάλυση των παραπάνω απαιτήσεων, υπάρχει το ενδεχόμενο να παρουσιαστούν κάποιες ανάγκες που δεν μπορούν να υπολογιστούν εκ των προτέρων. Για παράδειγμα, σε περίπτωση βλάβης του εσωτερικού ελεγκτή της μπαταρίας μετά από κάποια χρόνια χρήσης, υπάρχει περίπτωση να μην είναι διαθέσιμο κάποιο ανταλλακτικό και έτσι ο ποδηλάτης να οδηγηθεί εκ νέου σε αγορά μπαταρίας. Επίσης σε περίπτωση αλλαγής της τοποθεσίας που κινείται το ηλεκτρικό ποδήλατο, είναι πιθανό το έδαφος να έχει άλλη μορφολογία και οι απαιτήσεις σε ισχύ να είναι διαφορετικές. Για να συμπεριληφθούν και κάποια τέτοια απρόβλεπτα ενδεχόμενα στην απόφαση, καλό είναι να επιλεγεί μια μπαταρία με ελαφρώς μεγαλύτερη χωρητικότητα από την αρχικά υπολογιζόμενη Ηλεκτρικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος (Lead-Acid) Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος χρησιμοποιούνται ευρύτατα ήδη από τις αρχές του 20 αιώνα μέχρι και σήμερα. Αποτελούν την πιο φθηνή επιλογή για αποθήκευση ενέργειας. Τα τεράστια αποθέματα των συστατικών που υπάρχουν στην αγορά επιτρέπουν στους κατασκευαστές αυτών των μπαταριών να διατηρούν τη μαζική παραγωγή τους με το ελάχιστο κόστος. Η εμπειρία από τη χρήση τόσον δεκάδων χρόνων καθώς και οι μετρήσεις απόδοσης που έχουν γίνει, επιτρέπουν στο σχεδιαστή του ηλεκτρικού ποδηλάτου να έχει πολύ καλή γνώση των χαρακτηριστικών αυτού του τύπου των μπαταριών. Η ιστορία των μπαταριών μολύβδου-οξέος έχει δείξει ότι πρέπει να μελετηθούν πολύ καλά όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Για περιπτώσεις όπου απαιτούνται μικρές μετακινήσεις, οι μπαταρίες αυτές μπορεί να είναι η καλύτερη επιλογή, όσον αφορά στο κόστος. Αντίθετα δεν ενδείκνυνται για μεγάλες και συχνές μετακινήσεις. Η χαμηλή πυκνότητα της ενέργειας αυτών των μπαταριών που μπορεί να φτάσει μέχρι και 20 Wh/kg, τις κάνει να έχουν πολύ μεγάλο βάρος. Έτσι, σε συχνές και μεγάλες μετακινήσεις η μπαταρία θα καταναλώνει ενέργεια για τη μεταφορά του ίδιου της του εαυτού, κάτι που καθιστά το ταξίδι με το ηλεκτρικό ποδήλατο κουραστικό και με μεγαλύτερο κόστος. Το μεγάλο βάρος της κάνει αναγκαία τη δημιουργία ενός στιβαρού συστήματος τοποθέτησής της πάνω στο ποδήλατο. Κάτι τέτοιο προσθέτει ακόμα περισσότερο βάρος και οδηγεί στο χειρότερο έλεγχο του ποδηλάτου. Παράλληλα, η μπαταρία μολύβδου-οξέος απαιτεί κάθε φορά την πλήρη φόρτιση και εκφόρτισή 18

23 της. Εάν αυτό δεν γίνεται, τότε πολύ σύντομα χάνει την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας που έχει και θα πρέπει μετά από λίγο χρονικό διάστημα να αντικατασταθεί. Τα τελευταία χρόνια, η ανάπτυξη νέων τύπων μπαταριών με μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής έχει περιορίσει τη χρήση των μπαταριών μολύβδου οξέος σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Σε αυτές τις εφαρμογές δε συμπεριλαμβάνονται τα ηλεκτρικά ποδήλατα, όπου τις συναντά κανείς σπάνια Μπαταρίες νικελίου-καδμίου (Ni-Cd) και νικελίου υδριδίου μετάλλου (NiMH) Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου (NiCd) είναι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που έχουν υδροξείδιο νικελίου και μεταλλικό κάδμιο σαν ηλεκτρόδια. Πλεονέκτημά τους σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι η μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας, που έχει ως αποτέλεσμα το μικρότερο βάρος. Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου έχουν περίπου το μισό βάρος σε σχέση με τις μολύβδου-οξέος. Παράλληλα το εύρος της θερμοκρασίας στην οποία μπορούν να λειτουργήσουν είναι αρκετά μεγαλύτερο. Πιο συγκεκριμένα, μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες που είναι πολύ χαμηλές για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος. Επίσης σημαντικό πλεονέκτημα αυτών των μπαταριών είναι και η μεγάλη αξιοπιστία τους. Χαρακτηριστικό είναι, ότι σε εφαρμογές της NASA που χρησιμοποιούσαν τέτοιες μπαταρίες, πέρασαν 53 χρόνια χωρίς να υπάρξει κάποια αστοχία σε ένα κελί κάποιας μπαταρίας νικελίου-καδμίου. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι η αξιοπιστία τους φτάνει έως και 99.8%. Παρά τα θετικά που έχουν και τα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος, η ευρεία χρήση των μπαταριών αυτών γρήγορα εγκαταλείφθηκε καθώς έχουν μια σειρά από μειονεκτήματα που τις καθιστούν δύσχρηστες. Το κύριο μειονέκτημά τους είναι το πάρα πολύ υψηλό κόστος. Το νικέλιο είναι αρκετά ακριβό στοιχείο με αποτέλεσμα οι μπαταρίες αυτές να κοστίζουν έως και 8 φορές περισσότερο από τις αντίστοιχες με βάση το μόλυβδο. Ένα άλλο μειονέκτημά τους είναι ότι δεν μπορεί να γίνει πλήρης εκμετάλλευση της διαθέσιμης χωρητικότητάς τους. Σε περίπτωση που μια τέτοια μπαταρία εκφορτιστεί πλήρως μειώνεται δραματικά ο χρονικός κύκλος φόρτισης εκφόρτισης, με αποτέλεσμα να είναι αναγκαία η συχνότερη αντικατάστασή της. Το χαμηλό ρεύμα που μπορεί να παρέχει είναι και αυτό ένα μειονέκτημα για εφαρμογές, όπως ηλεκτρικά ποδήλατα. Επιπρόσθετα, το γεγονός ότι μπορεί να 19

24 λειτουργήσει σε ένα μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών έχει και αρνητικές επιπτώσεις. Η τάση της μπαταρίας μεταβάλλεται με τις αλλαγές της θερμοκρασίας και έτσι θα πρέπει το φορτίο της να προσαρμόζεται σε αυτές της αλλαγές. Κατά το στάδιο της φόρτισής της θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας φορτιστής που έχει αισθητήρα θερμοκρασίας περιβάλλοντος, έτσι ώστε να παρέχει την κατάλληλη τάση, ανάλογα με τη θερμοκρασία, για την πλήρη φόρτιση της μπαταρίας. Επομένως, το κόστος αυξάνει ακόμα πιο πολύ. Αυτοί ήταν και οι λόγοι που οι μπαταρίες νικελίουκαδμίου γρήγορα σταμάτησαν να χρησιμοποιούνται και σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου γρήγορα αντικαταστάθηκαν από άλλες μπαταρίες που έχουν και αυτές σαν βάση τους το νικέλιο, τις μπαταρίες νικελίου υδριδίου μετάλλου (NiMH). Οι μπαταρίες αυτές έχουν μικρότερο βάρος και όγκο, και είναι πιο αποδοτικές σε σχέση με τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Επίσης, η απουσία του καδμίου, που είναι βαρύ μέταλλο, τις κάνει πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά φόρτισης και εκφόρτισης με τις NiCd μπαταρίες, αλλά λόγω της μεγαλύτερης πυκνότητας ενέργειάς τους είναι διαθέσιμες σε μεγαλύτερες χωρητικότητες. Και σε αυτές τις μπαταρίες το κόστος είναι μεγάλο λόγω της παρουσίας του νικελίου. Ωστόσο, έχουν χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές ηλεκτρικών ποδηλάτων, λόγω της καλύτερης σχέσης ισχύος προς βάρος που έχουν Μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι αυτές που κατέχουν σήμερα το μεγαλύτερο μέρος της αγοράς των μπαταριών, τόσο των ηλεκτρικών ποδηλάτων, όσο και πολλών άλλων εφαρμογών. Παράγονται σήμερα μαζικά και έχουν μια σειρά πλεονεκτημάτων απέναντι στα άλλα είδη μπαταριών που κυκλοφορούν και αναφέρθηκαν προηγουμένως. Έχουν δημιουργηθεί πολλές παραλλαγές μπαταριών ιόντων λιθίου, κάποιες από τις οποίες είναι οι LiFePO4, οι LiMn2O4, οι LiNiMnCoO2 και διάφορες άλλες. Αυτές οι παραλλαγές των μπαταριών ιόντων λιθίου έχουν περίπου τα ίδια γενικά χαρακτηριστικά με κάποιες διαφορές από τύπο σε τύπο. Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου σε σχέση με τους άλλους τύπους μπαταριών είναι η μεγάλη πυκνότητα ενέργειας που έχουν. Αυτή μπορεί να φτάσει έως και τις 160 Wh/kg. Αυτό μεταφράζεται σε μικρότερο μέγεθος και βάρος των πακέτων των μπαταριών που χρησιμοποιούνται. Έτσι ένα ηλεκτρικό ποδήλατο μπορεί να αυξήσει κατά πολύ 20

