Polkupyörän sähköistys – opas eri osiin

Sähköpyörä tarvitsee akun, moottorin, ohjaimen, johtosarjan ja hallintalaitteet. Osia valitessa on hyvä huomioida, että näennäisesti samanlaiset osat eivät välttämättä sovi keskenään. Tästä syystä valmiit sarjat on helpoin ratkaisu, kun ainoastaan akku pitää ostaa erikseen.

Akun jännitteen (V) tulee vastata sarjan jännitettä. Eli jos sarjan käyttöjännite on esimerkiksi 36-48V, pitää myös akun jännitteen olla välillä 36-48V. Useimmiten moottorit kestävät kyllä suurempiakin jännitteitä, mutta ohjain ei. Valmiissa sarjoissa ohjain on valmiiksi ohjelmoitu moottoria varten, eli vähintään ohjain olisi hyvä ostaa yhdessä moottorin kanssa. 

Moottori

Moottoria valitessa vaikein valinta on, haluaako rattaallisen, vai suoravetoisen moottorin. Yleismallisissa polkupyörien sähköistyssarjoissa keskimoottoria saa vain (muutamia erikoisempia poikkeuksia lukuunottamatta) ratastettuna, mutta napamoottoria sekä ratastettuna, että myös suoravetona.

​Saman tehoisissa moottoreissa rattailla saavutetaan liikkeellelähdöissä suoravetoisia moottoreita parempi energiatehokkuus ja vääntö, mutta suoravetoinen kuroo eron nopeasti kiinni. Nopeuksien kasvaessa suoravetoisen moottorin energiatehokkuus ja vääntö paranee, kun moottori pyörii vapaasti ilman pyörimisnopeutta rajoittavia rattaita. Ratastetun moottorin maksimi pyörimisnopeus määräytyy moottorin rattaiden mukaan, mikä asettaa laitteelle tietyn huippunopeuden. Suoravetomoottorissa vastaavaa nopeusrajoitusta ei ole. 

Keskimoottori

Polkupyörän keskiölaakerin tilalle asennettava moottori, mikä hyödyntää polkupyörän omaa voimansiirtoa. Keskimoottori on napamoottoria energiatehokkaampi ja kevyempi, koska moottorin välityssuhdetta voi muuttaa polkupyörän omalla vaihteistolla. Keskimoottorin kanssa ei voi käyttää etuvaihtajaa, tai useampaa ratasta edessä.  ​

Keskimoottorilla saavutetaan lähtökohtaisesti myös parempi painojakauma, kun moottorin paino on alhaalla, keskellä pyörää. Miinuspuolena kuitenkin pienentynyt maavara, ja iskuille alttiimpi paikka.

​Koska keskimoottori välittää tuotetun tehon takarenkaalle polkupyörän omaa voimansiirtoa hyödyntäen, kuluvat myös polkupyörän ketjut ja rattaat nopeammin. Keskimoottorit ovat myös napamoottoreita kalliimpia, sekä haavoittuvaisempia. 

Oikein käytettynä ja säännöllisellä ylläpidolla keskimoottorit ovat paras valinta, kun ajotuntuma halutaan säilyttää mahdollisimman tavallisena, tai paino alhaisena.

​Polkupyöriin tarkotetut keskimoottorit ovat useimmiten varustettu sisäisillä rattailla, mutta keskimoottoreita on saatavilla myös suoravetoisena (Direct Drive).

Napamoottori

Napamoottori tulee nimensä mukaisesti pyörän napaan, joko etu- tai takarenkaaseen. Napamoottorin suurin etu on pyörästä riippumaton voimansiirto, eli moottori ei rasita esimerkiksi polkupyörän kejuja tai rattaita. Yksinkertaisemman tekniikan ansiosta napamoottorit ovat kestävämpiä ja halvempia, kuin keskimoottorit. Lisäksi pitkäikäisyydestään tunnetut suoravetoiset (Direct Drive) napamoottorit ovat käytännössä huoltovapaita, sillä laakereita lukuunottamatta, ne eivät sisällä muita kuluvia osia.​

Napamoottoreilla on usein vaikeampi saavuttaa optimaalista painojakaumaa, kun moottorin paino keskittyy jompaankumpaan renkaaseen. Myös renkaan kasvanut massa muokkaa ajotuntumaa, ja saa moottorin tuntumaan eturenkaassa vetävältä, ja takana työntävältä.

