Table of Contents

Сдвиг городской мобильности и гибридное движение

Городские перевозки находятся под давлением. Города сталкиваются с ростом заторов, более строгими целями выбросов и растущим населением, которое требует гибких, доступных способов передвижения. Устройства личной мобильности вступают в этот разрыв, с электронными велосипедами, ведущими заряд. Тем не менее, самая значительная техническая эволюция в этом пространстве не является чисто электрической. Гибридные двигательные системы, которые сочетают в себе человеческую энергию, электродвигатели, а иногда и двигатели внутреннего сгорания, переопределяют то, что эти устройства могут делать. Объединив источники энергии, гибридные системы расширяют диапазон, уменьшают зависимость от зарядки и адаптируются к реальным условиям езды лучше, чем одноисточниковые трансмиссии. В этой статье рассматривается, как гибридная двигательная установка работает в электронных велосипедах и других устройствах личной мобильности, инженерия за ним и где технология движется.

Что такое гибридное движение?

Гибридная двигательная установка означает, что транспортное средство использует два или более различных источника питания для генерации движения. В личных мобильных устройствах наиболее распространенным сопряжением является электродвигатель, работающий вместе с педалями человека. Некоторые конструкции также интегрируют небольшой двигатель внутреннего сгорания в качестве удлинителя диапазона, хотя это реже в устройствах потребительского класса. Цель состоит не только в том, чтобы добавить мощность, но и оптимизировать, как и когда используется каждый источник. Хорошо спроектированная гибридная система позволяет гонщику или бортовому контроллеру выбирать наиболее эффективную смесь мощности для текущей местности, состояния батареи и желаемого уровня усилия.

Концепция напрямую заимствована из автомобильной гибридной технологии, которая была в коммерческом использовании с конца 1990-х годов. Однако ограничения и возможности отличаются в масштабах велосипеда или скутера. Вес, стоимость и простота имеют большее значение, а собственные физические усилия гонщика могут быть значимым вводом мощности, а не вторичной особенностью. Это делает гибриды личной мобильности особой инженерной задачей, а не просто уменьшенной автомобильной системой.

Основные гибридные архитектуры в E-Bikes

Электровелосипеды представляют собой самый большой и зрелый рынок гибридных двигателей в личной мобильности. Хотя многие потребители считают электровелосипеды чисто электрическими, большинство на самом деле являются гибридами в том смысле, что они сочетают педальную мощность с моторной помощью. Ключевое различие заключается в том, как взаимодействуют два источника питания.

Педальные системы

Педаль-помощник, часто называемый педелеком, является доминирующей архитектурой. Датчик определяет, когда гонщик крутит педали и сколько крутящего момента или каденции он применяет. Затем двигатель добавляет пропорциональную мощность, как правило, до установленного ограничения скорости (25 км / ч в Европе, 28 км / ч в США для электронных велосипедов класса 1). Всадник всегда вносит свой вклад, но двигатель усиливает их усилия. Это создает естественное ощущение езды, уменьшая усталость на холмах и длинных поездках. Большинство систем педаль-помощник используют двигатель среднего привода, установленный на нижней кронштейне велосипеда, позволяя двигателю использовать систему передачи велосипеда для лучшей эффективности подъема на холм.

Системы на основе дроссельной заслонки

Электровелосипеды с управлением дроссельной заслоной позволяют гонщику задействовать двигатель без педалей. Это настоящая гибридная конфигурация, потому что гонщик может выбирать между человеческой мощностью, электрической мощностью или и тем, и другим, независимо. На практике многие гонщики используют дроссели для стартов с остановки или крутых секций и педали в остальное время. Эта гибкость полезна для гонщиков, которым нужны случайные всплески мощности без изменения их педалейного ритма. Компромисс снижен по сравнению с педалями-ассистентами, поскольку двигатель несет полную нагрузку при использовании дросселя.

Регенеративная интеграция тормозов

Регенеративное торможение захватывает кинетическую энергию при замедлении и преобразует ее в электрическую энергию, хранящуюся в батарее. В электровелосипедах это реже, чем в электромобилях, потому что потенциал рекуперации энергии меньше, но он все же ценен в конкретных случаях использования. Моторы с прямым приводом могут осуществлять регенерацию без дополнительной механической сложности. Когда гонщик тормозит или ездит по побережью вниз по склону, двигатель действует как генератор, подавая ток обратно в батарею. Это может расширить диапазон на 5-10% в остановке-и-году городской езды, где часто происходят тормозные события. Эффект более выражен на грузовых велосипедах и более тяжелых мобильных устройствах, где масса замедляется больше.