25 την αυτονομία του σε αποστάσεις μέχρι και 100 χιλιόμετρα, ανάλογα με το μέγεθος των μπαταριών. Το συνολικό του βάρος δεν επηρεάζεται πάρα πολύ από αυτή την πηγή ενέργειας και αποδίδει καλύτερα σε έδαφος με μικρές ή μεγάλες κλίσεις. Δεύτερο, εξίσου σημαντικό, πλεονέκτημα που παρέχουν είναι η πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής τους. Για τους περισσότερους τύπους μπαταριών ιόντων λιθίου αυτό μεταφράζεται σε πάνω από 1000 κύκλους φόρτισης εκφόρτισης, με το μέσο όρο να κυμαίνεται περίπου στους 1500 κύκλους. Έτσι είναι φανερό ότι αυτές οι μπαταρίες μπορούν να αντέξουν για πολύ καιρό πριν να αντικατασταθούν. Όσον αφορά τα ηλεκτρικά ποδήλατα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να παρέχουν αρκετά υψηλό ρεύμα σε σχέση με τις άλλες μπαταρίες, και έτσι είναι ιδανικές για ένα ποδήλατο, όπου υπάρχουν συνεχώς αυξομειώσεις στις απαιτήσεις του ρεύματος, που χρειάζεται ο κινητήρας. Πέρα από τα πλεονεκτήματα στην απόδοσή τους, η διαδεδομένη χρήση των μπαταριών ιόντων λιθίου έχει κάνει τους κατασκευαστές να τις δημιουργούν σε κατάλληλα σχήματα έτσι ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν πολύ εύκολα σε ηλεκτρικά ποδήλατα. Έτσι συνήθως οι μπαταρίες αυτές έρχονται με το κατάλληλο σχήμα και μέγεθος, αλλά και με το κατάλληλο σύστημα τοποθέτησής τους στο ποδήλατο. Με μια πρώτη ματιά το αρχικό πολύ υψηλό κόστος αγοράς μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου φαίνεται να αποτελεί ένα σοβαρό μειονέκτημα. Ωστόσο, δεν είναι ακριβώς έτσι αν αναλογιστεί κανείς τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της σε σχέση με τις άλλες μπαταρίες. Η απόσβεση της ακριβής αγοράς της γίνεται κατά την περίοδο λειτουργίας της όπου είναι η πιο οικονομική λόγω της διάρκειας ζωής της. Έτσι η συνολική της τιμή σε βάθος χρόνου, πλησιάζει αρκετά κοντά σε μια φθηνή μπαταρία μολύβδου-οξέος. Η τιμή αγοράς της πρόκειται να γίνει ακόμα μικρότερη καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται και νέα υλικά πρόκειται να χρησιμοποιηθούν στις διάφορες παραλλαγές των μπαταριών αυτών. Ένα ακόμα μειονέκτημα που έχουν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ότι τα κελιά που τις αποτελούν χρειάζονται ειδικό εσωτερικό σύστημα ελέγχου για να μη γίνει η μπαταρία ασταθής και καταστραφεί. Ο έλεγχος αφορά κυρίως στη θερμοκρασία λειτουργίας, καθώς αυτή δεν πρέπει να ξεπεράσει τα καθορισμένα όρια, αλλιώς τα κελιά θα καταστραφούν. Επίσης, ο έλεγχος εντοπίζει τη στιγμή της πλήρους φόρτισης της μπαταρίας και διακόπτει τη διαδικασία, έτσι ώστε να αποφευχθεί και σε αυτή την περίπτωση η υπερθέρμανση. 21

26 5. Περιγραφή των διαφορετικών τύπων ηλεκτρικών ποδηλάτων Ένας διαχωρισμός που μπορεί να γίνει μεταξύ των διάφορων τύπων ηλεκτρικών ποδηλάτων αφορά στη θέση που τοποθετείται ο ηλεκτρικός κινητήρας πάνω σε αυτό. Υπάρχουν 3 βασικές κατηγορίες σύμφωνα με αυτό το διαχωρισμό οι οποίες είναι: Ηλεκτρικό ποδήλατο με τον ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο άμεσα στον άξονα του μπροστά ή πίσω τροχού Ηλεκτρικό ποδήλατο με τον ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο έμμεσα στον άξονα των πεντάλ Ηλεκτρικό ποδήλατο με μετάδοση της κίνησης μέσω τριβής από τον ηλεκτρικό κινητήρα στην επιφάνεια του μπροστά ή πίσω τροχού Κάθε μία από αυτές τις επιλογές έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Ωστόσο, είναι αρκετά σημαντικό ότι και οι τρεις τρόποι τοποθέτησης του ηλεκτρικού κινητήρα μπορούν να πραγματοποιηθούν σε κάθε συνηθισμένο ποδήλατο που υπάρχει με περίπου την ίδια ευκολία. Το σκεπτικό της προσαρμογής ενός ηλεκτρικού κινητήρα σε ένα ποδήλατο μπορεί να είναι τόσο η πλήρης ανεξαρτησία του ποδηλάτου από τον ποδηλάτη, όσον αφορά στην ισχύ που παρέχει αυτός με τα πόδια του, όσο και η υποβοήθηση σε αυτόν, κάτι που σημαίνει ότι ο ποδηλάτης θα πρέπει να κινεί συνεχώς τα πεντάλ και ο κινητήρας να συνεισφέρει σε αυτήν την κίνηση. Στις επόμενες ενότητες παρουσιάζονται αναλυτικά αυτά τα τρία είδη ηλεκτρικών ποδηλάτων. Η ανάλυση που γίνεται είναι προσανατολισμένη μόνο στην ηλεκτρική υποβοήθηση και όχι στο αμιγώς ηλεκτρικό ποδήλατο Ποδήλατα με ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο στον άξονα του μπροστινού ή του πίσω τροχού Η τοποθέτηση ενός ηλεκτρικού κινητήρα στον άξονα του μπροστινού τροχού του ποδηλάτου είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος μετατροπής ενός συμβατικού ποδηλάτου σε ηλεκτρικό. Αυτό συμβαίνει γιατί αυτού του είδους η μετατροπή έχει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους άλλους τρόπους μετατροπής. 22

27 Εικόνα 9. Ηλεκτρικός κινητήρας προσαρμοσμένος στον άξονα του μπροστινού τροχού Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου τοποθέτησης είναι ότι ο κινητήρας είναι απομονωμένος από το υπόλοιπο ποδήλατο. Αυτό κάνει την τοποθέτηση του κινητήρα εύκολη και απλή, αφού απαιτείται να αλλάξει μόνο η μπροστινή ρόδα, η οποία δεν έχει άμεση μηχανική σύνδεση με το κλασικό σύστημα μετάδοσης κίνησης των πεντάλ με την πίσω ρόδα. Έτσι, ο ποδηλάτης μπορεί να προσαρμόσει καλύτερα την ισχύ που παρέχει στην κίνηση του ποδηλάτου μέσω των πεντάλ και του συστήματος μετάδοσης και παράλληλα να καθορίσει και το ποσοστό της υποβοήθησης που χρειάζεται από τον ηλεκτρικό κινητήρα. Επομένως, προκύπτει ένα ποδήλατο το οποίο έχει κίνηση καις τους δύο τροχούς του. Το γεγονός αυτό συνοδεύεται με πλεονεκτήματα που έχουν να κάνουν με την αίσθηση της οδήγησής του. Ένα ποδήλατο με κίνηση και στους δύο τροχούς είναι καλύτερο για οδήγηση σε ολισθηρά εδάφη, σε περίπτωση βροχής, χιονιού ή σκόνης. Έχει επίσης πολύ καλή συμπεριφορά κατά την εκκίνησή του, αφού ο κινητήρας δεν πρόκειται ποτέ να προκαλέσει απότομη περιστροφή ή ξαφνικό σήκωμα στον αέρα της μπροστινής ρόδας. Ένα ακόμα πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου μετατροπής είναι η καλύτερη κατανομή βάρους που έχει το ποδήλατο. Συνήθως οι μπαταρίες τοποθετούνται στο πίσω μέρος του ποδηλάτου. Με την τοποθέτηση του κινητήρα στον μπροστινό τροχό η κατανομή του πρόσθετου βάρους 23

