Co je elektrokolo II, aneb ty, jak to, že nešlapeš?

Z hlediska konstrukce se elektrická pohonná jednotka pro kola skládá ze tří základních částí. První z nich je elektromotor. Dávno pryč jsou naštěstí doby, kdy kutilové používali k pohonu svých samohybů motory ze stěračů, větrání nebo i dynama a startéry osobních nebo nákladních automobilů a jejich kroutící moment přenášeli na kolo vozidla v lepším případě řetězem či řemenem nebo v horším případě třecím převodem přímo na dezén pneumatiky. Dnes se naštěstí dá (a to i na našem trhu) pořídit motor přímo určený pro pohon kol. Nejčastěji jde o typ BLDC („brushless DC“ tedy bezkartáčový stejnosměrný) vestavěný přímo do středového náboje předního či zadního kola. Tento motor se skládá ze statoru, který je pevně spojený s osou kola a obsahuje třífázové vinutí a hallovy snímače polohy, a rotoru, který tvoří plášť náboje kola jako takového. Ten má na vnitřní straně nalepené permanentní magnety, keré při otáčení obíhají nad statorem, přičemž postupným připojováním a odpojováním napětí na jednotlivé fáze statorových vinutí dochází k roztočení motoru. Vnitřek BLDC motoru můžete vidět na obrázku:


Tento pro ekektrokola nejtypičtější motor tedy nemá žádnou převodovku a kroutící moment přenáší přímo na hnané kolo. Setkat se lze ale i s BLDC motorem s planetovou převodovkou, který je opět celý v náboji kola. Mimo to se ještě někde používají i klasické stejnosměrné motory s komutátorem, nicméně ty kromě výhody jednodužší řídící jendotky mají oproti BLDC už je samé nevýhody a tudíž se jimi nemá smysl moc zabývat. Nečastěji používané napájecí napětí je 36V, ale u výkonných pohonů se používá i 48, 72, případě i víc a naopak u lowendových samohybů občas i pouhých 12V, eventuelně 24V. Časem se dá očekávat spíše posun standardu k vyšším hodnotám než uvedených 36V.

Druhá část je řídící jednotka s přílušnými ovládacími prvky. Řídící jednotka pro BLDC motor je malá krabička, ke které se sbíhají všechny kabely. Uvnitř je mikroprocesor a stádo spínacích tranzistorů, které podle pokynů mikroprocesoru spínají napětí do jednotlivých vinutí motoru v závislosti na stávajícím natočení motoru a požadovaných otáčkách. Ovládání otáček a tedy rychlosti se u elektrokol realizuje dvěma způsoby. Nejčastější je otočný ovladač "plynu" v pravém řídítku, stejně jako u motorky. Druhý způsob je snímač otáček šlapek na středu kola, na základě jehož údajů jednotka reguluje otáčky motoru podle toho, jak rychle šlapete (tzv. PAS). Sériově vyráběná elektorkola mají obvykle obojí a je tedy na člověku, který způsob mu víc vyhovuje. Kromě toho ještě jednotka pomocí spínačů na páčkách brzd sleduje, jestli se nebrzdí a pokud ano, okamžitě odpojí napájení od motoru. Chytřejší řídící jednotky pak umí ještě rekuperaci (tip pro googlení: v souvislosti s elektrokoly se používá mnohem častěji termín "regen" než "recuperation"), jejíž přínos je nicméně u kol sporný nebo i nějakou formu diagnostiky po RS232, I2C nebo podobném rozhraní a dokonce někdy i nástroje na ladění vlastního firmware. Prostor pro bastlení, tůnění a DIY vůbec je tady obrovský a je to jedna z věcí, které bych se chtěl určitě v budoucnu věnovat.

Akumulátor a nabíječka

Třetí částí pohonné jednotky je zdroj energie. Tato část je natolik zásadní, že si zaslouží celou kapitolu. Na ní záleží, jak daleko dojedeme, jak rychle pojedeme, jak nám to potáhne do kopce a v neposlendí řadě, jak dlouho budeme potřebovat na dobití. Na trhu je dnes spousta různých druhů akumulátorů, klasickými olověnými počínaje, přes NiCd, NiMH, Li-On, Li-Pol až po hit posledních několika měsíců akumulátory LiFePo4. V dnešní době se ale má smysl zabývat už jenom prvními a posledními jmenovanými, případně ještě Li-Pol, kterými jsou často vybavená lepší sériová elektrokola na našem trhu.