Двухмоторные гибридные конфигурации

В новой архитектуре используются два двигателя, обычно один в переднем и один в заднем концентраторе или средний привод в сочетании с двигателем концентратора. Эта установка позволяет векторировать крутящий момент и полный привод, улучшая тягу на рыхлых поверхностях, снегу или крутым подъемам. Два двигателя могут работать независимо, поэтому система может оптимизировать эффективность, работая только с двигателем, который соответствует текущему состоянию нагрузки. Например, передний двигатель обрабатывает низкоскоростной крутящий момент, в то время как задний двигатель принимает на себя крейсерскую скорость. Это добавляет сложность и вес, но обеспечивает производительность, которую однодвигательные системы не могут соответствовать, особенно в бездорожье и грузовых приложениях.

Как работают гибридные двигательные системы

Интеллект в гибридной системе так же важен, как и аппаратное обеспечение. Блок контроллера контролирует входы датчиков - педальный крутящий момент, каденцию, скорость колеса, напряжение батареи, а иногда и данные класса GPS - и решает, сколько мощности должен обеспечить каждый источник. Стратегия управления может быть настроена для разных целей:

  • Режим эффективности: Двигатель оказывает минимальную помощь, полагаясь в первую очередь на педаль. Система отдает приоритет сохранению батареи для последующего использования.
  • Режим диапазона: Мощность от обоих источников смешивается для поддержания устойчивой скорости с минимальным вытягиванием батареи, часто путем ограничения выходной мощности двигателя до низкого непрерывного уровня.
  • Режим подъема: Мотор обеспечивает полную номинальную мощность при педалью гонщика, максимизируя ускорение и скорость подъема за счет уменьшенного диапазона.
  • Адаптивный режим: Контроллер изучает типичную мощность гонщика и маршруты езды, а затем активно настраивает уровни помощи на основе предстоящей местности.

В системах с удлинителем дальности внутреннего сгорания небольшой бензиновый генератор заряжает батарею, когда она опускается ниже порога. Мотор все еще приводит в движение колеса, поэтому двигатель работает при наиболее эффективной RPM, а не изменяется со скоростью движения. Это та же самая серия гибридная архитектура, используемая в некоторых локомотивах и кораблях, уменьшенная для велосипеда или скутера. Хотя этот подход не распространен в потребительских товарах, он появляется в специализированных дальних туристических велосипедах и военных разведывательных транспортных средствах, где инфраструктура зарядки недоступна.

Преимущества гибридного движения в личной мобильности

Преимущества гибридных систем выходят за рамки простого добавления мощности. При правильном проектировании они создают опыт езды, который адаптируется к гонщику и окружающей среде.

Расширенный практический диапазон

Чистый электрический электровелосипед с батареей мощностью 500 Втч обычно может покрывать 50-80 км на одной зарядке, в зависимости от местности и уровня помощи. Гибридная система, которая позволяет гонщику вносить значительную педальную мощность, может расширить этот диапазон еще на 30-50% при тех же условиях, потому что двигатель не должен поставлять всю движущую силу. Для гонщиков, которые рассматривают велосипед как основной транспортный инструмент, это снижает беспокойство по поводу дальности и доступности зарядки.

Энергоэффективность и влияние сети

С системной точки зрения гибридные устройства потребляют меньше электроэнергии на километр, чем чисто электрические модели, поскольку всадник обеспечивает часть энергии. Это снижает нагрузку на электрическую сеть при одновременном зарядке большого количества устройств, что растет по мере ускорения внедрения электронных велосипедов. Кроме того, гибридные системы могут заряжаться от стандартных розеток и не требуют специализированной инфраструктуры высокого тока, что облегчает их интеграцию в существующие здания и общественные зарядные станции.

Здоровье и вовлеченность гонщика

Одно недооцененное преимущество гибридного движения заключается в том, что оно поддерживает всадника. Электровелосипеды на основе чистого дроссельного двигателя могут чувствовать себя пассивными, и некоторые гонщики находят их менее удовлетворительными с течением времени. Гибридные системы, которые требуют педирования, сохраняют компонент физической активности езды на велосипеде, делая его доступным для более широкого диапазона уровней физической подготовки. Это особенно важно для пожилых гонщиков, людей, восстанавливающихся после травмы, или тех, кто хочет прибыть в пункт назначения, не будучи пропитанным потом, но все еще извлекает выгоду из ежедневных упражнений.