28 μοιράζεται στο μπροστά και πίσω μέρος του ποδηλάτου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την καλύτερη αίσθηση ελέγχου του ποδηλάτου από τον οδηγό του, κατά τη διάρκεια μιας διαδρομής. Καθώς τα συμβατικά ποδήλατα δεν είναι φτιαγμένα για πρόσθετο βάρος στον μπροστινό τροχό, η τοποθέτηση του ηλεκτρικού κινητήρα εκεί μπορεί να προκαλέσει κάποια προβλήματα. Ιδιαίτερα σε ποδήλατα τα οποία κατασκευάζονται με κύριο μέλημα τη μείωση του βάρους του σκελετού τους και στα οποία τα μπροστινά ψαλίδια κατασκευάζονται συνήθως από αλουμίνιο ή κάποιο άλλο ελαφρύ σύνθετο υλικό, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα η προσθήκη του βάρους του κινητήρα να τα παραμορφώσει. Αυτή η κατάσταση μπορεί να γίνει ακόμα χειρότερη, καθώς διάφοροι απότομοι κραδασμοί κατά τη διάρκεια της διαδρομής, μπορεί να οδηγήσουν ακόμα και σε σπάσιμο των ψαλιδιών. Το πρόσθετο βάρος στον μπροστινό τροχό εκτός από μηχανικές καταπονήσεις μπορεί να προκαλέσει και δυσκολίες κατά το χειρισμό του ποδηλάτου. Αυτό συμβαίνει, γιατί ο μπροστινός τροχός είναι αυτός που στρίβει. Προσθέτοντας βάρος σε ένα κομμάτι του ποδηλάτου που κινείται κατά το στρίψιμο, κάνει το χειρισμό του στις στροφές αρκετά πιο δύσκολο. Η δυσκολία αυτή είναι αρκετά πιο έντονη όταν το ποδήλατο ταξιδεύει με χαμηλές ταχύτητες. Η έλλειψη συστήματος μετάδοσης της κίνησης μέσω γραναζιών παρόλο που φαίνεται αρχικά σαν πλεονέκτημα λόγω της μειωμένης πολυπλοκότητας, δεν μπορεί να ληφθεί ως τέτοιο. Αυτό συμβαίνει, γιατί η έλλειψη γραναζιών έχει σαν αποτέλεσμα την ανάγκη ενός μεγαλύτερου ηλεκτρικού κινητήρα, έτσι ώστε να γίνει διαθέσιμη η απαραίτητη ισχύς και ροπή. Επιπλέον η θέση τοποθέτησης του κινητήρα σε συνδυασμό με τη θέση τοποθέτησης των μπαταριών, που μπορεί να είναι πίσω ή κάτω από τον οδηγό, έχει σαν αποτέλεσμα τη χρησιμοποίηση μεγάλου μήκους καλωδίων για τη μεταφορά της ισχύος. Αυτό μεταφράζεται σε περισσότερες απώλειες και άρα σε γρηγορότερη εκφόρτιση της μπαταρίας, σε σχέση με τους άλλους τρόπους μετατροπής. Παρόμοιος τρόπος μετατροπής ενός ποδηλάτου σε ηλεκτρικό είναι η τοποθέτηση του ηλεκτρικού κινητήρα στον άξονα του πίσω τροχού. Η τοποθέτηση στον πίσω τροχό έχει το πλεονέκτημα ότι προσφέρει πολύ καλή ισορροπία και πρόσφυση κατά την οδήγηση σε βρεγμένο οδόστρωμα ή κατά την οδήγηση σε διαδρομές εκτός ασφάλτου. Η μετατροπή αυτή είναι αρκετά πιο δύσκολη από την περίπτωση του κινητήρα στον μπροστινό τροχό, καθώς ο πίσω τροχός είναι μηχανικά συνδεδεμένος με τον άξονα των πεντάλ μέσω του συμβατικού συστήματος μετάδοσης κίνησης. Για αυτό το λόγο παρουσιάζεται αυξημένη δυσκολία και πολυπλοκότητα για τη 24

29 μετατροπή του άξονα του πίσω τροχού, στον οποίο πρέπει να προσαρμοστεί ο ηλεκτρικός κινητήρας, αλλά επίσης και το σύστημα των γραναζιών του (freewheel). Εικόνα 10. Ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετημένος στον πίσω τροχό Εικόνα 11. Άξονας πίσω τροχού με τοποθετημένο τον κινητήρα και το freewheel Όπως και στην περίπτωση του μπροστινού τροχού, είναι αυξημένη η μηχανική καταπόνηση που δέχονται τα ψαλίδια του πίσω τροχού λόγω του αυξημένου βάρους που προσθέτει ο κινητήρας. Αυτό γίνεται ακόμα πιο έντονο σε περίπτωση που η μπαταρία του ποδηλάτου πρέπει αν τοποθετηθεί και αυτή στο πίσω μέρος, σε σχάρα πίσω από τον ποδηλάτη. Τότε η συνολική καταπόνηση που δέχεται ο πίσω τροχός, από το βάρος του κινητήρα και της μπαταρίας, είναι αρκετά μεγάλη και μπορεί να οδηγήσει σε πλαστικές παραμορφώσεις των ψαλιδιών ή ακόμα και σε σπάσιμό τους σε περίπτωση πολύ έντονων κραδασμών και δονήσεων. Ο άξονας του πίσω τροχού ενός ποδηλάτου μπορεί να είναι τύπου cassette ή freewheel. Οι όροι cassette και freewheel αναφέρονται στο συνδυασμό του άξονα και του σετ των γραναζιών που βρίσκονται στον πίσω τροχό. Το σύστημα cassette είναι πιο στιβαρό, αφού η πλήμνη περιλαμβάνει πολύσφηνο, το οποίο περιστρέφεται κατά την περιστροφή του τροχού αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η μηχανική καταπόνηση του συστήματος των γραναζιών. Αντίθετα, στην πλήμνη freewheel περιλαμβάνεται σπείρωμα και έτσι το σύστημα των γραναζιών δεν περιστρέφεται, όταν ο πίσω τροχός στρέφεται αντίστροφα. Η τοποθέτηση του ηλεκτρικού κινητήρα στον πίσω τροχό εμποδίζει τη χρησιμοποίηση του τύπου πλήμνης cassette και αναγκάζει τον ποδηλάτη να χρησιμοποιεί το κλασικό freewheel. 25

30 Εικόνα 12. Συστήματα γραναζιών πλήμνης freewheel και cassette Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να μη μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι περισσότερες επιλογές σχέσεων μετάδοσης που παρέχει η αρκετά πιο στιβαρή και δυνατή πλήμνη cassette. Παράλληλα, η αναγκαστική χρησιμοποίηση του συστήματος πλήμνης-γραναζιών "freewheel, δυσκολεύει τη συντήρηση του συστήματος, αφού κάθε φορά θα πρέπει να αφαιρείται και η πλήμνη και τα γρανάζια. Αυτό δε συμβαίνει στην cassette, αφού είναι δυνατή η απλή και εύκολη αφαίρεση μόνο των γραναζιών. Υπάρχει η δυνατότητα χρησιμοποίησης ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούν ένα ενσωματωμένο πλανητικό σύστημα μετάδοσης της κίνησης, κάτι το οποίο επιτρέπει τον καλύτερο έλεγχο της ταχύτητας κατά την οδήγηση. Ωστόσο, αυτή η επιλογή είναι αρκετά πιο ακριβή, αφού το πλανητικό σύστημα των γραναζιών μπορεί να κοστίσει όσο και ο ίδιος ο κινητήρας. Και σε αυτή την περίπτωση ο ηλεκτρικός κινητήρας δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει τα γρανάζια του ποδηλάτου και επομένως για να παρέχει την απαραίτητη ισχύ και ροπή πρέπει να είναι μεγάλος σε μέγεθος. Ωστόσο οι ωμικές απώλειες σε αυτή την περίπτωση είναι περιορισμένες, αφού ο κινητήρας βρίσκεται κοντά στην πηγή τροφοδοσίας χωροταξικά και τα καλώδια που τα συνδέουν είναι πιο μικρά. Εν γένει, ηλεκτρικά ποδήλατα που έχουν τοποθετημένους ηλεκτρικούς κινητήρες στους άξονες είτε των μπροστά είτε των πίσω τροχών είναι αρκετά αποδοτικά και εύχρηστα σε επίπεδα εδάφη. Συναντάνε όμως δυσκολίες όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν σε διαδρομές με απότομες 26

31 κλίσεις ή εκτός δρόμου διαδρομές όπου δεν είναι τα ίδιο αποδοτικά. Επιπλέον, σε αυτούς τους τύπους των ποδηλάτων συνηθίζεται να χρησιμοποιούνται κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες και οι οποίοι κατασκευάζονται από μόνιμους μαγνήτες. Το εύρος τιμών των κινητήρων αυτών ξεκινάει από 200$. Έτσι, η λύση μιας τέτοιου είδους μετατροπής είναι σχετικά ακριβή Ποδήλατα με ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο κοντά στον άξονα των πεντάλ (electric bike with mid-drive motor) Η μετατροπή ενός συμβατικού ποδηλάτου σε ηλεκτρικό, μέσω της τοποθέτησης του ηλεκτρικού κινητήρα κοντά στον άξονα των πεντάλ, είναι επίσης μια πολύ διαδομένη μέθοδος, ιδιαίτερα σε μετατροπές που γίνονται στα πλαίσια DIY εργασιών. Ο λόγος είναι ότι το είδος αυτό της μετατροπής δίνει αρκετές ελευθερίες σχεδιασμού και κατασκευής. Σε αυτό το είδος ηλεκτρικού ποδηλάτου ο κινητήρας προσαρμόζεται πάνω στον σκελετό του ποδηλάτου, σε κάποια θέση κοντά στον άξονα των πεντάλ. Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές εκδοχές και σχεδιασμοί για τον τρόπο μετάδοσης της κίνησης. Από τους πιο δημοφιλείς είναι η μετάδοση της κίνησης μέσω αλυσίδας η οποία συνδέει τον άξονα του κινητήρα με τον άξονα των πεντάλ. Προφανώς σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να τοποθετηθεί ένα επιπλέον γρανάζι στον άξονα των πεντάλ, το οποίο να εξασφαλίζει στο σύστημα τη σωστή σχέση μετάδοσης που απαιτείται. Έτσι, τόσο ο κινητήρας όσο και ο ποδηλάτης τροφοδοτούν την κίνηση μέσω του άξονα των πεντάλ, και διατηρώντας από εκεί και πέρα το κλασικό σύστημα μετάδοσης της κίνησης. 27