Suoravetoiset napamoottorit ovat muita saman tehoisia rattaallisia moottorivaihtoehtoja suurempia ja painavampia, mutta toisaalta suoravetomoottorin suuri pinta-ala myös haihduttaa sivutuotteena syntyvää lämpöä paremmin. Rattaat eivät rajoita moottorin pyörimistä, minkä vuoksi suoratehoisia voidaan käyttää huolettomammin suurilla tehoilla, tai jatkuvassa raskaassa käytössä. Yleisenä nyrkkisääntönä voi ajatella, että suoravetomoottori kestää hetkellisesti jopa kymmeniä kertoja suurempia tehoja, kuin mitä moottorin ilmoitettu tehonkesto on. Oikein käytettynä, huolellisesti valmistettu suoravetomoottori kestää ongelmitta kymmeniä vuosia.​

Ratastettu napamoottori tehostaa suoravetoisen napamoottorin energiatehokkuutta sisäisillä rattailla, mitkä säätyvät automaattisesti moottorin pyörimisnopeuden mukaan. Ratastettu napamoottori vastaa energiatehokkuudessa keskimoottoria, jolloin myös moottorin rakenne on pienempi ja kevyempi. Kuten keskimoottorissa, rattaat asettavat moottorille maksiminopeuden.

​Napamoottoreissa suosittelemme käyttämään vanhanmallisia kierteellisiä rataspakkoja, joissa vapaaratas on sisäänrakennettuna. Näin vapaarattaan hajotessa uusi rataspakka riittää, eikä moottoria tarvitse purkaa osiin.

Akku

Akku on sähköisen laitteen, kuten myös sähköisten henkilökuljettimien tärkein yksittäinen osa. Valitettavasti akku on useimmiten myös koko järjestelmän kallein yksittäinen osa, missä ei ainakaan liikaa kannata yrittää säästää. 

​Jotta ylimääräisiltä ongelmilta vältytään, täytyy akkua valitessa huomioida muun kokoonpanon, eli moottorin, ohjaimen ja näytön vaatima käyttöjännite. Jos aikoo kytkeä muita laitteita, kuten esimerkiksi ajovaloja suoraan akkuun, täytyy myös niiden käyttöjännitteet huomioida.

​Useimmiten akku kytketään kuitenkin vain suoraan ohjaimeen, jolloin järjestelmän muut osat saavat virtansa ohjaimen kautta. Näin saadaan minimoitua esimerkiksi huonoista liitoksista, tai halkaisijaltaan liian pienistä johdoista aiheutuva oikosulun vaara akulle. Ohjaimissa, ohjaimen hintatasosta riippuen, saattaa olla myös erilaisia sisäänrakennettuja suojamekanismeja. Joka tapauksessa, uusi ohjain on arvoltaan vain murto-osan uuden akun hinnasta.

​Tavallisimmin sähköisen henkilökuljettimen akun sisältä löytyy sormiparistoa muistuttavia kennoja (cells), joita kytkemällä sarjaan saavutetaan haluttu jännite (V), sekä rinnan ampeeritunnit (Ah). Korkeammalla jännitteellä saavutetaan suurempi huippunopeus, sekä parempi vääntö suuremmilla nopeuksilla. Ampeeritunti taas kuvaa akun kapasiteettia, eli sähkövarausta, minkä ampeerin sähkövirta kuljettaa tunnin aikana.

Yleisin kennomalli on 18650 (18×65 mm), mitä käytetään usein myös esimerkiksi sähkötupakoissa. Tyypillisesti yhden 18650 kennon kapasiteetti on 3 Ah ja nimellinen jännite 3.6V, mutta arvot saattavat vaihdella valmistajasta riippuen.

Ohjain

Ohjain toimii koko järjestelmän aivoina säädellen moottorin tehoa esiohjelmoitujen, sekä kuljettajan valitsemien parametrien mukaan. Ohjain myös yhdistää kokoonpanon muut osat toisiinsa välittäen sensoreilta ja hallintalaitteista kerättyä dataa moottorille.

​Ohjaimia on paljon erilaisia, hintaisia ja kokoisia halutun tehon ja ominaisuuksien mukaan. Kalliimmissa ohjaimissa on yleensä paremmat hienosäätömahdollisuudet, joilla saavutetaan esimerkiksi tasaisempi virransyöttö moottorille. Tarkemman säädön tarve korostuu erityisesti tehokkaammissa järjestelmissä, mutta esimerkiksi laillisiin, maksimissaan 1kW järjestelmiin riittää yleensä myös halvempi ohjain hyvin.