Olověné akumulátory jsou léty prověřená klasika. Jejich hlavní výhodou je velmi nízká cena (za pack 36V/12Ah vhodný pro provoz elektrokola zaplatíte cca 1500,-Kč), slušné parametry, bezpečný provoz a odolnost vůči méně šetrnému zacházení. Nevýhodou je jejich obrovská hmotnost, relativně pomalé nabíjení a spíše podprůměrný počet nabíjecích cyklů (v lepším případě cca 500). Také je třeba podotknout, že není olověný akumulátor jako olověný akumulátor. Je potřeba zvolit takové, které jsou přímo určeny k trakčním účelům a dokáží dávat velké proudy. Gelové zálohovací akumulátory jsou tedy naprosto nevhodné. O otevřených akumulátorech s tekutým elektrolytem v žádném případě ani nepřemýšlet.

LifePo4 technologie je velmi mladá a slibně se rozvíjející. Nabízí vysokou kapacitu při nízké hmotnosti, velké nabíjecí a vybíjecí proudy, umožňující rychlonabíjení a větší porci energie při extrémním odběru (jízda do prudkého kopce) a vysokou životnost (někteří výrobci udávají až 7000 nabíjecích cyklů, běžnější je hodnota 2000 až 3000) Přitom na rozdíl od Li-on nebo Li-pol není tak háklivá na zacházení a především nehrozí nebezpečím výbuchu při přebíjení, zkratování nebo mechanickém poškození. Navíc tato technologie má našlápnuto k tomu, nahradit olověné baterie i v oblastech, kde se tyto stále ještě drží. Namátkou UPS, startovací akumulátory automobilů a motockylů, zálohování různých elektronických zařízení apod. Jedinou negativní vlastností je výrazně vyšší cena (zhruba od 7000,-Kč za 36V/10Ah pack), ale i to se jistě časem bude měnit a navíc vzhledem k životnosti vychází poměr cena/výkon i tak minimálně srovnatelně s olověnými akumulátory.

Jaké tedy vybrat? Je to jednoduché. Když máte na lifepo4 a chcete jezdit delší trasy, jděte do nich. Pokud si nejste jisti, jestli elektrokolo splní vaše požadavky a chcete nejdřív experimentovat bez větších investic, zvolte olovo. Já jsem zvolil druhou možnost i když zde hrálo roli především to, že příslušné LiFePo4 články nebyly zrovna dostupné a do poloviny prázdnin na další dodávku se mi čekat nechtělo. Co se týče kapacity, chce to určitě alespoň 10Ah, u olova raději ještě víc (uvědomte si, že při stejné jmenovité kapacitě dojedete na lifepo4 dál, už jenom kvůli menší hmotnosti). Já jsem zvolil 12Ah jako rozumný kompromis mezi kapacitou a hmotností. Tento pack se skládá ze tří 12V akumulátorů, které dohromady mají asi 11kg.

Ať už zvolíte kteroukoliv technologii, je potřeba k ní ještě vybrat příslušnou nabíječku. Specielně lithiové akumulátory jsou na správné nabíjení velice choulostivé a jakékoliv nezodpovědné experimentování vede v lepším případě k jejich zničení, v horším případě k výbuchu (u lifepo4 "pouze" ke kouřovým efektům). Proto bych tady důrazně varoval před jakýmkoliv bastlením ve snaze ušetřit, pokud opravdu nevíte, co děláte. V menší míře platí totéž i pro olověné akumulátory, které by ledaskoho mohly svádět k použití nabíječky na auto. To sice lze (pack je třeba rozpojit na jednotlivé 12V akumulátory a nabíjet postupně, případně paralelně), ale proč, když cca za tisícovku pořídíte nabíječku přímo určenou pro nabíjení celého 36V packu, která je navíc díky použití spínaného zdroje malá a lehká zhruba jako zdroj k notebooku, takže jí není problém vozit s sebou? Kromě toho je taková nabíječka řízená procesorem, takže není potřeba vůbec nic hlídat, nabíječka sama po nabití přepne do udržovacího režimu, takže nedochází k přebíjení. U nabíječek pro lithiové akumulátory je pak tato funkce naprosto nezbytná.

