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フル電の構成パーツ


モーター


現在のフル電はほとんどがDCブラシレスモーターを採用しているがごく一部にブラシ付きDCモーターが採用されている。

ブラシ付きDCモーター

マブチモーターなどの一般的なモーターでプラスとマイナスを入れてやるだけで回転する。
利点
  • 構造がシンプルで安価
欠点
  • ブラシが摩耗すると交換が必要

DCブラシレスモーター

基本構造は三相交流モーターと同じでコントローラー側で位相に合わせて交流波形を出力して誘導
利点
  • 整流子・ブラシが無く、ブラシによる電気ノイズ、ブラシ磨耗紛による外部への汚染がない。
  • 接触部品がないため高速運転が可能である。
  • 効率が良い(ブラシ付きの最大効率が約70%に対して、最大効率80%以上が可能)
欠点
  • ブラシ付直流電動機に比べるとコントローラーが高価。特に電流が大きい場合、スイッチング用半導体素子が高価。
  • 電源配線の他に位相を検出するホールセンサー等が必要(センサレスの場合は専用の誘導回路が必要)



ハブモーター

ホイールにハブとして組み込んで、自転車のフレームやフォークに取り付けるインホイールモーター。
ほとんどの自作フル電動自転車用のモーターがこのタイプ。
内部の構造によってダイレクトドライブとギヤードドライブに分類される。

ダイレクトドライブ(ギアレス)
特別な構造を持たないシンプルなハブモーター。500W以上のモーターが多い
採用例
  • Crystalyte, Nine Continent, BionX, Golden Motor MagicPie等
利点
  • 構造がシンプルなため、基本的にメンテナンスフリー。
  • 大きなモーターはより大きな電力を扱うことができる。
  • 回生ブレーキを使ってバッテリーを充電できる。(バッテリー、コントローラの対応が必要)
欠点
  • 強力なモーターはサイズが巨大で重量も重くなりやすい。
  • モーターに電流を流していないときは、ペダリング時に僅かな回転の抵抗がある。
  • 実用レベルのパワーを得るにはある程度の直径が必要なため、小型軽量化が難しい。

ギヤードドライブ
内部に遊星ギアを持つ構造のハブモーター。500W以下のモーターに多い
高速で回転する内部のモーターを遊星ギアで減速することでトルクを増幅している。(減速比5:1なら、内部が1000回転だったら外側は200回転になる)
採用例
  • Q100, Bafang BPM, eZee, Mac, BMC等
利点
  • 同じサイズのダイレクトハブモーターに比べて高効率、登坂能力に優れる。
  • Q100等の小さなモーターでもそこそこのパワーが得られる。
  • 遊星ギアがクラッチを持つため、ペダリング時の回転の抵抗がない。
欠点
  • 可動部分が多いためダイレクトハブモーターに比べて故障しやすい。
  • プラスチック製の遊星ギアは大きな電力が苦手。
  • 内部にクラッチを持つため、回生ブレーキは使用できない。



ミッドドライブモーター

車体の中心付近ににモーターを取り付け、ベルトやチェーン、歯車を介して後輪を駆動するタイプ。
モーターを回した時にクランクが一緒に回らないよう、チェーンリングにフリーホイールを持つものが多い。

採用例
  • サイクロン, GNG, Bafang BBS, 日本製の電動アシスト自転車 等
利点
  • 自転車の変速機能がモーターにも適用できるため、登坂能力や加速に優れる。
  • 重心が車体の中心に近づくため、自転車としてバランスが良くなる。
  • 軽量、高効率化しやすい。
欠点
  • ハブモータに比べて構造が複雑になるため、トラブルが多くなりやすい。
  • チェーンやハブ、スプロケット等に大きな力がかかるため、駆動系の消耗が早くなる。
  • フレームやリアサスの形状によっては取り付け困難な場合があり、ハブモーターと比べてベース車体との相性の問題が出やすい。