​Parempien säätömahdollisuuksien lisäksi kalliimmissa ohjaimissa on yleensä myös enemmän liitäntöjä apulaitteille, kuten esimerkiksi virtalukkolle, ajonestolle, hälyttimelle ja bluetooth-yhteydelle.

​Keskimoottoreissa ohjain on useimmiten rakennettuna suoraan moottorin oheen, mutta napamoottoreissa se erikseen asennettava mötikkä. Napamoottorisarjoissa tulee kuitenkin hyvin usein mukana jonkinlainen suojapussi tai kotelo, millä ohjaimen saa helposti kiinnitettyä esimerkiksi polkupyörän runkoon.

Näyttö

Toimiakseen ohjain tarvitsee sarjan jännitettä vastaavan näytön, minkä asetuksista voi myös säätää tiettyjä tärkeimpiä parametrejä. Näytön voi myös ohittaa ja jättää kytkemättä tarkoitukseen sopivilla liittimillä, mutta näin esimerkiksi moottorin avustustehoa ei pysty muuttamaan. Näytön mallista riippuen, näytössä on joko ohessa tai erillisesti virta- ja valintanäppäin, sekä näppäimet ylös ja alas. Näillä neljällä näppäimellä hallitaan moottorin avustustasoa, yleisiä asetuksia ja ajotietoja. Koska suoraveto- ja ratasmoottorien moottorin ohjauksen ohjelmointi on lähtökohtaisesti erilainen, ei kyseisiin sarjoihin tarkoitetut näytöt ole keskenään yhteen sopivia. 

​Kalliimmissa suoravetoisten moottoreiden ohjaimissa on myös yleensä Bluetooth-liitäntä, millä näytön tiedot ja asetukset saa näkyviin esimerkiksi puhelimella ja yhteensopivalla sovelluksella. Näin näytön voi halutessaan jättää kokonaan pois.

Hallintalaitteet

Sähkösarjojen hallintalaitteista näytön lisäksi tärkeimpiä ovat jarruanturi, poljinavustuksen anturi ja nopeusanturi. Keskimoottorisissa saattaa olla lisäksi myös vaihdeanturi.

​Jarruantureiden tarkoitus on katkaista moottorille syötetty virta, kun jarrua painetaan. Antureita löytyy kaapeli- ja hydraulijarruihin valmiiksi kahvaan rakennettuna ratkaisuna, tai jälkiasennettavana ulkoisena anturina. Periaatteessa jarruanturi ei ole pakollinen varuste, koska ohjaimen tulisi katkaista virta moottorille kun polkemisen lopettaa. Sama juttu kaasun kanssa. Turvallisuussyistä suosittelemme kuitenkin jarruanturia edes takajarrulle.

​Poljinavustuksen anturi (PAS = pedal assist sensor) on yksinkertaisimmillaan pieni magneetti, mikä kerää tietoa poljinten pyörimisnopeudesta ohjaimelle. Pyörimisnopeutta magneetti mittaa keskiöön kiinnitettävällä levyllä, missä on pieniä magneetteja tasaisin välein. Levy pyörii polkimien mukana, jolloin magneetit synnyttävät pienen sähköisen varauksen. Tällaista, yksinkertaisempaa sensoria kutsutaan kadenssianturiksi. Antureita löytyy myös momentintunnistuksella, jolloin anturi pystyy mittaamaan pyörimisnopeuden lisäksi myös polkimiin kohdistuvaa voimaa. Keskimoottoreissa poljinavustuksen anturi on useimmiten sisäänrakennettu.

​Nopeusanturi mittaa renkaan pyörimisnopeutta samanlaisella ajatuksella, kuin poljinavustuksen kadenssianturi. Napamoottoreissa nopeusanturi on sisäänrakennettu moottoriin, mutta keskimoottorisissa anturi on ulkoinen.

​Antureista moottorin toiminnalle pakollinen on ainoastaan nopeusanturi, minkä ohjain tarvitsee moottorin tehonsäätelyä varten. 

​Keskimoottoreihin myydään yleensä erikseen myön vaihdeanturia, minkä tarkoitus on katkaista virta moottorilta aina, kun vaihdetta vaihdetaan. Vaihdeanturi ei ole pakollinen, mutta hyödyllinen lisävaruste. Varsinkin tehokkaammat keskimoottorit saattavat repäistä rataspakasta rattaan rikki tai ketjut poikki, jos vaihdetta vaihtaa moottorin veto päällä.