32 Εικόνα 13. Ποδήλατο με ηλεκτρικό κινητήρα τοποθετημένο κοντά στον άξονα των πεντάλ Αυτή η σύνδεση του κινητήρα με τον άξονα των πεντάλ προσφέρει το πλεονέκτημα της εκμετάλλευσης του συμβατικού συστήματος μετάδοσης της κίνησης του ποδηλάτου. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να επιτευχθεί καλύτερη ροπή. Το ποδήλατο τότε αποδίδει πιο αποτελεσματικά σε διαδρομές με πολλές και απότομες ανηφόρες. Γίνεται, επίσης, πιο αποτελεσματική η μεταφορά άλλου φορτίου. Αυτό συμβαίνει, γιατί μέσω του συστήματος των ταχυτήτων μπορεί να επιτευχθεί καλύτερη ροπή σε χαμηλές στροφές, και άρα καλύτερος έλεγχος του ποδηλάτου. Η τοποθέτηση του κινητήρα στο συγκεκριμένο σημείο συνεισφέρει και στην καλύτερη κατανομή του βάρους και στη διατήρηση του χαμηλότερου κέντρου βάρους του συστήματος. Η θέση του κινητήρα κάτω από το σώμα του ποδηλάτη, τον κάνει να μην αισθάνεται το προστιθέμενο βάρος κατά την οδήγηση. Η διατήρηση του χαμηλού κέντρου βάρους κάνει την οδηγική συμπεριφορά του ποδηλάτου πιο ομαλή, ειδικά στην περίπτωση των στροφών. Η εκμετάλλευση του συστήματος μετάδοσης της κίνησης που ήδη υπάρχει στο ποδήλατο οδηγεί στη δυνατότητα χρησιμοποίησης κινητήρων με μικρότερες διαστάσεις. Αυτό συμβαίνει, διότι η εκμετάλλευση του υπάρχοντος συστήματος μετάδοσης κάνει δυνατή την παροχή της απαραίτητης ροπής για την κίνηση του ποδηλάτου. Το μικρότερο μέγεθος του κινητήρα μεταφράζεται σε λιγότερο βάρος. Παράλληλα, η σχετικά εύκολη προσαρμογή του συστήματος στο ποδήλατο, επιτρέπει την εύκολη συντήρησή του ή την αντικατάσταση όποιων εξαρτημάτων χρειάζεται. 28

33 Λιγότερο δημοφιλής, αλλά εξίσου αποδοτική, είναι η προσαρμογή του ηλεκτρικού κινητήρα στην ήδη υπάρχουσα αλυσίδα του ποδηλάτου. Αυτή η μέθοδος έχει το πλεονέκτημα της αποφυγής χρησιμοποίησης δεύτερης αλυσίδας και δεύτερου γραναζιού στον άξονα των πεντάλ. Οι δυσκολίες σε αυτή την περίπτωση εμφανίζονται στην τοποθέτηση του κινητήρα πάνω στο σκελετό. Στα περισσότερα ποδήλατα δεν υπάρχει κάποιο κομμάτι του σκελετού που να βρίσκεται κοντά στη διαδρομή της αλυσίδας, ή αν υπάρχει, δε θα είναι τόσο ανθεκτικό στην υποστήριξη του βάρους του κινητήρα. Γίνεται τότε απαραίτητη η στήριξη του κινητήρα, μέσω κάποιου επιπλέον κομματιού από υλικό που να μπορεί να υποστηρίξει το βάρος του και τις δυνάμεις που ο κινητήρας δέχεται. Επομένως, το βάρος το οποίο εξοικονομείται από τη μη χρησιμοποίηση δεύτερης αλυσίδας και γραναζιού, προστίθενται λόγω της ανάγκης στήριξης. Αυτό κάνει και το σύστημα πιο δύσκολο από άποψη πολυπλοκότητας. Επιπλέον, η απευθείας σύνδεση με την αλυσίδα καθιστά το σύστημα αρκετά πιο θορυβώδες, λόγω της τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ αλυσίδας και άξονα κινητήρα. Η τριβή αποτελεί και μια πρόσθετη επιβάρυνση για τον οδηγό, όταν αυτός χρησιμοποιεί μόνο τα πεντάλ για την κίνηση του ποδηλάτου. Σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να ασκεί μεγαλύτερη δύναμη με τα πόδια του, έτσι ώστε να ξεπεραστεί η αντίσταση της τριβής της αλυσίδας με τον κινητήρα. Εικόνα 14. Ποδήλατο με τον ηλεκτρικό κινητήρα προσαρμοσμένο στην ήδη υπάρχουσα αλυσίδα. Φαίνεται το επιπλέον κομμάτι μετάλλου που χρησιμοποιείται για τη στήριξη. Το χαμηλό ύψος τοποθέτησης του κινητήρα κρύβει κινδύνους, όσον αφορά στον ίδιο. Τις περισσότερες φορές ο κινητήρας είναι χαμηλά τοποθετημένος και αυτό τον κάνει να εκτίθεται σε σκόνη, πέτρες, κλαδιά, κλπ., τα οποία μπορεί να προκαλέσουν φθορά ή και κάποια λειτουργική βλάβη, αν το χτύπημα με κάποια πέτρα είναι αρκετά δυνατό. Για αυτό το λόγο πολλά εμπορικά 29

34 ηλεκτρικά ποδήλατα τέτοιου τύπου πωλούνται με έτοιμα προστατευτικά καλύμματα τόσο για τον κινητήρα όσο και για την επιπλέον αλυσίδα που χρησιμοποιείται. Η πρόσθετη προστασία, εκτός από το βάρος που προσθέτει, αυξάνει και ελαφρώς το κόστος του συστήματος. Ένας εναλλακτικός τρόπος σύνδεσης του κινητήρα, ο οποίος τοποθετείται στο σκελετό του ποδηλάτου, είναι η σύνδεση με τον πίσω τροχό με ένα ξεχωριστό, δικό του σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Στον άξονα του πίσω τροχού θα πρέπει να τοποθετηθεί ένα γρανάζι στην αντίθετη πλευρά από αυτή που βρίσκεται το συμβατικό freewheel και η κανονική αλυσίδα. Θα υπάρχει επομένως ο πίσω τροχός με εκατέρωθεν γρανάζια, ένα κομμάτι για την αλυσίδα και τα πεντάλ δεξιά και ένα γρανάζι για τον κινητήρα στα αριστερά. Ο κινητήρας θα τοποθετηθεί στο σκελετό του ποδηλάτου και θα συνδεθεί με το γρανάζι ή το freewheel που προστέθηκε μέσω μιας ξεχωριστής αλυσίδας. Εικόνα 15. Ηλεκτρικό ποδήλατο με τον κινητήρα τοποθετημένο στο σκελετό και ξεχωριστή αλυσίδα και freewheel στην αριστερή πλευρά Αυτός ο τρόπος μετατροπής έχει κάποια από τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως, με κάποιες όμως σημαντικές διαφορές. Το κέντρο βάρους παραμένει χαμηλό λόγω της θέσης του κινητήρα. Η κατανομή του βάρους είναι περίπου ίδια με τους άλλους τρόπους 30