バッテリー


※注意! バッテリーは誤って取り扱った場合破裂や火災、感電など最悪死に至る事故も起こり得ます。十分な知識を身につけた上で利用しましょう。

バッテリーのスペック

ボルト(V)
バッテリーの定格電圧
アンペア時(Ah)
バッテリーの電流容量
ワット時(Wh)
バッテリーの仕事量, V(ボルト) * Ah(アンペア時)で求める。 (例 36V * 10Ah = 360Wh
放電能力(C)
バッテリーの放電能力、継続して出せる連続放電能力と瞬間的な最大放電能力の違いに注意。
10Ahの電流容量を持つバッテリーの場合、連続放電能力1.5C ならば継続して流せる電流は 10 * 1.5 = 15A となる。
サイクル寿命(Cycle)
一般的にバッテリーの容量が元の容量の80%を切るまでの充電回数。ただしバッテリーの寿命は使用環境や経年劣化にも影響される。
重量(kg)
バッテリーの重量。ワット時(Wh)を重量で割った数値が大きいほど、バッテリーのエネルギー密度(Wh/kg)は高いと言える。

バッテリーの性能や寿命は単純な数値だけでなく、セルの品質やパッケージなどに大きく依存します。安さや容量だけで選ぶと却って高く付くかも


バッテリーを長持ちさせるために

放電能力を超えた電流を流さない
  • バッテリーの連続放電能力を超えた電流を流し続けると、バッテリーに大きなダメージを与えます。コントローラーやサイクルアナリスト等で上限電流を制限すると良いでしょう。
満充電や充電残り少ない状態で長時間放置しない
  • 長期間保管するときは50%程度の容量に抑え、定期的に継ぎ足し充電をする。
高温の環境に晒さない
  • バッテリーは高温時に著しく劣化します。保護のためにテープや断熱材でグルグル巻きにしている場合も、バッテリー自身が熱を持つので注意。(特に夏場)
バッテリーを購入する際は1日に走行する航続距離2倍以上の容量を選択する。
  • 航続距離ギリギリのバッテリーを選択すると半年位すると途中でバッテリー上がりを起こすうえ、バッテリーの下限電圧近くまで常用するとバッテリーの寿命も極端に短くなります


鉛蓄電池 (SLA)

自動車等で使われている一般的なバッテリー。容量に対して重く大きく、深放電が苦手という欠点を持つが。安価で入手しやすい。
ディープサイクルバッテリー
深放電に耐えられるように改良されたバッテリー。ただしその分値段は上がる。


ニッケル電池

鉛蓄電池に比べてエネルギー密度、放電能力が高く、様々な用途に使われているが、現在はより大容量なリチウムイオン電池によって置き換えられつつある。
メモリー効果(電池残量のある状態で充電すると容量が減ったように見える現象)や自己放電しやすいといった欠点を持つ。
NiCd ニッケルカドミウム電池
NiMH ニッケル水素電池
ニッケルカドミウム電池に比べて高性能、カドミウムを使用しないため環境への負荷が低い。ハイブリッドカーのバッテリーに使用されている。以前は国産電動アシスト自転車のバッテリーとして主流だった。


リチウムイオン電池

高いエネルギー密度、メモリー効果を持たない、自己放電が少ないなどの利点があるが、過充電や過放電によって急激に劣化し破裂や発火する危険性があるため、取り扱いには注意を要する。
リチウムイオン電池の中でも、電解質に液体の代わりに、導電性のポリマー(重合体)を使用したものをリチウムポリマー電池(リポ)と呼ぶ。

LiMn マンガン酸リチウム電池
リチウム電池の中では比較的低い放電能力を持つが、安定性とコストにすぐれる。フル電用の安価なリチウムイオン電池として普及している。
LiFePO4 リン酸鉄リチウム電池
中程度の放電能力。長寿命と高い安全性が特徴のためフル電動自転車には最も向いている? 過充電、過放電にはやはり弱い。通称リフェ。
LiCoO2 コバルト酸リチウム電池
高いエネルギー密度と放電能力。ラジコン飛行機等のバッテリーに使用さていれる。過充電、過放電、衝撃等によって膨張・発火する危険性が高く、電動自転車用としてはほぼ販売されていない。リポといえばこの電池のことを指す場合が多い。
LiNiMnCoO2 ニッケルマンガンコバルト酸リチウム電池
通称NMC。LiCoO2にニッケルとマンガンを加えることで、高いエネルギー密度はそのままに安全性を増した電池。重量はLiMn,LiFePO4より25%軽く、放電能力はLiFePO4並らしい。※参考 http://www.electricbike.com/lithium-cobalt-magnanese/