Адаптивность почвы

Гибридные системы превосходят по разнообразной местности. Всадник может использовать полную мощность педали на плоских секциях для экономии заряда батареи, затем вызывать двигатель для крутых подъемов или встречного ветра. В пробках остановки и движения по городу мотор обрабатывает ускорение, в то время как всадник фокусируется на балансе и навигации. Эта гибкость уменьшает необходимость ручного переключения передач или постоянной регулировки уровней помощи, что делает поездку более гладкой и менее когнитивно требовательной.

Уменьшенное ношение батареи

Батареи деградируют с каждым циклом зарядки, особенно при воздействии высоких токов разряда и глубоких разрядов. В гибридной системе двигатель потребляет меньше пикового тока, потому что гонщик разделяет нагрузку. Этот более мягкий профиль использования продлевает срок службы батареи, иногда на несколько сотен циклов. Для операторов флота, которые управляют десятками или сотнями устройств, это напрямую приводит к снижению затрат на замену и меньшему количеству отходов батареи.

За пределами E-Bikes

В то время как электронные велосипеды являются гибридным мобильным устройством самого большого объема, те же принципы применяются и к другим формам личного транспорта.

Гибридные скутеры

Электрические скутеры чрезвычайно популярны для коротких городских поездок, но их диапазон ограничен небольшими батареями. Гибридный скутер добавляет небольшой газовый двигатель или механизм педального привода в качестве расширителя диапазона. Некоторые конструкции используют систему сгибания педали, которая позволяет гонщику толкать скутер, как ударный скутер, в то время как двигатель оказывает помощь. Другие устанавливают крошечный четырехтактный двигатель, который заряжает батарею во время езды, аналогично гибридному подходу серии. Эти гибриды скутера набирают силу в парках доставки, где требуется непрерывная работа в течение восьмичасовой смены.

Гибридные скейтборды и лонгборды

Электрические скейтборды имеют нишу, следующую за ними, но они страдают от ограниченного диапазона и проблем с управлением на неровных поверхностях. Гибридные скейтборды включают в себя ручную систему запуска: гонщик пинает доску до определенной скорости, затем двигатель включается для поддержания или увеличения скорости. Это снижает пиковый расход на батарее и позволяет гонщику выбирать, когда использовать мощность. Некоторые доски также имеют рекуперативное торможение, что особенно эффективно, потому что вес гонщика над доской обеспечивает постоянное контактное давление для торможения.

Легкие электромобили и грузовые велосипеды

Грузовые велосипеды и легкие электромобили (LEV) переносят более тяжелые нагрузки, поэтому эффективность имеет большее значение. Гибридная тяга в этих устройствах часто использует два двигателя, как описано ранее, в сочетании с педальным вводом от гонщика. Грузовой трик, перевозящий 100 кг продуктов, выигрывает от векторирования крутящего момента между двумя задними колесами, что улучшает стабильность во время поворотов. Гибридная система также может восстанавливать больше регенеративной энергии во время торможения из-за более высокой общей массы. Эти устройства все чаще используются для логистики последней мили, и их гибридная архитектура позволяет операторам запускать их весь день на одной зарядке, тщательно балансируя человеческую и электрическую энергию.

Микроавтомобили и квадрициклы

На верхнем конце личной мобильности небольшие электрические четырехколесные транспортные средства (часто классифицируемые как квадрициклы или соседние электромобили) принимают гибридные системы. Эти транспортные средства обычно весят 300-500 кг и движутся со скоростью до 40-60 км/ч. Гибридная конфигурация с небольшим газогенератором может удвоить диапазон от 100 км до 200 км без увеличения размера батареи. Это делает их жизнеспособными для пригородных поездок, где инфраструктура зарядки разрежена. Некоторые модели также используют солнечные панели, встроенные в крышу, чтобы просачиваться, заряжая батарею, добавляя третий возобновляемый источник энергии в гибридную смесь.

Инженерные проблемы и практические решения

Создание гибридного персонального мобильного устройства — это не просто вопрос прикрепления двигателя к раме, работающей на человеке. Инженерные проблемы значительны, и решения определяют, преуспеет ли продукт на рынке.