Jak to vypadá?

Přes všechno výše uvedené, nepřipomíná elektorkolo žádné monstrum a na první ani na druhý pohled ho nejspíš v běžném provozu vůbec nerozpoznáte. Například mému šéfovi (a pak několika dalším lidem po něm) jsem musel vysvětlit, že ten disk v předním kole není brzda, ale naopak motor. Nápadný začnete být teprve ve chvíli, kdy jedete do kopce s minimální námahou ve skupině dalších cyklistů, kteří se v potu tváře lopotí. Jeden takový mě nedávno chvíli pozoroval jedouc pár set metrů těsně za mnou, pak se zařadil vedle mne a položil mi otázku uvedenou v nadpisu. Tak jsme během jízdy podebatovali, já mu vysvětlil základní věci a zase se rozejeli. Z toho plyne, že povědomí o eketrokolech je u nás opravu minimální.

Koupit nebo přestavět?

Toť otázka. Jisté je ale jedno. Pokud kolo dosud nevlastníte, rozhodně nemá smysl ho kupovat za účelem přestavby. Nejen, že nic neušetříte (spíš naopak), ale navíc je problematický servis i případné reklamace (u přestavbových kitů je obvykle nutné poslat k reklamaci kompletní kit i když problém je třeba vadná řídící jednotka nebo ovladač rychlosti), nemluvě o různých konstrukčních vychytávkách, které mají sériově vyráběná kola na rozdíl od přestaveb vyřešená (tedy hlavně umístění a uchycení akumulátorů a jejich zajištění před nenechavci). Na druhou stranu vhodně provedená přestavba má velkou výhodu v tom, že pokud držák s akumulátory necháte doma, máte zase svoje původní kolo, akorát o pár kg těžší díky motoru. A koneckonců v případě náhonu na přední kolo není problém během pár minut vyměnit i to za původní a vyjet třeba i do terénu.

Co se týče nabídky hotových elektrokol, tak ač se to na první pohled nezdá, na trhu jich není zase tak málo. Většinou jde o dovoz z Číny, ty nejlevnější začínají už nad hranicí 10 tisíc Kč, vesměs připomínají spíše mopedy a dle avizovaných parametrů bych se jim raději vyhnul obloukem. Napájecí napětí obvykle 12V, malá kapacita akumulátorů a velká hmotnost dávají tušit malou rychlost i dojezd, takže mohou být vhodná možná tak pro staršího člověka k dojíždění do nepříliš vzdálené samoobsluhy. Slušnější modely začínají zhruba na dvojnásobku této sumy. Tady mě zaujala nabídka ekolo.cz, kde bych si už opravdu dokázal vybrat, nehledě na na to, že všechna jejich kola používají lehké Li-Pol akumulátory a mají dotažené právě všechny ty detaily, se kterými já na svojí přestavbě zápasím.

Nicméně sériově vyráběnými elektrokoly se na tomto blogu zabývat v dohledné době nebudu. Sám jsem zvolil cestu přestavby (uff), protože vlastním solidní horské kolo, které jsem navíc v poslední době celkem zanedbával a také mě baví se v něčem vrtat a dělat různá vylepšení. Zakoupil jsme tedy kit od firmy ecotech.cz včetně akumulátorů (pro začátek olověných) a nabíječky. V příštím zápisu se tedy budu věnovat tomuto kitu a jeho montáži.

Co je to elektrokolo část I

V kostce řečeno, elektrokolo je kolo vybavené elektrickým pomocným motorem. Slovo "pomocný" je ovšem potřeba brát doslovně. Primárním účelem motoru je pomáhat vám zdolávat kopce a rozjezdy bez nutnosti dřít se a řadit lehčí převody, nicméně výkony současných motorů a kapacity akumulátorů umožňují vézt se lehčím terénem zcela bez šlapání i pár desítek kilometrů rozumnou cestovní rychlostí.

