Elektrokolo a dojezd

Baterie elektromobilu Tesla S

Udávané údaje o dojezdu elektrokol působí někdy až docela úsměvně. Nedávno jsem se dočetl o jednom továrním horském kole jednoho renovovaného výrobce s ne nijak "silnou" 400 Wh baterií, že může mít dojezd až 175 km. Věříte tomu někdo? A nestala se lež či překrucování faktů v dnešním světě naprosto běžnou věcí?

Pojďme celou věc trochu rozebrat:

U každé baterie (nejenom elektrokola) jsou nejdůležitější dvě veličiny:

Nominální napětí baterie = průměrné, střední, jmenovité napětí baterie, které je tvořeno součtem napětí jednotlivých článků zapojených do série. U nejběžnější 10S (=10 článků v sérii) Li-ion baterky pro elektrokola, označované jako 36 V, bývá toto nominální napětí 37 V, přičemž maximální napětí je 42V a minimální napětí bývá 32V (může být ale až 28V, záleží jak je u BMS nastaveno LVC = Low-Voltage-Cutoff = odpojovací napětí). Napětí na jednotlivých článcích baterky se pak zcela logicky pohybuje v rozsahu 4,2 - 3,2 V.

Kapacita baterie = udává se v Ah a je tvořena součtem kapacit článků zapojených paralelně. V současnosti mají 18650 Li-ion články nejvyšší kapacitu 3,5 Ah (např. Panasonic Sanyo NCR 18650 GA, Samsung 35E). Pokud budou tyto články zapojeny 4 paralelně (nejběžnější zapojení u továrních baterií), získáme "teoreticky" kapacitu 14Ah. V případě článků s nižší kapacitou např. 2,9 Ah  (např LG MG1 či Panasonic NCR18650PF) bude pak celková kapacita baterky 11,6 Ah.

Watthodina = jednotka energie. Jedna watthodina odpovídá práci stroje s příkonem jeden watt po dobu jedné hodiny, neboli 3600 joulům. U baterky zjistíme množství její uchované energie pokud vynásobíme její nominální napětí a kapacitu. To jest u naší baterky zmiňovaného továrního elektrokola o konfiguraci 10S4P (takto bývá poskládána většina baterií těchto kol) z  článků 2,9 Ah:

11,6 Ah x 37 V = 429 Wh

To by zhruba odpovídalo oné zmiňované baterce, co nabízí dojezd až 175 km...

První věcí ovlivňující reálný dojezd, je skutečnost, jaké je skutečné množství energie uskladněné v baterce, neboť ona běžně počítaná energie baterky je pouze teoretická hodnota, avšak skutečná hodnota bude nižší, dle vybíjecí charakteristiky akumulátoru:

Jak je vidno, tento článek totiž nakonec nemá kapacitu 2,9 Ah (jde spíše o zaokrouhlenou hodnotu) a proto též bývá často označován jako 2,85 Ah typ článku, i když ve skutečnosti dosáhl při vybíjení proudem 0,5 A kapacity pouze 2,81 Ah. A teď jakým proudem budeme nakonec tento článek vybíjet?

středový motor kola má výkon 250 W / 0,8 (odhadovaná účinnost) = příkon motoru 313 W / 36 V  = 8,69 A (dle Ohmova zákonu). Někdy samozřejmě budeme odebírat proud menší, ale někdy i větší, protože každý středový motor dokáže krátkodobě (ve špičkách) odevzdat výkon 350, 400 i více Wattů. Pokud ovšem pojedeme svižně, v "turbo" módu, předpokládám že klidně můžeme mít průměrný odběr 8A.

Pokud tedy bude celkový vybíjecí proud z baterie 8A : 4 články paralelně = vybíjecí proud  2 A na článek

Při takovém odběru má článek kapacitu 2,763 Ah (viz. zelená křivka v grafu) x 4 = 11,052 Ah x 37 V =  409 Wh

To nevypadá jako znatelný pokles kapacity a celkové elektrické energie akumulované v baterce, ale všimněme si jedné věci. Kapacita článku je samozřejmě udávaná při vybití článku "nadoraz" na 2,5 V (aby mohla být udávána jako co nejvyšší). V takovém režimu by ovšem články příliš dlouho nevydržely, navíc se vystavujeme nebezpečí podbití, proto je LVC = odpojovací napětí nastaveno většinou na 3,0 - 3,2 V.  Tím se vlastně v zájmu bezpečnosti a životnosti baterie vzdáváme části kapacity. Pokud se baterka bude odpojovat při napětí 3,2 V na článek, odkazuje nás zelená křivka v grafu na hodnotu cca 2,45 Ah na článek.

A pak: 2,45 Ah x 4 = 9,8 Ah x 37 V = 363 Wh! A už jsme trošku někde jinde!

(Další věcí, která ovlivňuje reálnou kapacitu baterky je teplota okolí, s klesající teplotou kapacita také klesá.)

A druhou a hlavní věcí ovlivňující praktický dojezd je skutečná spotřeba energie tj. kolik drahocenných Wh baterky spotřebujeme na ujetí 1 km. Podívejme se proto na následující tabulku:

Typ asistence	Přibližná spotřeba energie
Minimální asistence (motor je používán pouze ve stoupáních, rychlost jízdy do 30 km/h)	6-8 Wh/km
Typická asistence (motor je používán neustále, ale s neustálým příšlapem, rychlost jízdy zhruba 40 km/h)	9-12 Wh/km
Neekonomická jízda (bez příšlapu či stále s plným plynem nebo velmi rychlá jízda)	14-20 Wh/km

Tato tabulka, kterou jsem převzal  z http://www.ebikes.ca/learn/batteries.html nám pěkně ukazuje, jaká je zhruba průměrná spotřeba u elektrokola ve Wh/km, i když je poplatná spíše pro amaerické uživatele, kteří mohou legálně používat ruční plyn a motory do výkonu až 750W. Samozřejmě evropské 250W pedelec systémy se středovým motorem se budou spíše pohybovat v kategorii "minimální" a "typické" asistence. Ovšem mé elektrokolo Velociraptor Mk. II je ovládáno ručním plynem (nemám pedelec) a třebaže opravdu "šlapu," tak musím tyto údaje potvrdit.

Takže vraťme se k onomu továrnímu horskému elektrokolu se středovým motorem, kde prodejce slibuje dojezd až 175 km:

teoretických 400 Wh energie baterky : 175 km = spotřeba 2,285 Wh/km

a nebo reálnějších 363 Wh : 175 km  = spotřeba 2,074 Wh/km

Otázka tedy zní, jestli je taková spotřeba na horském kole reálná? V terénu? V kopcích? S valivými odpory tlustých pneumatik? Jednou z odpovědí může být, že samozřejmě teoreticky možná je, elektrokolo má vždy dvojí pohon, elektrický a lidský a díky tomu může být dojezd elektrokola v podstatě neomezený, takže prodejce by mohl klidně uvést třeba dojezd 1000 km.

V praxi však dosahuji spotřeby 2 - 2,5 Wh na km jen když jezdím po silnici na mém silničním Velociraptoru Mk. II do práce z Číhaně do Klatov, za což ale především vděčím gravitaci, neboť začínám v 600 m n .m. a končím v 400 m n. m.  Zpátky ovšem mám již spotřebu 9 - 12 Wh/km (dle toho jak rychle jedu). Nebo jsem měl spotřebu 2,43 Wh/km na dálkové trase Číhaň - Plzeň a to dokonce s tlačným vozíkem Velociraptorem Mk. I,  nicméně proto, že jsem jel tak extrémně úsporně, že jsem až do Přeštic v podstatě nezapnul motor.

Na horském elektrokole a v terénu běžně žádný elektrocyklista tak nízké spotřeby dosahovat nebude, neboť je ověřeno, že i 250W středový pohon v těžkým terénu a stoupáních klidně žere okolo 15 Wh/km, což není nijak překvapivý poznatek (navíc většina továrních elektrokol se středovým pohonem má pouze 1 převodník tj. převodový systém 1x10 či 1x11 a tudíž v nejtěžších kopcích si jezdec bez pomoci motoru prostě nevrzne). Ano namakaný sportovec takové spotřeby dosáhne snad i v terénu, ale pak se dostáváme k naprosto zásadní otázce:

Pokud se na jízdním kole dostáváme ke spotřebě energie 2 Wh/km, má vůbec tedy ještě nějaký smysl vozit na kole všechny ty krámy navíc, jako je motor a baterka (Vážících cca 3,5 + 2,6 kg)? Neslouží pak, při tak malé spotřebě energie, elektrický trakční systém kola spíše jen k tomu, aby vezl sám sebe?

Toto je naprosto zásadní otázka, kterou se dostáváme k  "bludnému kruhu dojezdu," s kterým jsem se potýkal u mé tlačné kárky s olověnými bateriemi a který jsem zmiňoval na jiném místě tohoto blogu (v zásadě jde o to, že váha dodatečného elektrického pohonného systému jízdního kola "užírá" sama o sobě cennou energii - ať už tu elektrickou z baterky, nebo tu lidskou z našeho těla - což je poznat hlavně v kopcích).

Má odpověď je spíše taková, že to opravdu mnoho smyslu nedává. I když, na druhou stranu uvedu jednu zkušenost z mého života. Jeli jsme teď v létě jednou v neděli navštívit našeho kamaráda Davida na Velký Radkov na Šumavu, což je od nás asi 30 km. Žena jela na svém "klasickém" horském kole a já ji doprovázel na svém elektrokole Velociraptoru Mk. II, baterku jsem si taky vzal, ale samozřejmě do Radkova jsem motor nepoužil a šlapal pěkně kolegiálně s ženou. Cestou jsem si říkal, jaký má vlastně smysl, že ji tahám s sebou (myslím tu baterku!). Když jsme jeli zpátky, tak nás začal tlačit čas, navíc jsme kus cesty bloudili, do toho únava a samozřejmě jsme si nepřáli, aby nás cestou zpět chytla tma. Nakonec jsem nejel na elektrokole "sám", ale ještě k tomu tlačil ženu od Křemelný nahoru na Keply a pak ještě z Kolince do Číhaně. Stihli jsme to! Elektrokolo dává totiž taky jakousi psychologickou oporu, že když někde "vytuhnu", dostanu hlaďák a naprosto zvadnu (cyklisté jistě ví o čem je řeč), tak to domů z pomocí energie z baterky vždy nějak zvládnu a ušetřím si ty strašná muka...

Takže abych nějak uzavřel moje téma horského elektrokola s 400 (363)Wh baterkou, pokud udržím spotřebu na (reálné) úrovni 8 Wh na km, kdy mi motor bude opravdu "pomáhat," ujedu vzdálenost 45 km, což je slušné, nicméně hodně vzdálené proklamovanému naximálnímu dojezdu 175 km. Jak je vidět, 50 km dojezd není dnes u elektrokol žádný problém. Nyní se ale dostáváme k větší výzvě, k mému snu postavit si kolo s opravdu dlouhým dojezdem a absolvovat na něm cestu třeba do Londýna, nebo alespoň do Paříže. To by bylo krásný, avšak celá věc má jedno úskalí a to je právě onen "bludný kruh dojezdu," aneb váha baterií.

O Lithio-iontových 18650 článcích se mluví jako o "benzínu 21. století."

Jde však o velkou nadsázku. Nejlepší z těchto článků dosahují energetické hustoty akumulace energie 250 Wh/kg.

Benzín má výhřevnost  12 900 Wh/kg x 0,25 (konzervativní účinnost zážeh. motoru) = 3 225 Wh energie, kterou lze přeměnit na mechanickou práci. 

Tudíž 1 kg benzínu v sobě akumuluje tolik energie (využitelné pro spalovací motor) jako téměř 13 kg Li-ion článků.

Cesta do Paříže je od nás dlouhá zhruba 1000 km. 

S naším autem Fabie I v motorizaci 1.9 TDI PD bych tuto cestu v pohodě urazil na jednu nádrž, v létě a po dálnicích a při ekonomické jízdě bych se na takové trase dostal i na spotřebu 4,0 l/100 km = 40 l nafty x 0,84 = 33,6 kg nafty x 12 900 (výhřevnost benzínu a nafty je zhruba stejná) = 433 440 Wh chemické energie obsažené v palivu x 0,35 (účinnost vznět. motoru) = 151 704 Wh energie schopné se přeměnit na mechanickou práci/1000 km = 151,704 Wh/km x 100 = 15 170 Wh/100 km = 15,17 kW/100 km.

V tomto extrémním případě "ekojízdy" na dlouhou vzdálenost se Fabie TDI může rovnat (a  dokonce překonávat) ve spotřebě i některé elektromobily, jako Teslu S, jak ukazuje následující tabulka německého VCD dopravního klubu (tato tabulka také něco naznačuje o "bludném kruhu dojezdu" bateriové trakce), s tím rozdílem, že elektromobily nefungují jako "pojízdný rakovinomet" a že elektrická energie pro elektromobily se nevyrábí pouze v tepelných elektrárnách a pokud se tam vyrábí, tak je dle mého mínění snazší čistit, regulovat a kontrolovat spaliny několika velkých stacionárních zdrojů (elektráren), než miliónů malých mobilních zdrojů (aut se spal. motorem).

Nicméně co se týká energetické efektivity válcuje elektrokolo všechno. Při spotřebě 10 Wh/km bych na cestu do Paříže potřeboval pouze 10 000 Wh energie/250 Wh = 40 kg li-ion článků + váha vodičů, spojovacího a obalového materiálu této giga ebike baterie. Ano je ještě přestavitelné takovou váhu naložit na vozík a vyrazit do Paříže. Ovšem dosáhl bych v takové konfiguraci (s touto váhou baterek) plánovanou spotřebu 10 Wh/km? Asi stěží? Kolik by teda pak byla moje skutečná spotřeba 12 či 15 Wh/km? = další kapacita a váha baterek = bludný kruh dojezdu se roztáčí na plný obrátky. Ne, asi by to nešlo. A cena 10 kWh baterie? Odhaduji na 80 000 Kč.

Naproti tomu by stačilo koupit za 8000 Kč 4 taktní benzínový motor Honda GX 35, přidělat jej na kolo či na tlačný vozík a při spotřebě do 1,5 l/100 km s sebou vézt 15 l benzínu x 0,75 = 11,25 kg paliva. To je již opravdu uskutečnitelné řešení dlouhého dojezdu. Ovšem o efektivitě malých zážehových motorů svědčí srovnání, že 1200 kg Fabia TDI si vezme 4 l nafty/100 km a 25 kg motokolo 1 - 1,5 l benzínu (o rozdílu v rychlosti ani nemluvě).

4 taktní benzínový motor Honda GX 35 o výkonu 1000 W

Třetí "hybridní" řešení praktikoval uživatel Jindra8526 z diskuzního portálu nakole.cz, který se vydal v roce 2012 na elektrokole (vybaveným přímo hnaným nábojovým elektromotorem) do Paříže. Vezl si s sebou 3 baterky a ve vozíku elektrocentrálu, kterou tyto baterky dobíjel. Potíž byla v tom, že elektrocentála z konstrukčních důvodů nemohla dobíjet za jízdy (z důvodu mazání) a tak pan Jindra mohl dobíjet pouze když stál. Celou cestu pěkně popisuje na jeho webových stránkách:

http://www.cs-sklo.cz/ceskoslovenskesklo/13-OSOBNI/2970-Dalka-je-oponou

O rok později podnikl pan Jindra tu samou cestu znova, tentokrát bez elektrokola a jak píše v jedné diskuzi, ač se dřel stejně jako o rok dříve, dojel tentokrát do cíle o den dříve, s tím, že předtím s elektrokolem měřil jeho nejdelší úsek 145 km a o rok poté bez elektrokola dosáhl nejdelšího denního úseku 180 km. Dalo by se tedy říci, že veškerá "elektrifikace" kola v podstatě vezla jen sama sebe a spíše obtěžovala a zdržovala, než aby přinášela na takovéto dlouhé trase nějaký smysl. Vážím si moc pana Jindry, že podstoupil takovouto cestu a v praxi ověřil "bludný kruh bateriové trakce."

Lze tedy zkonstruovat  vůbec elektrokolo s přijatelně dlouhým dojezdem?
(myšleno tak, abych na něm mohl celý den v pohodě putovat o průměrné rychlosti 25 - 30 km/h)

Možná ano, ale musíme jít na věc z druhé strany, neboť je zcela evidentní, že nemůžeme jít oblíbenou cestou "síly" tj. brutálním zvedáním kapacity a tudíž váhy.

Naopak musíme maximalizovat efektivitu takového jízdního kola, minimalizovat ztráty a snažit se o co nejlehčí řešení, protože kolo stejně "přetížíme" bateriemi.

Navrhuji použít lehké silniční kolo, ale vyhnout se středovému pohonu a použít v podstatě stejnou pohonnou koncepci jako u mého Velociraptoru Mk. II, to znamená paralelní elektrický pohon řetězem nebo ozubeným řemenem na levé straně (pohon zadního kola přes volnoběžku na levé straně). Použít k tomu nějaký ultralehký pohon, zřejmě nějakým malým modelářským motorem. Možná by také stálo popřemýšlet o nějaké 3 stupňové převodovce (třeba nábojové IGH), abychom mohli podřadit do kopce a tím udržet maximální účinnost motoru. Možná takovéto krásné řešení:

 A nebo řešení pana Zdeňka Jindry, který pohání přední náboj kola za pomoci volnoběžky, převodu ozubeným kolem a modelářského "outrunner" motoru. Takové řešení by možná umožnilo použít jako přední nábu rovnou třírychlostní náboj IGH Shimano Nexus, takže bychom získali tří rychlostní systém. Toto řešení by mohlo být potencionálně snad vůbec nejlehčí! Celý popis této geniální konstrukce lze nají zde:

http://www.osel.cz/5648-elektricke-jizdni-kolo-zwz.html

Samozřejmostí by bylo omezit proud a seškrtit výkon motoru na 250 - 350 W, abychom co nejvíce šetřili energií, Věřím, že v takovém případě by stačila 1000 Wh baterka (teoreticky 1100 Wh), kdy by samotná hmotnost Li-ion článků byla přijatelných 4,4 kg. Vlastní konstrukci baterky pak navrhuji provést zcela minimalistickou a účelnou, bez BMS, co nejlehčí obal apod. Věřím, že s takovým kolem by se dala udržet spotřeba mezi 4 - 5 Wh/km (u aktivního cyklisty) a dosáhnout tak reálného dojezdu 200 - 250 km (a vím o čem mluvím, letos v říjnu jsem s Velociraptorem Mk. II absolvoval 30 km úsek v kopcovitém terénu s prům. rychlostí 29,03 km/h a spotřebou 5,3 Wh/km). Při této spotřebě by však toto elektrokolo stále fungovalo jako elektrokolo a tudíž, že by bylo cítit, že stále "pomáhá" (samozřejmě hlavně do kopců) a tudíž, že jeho elektrický pohon stále dává smysl. Věřím, že s takovým kolem by šlo do Paříže dojet za 4 dni!