Вес и упаковка

Каждый дополнительный компонент — мотор, аккумулятор, контроллер, проводка, датчики — прибавляет вес и занимает место. Хорошо спроектированная гибридная система должна быть достаточно компактной, чтобы вписаться в геометрию велосипеда или скутера, не делая его неуклюжим. Моторы среднего привода интегрируются в область нижней кронштейна рамы, сохраняя центр тяжести низким. Пакеты аккумуляторов обычно монтируются на нижнюю трубку или заднюю стойку, где они менее заметны. Контроллер часто встроен внутрь корпуса батареи или рамы нижнего стойки. Цель — система, которая добавляет не более 4-6 кг к стандартному велосипеду, что достижимо с современными литий-ионными ячейками и бесщеточными двигателями постоянного тока.

Программное обеспечение для управления питанием и управления

Алгоритм управления, который решает, как смешать источники питания, является основной интеллектуальной собственностью во многих гибридных системах. Он должен реагировать в реальном времени на быстро меняющийся вход: гонщик может заклинивать педали, берег или тормоз в течение нескольких секунд. Плохо настроенные контроллеры создают дерзкое или неестественное ощущение, которое не нравится гонщикам. Хорошие контроллеры используют прогностические модели, основанные на недавнем крутящем моменте педали и каденции, чтобы сгладить переходы. Некоторые высококлассные системы используют машинное обучение для адаптации к стилю отдельного гонщика в течение нескольких поездок.

Тепловая диссипация

Моторы и контроллеры вырабатывают тепло, особенно при устойчивой нагрузке на холмах. В чистой электрической системе двигатель может быть спроектирован для обработки пиковых нагрузок с короткими интервалами высокой температуры. В гибридной системе гонщик может снизить нагрузку на двигатель, более сильно нажимая педали, что помогает снизить температуру двигателя. Но контроллер все равно должен быть защищен от перегрева. Большинство конструкций используют пассивные алюминиевые радиаторы, а некоторые мощные системы включают небольшие вентиляторы или тепловые трубы. Тепловое управление является ключевым фактором надежности для операторов флота, потому что устройства, которые перегреваются во время смены, непродуктивны.

Надежность и калибровка датчиков

Гибридные системы зависят от датчиков для измерения крутящего момента педали, каденции, скорости колеса и состояния батареи. Эти датчики должны быть точными, прочными и устойчивыми к влаге и вибрации. Датчики крутящего момента, в частности, являются общей точкой отказа, поскольку они должны измерять небольшие деформации в веретене нижней кронштейна, в то время как велосипед подвергается дорожным ударам и погоде. Многие производители перешли на бесконтактные магнитные датчики крутящего момента, которые более надежны, чем тензодатчики. Калибровочный дрейф с течением времени по-прежнему вызывает беспокойство, а некоторые системы включают процедуры самокалибровки, которые работают каждый раз, когда устройство включено.

Управление батареями и безопасность

Батарея в гибридной системе испытывает меньше циклов глубокого разряда, чем в чистом электрическом устройстве, что улучшает долговечность. Но она также испытывает более частые частичные события разряда заряда, поскольку рекуперативное торможение и зарядка двигателя возвращают энергию. Система управления аккумулятором (BMS) должна обрабатывать эту смешанную схему использования без сокращения срока службы ячеек. Предотвращение теплового разряда является отдельной проблемой, особенно для литий-ионных ячеек. Качественные блоки BMS контролируют напряжение ячейки, температуру и ток на основе ячейки и могут отключать пакет, если какой-либо параметр выходит за пределы безопасных пределов. Для приложений флота батареи с интегрированным подавлением пожара или керамические сепараторы становятся все более распространенными.

Тенденции рынка и потребительское усыновление

Гибридные силовые установки набирают долю рынка, что обусловлено несколькими сближающимися тенденциями. Пригородные жители в густонаселенных городских районах хотят иметь более быстрый, чем пешеходный, более дешевый, чем владение автомобилем, и менее физически требовательный, чем обычный велосипед. Гибридные электронные велосипеды удовлетворяют этот спрос, предлагая помощь при необходимости и упражнения при желании. Глобальный рынок электронных велосипедов был оценен примерно в 30 миллиардов долларов в 2023 году и, по прогнозам, превысит 50 миллиардов долларов к 2030 году, причем гибридные системы представляют собой растущую долю этого роста.

