Velociraptor Mk. I - elektrický tlačný vozík

Celá myšlenka vzešla z této fotky, kterou jsem objevil na nějakém americkém fóru a také to byl z části nápad mého kamaráda Kosťy.

Cílem bylo vytvořit co nejlevnější koncepci elektropohonu, tlačný vozík, na který by se daly nízko nad zem umístit těžké , ale levné (což už dávno neplatí) olověné akumulátory, navíc vozík by se dal kdykoliv odpojit a jízdní kolo by se mohlo používat normálním způsobem. Další "kolečko navíc" od vozíku sice mírně zvýší valivý odpor, ale na druhou stranu díky svému malému průměru usnadní zpřevodování motoru. Bude možno použít pouze účinný jednostupňový převod.

Myšlenka dost zvrhlá a exotická, abych se jí počal vážně zabývat.

Na rozdíl od tehdy nehorázně předražených, legálních přestavbových sad s převodovým 250W motorem, mělo jít o superlevné řešení. Čínský komutátorový stejnosměrný (DC) motor MY1016 o výkonu 350W (24V a 19A) jsem tenkrát koupil od pana Vondráčka z Plzně za 1.000 Kč. Rovněž jsem od něho za 600 Kč dohromady koupil 2 ks AGM starších olověných aku 12V/12Ah, což se ale záhy ukázalo jako  první provar, protože jak jsem zjistil, je naprostý nesmysl kupovat "jeté" olověné akumulátory. S regulátorem jsem pro začátek ani nepočítal a hnací kolo jsem vykuchal z dětského kola. Můj táta navrhl konstrukci malého hliníkového vozíčku, který by pojmul jen motor a 2 baterky, bohužel jsme špatně vyřešili závěs na kolo a čep, který umožňoval zatáčení vozíku, byl moc nízký, takže v něm vznikala vůle a těžký vozík s olověnýma baterkama si lehal k jedné straně. . .

Bylo to prostě nepoužitelné, nakonec jsem vozík nasadil místo zadního kola u dětského odrážedla a vytvořil zřejmě první elektrické odrážedlo na světě. Můj starší syn Maty se dobrovolně ujal role zkušebního pilota, jak je vidět z jediného dochovaného videa:

Samozřejmě toto odrážedlo nemělo žádnou plynulou regulaci otáček motoru, jen spínač, rovněž zde nebyly ani brzdy, ale ten odpich a ten zvuk podobný Tesle S, myslím, že zde začala závislost. . .

Rozhodl jsem se tedy koupit jednostopý čínský cargo vozík za kolo z Aukra za 1.500 Kč, v podstatě jde o levnou kopii amerického YAKu BOB traileru a na ní namontovat motor a baterky ukrýt do originální brašny dodávané s vozíkem. S celou přestavbou mi moc pomohl můj kamarád, inženýr a strojař Kosťa, který přišel se zajímavými řešeními. Předně jsme se museli zbavit provizorního řešení, kola s torpédem na němž byla nasazena rozeta, toto kolo totiž nebylo v ose vidlice vozíku a bylo posunuto doleva - v podstatě narušovalo "jednostopost" vozíku. Kosťa přišel s řešením použít přední náboj na kolo s úchytem na kotoučovou brzdu, tento úchyt jsme nechali stočit soustružníkem na závit volnoběžky BMX, poté jsme na vzniklý závit natočili volnoběžku a třemi šrouby k ní připevenili 90ti zubovou rozetu se zuby na profesionální řetěz typu 219 od ČZ Strakonice (tento řetěz má zhruba poloviční rozteč oproti cyklo řetězu, což je výhodné pro zpřevodování, navíc snese mnohem vyšší namáhání a má dlouhou životnost). Rozetu mi nechal můj táta vypálit laserem. Tento náboj jsem pak nechal v jednom cykloservisu zaplést do Al ráfku od Remerxu. Výsledek vypadá opravdu profesionálně! Motor je umístěn na straně vozíku v posuvném loži, aby šel napínat řetěz. Jelikož ojeté olověné akumulátory neměly samozřejmě žádnou kapacitu (stačily na jen ujetí několika stovek metrů po rovině), odhodlal jsem se koupit profesionální 2 trakční olověné AGM akumulátory CSB 12V/15Ah za téměř 2.000 Kč. Tyto olověné baterky jsou v podstatě to nejlepší, co se z olova dá sehnat, jelikož však jsou olovem nešizené, jsou ovšem těžší než obdobné konkurenční baterie (5,5 kg oproti cca 4 kg), což by však mělo zaručovat vyšší životnost. Další, co jsem musel přiobjednat z Číny byl regulátor pro komutátorový motor (DC brushed) 24V/500W za 9 USD a otočný plyn s hal senzorem za 3 USD. Ale pár fotek vystačí za tisíc slov:

Regulátor motoru na fotkách není téměř vidět, protože je zabalen v igelitu, aby byl chráněn před deštěm. Nachází se za zadním blatníkem vozíku. Jinak regulátor vypadá takto:

Přes ten "bordel" drátů je jeho zapojení jednoduché. Tlustý červený a černý drát jde k baterce a tlustý modrý a žlutý drát k motoru, Ve změti malých kablíků je jediný konektor se třemi dráty a tam se připojí třížilový konektor od plynu (nebo napájí). No a nakonec se musí najít ještě jeden malý dvojžilový konektor, který má být připojen k hlavnímu vypínači. Ten se může jen propoji natvrdo drátem (aby byl regulátor trvale aktivován) a nebo konektor ustřihnout a na dráty připojit vypínač.