35 μετατροπής των mid drives. Ο ποδηλάτης δεν επιβαρύνεται με την αντίσταση της πρόσθετης τριβής που υπήρχε στις προηγούμενες περιπτώσεις. Το γρανάζι που προστίθεται στην ελεύθερη πλευρά του πίσω τροχού θα πρέπει να επιλεγεί έτσι ώστε να μπορεί να παρέχει την κατάλληλη ροπή, η οποία θα είναι κατάλληλη όμως μόνο για κάποια στάδια της κίνησης. Ο περιορισμός της ύπαρξης ενός μόνο γραναζιού δεν επιτρέπει την επιλογή της σχέσης μετάδοσης στον ποδηλάτη. Έτσι δεν μπορεί να γίνει πλήρης εκμετάλλευση της ηλεκτρικής ισχύος του κινητήρα, είτε στις χαμηλές ταχύτητες, είτε στις υψηλές. Αυτό θα μπορούσε να γίνει, εάν, αντί για ένα μόνο γρανάζι, προσαρμοζόταν σε αυτή την πλευρά του τροχού ένα όμοιο σύστημα γραναζιών freewheel, όπως και στην άλλη πλευρά. Τότε όμως θα έπρεπε ο ποδηλάτης να αλλάζει τις σχέσεις μετάδοσης δύο διαφορετικών συστημάτων, τόσο για τα πεντάλ όσο και για τον κινητήρα. Η οδήγηση ενός τέτοιου ποδηλάτη θα ήταν αρκετά δύσκολη και αρκετά κουραστική. Παράλληλα, με την προσθήκη ενός δευτέρου τέτοιου συστήματος επιβαρύνεται το ποδήλατο με επιπλέον βάρος και η όλη σχεδίαση γίνεται ιδιαίτερα πολύπλοκη, χωρίς να υπάρχει κάποιο μεγάλο όφελος. Επίσης, δυσκολίες αντιμετωπίζονται σε περίπτωση συντήρησης, διότι σε τυχούσα βλάβη του ενός ή του άλλου συστήματος γραναζιών θα πρέπει να αποσυναρμολογηθούν πολλά περισσότερα κομμάτια και στη συνέχεια να ξαναμπούν στη θέση τους. Τα ηλεκτρικά ποδήλατα, που έχουν προσαρμοσμένο τον κινητήρα πάνω στο σκελετό τους και συνήθως κάτω από τον ποδηλάτη, είναι τα καταλληλότερα και τα πιο αποδοτικά για διαδρομές οι οποίες περιλαμβάνουν ανηφόρες και γενικά συχνές αυξομειώσεις κλίσης. Ο συγκεκριμένος τρόπος μετατροπής αφήνει πολλές ελευθερίες στο σχεδιαστή και στον κατασκευαστή του ηλεκτρικού ποδηλάτου. Αυτό συνεπάγεται ότι υπάρχει και μεγάλο εύρος τιμών όσον αφορά στο κόστος της μετατροπής. Εν γένει, οι μετατροπές ποδηλάτων με αυτό τον τρόπο είναι πιο φθηνές σε σχέση με τα ποδήλατα που έχουν τον κινητήρα στον άξονα ενός από τους τροχούς τους. 31

36 5.3. Ηλεκτρικά ποδήλατα με μετάδοση της κίνησης μέσω τριβής (friction drive) Αυτός ο τύπος ηλεκτρικού ποδηλάτου ήταν από τα πρώτα που δημιουργήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν στα τέλη του 19 ου αιώνα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ηλεκτρικός κινητήρας τοποθετείται στην κορυφή του μπροστινού ή του πίσω τροχού. Ένας άξονας αποτελεί την επέκταση του άξονα του κινητήρα και βρίσκεται σε επαφή με την ρόδα. Καθώς ο ηλεκτρικό κινητήρας γυρίζει, ο άξονας που προεκτείνεται μεταφέρει την κίνησή του στη ρόδα και έτσι το ποδήλατο κινείται. Αντί για επέκταση του άξονα του κινητήρα, υπάρχει και δυνατότητα σύνδεσής του με κάποια τροχαλία. Σε αυτή την περίπτωση η τροχαλία, η οποία είναι προσαρμοσμένη στο σχήμα του ελαστικού, γυρίζει τη ρόδα μέσω της τριβής. Εικόνα 16. Ηλεκτρικός κινητήρας με επέκταση του άξονά του για μετάδοση της κίνησης μέσω τριβής Εικόνα 17. Ηλεκτρικό ποδήλατο τριβής με μετάδοση της κίνησης μέσω τροχαλίας Αυτό το σύστημα μετατροπής έχει το πλεονέκτημα ότι είναι αρκετά χαμηλού κόστους και πολύ απλό στη ιδέα του. Δεν απαιτεί γρανάζια, αλυσίδες και τροποποιήσεις στα ήδη υπάρχοντα μηχανικά μέρη του ποδηλάτου, αλλά μπορεί να τοποθετηθεί ανεξάρτητα και πολύ εύκολα. Το κόστος περιορίζεται σε αυτό του κινητήρα, της μπαταρίας και του ελεγκτή. Ωστόσο έχει πολλά μειονεκτήματα. Άλλωστε η χρήση του σήμερα δεν είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη. Αρχικά η διαφορά της ακτίνας του τροχού από την ακτίνα του άξονα του κινητήρα ή της τροχαλίας είναι πολύ μεγάλη. Ο κινητήρας πρέπει να περιστρέφεται πολύ γρήγορα, κάποιες 32

37 φορές και πάνω από τις ονομαστικές του στροφές, έτσι ώστε να παρέχει την απαραίτητη ροπή. Επομένως, η λειτουργία του γίνεται λιγότερο αποδοτική. Η απόδοση του συστήματος είναι ακόμη χειρότερη, καθώς η επαφή που υπάρχει μεταξύ του άξονα ή της τροχαλίας δεν είναι ιδανική. Η μεταφορά ενέργειας από τον κινητήρα στον τροχό γίνεται με χαμηλή απόδοση λόγω της μη ιδανικής τριβής. Η κακή επαφή επιδεινώνεται ακόμα περισσότερο, σε περίπτωση που η πίεση των ελαστικών δεν είναι η κατάλληλη ή αν η οδήγηση γίνεται σε βρεγμένο έδαφος. Η ιδιαίτερα μεγάλη πίεση, που δέχονται τα ελαστικά μέσω της τριβής, έχει σαν αποτέλεσμα αυτά να φθείρονται υπερβολικά γρήγορα, αυξάνοντας έτσι κατά πολύ το κόστος συντήρησης του ποδηλάτου. Το συγκεκριμένο σύστημα μετατροπής δεν προσφέρει οδήγηση με υψηλή ταχύτητα, ούτε πολύ καλή ροπή. Λόγω της μη αποδοτικής λειτουργίας του, η κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ υψηλή, με αποτέλεσμα η μπαταρία να εξαντλείται υπερβολικά γρήγορα σε σχέση με άλλα συστήματα. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά κάνουν τη λειτουργία και τη συντήρησή του να κοστίζουν ακριβά, παρόλο που το κόστος της αρχικής μετατροπής είναι αρκετά χαμηλό. Ταυτόχρονα, η χαμηλή ροπή που προσφέρει δεν το κάνει κατάλληλο για οδήγηση σε περιοχές με αυξομειώσεις στην κλίση του εδάφους, αλλά ενδείκνυται περισσότερο για επίπεδες διαδρομές. 33

38 6. Μελέτη και σχεδιασμός ενός προσαρμοσμένου mid-drive ηλεκτρικού ποδηλάτου Σε αυτό το σημείο θα γίνει η μελέτη και ο σχεδιασμός ενός mid-drive ηλεκτρικού ποδηλάτου. Θα χρησιμοποιηθεί ένα συμβατικό ποδήλατο και θα γίνει η μελέτη για τη μετατροπή του σε ηλεκτρικό, με στόχο την υποβοήθηση του αναβάτη και όχι την αυτόνομη λειτουργία του ηλεκτρικού συστήματος. Εξ αρχής ένα βασικό κριτήριο που θα παίξει σημαντικό ρόλο σε αυτή τη σχεδίαση είναι το όσο το δυνατόν χαμηλότερο κόστος της μετατροπής. Αυτήν την προϋπόθεση μπορεί να την καλύψει ένα ποδήλατο με τον ηλεκτρικό κινητήρα τοποθετημένο στο σκελετό, κάτω από τον οδηγό με την ελευθερία κινήσεων και την ευελιξία στο σχεδιασμό που παρέχει. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να σχεδιαστεί ένα σύστημα μετατροπής, το οποίο θα ελέγχεται από άποψη κόστους και θα μπορούν να γίνουν οι απαραίτητες τροποποιήσεις, έτσι ώστε αυτό να παραμείνει χαμηλό. Η επιλογή για τη μελέτη ενός mid-drive ποδηλάτου έχει όλα τα πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό ποδήλατο, που θα κάνει ευκολότερη τη μετακίνηση του αναβάτη σε διαδρομές εντός της πόλης, η οποία μπορεί να έχει υψομετρικές διαφορές και δρόμους με αρκετά μεγάλες ανηφορικές κλίσεις, όπως η Θεσσαλονίκη. Στόχος δεν είναι η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη αυτονομία, αλλά η καλύτερη αυτονομία του ηλεκτρικού ποδηλάτου που μπορεί να επιτευχθεί, σε συνδυασμό με τη χαμηλότερη διατήρηση του κόστους τροποποίησης του συστήματος, συντήρησης και λειτουργίας του. Όπως, αναφέρθηκε το mid-drive ηλεκτρικό ποδήλατο είναι το ιδανικότερο για διαδρομές με τέτοιες ανηφορικές κλίσεις. Στη συνέχεια, γίνεται η μελέτη και ο υπολογισμός των τμημάτων που θα αποτελέσουν το σύστημα ηλεκτρικής μετατροπής, σύμφωνα με τις απαιτήσεις ισχύος, ροπής και ενέργειας που επίσης θα υπολογιστούν. Θα αναφερθούν επίσης οι τροποποιήσεις κάποιων μηχανικών κομματιών του ποδηλάτου, έτσι ώστε να γίνει εφικτή η μετατροπή. Αφού γίνει διαστασιολόγηση των συστατικών κομματιών του συστήματος, αυτά θα επιλεγούν από συγκεκριμένους κατασκευαστές, με βασικό γνώμονα το χαμηλότερο κόστος τους. 34