Многие города предлагают субсидии на покупку электронных велосипедов, а некоторые специально стимулируют модели с педалью-помощью по сравнению с моделями с дросселем, потому что они считаются более безопасными и более вероятными для замены поездок на автомобиле. В Европе стандарт EN 15194 регулирует классификацию электронных велосипедов и усиливает гибридную конструкцию с педалью. В США система трех классов (класс 1, 2, 3) определяет, какие гибридные конфигурации разрешены на велосипедных дорожках и тропах, создавая нормативную базу, по которой производители должны ориентироваться.

Операторы флота — крупный сегмент роста. Компании-поставщики, программы по совместной работе с велосипедами и провайдеры логистики последней мили нуждаются в устройствах, которые могут выполнять несколько смен без простоев. Гибридные системы дают им дальность и надежность для этого. Всадник на гибридном грузовом велосипеде может покрывать 60-80 км за смену только одним зарядом батареи, используя педаль питания на квартирах и помощь в двигателе на холмах. Для операторов совместного использования велосипедов гибридные устройства снижают частоту посещений станций, снижая эксплуатационные расходы.

Дорога впереди

Гибридная двигательная установка в устройствах личной мобильности будет продолжать развиваться, поскольку компоненты становятся дешевле, легче и эффективнее.

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи обещают более высокую плотность энергии, более быструю зарядку и улучшенную безопасность по сравнению с текущими литий-ионными ячейками. Для гибридных систем это означает, что батарея может быть меньше и легче при хранении той же энергии или того же размера с большим диапазоном. Твердотельные ячейки также менее склонны к тепловому бегству, что имеет решающее значение для устройств, которые припаркованы в помещении или перевозятся на общественном транспорте. Коммерческое производство, как ожидается, будет масштабироваться в конце 2020-х годов, и раннее внедрение в премиальные электронные велосипеды, вероятно.

Беспроводная передача энергии

Зарядка гибридного устройства по-прежнему требует подключения кабеля, что неудобно для операторов автопарка, управляющих сотнями единиц. Беспроводные зарядные устройства, встроенные в стояночные стойки, могут решить эту проблему. Гибридное устройство, припаркованное на парковочной площадке, будет заряжать свою батарею индуктивно, без кабелей или разъемов, которые изнашиваются. Это также позволит автоматическую зарядку всякий раз, когда устройство припарковано, поддерживая батареи наверху и уменьшая проблемы с диапазоном. Технология уже используется для смартфонов и некоторых электромобилей, и она адаптируется для использования в электровелосипеде.

Продвинутые человеко-машинные интерфейсы

Интерфейс управления гибридными системами развивается от простых кнопок и ЖК-экранов до более сложных дисплеев и интеграции смартфонов. Будущие устройства могут использовать дисплеи с расширенным отображением реальности, проецируемые на козырек водителя или умные очки, показывающие уровень батареи, режим помощи и направления навигации, не требуя от водителя смотреть вниз. Голосовое управление и распознавание жестов также изучаются как способы настройки уровней помощи, сохраняя при этом руль.

Интеграция с инфраструктурой Smart City

Гибридные устройства, которые взаимодействуют с сигналами движения, системами парковки и транзитными сетями, могли бы оптимизировать маршрутизацию и энергопотребление в режиме реального времени. Например, электровелосипед, приближающийся к красному свету, мог бы принимать сигнал от диспетчера и автоматически включать рекуперативное торможение для захвата энергии при замедлении. То же устройство могло бы резервировать место для парковки и заряжаться в момент прибытия на общественную стыковочную станцию. Эти возможности требуют стандартизированных протоколов связи, которые активно разрабатывают отраслевые группы.

Заключение

Гибридная двигательная установка не является временным шагом на пути к полностью электрической мобильности. Это прочный технический подход, который обеспечивает ощутимые преимущества в дальности, эффективности, опыте езды и долговечности аккумуляторов. Электровелосипеды являются ведущим приложением сегодня, но те же принципы применяются к скутерам, скейтбордам, грузовым велосипедам и микроавтомобилям. По мере совершенствования технологии аккумуляторов и систем управления становятся умнее, гибридные устройства станут еще более способными и доступными. Для городских пассажиров, автопарков доставки и всех, кому нужен практичный, гибкий способ перемещения, гибридные устройства личной мобильности представляют собой хорошо спроектированное решение, которое уравновешивает человеческие усилия с помощью машины в точно правильной пропорции.

Для дальнейшего чтения о гибридных двигательных технологиях и тенденциях городской мобильности, проконсультируйтесь с Ресурсы гибридных транспортных средств Министерства энергетики США , анализ Всемирного экономического форума по внедрению электронных велосипедов и Транспортные исследования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии .