От първия патент през 1895 г. до интелигентния e-bike: 130 години инженерна еволюция на електрическия велосипед

Да се качиш на колелото, да потеглиш и да оставиш града с проблемите му зад гърба си, да имаш смелостта да поемеш по нов път, неравна пътека или стръмен баир, който на пръв поглед изглежда непреодолим за възможностите ти... Има нещо особено в тази магия, нали?! А електрическите велосипеди направиха усещането за свобода на две колела още по-достъпно. С малко помощ от електромотора изкачванията вече не изглеждат толкова стръмни, разстоянията – толкова дълги, а велосипедът може да бъде както удобен начин за ежедневно придвижване, така и верен спътник в приключенията. Днес електрическото колело става все по-практично – сгъваемо, градско или планинско, с батерия, дизайнерски скрита в рамката, и все по-интелигентно електрическо задвижване. И някак естествено мнозина от нас го възприемат като изобретение на XXI век.

Но знаете ли, че историята на електрическите велосипеди е изненадващо дълга и започва преди повече от век? Още през 1895 г. Огдън Болтън-младши патентова електрически велосипед с мотор, интегриран в задното колело, и батерия, разположена върху рамката. Повече от 130 години по-късно принципът звучи изненадващо познат. Но какъв път е извървяла тази идея от края на XIX век до днес? Как електрическият велосипед се е променял заедно с развитието на батериите, електромоторите, електрониката и технологиите, за да се превърне в съвременния e-bike? Именно тази инженерна еволюция проследяваме в новата ни „Инженерна история“.

Зараждането на идеята и първите патенти през 80-те години на XIX век

Кой е изобретил първия електрически велосипед? Въпросът изглежда прост, но зад него се крие богата и сложна история. Много преди съвременните електрически велосипеди, които виждаме всеки ден по улиците, далновидни инженери вече са си представяли хибридни машини, съчетаващи човешката сила и електрическата енергия.

Всъщност историята започва още през 1881 г., когато френският изобретател, електроинженер и физик Гюстав Пиер Труве (Gustave Pierre Trouvé) представя в Париж електрически триколесен велосипед, оборудван с двигател на Siemens и акумулаторна батерия. Макар и да не е бил двуколесен велосипед, тази демонстрация бележи важен етап: това е първият случай, в който леко електрическо превозно средство се движи публично. По онова време батериите са били обемни и неефективни, което е ограничавало възможностите за приложението им. Въпреки това опитът на Труве вдъхновява следващите поколения изобретатели.

Първата идея за електрически велосипед с две колела, познатият ни модел днес, се заражда в САЩ през далечната 1895 г., когато американският изобретател Огден Болтън-младши (Ogden Bolton Jr.) получава официален патент под номер U.S. Patent 552271 за своето изобретение, наречено просто „електрически велосипед“ (Electrical Bicycle). Огден Болтън-младши е роден през 1872 г. в Питсбърг. Макар за самия Болтън да се знае сравнително малко, патентът му съдържа идея, която повече от век по-късно продължава да живее в милиони електрически велосипеди – електромотор, интегриран директно в главината на задното колело.

Неговото първоначално устройство използва 6-полюсен постояннотоков (DC) четков мотор, вграден директно в главината на задното колело. За времето си идеята е била изключително напреднала, а всъщност концепцията за „rear hub motor“ е най-използваната технология при по-достъпните съвременни електрически велосипеди в наши дни.

Любопитен факт е, че дизайнът на Огден Болтън не е включвал педали, верига или зъбни колела. Колелото е разчитало изцяло на електрическа тяга, контролирана от кормилото. Поради тази причина някой хора считат изобретението за първия патент за електрически мотоциклет.

Моделът е работил с 10-волтова батерия, но електромоторът е можел да консумира до 100 А ток. Това означава пикова мощност от около 1000 W, което е сериозна сила дори за днешните стандарти. Проблемът обаче бил, че тогавашните оловно-киселинни батерии са били изключително тежки.

Само две години след патента на Огден Болтън, на 31 август 1897 г., друг американски изобретател – Хоузеа У. Либи (Hosea W. Libbey) получава патент под номер U.S. Patent 589307 за своята версия на електрически велосипед. Докато Болтън залага на мотор в задната главина, Либи прави истинска технологична революция, като измисля концепцията за централно разположен мотор (mid-drive motor) – същата технология, която днес се използва за по-луксозните и модерни електрически колела.

При моделът на Либи моторът е разположен в центъра на велосипеда, точно между педалите, а принципът на работа е следния: когато колелото се движи по равен път, работи само единият мотор, за да пести енергия, а когато колоездачът изкачва наклон, се включва и вторият мотор, осигурявайки двойна мощност за преодоляване на баира.

За разлика от модела на Болтън, колелото на Либи е имало изцяло функционални педали, а електрическият мотор директно подпомага колоездача. Но подобно на Болтън, Либи се сблъсква със същото непреодолимо за времето си препятствие, а именно теглото на батериите. За да захрани двойния си мотор, велосипедът е изисквал масивни оловно-киселинни акумулатори, но те са правели конструкцията толкова тежка, че без включен мотор е било почти невъзможно да се въртят педалите, а с включен мотор – батерията се изтощавала твърде бързо. Въпреки че проектът остава само на хартия, концепцията на Либи за поставяне на мотора и батерията в най-ниската и централна точка на рамката е призната век по-късно като най-добрия инженерен подход за стабилност, баланс и управление на велосипед.

Идеята е налице. Но технологията все още не е готова за нея. В продължение на десетилетия големият проблем остава един и същ – как да се събере достатъчно енергия в батерия, която велосипедът може да носи, без тя да обезсмисли самото каране.

Yamaha – раждането на модерния pedal-assist e-bike

Истинският пробив идва почти век след първите патенти. През 1993 г. японската компания Yamaha пренаписва историята на колоезденето, като пуска на пазара първия в света търговски успешен електрически велосипед. Моделът се нарича Yamaha PAS (Power Assist System) и именно той ражда модерната концепция за „pedal-assist“, при който няма ръчка за газ, а движението на водача се подпомага при завъртане на педалите.

Идеята се ражда, когато екип от инженери на Yamaha, воден от Масанори Ишии, получава задача да създаде нов вид градски транспорт, за да се подпомогнат майките, които карат децата си на училище по стръмните хълмове на Япония, както и по-възрастните хора. Те мислят върху концепцията за електрически велосипед, но осъзнават, че досегашните разработки с ръчка за газ като при мотопед изискват твърде големи батерии, което променя самото усещане за каране на колело. Затова измислят нещо революционно. Специален сензор за въртящ момент измерва колко силно водачът натиска педалите, а вграден чип изчислява в реално време колко сила той влага и изпраща сигнал към мотора, за да му помогне с точно определено пропорционално количество енергия. Така колоездачът няма усещането, че го дърпа мотор, а просто се чувства пет пъти по-силен, сякаш винаги кара по надолнище. Електромоторът само помага на водача и се изключва при достигане на 24 km/h.

Пътят до това усещане обаче не е никак лесен. При първите прототипи използваният 8-битов процесор не успява да управлява подпомагането достатъчно плавно и естествено. Преминаването към 16-битов CPU се оказва една от важните стъпки в разработката – електрониката вече може много по-прецизно да обработва информацията от сензорите и да дозира помощта от мотора според усилието на колоездача.

Именно тук електрическият велосипед започва да се превръща от велосипед с добавен мотор в истинска мехатронна система, в която човешкото усилие, сензорите, електрониката и електромоторът трябва да работят в синхрон.

Първият модел Yamaha PAS от 1993 г. е оборудван с 24-волтов мотор с мощност 235 W и оловно-киселинна батерия, скрита зад седалковата тръба. Той тежи 31 kg, а пробегът му с едно зареждане е около 20 km. Въпреки че батерията все още е тежка, системата е толкова ефективна, че колелото става мигновен хит в Япония, а само през първата година са разпродадени всички произведени бройки на цена от 134 000 йени всяка.

200 Wh/kg – числото, което кара Bosch да повярва в e-bike

Историята на Bosch в света на електрическите велосипеди започва няколко години преди официалното представяне на първата система на компанията, а в центъра ѝ са двама визионери – машинният инженер Петер Кимих (Peter Kimmich) и електроинженерът Филип Колрауш (Philipp Kohlrausch), който по онова време работи по батерийни технологии.

През 2006 г., докато участва в изследователски проект за батерии за електрически автомобили, Колрауш попада на прогноза, според която до 2010 г. литиево-йонната технология ще достигне енергийна плътност от 200 Wh/kg. Именно тогава той осъзнава, че батериите вече могат да станат достатъчно леки, за да направят електрическите велосипеди наистина практични.

Година по-късно прави компютърна симулация, с която изчислява, че батерия с капацитет 300 Wh и тегло между 2 и 3 kg би била достатъчна, за да изкачи стръмния път до корпоративната централа на Bosch в Герлинген два или дори три пъти.

По същото време Петер Кимих изследва мегатенденции като нарастващия трафик в градовете, застаряващото население и вредните емисии и работи по контролни блокове. Двамата с Колрауш решават да обединят усилията си. Кимих има опит в управлението, Колрауш – в батериите, а и двамата познават електромоторите. Така постепенно се оформя идеята не просто за мотор, добавен към велосипед, а за цялостна система, която обединява електромотор, батерия, контролен блок и удобен за велосипедиста дисплей.

Разбира се, първите стъпки не са лесни. През 2008 г. двамата инженери организират демонстрация на своя прототип пред ръководството на Bosch. Поради минусовите температури обаче закупеният сензор за въртящ момент отказва да работи правилно и велосипедът потегля сам веднага след включването, а инженерите се принуждават буквално да тичат след него. Демонстрацията е провал, а двамата получават само една седмица, за да намерят решение и да получат втори шанс. Успяват да отстранят техническия проблем навреме и проектът продължава.

До средата на 2009 г. екипът вече разполага с прототипи за 14 корпоративни клиенти, сред които е и Cannondale. А големият момент идва на Eurobike през 2010 г., когато Bosch представя своята eBike система пред широката публика с около 50 предпроизводствени велосипеда на различни производители, оборудвани със задвижването на компанията.

Системата залага на централно разположен електромотор – ниско в рамката и близо до центъра на тежестта на велосипеда. Сензорите следят въртящия момент, каданса и скоростта на движение и подават информация към електронното управление, което определя колко помощ да осигури моторът. Така подпомагането става плавно и естествено, а моторът се усеща по-скоро като продължение на усилието на самия колоездач.

Но може би по-важната промяна е друга. Bosch вече не гледа на мотора, батерията и управлението като на отделни компоненти, добавени към велосипеда, а като на една взаимосвързана система. Това поставя началото на развитието на Bosch eBike Systems, което през следващите години ще добави към мотора и батерията все повече електроника и дигитални функции – от свързаност със смартфон и интелигентни режими на подпомагане до ABS и свързаната Smart System.

Но успехът на Bosch бележи още една промяна. След повече от век въпросът вече не е как да поставим електромотор на колело, а как всички компоненти да се интегрират в дизайна на велосипеда, така че той отново да изглежда, да се управлява и усеща… като велосипед.

CUBE – когато електрическата система става част от дизайна

С развитието на задвижващите системи пред производителите се появява следващото инженерно предизвикателство – моторът и батерията вече не просто трябва да бъдат добавени към велосипеда, а да се превърнат в естествена част от неговата конструкция. Един пример е германският производител CUBE, който от моделната си гама за 2014 г. използва задвижващи системи на Bosch. При съвременните му e-bike модели моторът е разположен ниско и централно, батерията постепенно „изчезва“ в долната тръба на рамката, а геометрията и конструкцията трябва да компенсират допълнителното тегло, без да жертват здравината, баланса и естественото управление.

За тази цел инженерите на CUBE работят едновременно върху геометрията, материалите и производствените технологии, използвайки компютърни симулации и анализ по метода на крайните елементи (FEA), последвани от физически прототипи и лабораторни изпитвания. Така повече от век след първите опити да бъде добавен електромотор към велосипед инженерната задача вече е почти противоположна – моторът, батерията и електрониката трябва да станат толкова естествена част от велосипеда, че колоездачът почти да забрави, че са там.

От e-bike към smart bike

И така, докато инженерните дизайнери постепенно „скриват“ мотора и батерията в конструкцията, инженерите работят по още една трансформация – електрическият велосипед да се превърне в свързана дигитална машина. Един от любопитните ранни примери идва от Хърватия, където през 2013 г. компанията Greyp, свързана с Мате Римац и инженерите на Rimac, представя G12. Освен мощното електрическо задвижване велосипедът предлага доста необичайна за времето си функция – отключване с пръстов отпечатък, като различните пръсти могат да активират различни режими на работа.

Само десетилетие по-късно подобна „интелигентност“ вече не звучи толкова екзотично. Съвременният e-bike съчетава електромотор, батерия и BMS, сензори, електронно управление и софтуер, а при все повече модели към тях се добавят GPS, връзка със смартфон, навигация, защита против кражба, дистанционни актуализации и дори ABS. Така велосипедът, който през 1895 г. е трябвало просто да бъде задвижен с помощта на електричество, днес може да следи, изчислява, комуникира и да адаптира поведението си към колоездача.

Повече от 130 години след първите патенти електрическият велосипед е изминал впечатляващ инженерен път, но идеята зад него остава почти същата – да ни отведе по-далеч с малко по-малко усилие.

По текста работи: Беатрис Тотева

За да подготвим тази статия, използвахме информация от : patents.google.com/patent/US552271A/en; batoobike.ch; bosch.com/stories; global.yamaha-motor.com; cube.eu; greyp.com

Източник на снимковия материал: bosch.com, patents.google.com, global.yamaha-motor.com, cube.eu, bosch-presse.de, ©Engineer BG via Canva.com