39 6.1. Διαστασιολόγηση ηλεκτρικού κινητήρα Σύμφωνα με τον Κώδικα Οδικής Κυκλοφορίας στην Ελλάδα ο ορισμός του ποδηλάτου είναι ο εξής: Ποδήλατο είναι το όχημα δύο τουλάχιστον τροχών το οποίο κινείται με τη μυϊκή δύναμη εκείνων που επιβαίνουν και μπορεί να υποβοηθείται με βοηθητικό ηλεκτροκινητήρα μέγιστης συνεχούς ονομαστικής ισχύος 0,25 KW και η ισχύς του οποίου μειώνεται σταδιακά και τελικά μηδενίζεται όταν η ταχύτητα του οχήματος φθάσει τα 25 χλμ./ώρα ή νωρίτερα, εάν σταματήσει η ποδηλάτηση. Δηλαδή, όπως προβλέπει ο Κ.Ο.Κ. η μέγιστη ισχύς του κινητήρα, που επιτρέπεται σε ένα δίκυκλο για να μπορεί να χαρακτηριστεί ποδήλατο, είναι τα 250 W, και αυτό μόνο για υποβοήθηση και όχι για αυτόνομη ηλεκτρική οδήγηση. Για ηλεκτρικούς κινητήρες μεγαλύτερης ισχύος, το δίκυκλο χαρακτηρίζεται σαν μοτοποδήλατο και συνοδεύεται με όλες τις υποχρεώσεις που απορρέουν από αυτόν τον χαρακτηρισμό, όπως είναι άδεια κυκλοφορίας, δίπλωμα οδήγησης, ασφάλεια, κλπ. Σύμφωνα με τον περιορισμό που θέτει ο Κ.Ο.Κ., στη συγκεκριμένη μελέτη θα επιλεγεί ένας ηλεκτρικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος με τη μέγιστη επιτρεπόμενη ονομαστική ισχύ, 250 W. Έπειτα από έρευνα αγοράς που έγινε και με κριτήριο το χαμηλό κόστος επιλέχθηκε ο ηλεκτρικός κινητήρας P Pancake Motor της εταιρείας AmpFlow. Ο κινητήρας επιλέχθηκε έτσι ώστε να έχει ένα μικρό γρανάζι στον άξονά του. Αυτό επιτρέπει τη μετάδοση της κίνησης μέσω αλυσίδας. Είναι μικρός σε μέγεθος και ελαφρύς, κάτι που τον κάνει ιδανικό για χρήση σε ένα ηλεκτρικό ποδήλατο mid-drive. Το κόστος του κινητήρα, συμπεριλαμβανομένων των μεταφορικών, ανέρχεται σε 100$. Τα χαρακτηριστικά του κινητήρα φαίνονται στον Πίνακα 4. Χαρακτηριστικά ηλεκτρικού κινητήρα AmpFlow P Pancake Motor Ισχύς (W) 250 Διάμετρος (cm) Μήκος (cm) 8.13 Απόδοση 78 % Αριθμός στροφών εν κενώ στα 24V (rpm) 3400 Έξοδος Άξονα 11 δόντια Γρανάζι #25 Βάρος (kg) 1.9 Πίνακας 4. Χαρακτηριστικά ηλεκτρικού κινητήρα 35

40 Τα χαρακτηριστικά που φαίνονται στον Πίνακα 4 αναφέρονται σε τάση 24 V. Ο κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει και σε τάση 12 V και 18 V. Ωστόσο η λειτουργία του κινητήρα σε χαμηλότερη τάση από την ονομαστική του θα έχει ως συνέπεια τη μειωμένη διαθέσιμη ροπή. Στη συνέχεια φαίνονται τα λειτουργικά διαγράμματα του ηλεκτρικού κινητήρα καθώς και το κατασκευαστικό του σχέδιο. Εικόνα 18. Ηλεκτρικός κινητήρας AmpFlow Εικόνα 19. Κατασκευαστικό σχέδιο ηλεκτρικού κινητήρα 36

41 Εικόνα 20. Χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας του κινητήρα Κατά την εκκίνηση του ποδηλάτου είναι απαραίτητο ο αναβάτης να αρχίσει πρώτα να ασκεί δύναμη με τα πόδια του στα πεντάλ και μετά να αρχίσει η ηλεκτρική υποβοήθηση μέσω του ηλεκτρικού κινητήρα. Αν αυτό δε γίνει και το ηλεκτρικό σύστημα μπει σε λειτουργία εν στάση, τότε ο κινητήρας θα παραλάβει όλο το φορτίο. Δεν θα υπάρχει καμία κίνηση, άρα και η ισχύς θα είναι μηδενική. Θα πρέπει όμως ο κινητήρας να παρέχει όλη τη ροπή εκκίνησης, κάτι που θα έχει σαν αποτέλεσμα ένα πολύ μεγάλο ρεύμα. Αυτό το πολύ μεγάλο ρεύμα, εκτός από το ότι θα καταπονήσει τον κινητήρα, θα πρέπει να τροφοδοτηθεί από την μπαταρία. Συνέπεια αυτόυ είναι η δραματική μείωση του χρόνου ζωής της μπαταρίας. 37

42 6.2. Διαστασιολόγηση της ηλεκτρικής μπαταρίας Η ηλεκτρική μπαταρία είναι ίσως το πιο ακριβό κομμάτι του συστήματος μετατροπής ενός ποδηλάτου σε ηλεκτρικό. Η διαστασιολόγησή της είναι πολύ σημαντική διαδικασία, αφού αν γίνει σωστά μπορεί να εξασφαλίσει μια σωστή λειτουργία για την εφαρμογή που προορίζεται το ποδήλατο, αλλά και να εξοικονομηθούν χρήματα, τόσο κατά την αγορά της, όσο και κατά τη λειτουργία της. Σύμφωνα με τα όσα αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 4, η επιλογή θα γίνει ανάμεσα σε δύο τύπους μπαταριών, τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος ικανοποιούν σε μεγάλο βαθμό τη διατήρηση του κόστους του συστήματος μετατροπής σε χαμηλά επίπεδα, αφού είναι αρκετά φτηνές. Από την άλλη πλευρά όμως, το βάρος τους είναι ιδιαίτερα αυξημένο και η διάρκεια ζωής τους περιορίζεται σε μερικές εκατοντάδες κύκλους φόρτισης εκφόρτισης, κάτι που σημαίνει ότι θα απαιτούνται συχνές αντικαταστάσεις. Για αυτούς τους λόγους, ο προσανατολισμός της έρευνας αγοράς που θα γίνει, θα στρέφεται προς τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτές μπορεί να έχουν μεγαλύτερο κόστος αγοράς, αλλά αυτό αντισταθμίζεται από το αρκετά μικρότερο βάρος τους και την αυξημένη διάρκεια ζωής τους. Έχοντας επιλέξει τον τύπο της μπαταρίας που θα χρησιμοποιηθεί, στη συνέχεια θα πρέπει να προσδιοριστεί η χωρητικότητα της μπαταρίας. Το ηλεκτρικό ποδήλατο που μελετάται, προορίζεται για χρήση σε μια πόλη με αυξομειώσεις στην κλίση του δρόμου και για αστικές μετακινήσεις. Μια τέτοια πόλη είναι η Θεσσαλονίκη. Για τις ανάγκες του υπολογισμού θα χρησιμοποιηθούν μορφολογικά στοιχεία του εδάφους και των δρόμων της πόλης, έτσι ώστε η ανάλυση να είναι όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστική. Η διαδρομή που θα χρησιμοποιηθεί θα είναι διάρκειας 1 ώρας ή 3600 δευτερολέπτων. Σαν δεδομένο θα ληφθεί ότι η μέση ταχύτητα του ποδηλάτου καθ όλη τη διάρκεια της διαδρομής είναι τα 20 km/h. Εξάλλου, το όριο ταχύτητας για τα ηλεκτρικά ποδήλατα στην Ευρωπαϊκή Ένωση είναι τα 25 km/h. Επομένως, το μήκος της διαδρομής που θα μελετηθεί θα είναι 20 χιλιόμετρα εντός πόλης. Για τον προσδιορισμό της ενέργειας που θα καταναλώσει η μπαταρία κατά τη διάρκεια της διαδρομής, θα πρέπει αρχικά να υπολογιστεί η ενέργεια που απαιτείται για την ανάβαση στις ανηφόρες. Για το σκοπό αυτό, γίνεται υπολογισμός της κλίσης της οδού Γρ. Λαμπράκη, στη Θεσσαλονίκη, για το κομμάτι του δρόμου που φαίνεται στην εικόνα 21. Η διαδρομή αρχίζει από το σημείο της συμβολής των οδών Κ. Καραμανλή και Γρ. Λαμπράκη και καταλήγει στη συμβολή 38