Zde ještě připojuji obrázek použité trakční baterie CSB EVH12150 (ve vozíku jsou použity 2 v sérii), která se jinak používá do el.ektrických invalidních vozíků, golfových vozíků.

U zapouzdřených AGM/Gelových Pb baterek jsou v podstatě nejdůležitější tři zásady a ač se zdají banální, musím je zopakovat:
1. Jelikož jejich max. nabíjecí napětí je 14,7 V, musí se nabíjet pouze automatickými nabíječky (většinou mají tvar malé obdélníkové krabičky s displejem či LED diodami, jako např. nabíječka z Lidlu), klasické trafo nabíječky (co mají analogový voltmetr) tyto baterky zničí.
2, Udržovat tyto baterky pořád plně nabité (ne je ale mít pořád připojené na nabíječce!) a i při odstávce je aspoň jednou za měsíc dobít. Po vybití (byť sebemenším) je okamžitě dát nabíjet! Pb baterky nemají paměťový efekt! Pokud baterku nedobijeme, zasulfátuje a zničíme ji!
3. Mít na paměti, že životnost Pb baterky se odvíjí od počtu cyklů hlubokého vybití. Pokud i trakční baterku budeme vybíjet úplně na dno, vydrží orientačně 200 cyklů, pokud na 75%, vydrží 400 cyklů, pokud na polovinu, vydrží 800 cyklů (zhruba řečeno, více produktové listy jednotlivých baterek)

A jak to jezdí?

Prostě jako souprava. Člověk si musí zvyknout, že za sebou tahá vozík o délce 1 m. Pokud si na to zvykne, jde to a dá se jezdit z kopce i šedesát. Samozřejmě, že jízda mimo asfalt je utrpení, kárka kodrcá, což budí dojem, že se rozpadne. Další věc je váha. samotný vozík i s motorem váží 7 kg, což není špatné, ale olověné baterky přidají dalších 11 kg, čímž se dostáváme na 18 kg.

350 W nominálního výkonu motoru/18 kg = měrný výkon 19,44 W/kg což nevypadá nijak působivě.

Samozřejmě, že max. výkon se odvíjí od proudu, co dá regulátor, což je až (dle měření) 28 A * 22 V (počítejme s poklesem napětí při takovém odběru) = 616 W příkonu motoru * 0,7 (odhad. účinnost motoru) = 430 W vlastního výkonu motoru.
+ samozřejmě výkon v mých nohou, když makám do kopce = ? = 250W. Může být. Je to odhad.

Po rovině se šlapáním Velociraptor letí max 34 km/h, pak vzhledem k napětí 24 V začnu "ujíždět" motoru. . .

Nezapomeňme, že motor je připojen přes volnoběžku, takže když jedu z kopce, hnací rozeta stojí a neotáčí se ani řetěz mezi rozetou a pastorkem motoru.

Ve své koncepci je tlačný vozík Velociraptor paralelní hybrid, to znamená el. pohon je naprosto nezávislý na mém lidském. Mohu si šlapat jak chci, řadit jak chci a třeba nešlapat a zároveň otočným
plynem ovládat el. pohon. Z otočného plynu, který mám umístěn vpravo na řídítkách, jsme vyndali s Kosťou pružinu, protože bylo nepříjemné stále držet plyn a přitom např. řadit (což v podstatě ani nešlo). Teď už se plyn nevrací, je to jako tempomat, což zní dost šíleně, je to opravdu punkové řešení, ale v praxi to funguje skvěle.

Jak už jsem říkal, po rovině s Velociraptorem není problém, nicméně já bydlím v 600 m n. m. a má práce se nachází ve 400 m n. m. Délka trasy je cca 12 km. Když jedu do práce, jedu více méně dolů, ale cestou zpět musím překonat táhlé stoupání o průměrném sklonu cca 6% dlouhé zhruba 3 km, jak je vidno z výškového profilu trasy:

Takovéto stoupání zaručeně prověří každou elektrickou trakci s jedním převodem (tj. bez převodovky), kdy zvolený převod je jistým kompromisem mezi dostatečnou rychlostí po rovině a zároveň dostatečnou silou nutnou pro zvládání kopců (např. běžná koncepce elektromobilů do které patří i elektromobil Tesla S disponuje též jedním převodem). Díky tomu, že u elektrického pohonu může být maximální výkon i jednou tak vyšší (dokonce i ještě více) než jmenovitý, nemá problém si takovýto jednorychlostní trakční systém poradit s malými kopci (se zvlněným terénem) a to i při relativně rychlém zpřevodování, neboť motor má čas si "odpočinout" a zchladit. Ovšem problémem může být dlouhé několika kilometrové stoupání, kdy je motor ohříván velkým protékajícím proudem. Navíc je dobré udržet motor v otáčkách, aby neklesl pod 50% jmenovitých, kdy rapidně klesá účinnost a motor většinu odebíraného proudu mění v teplo. Proto taková koncepce pohonu není vhodná pro stoupání větší než řekněme 7 - 10 %.

V praxi to vypadá, že Velociraptor zdatně pomáhá po rovině, kdy ani pomoci není tolik třeba, bez problémů "zplacaťuje" malé kopce, ale do velkých kopců naopak já pomáhám Velociraptorovi, abych neupekl motor. Do zmíněného stoupání domů dřu jako šílenec, což má příznivý efekt na udržování mé kondice. Co však získávám je rychlost. Do tohoto kopce jsem v dobách mé cyklistické slávy dokázal uhánět i 20 km/h, normálně však tak  kolem 12 km/h. Nyní letím 25 km/h , někdy i více. Starý známý nepříjemný kopec ubíhá úplně jinak, pokud člověk jede 25 km/h a ne 12 km/h. . . ! Velocirator mě zkrátil cestu domů, hlavně po únavných odpoledních, kdy se člověk plahočil domů. Navíc jsem mohl sundat nosič a vše pouze vozit v tašce ve vozíku. Taška se dá jednoduše vyndat s kárky, stačí jen odpojit konektor co spojuje baterky a regulátor.

Poslední poznámku věnuji dojezdu. Ten je při aktivním šlapání a průměrné rychlosti kolem 28 km/h zhruba 30 km/h a to i v docela kopcovitém terénu plánického hřebene. Dojezd je vyšší po rovině a to i z toho důvodu, že člověk nemusí tolik šlapat, aby přemáhal vlastní váhu vozíku, která je s Pb akumulátory značná.

S akumulátory obecně, ale obzvláště s těmi olověnými, se člověk dostává do zásadního problému ohledně dojezdu - tento problém nazývám "bludný" kruh dojezdu. Jak je vidno na mé jiné stránce věnující se teorii výpočtu výkonu elektrokola, tento problém by nás ani tak netrápil pokud bychom jezdili v Polabí nebo Holandsku. Ovšem realita naší  krásné krajiny je jiná. Kopce a ty jsou všude. Každá Ah kapacity generuje další kg olova navíc, který člověk musí táhnout, takže musí o to více používat přípomoc vozíku a spotřebovávat více energie. Nakonec se stává zcela otrokem svého přípomocného stroje a nemůže se již samostatně pohybovat na lidský pohon. . .

Základní problém s olověnými baterkami je tento:
1. Vysoká hmotnost a z toho pramenící nízká měrná kapacita cca 40 Wh/kg
2. Jsou "měkké," při odběru velkých proudů rychle klesá jejich napětí a tím i výkon motoru
3. Velký rozdíl mezi reálnou a jmenovitou kapacitou. Jmenovitá kapacita 15Ah se např. u aku CSB EVH1250 počítá při vybíjení proudem 0,75 A po dobu 20 hodin. Za této situace uchovají moje 2 akumulátory v sobě 360 Wh el.energie

12V x 15 Ah = 180 Wh x 2 = 360 Wh

což by při průměrně spotřebě 10 Wh/km slibovalo  dojezd = 360 : 10 = 36 km.

V praxi však aku vybíjím podle charakteru jízdy (jak šlapu a jak beru za plyn) a podle charakteru terénu (s jakými kopci se peru) daleko větším proudem, od 6 do až 28 A. Při takovémto odběru bude mít aku kapacitu jen cca 10 Ah (odhadem).

12V x 10 Ah = 150 Wh x 2 = 300 Wh

takže při průměrně spotřebě 10 Wh/km bude reálný  dojezd = 300 : 10 = 360 km.

Nutno podotknout, že tyto čísla opravdu odpovídají skutečnosti.

"Olověný Velociraptor" se vždy musel "prát" s těmito omezeními, ovšem pral se s nimi statečně. Jako projekt "za hubičku" dokázal, že umí urychlit mojí cestu do práce a zpět a to téměř zadarmo (jediné skutečné náklady tvoří amortizace baterek). Jak zvesela jsem míjel benzínky s tou skvělou radostí, že jsem konečně s nimi "vyjebal." Jeho spolehlivost byla úchvatná, nikdy mě nenechal na cestě, což bylo zřejmě zásluhou geniálně jednoduchého, čistého a ryzího Kosťovo "engineeringu." Díky Kosťo!