Taková běžná pohodová jízda na motor potom vypadá tak, že máte zařazený pořád nejtěžší převod, na který dvěma-třemi příšlapy pomůžete (nikoliv nezbytně) motoru k rychlejšímu rozjezdu, do mírných kopců sem tam šlápnete, abyste udrželi rychlost a teprve do opravdu prudkých kopců podřazujete na lehčí převod a začínáte intenzivněji šlapat. Do cíle tedy nepřijíždíte uřícení a zpocení, ale jenom příjemně protažení, což dělá z elektrokola ideální dopravní prostředek na dojíždění do práce.

A jak daleko při takovém stylu jízdy dojedete? V případně mého kola je to minimálně 35km na laciný olověný 36V/12Ah akumulátor při průměrné rychlosti kolem 27km/h. To jde, ne? Samozřejmě tato hodnota se výrazně zvětší pokud budete víc šlapat a energii si šetřit na náročnější úseky o použití baterií s větší kapacitou nemluvě.

Co je ovšem skvělé je to, že přes tyto vlastnosti je elektrokolo, při zachování několika poměrně rozumných podmínek (viz níže), z hlediska legislativy pořád kolo se všemi výhodami co z toho plynou. Tedy není potřeba ho nikde registrovat, nepotřebujete řidičák, smíte jezdit po cyklostezkách a když si někde zkrátíte cestu přes chodník nebo jednosměrkou, tak vám hlavu taky nikdo neutrhne.

Tyto podmínky jsou následující:

1. Musí zůstat zachován charakter jízdního kola a nesmí se zasahovat do jeho nosných částí (tedy pokud si zbastlíte nějaký samohyb vybavený elektromotorem nebo navaříte motor ze sekačky na vaše kolo, nesmíte s tím na silnici).

2. Konstrukční rychlost nesmí přesáhnout 25km/h (týká se jízdy na motor, šlapat nebo jet z kopce můžete jak rychle chcete).

3. Špičkový výkon elektromotoru nesmí přesáhnout 1kW (současně používané bezkartáčové motory mají výkon 200 až 500W, takže i když jimi vybavíte zároveň přední i zadní kolo, jste pořád v normě a vyjedete každý kopec).

Samozřejmě kromě těchto podmínek je třeba dodržet i ostatní věci, týkající se běžných jízdních kol (hlavně pořádné osvětlení!). Pokračování příště.

Pár slov úvodem

Myšlenkou založit si blog jsem se zabýval už léta, obvykle vždy, když jsem se zabýval něčím, co pro mě bylo aktuálně zajímavé a chtěl jsem se s průběhem a výsledky tohoto snažení podělit s dalšími lidmi, pro které by tyto informace mohly být přínosné. Nakonec jsem se k tomu ale buď nikdy nedokopal nebo to v lepším případě skončilo obsáhlejším příspěvkem v nějakém tématicky založeném diskusním fóru.

Nyní se to ale pokusím změnit. Největším impulsem bylo, když jsem se rozhodl přestavět si svoje kolo na elektrokolo a narazil na naprosté informační vzduchoprázdno. V podstatě jsem objevil pouze jeden dlouhatánský thread na serveru věnovaném úplně něčemu jinému a potom několik více či méně přínosných firemních prezentací, které jsou přes všechnu snahu autorů stále pouze kusé firemní prezentace. Proto jsem se rozhodl popsat svoje zkušenosti z přestavbou a provozem elektrokola do blogu a doplnit několika obsáhlejšími zápisky shrnujícími problematiku jako takovou a věci co s ní souvisí. To pro začátek dělá hezkých pár zápisků a doufám, že je stihnu napsat a publikovat v rozumném čase.

Kromě toho se tu čas od času budou objevovat i další témata, týkající se mých zájmů nebo i práce. Časem se tedy dočtete i něco o retrocomputingu (to jsou ti šílenci, co sbírají, provozují a případně i všelijak upravují historické počítače, zejména osmibity), nahrávání a zpracovávání hudby a zvuku v OS Linux, zajímavý embedded hardware a bastlení vůbec (často v kontextu s výše uvedenými tématy). To by pro začátek mohlo stačit, takže zůstaňte naladěni, příště si uděláme obecný úvod do elektrokol.