43 των οδών Λαμπράκη και Αλ. Σπανού. Το μήκος της διαδρομής αυτής είναι 2.48 km και η υψομετρική διαφορά μεταξύ του σημείου εκκίνησης 1 και του σημείου τερματισμού 2 είναι 50 m. Όπως φαίνεται και στο σχετικό γράφημα της εικόνας 22, η μέση κλίση της διαδρομής είναι 3.3%, με τη μέγιστη κλίση όμως να φτάνει το 11.4 % σε κάποια πολύ σύντομα σημεία της διαδρομής. Επομένως, θεωρώντας ότι σε όλη τη διάρκεια της ανάβασης η ταχύτητα παραμένει σταθερή στα 20 km/h, μπορεί να υπολογιστεί η ισχύς που απαιτείται σύμφωνα με τον τύπο που αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 2: P u = 9.81 M υ g G (W) Η συνολική μάζα του συστήματος του τροποποιημένου ποδηλάτου και του αναβάτη θεωρείται ότι είναι 110 kg. Η μάζα αυτή αντιστοιχεί περίπου σε ένα μέσο άνθρωπο βάρους 75 κιλών και σε ένα ποδήλατο βάρους 35 κιλών, συμπεριλαμβανομένου και των εξαρτημάτων που θα χρησιμοποιηθούν για τη μετατροπή του σε ηλεκτρικό. Έτσι η ισχύς που απαιτείται είναι: P u = P u = W Εικόνα 21. Διαδρομή για τον υπολογισμό της απαιτούμενης ισχύος για την ανάβαση σε ανηφόρες 39

44 Εικόνα 22. Αυξομειώσεις κλίσης κατά τη διάρκεια της διαδρομής. Φαίνονται οι μετρήσεις για τη μέση τιμή της κλίσης καθώς και η μέγιστη τιμή της κλίσης σε κάποια μικρά διαστήματα Αν γίνει η υπόθεση ότι τμήματα διαδρομών με παρόμοια χαρακτηριστικά, όπως της διαδρομής που περιγράφεται παραπάνω, αποτελούν το 50 % της συνολικά διανυόμενης απόστασης που θα κάνει ο ποδηλάτης, δηλαδή το 50 % του συνολικού χρόνου της 1 ώρας, τότε η συνολική ενέργεια που απαιτείται είναι: W u = P u t = = 98.8 Wh ή W u = = 4.12 Αh Θεωρώντας ότι η μπαταρία που θα επιλεγεί θα έχει τάση λειτουργίας τα 24 V. Στη συνέχεια, θα πρέπει να υπολογιστεί η απαιτούμενη ισχύς έτσι ώστε να ξεπεραστεί η αντίσταση του αέρα. Η ισχύς αυτή υπολογίζεται, σύμφωνα με την ανάλυση που έγινε στο κεφάλαιο 2, από τη σχέση: P w = 1 2 [C d ρ A (υ w + υ g ) 2 ] υ g (W) Η μετωπιαία περιοχή για έναν όρθιο ποδηλάτη και ένα συνηθισμένο ποδήλατο πόλης είναι Α = 0.5 m 2. Ο αεροδυναμικός συντελεστής είναι C d = 1, αφού θεωρείται ότι ο ποδηλάτης οδηγεί σε όρθια στάση. Η πυκνότητα του αέρα είναι ρ = 1.2 kg 3, αφού η διαδρομή γίνεται σε σχεδόν μηδενικό υψόμετρο. Έχοντας ως δεδομένο ότι η μέση ταχύτητα της κίνησης για όλη τη διαδρομή είναι 20 km/h, θα πρέπει να ληφθεί υπ όψη η ταχύτητα του ανέμου. Σύμφωνα με στοιχεία του μετεωρολογικού σταθμού που βρίσκεται στο Ιστορικό Κέντρο της Θεσσαλονίκης, η μέγιστη μέση ταχύτητα του ανέμου που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια του έτους 2013 ήταν το μήνα Ιούλιο, m 40

45 με ταχύτητα ανέμου 6.6 km/h ή 1.84 m/s. Η κύρια διεύθυνση των ανέμων που πνέουν στη Θεσσαλονίκη είναι η βόρεια. Για τις ανάγκες του υπολογισμού, θα γίνει η υπόθεση ότι η κίνηση του ποδηλάτου γίνεται με τον άνεμο να αντιτίθεται στην κίνηση (μετωπιαίος άνεμος), καθ όλη τη διάρκειά της. Σύμφωνα με αυτά τα στοιχεία, η απαιτούμενη ισχύς μπορεί να υπολογιστεί ως εξής: P w = 1 2 [ ( )2 ] 5.55 P w = W Η ενέργεια που απαιτείται για ολόκληρη τη διαδρομή με τον συγκεκριμένο άνεμο είναι: W w = = Wh ή W w = = 2.26 Ah Επόμενο στάδιο είναι ο υπολογισμός της ισχύος που απαιτείται για να ξεπεραστεί η αντίσταση κύλισης. Αυτή η ισχύς δίνεται από τη σχέση: P r = 9.81 C r M υ g (W) Η μάζα του συστήματος είναι 110 kg και η ταχύτητά του 20 km/h. Ο συντελεστής αντίστασης κύλισης μπορεί να βρεθεί από το διάγραμμα της εικόνα 10, που παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 2. Τα 110 kg αντιστοιχούν σε lb και από το διάγραμμα προκύπτει ότι ο συντελεστής κύλισης είναι C r = Σύμφωνα με αυτά, η ισχύς που απαιτείται σε αυτή την περίπτωση είναι: P r = P r = 38.9 W Η ενέργεια που απαιτείται τότε για όλη τη διάρκεια της κίνησης είναι: W r = = 38.9 Wh ή W r = = 1.62 Ah Τέλος, θα πρέπει να υπολογιστεί η ισχύς που απαιτείται για τις επιταχυνόμενες κινήσεις του ποδηλάτου. Η ισχύς αυτή δίνεται από τη σχέση: P a = 1 2 M a2 t + M a υ 0 [W] Για τον υπολογισμό θεωρείται ότι η αρχική ταχύτητα του ποδηλάτου είναι υ 0 = 1 m/s, o ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας είναι a = 1 m/s 2 και ότι ο χρόνος της επιτάχυνσης είναι ο χρόνος μέχρι 41

46 η ταχύτητα να γίνει υ = 5.55 m/s (20 km h ), ο οποίος προκύπτει t = 4.55 sec. Σύμφωνα με αυτά η ισχύς προκύπτει: P a = P a = W Για τον υπολογισμό της απαιτούμενης ενέργειας, λόγω της επιτάχυνσης του ποδηλάτου, θα πρέπει να προσδιοριστεί ο συνολικός χρόνος, κατά τη διάρκεια μιας διαδρομής, στον οποίο το ποδήλατο βρίσκεται σε φάση επιτάχυνσης. Εκτιμάται ότι σε διαδρομή διάρκειας μιας ώρας εντός πόλεως θα απαιτηθούν 100 τέτοιες επιταχύνσεις. Σε αυτές συμπεριλαμβάνονται και όλα τα υπόλοιπα στάδια επιταχύνσεων με μικρότερες διαφορές τελικής-αρχικής ταχύτητας. Έτσι η συνολική ενέργεια που απαιτείται για την επιτάχυνση σε μία ώρα διαδρομής είναι: W a = = 70.2 Wh ή 3600 W a = = 2.92 Ah Έπειτα από αυτούς τους υπολογισμούς, η συνολική ενέργεια που απαιτείται για να καλυφθεί μια διαδρομή, υπό τις συνθήκες που αναφέρθηκαν προηγουμένως, με το ηλεκτρικό ποδήλατο προκύπτει: W tot = W u + W w + W r + W a W tot = W tot = Ah Αυτή όμως είναι η συνολική ενέργεια που απαιτείται για τη διαδρομή. Αυτή η ενέργεια είναι διαθέσιμη αρχικά από τον ποδηλάτη, ο οποίος τροφοδοτεί την κίνηση του ποδηλάτου μέσω των πεντάλ, και επίσης από την μπαταρία, η οποία τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα. Σε μια συνηθισμένη διαδρομή εκτιμάται ότι η συνεισφορά της ηλεκτρικής υποβοήθησης μπορεί να φτάσει και το 60 %, ενώ το υπόλοιπο 40 % θα τροφοδοτηθεί από τον ποδηλάτη. Έτσι σύμφωνα με αυτά το ποσό της ενέργειας που θα έπρεπε να προσφερθεί από τη μπαταρία για την παραπάνω διαδρομή είναι: W bat = 0.6 W tot W bat = 6.55 Ah 42

47 Οι μπαταρίες λιθίου καλό είναι να εκφορτίζονται κάθε φορά έως το 30 % της συνολικής ενέργειάς τους, έτσι ώστε να έχουν τη μέγιστη δυνατή διάρκεια ζωής. Επομένως, η μπαταρία που θα επιλεγεί θα πρέπει να έχει χωρητικότητα τουλάχιστον: W tot bat = W tot bat = 8.51 Ah Έπειτα από έρευνα αγοράς που έγινε, επιλέχθηκε μια μπαταρία ιόντων λιθίου με χωρητικότητα 10 Ah. Η μπαταρία που επιλέχθηκε είναι της εταιρείας Unit Pack Power και τα χαρακτηριστικά της φαίνονται στον πίνακα 5. Το συνολικό κόστος της, συμπεριλαμβανομένου του φορτιστή της και των μεταφορικών, ανέρχεται στα 140$. Εικόνα 23. Ηλεκτρική μπαταρία ιόντων λιθίου χωρητικότητας 10 Ah 43

48 Χαρακτηριστικά Ηλεκτρικής Μπαταρίας Μοντέλο UPP-A Ονομαστική χωρητικότητα (Ah) 10 Ονομαστική τάση (V) 24 Διαστάσεις (mm) 67*95*130 Τάση αποκοπής εκφόρτισης (V) 21 Τάση αποκοπής φόρτισης (V) 29.4 Μέγιστο συνεχές ρεύμα (Α) 25 Μέγιστο στιγμιαίο ρεύμα (Α) Μέγιστο ρεύμα φόρτισης (Α) 5 Θερμοκρασία φόρτισης ( o C) 0 45 Θερμοκρασία εκφόρτισης ( o C) Θερμοκρασία αποθήκευσης ( o C) Πίνακας 5. Χαρακτηριστικά ηλεκτρικής μπαταρίας 44

49 6.3. Ελεγκτής και χειροκίνητος έλεγχος κινητήρα Για τον έλεγχο των στροφών του κινητήρα θα χρησιμοποιηθεί ένας φτηνός ελεγκτής, ο οποίος φαίνεται στην εικόνα 24. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή, ο ελεγκτής αυτός είναι κατάλληλος για κινητήρα ισχύος 250 W, με ονομαστική τάση 24 V. Μια λαβή γκαζιού ηλεκτρικού ποδηλάτου θα χρησιμοποιηθεί, έτσι ώστε ο οδηγός να μπορεί χειροκίνητα να ελέγξει την ισχύ που παρέχει κάθε στιγμή ο κινητήρας, μέσω του ελεγκτή. Ο ελεγκτής περιλαμβάνει υποδοχή για αισθητήρα φρένου, έτσι ώστε να μπορεί να ανάψει το κόκκινο φως του φρένου σε περίπτωση φρεναρίσματος, όπως επίσης και υποδοχή για να ανάβουν τα κανονικά φώτα του ποδηλάτου. Η τιμή του ελεγκτή είναι στα 11$, ενώ η τιμή της λαβής γκαζιού είναι στα 3$. Εικόνα 24. Ελεγκτής ηλεκτρικού κινητήρα Εικόνα 25. Χειρολαβή γκαζιού για έλεγχο του κινητήρα από τον ποδηλάτη 45

50 6.4. Προσδιορισμός πρόσθετου γραναζιού και αλυσίδας Η μέθοδος που επιλέχθηκε για τη μετάδοση της κίνησης από τον κινητήρα στον άξονα των πεντάλ είναι με τη χρησιμοποίηση ενός γραναζιού σε αυτόν τον άξονα. Η μετάδοση της κίνησης μεταξύ του άξονα του κινητήρα και του άξονα των πεντάλ θα γίνει με αλυσίδα. Η αλυσίδα προτιμήθηκε από τη μετάδοση μέσω ιμάντα. Οι αλυσίδες έχουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τους ιμάντες. Είναι φτιαγμένες από ισχυρά μέταλλα και έτσι το μέγεθός στους μπορεί να είναι μικρότερο από αυτό ενός ιμάντα. Επιπλέον, η κατασκευή τους επιτρέπει τη μεταφορά περισσότερης ισχύος, αφού είναι πιο ανθεκτικές. Σημαντικό πλεονέκτημα είναι και το γεγονός ότι η απόδοση μια αλυσίδας στη μετάδοση της κίνησης είναι εξαιρετικά υψηλή, δηλαδή φτάνει το 98 %. Ωστόσο για να επιτευχθεί αυτή η απόδοση η αλυσίδα θα πρέπει να συντηρείται συχνά. Θα πρέπει να γίνεται έλεγχος για τη σωστή λίπανσή της και για τη σωστή προέντασή της. Για τον προσδιορισμό του μεγέθους του γραναζιού που θα προστεθεί στον άξονα των πεντάλ, θα μετρηθεί ένα συνηθισμένο ποδήλατο. Λόγω του περιορισμού του χώρου που υπάρχει διαθέσιμος για την τοποθέτηση του επιπλέον γραναζιού, αυτό θα είναι πανομοιότυπο με το προϋπάρχον γρανάζι του ποδηλάτου. Μια συνηθισμένη διάμετρος γραναζιού σε ένα συμβατικό ποδήλατο είναι 22 cm. Έτσι θα τοποθετηθεί ένα τέτοιο ίδιο γρανάζι με τη σχέση μετάδοσης από τον κινητήρα στον άξονα να είναι περίπου 10:1. Ο κινητήρας θα τοποθετηθεί κοντά στον άξονα των πεντάλ και έτσι το μήκος της αλυσίδας που θα τοποθετηθεί θα είναι αρκετά μικρό. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή του κινητήρα η αλυσίδα θα πρέπει να είναι μεγέθους #25. Το συνολικό κόστος της αλυσίδας και του γραναζιού εκτιμάται ότι δεν υπερβαίνει τα 10 Ευρώ. 46

51 6.5. Κοστολόγηση μετατροπής του ποδηλάτου σε ηλεκτρικό και σύγκριση με εμπορικά συστήματα μετατροπής Το συνολικό κόστος του συστήματος μετατροπής που παρουσιάστηκε υπολογίζεται σε 290 δολάρια Αμερικής ή 270 Ευρώ, αν συμπεριληφθεί και το κόστος των ηλεκτρικών καλωδίων και των στηρίξεων του κινητήρα. Το κόστος αυτό αφορά ένα μόνο σύστημα μετατροπής. Σε περίπτωση που τα κομμάτια που θα αγοραστούν είναι για δύο ή περισσότερα συστήματα, τότε το κόστος των μεταφορικών μοιράζεται στα διάφορα κομμάτια και το συνολικό κόστος που αντιστοιχεί στη μετατροπή ενός ποδηλάτου μπορεί να πέσει μέχρι και τα 200 ευρώ. Βέβαια, για κάποιον που θα επιθυμούσε να ρίξει ακόμα περισσότερο το κόστος της μετατροπής, υπάρχει και η επιλογή της μπαταρίας μολύβδου οξέος, η οποία αν χρησιμοποιηθεί για την ίδια χωρητικότητα, μπορεί να ρίξει το κόστος ακόμα και στα 150 ευρώ. Στην ελληνική αγορά το κόστος μόνο μιας αντίστοιχης ηλεκτρικής μπαταρίας ιόντων λιθίου, της ίδιας τιμής χωρητικότητας και για το ίδιο επίπεδο τάσης, δεν πέφτει κάτω από τα 300 ευρώ. Παράλληλα, η τιμή ενός συστήματος μετατροπής που περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα εξαρτήματα (κινητήρα, ελεγκτή, γρανάζια, αλυσίδες, κλπ.), που είναι διαθέσιμο το 2016 στην ελληνική αγορά, κοστολογείται στην καλύτερη περίπτωση στα Ευρώ. Είναι φανερό ότι η λύση που προτείνεται στη συγκεκριμένη εργασία είναι κατά πολύ φθηνότερη από οποιοδήποτε σύστημα μετατροπής ηλεκτρικού ποδηλάτου που κυκλοφορεί στην ελληνική αγορά Τρισδιάστατο σχέδιο απεικόνισης του τρόπου στήριξης του κινητήρα πάνω στο πλαίσιο του ποδηλάτου Για τη στήριξη του κινητήρα πάνω στο πλαίσιο του σκελετού του ποδηλάτου θα δημιουργηθεί μια απλή στήριξη, όπως φαίνεται στην εικόνα 26. Η στήριξη θα έχει τη γεωμετρία του γράμματος Π. Η στήριξη θα προσαρμόζεται στο σωλήνα του σκελετού με δύο βίδες Μ8, οι οποίες θα διαπερνούν το σωλήνα και τις πλαϊνές πλευρές της στήριξης, και θα στερεώνονται από την άλλη πλευρά με παξιμάδια ασφαλείας, όπως φαίνεται στις εικόνες 27 και 28. Ο κινητήρας θα στερεώνεται με βίδες μεγέθους Μ6, οι οποίες θα τοποθετηθούν από πάνω προς τα κάτω λόγω της στενότητας του χώρου. Η στήριξη θα κατασκευαστεί από χάλυβα και θα έχει πάχος 2 χιλιοστά, έτσι ώστε να μπορεί να αντέχει στις μηχανικές καταπονήσεις που θα δέχεται. Το γρανάζι 47

52 προτείνεται να προσαρμοστεί από την αριστερή πλευρά του ποδηλάτου, όπως φαίνεται στις εικόνες. Το γρανάζι που θα βρίσκεται στον άξονα του κινητήρα θα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένο με το γρανάζι αυτό, έτσι ώστε να μεταφέρεται η ισχύς μέσω της αλυσίδας που θα τα συνδέει. Εικόνα 26. Τοποθέτηση του συστήματος του ηλεκτρικού κινητήρα και του γραναζιού πάνω στο ποδήλατο Εικόνα 27. Στήριξη του κινητήρα πάνω στο σκελετό του ποδηλάτου (αριστερή πλευρά) 48

53 Εικόνα 28. Στήριξη του κινητήρα πάνω στο σκελετό του ποδηλάτου (δεξιά πλευρά) Η μπαταρία με τον ελεγκτή μπορεί να τοποθετηθεί είτε σε σχάρα πίσω από τον ποδηλάτη είτε σε ειδικές θήκες που υπάρχουν και προσαρμόζονται στον άνω σωλήνα του σκελετού του ποδηλάτου. Οι διαδρομές των καλωδίων θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συντομότερες για την ελαχιστοποίηση των απωλειών. 49