BMS

Battery Management System の略。バッテリーパックの中に組み込まれていて、バッテリーの過放電,過充電の防止(LVC,HVC)、セルバランシング等の管理をしている。


充電器


リチウムバッテリー充電時の注意点

充電器を使い回さない
  • 充電器はそれぞれのバッテリーに対応した充電電圧、充電電流を持っています。使い回しはやめましょう。
燃えやすいものの近くでは充電をしない
充電中はバッテリーから目を離さない
  • バッテリーのトラブルの多くは充電中に起きると言われています。屋外や金属製のケース内など安全な場所で充電できればベスト。

  • 下限電圧を下回ったセルは内部崩壊が起き、そのまま充電するとかなりの確率で発火します。BMSの不調などで一時的にショートあるいは下限電圧を下回った場合は絶対に再使用しないでください。


コントローラー


コントローラーの役割

バッテリーとモーターを接続し、バッテリーの直流電流を三相ブラシレスモーターで使用できるように制御する。

コントローラーの機能

ごく一部のブラシ付きモーターを除きブラシレスDCモーター用のコントローラーとなる。
ブラシ付きモーターの場合は直流電圧を上げれば上げるほど回転数が増していくが、ブラシレスの場合は三相交流と同じ波形で位相や回転数に合わせ電流の向きや波形の長さを決め、電流の大きさでトルクが決まる。
それぞれのコントローラーに互換性はない。

動作範囲
250W, 500W, 48V25A 等コントローラーの処理できる電力の目安。
低電圧カットオフ (LVC)
バッテリーの残量が減り電圧が一定以下に低下した時、バッテリーを保護するために電流をカットする機能。
センサーレスモード
通常コントローラーはホールセンサーでモーターの回転位置を認識しているが、センサーレスモードに対応していれば。ホールセンサー無しでモーターを駆動できる。
利点
  • ホールセンサーワイヤーが必要ないため。配線をシンプルに出来る。
  • ホールセンサーにトラブルがあった時でもモーターを駆動できる。
欠点
  • センサーモードに比べて回転が粗く、効率が落ちることがある。
回生ブレーキ
コントローラーがブレーキ信号を受け取った時、モーターの回転力を発電に利用する。(結果としてブレーキの効果が得られる)
正弦波(sine wave)駆動
モーターを正弦波状に変動する電流で駆動するタイプ。従来の矩形波(square wave)駆動に比べて高効率、低振動、低騒音という利点がある。


操作・入力系


スロットル

ハンドルバーに取り付けて操作することで、モータに流す電流を連続的に変化させる装置。オートバイのスロットルのような形状のものや親指で操作するもの、簡易的なバッテリー残量計を備えたものなど色々なタイプが有る。形状によっては自転車の変速機(シフター)と干渉するので注意。
オートバイ状の物はあまり漕がずにスロットルでオートバイの様に走りたい人向け、親指タイプ(サムターン、アクセルレバー)はスタート時や坂道の一部で使い普段はPASセンサーメインで漕いでコントロールする人向け


ブレーキスイッチ

モーターへの電流をカットオフし、対応していれば回生制動を行うスイッチ。ブレーキレバーと一体になったものやブレーキワイヤーに取り付けるものなどがある。油圧式ブレーキには対応するものはごく一部で非常に高価。
ワイヤーに取り付けるものは電源を必要とし、3Pコネクタになっているものが多く防水コネクター仕様の場合専用ハーネスが必要になる場合があるため要注意。
コントローラー側で高圧対応モードがある場合、DCコンバーターなどで12Vを接続してストップランプを点灯させながらモーターカットオフできるものもある。


PASセンサー

ペダルの回転を検知してモーターを回すセンサー。クランク付け根付近に取り付ける。操作するのはペダルだけなのでより自転車らしくできるが、装置の性質上ペダリングを止めてからもしばらくモーターが回り続ける点に注意。ブレーキスイッチとの併用を推奨。ケイデンス比と磁石の数があっていないと自分が漕ぐより速くモーターが回ったり、自分がいくら漕いでもモーターが回らなかったりする。磁石の数は最低4個から16個まであるが、コントローラーの感知方法にアナログ式とデジタル式があり前者は通電=モーター回転に対し、後者は信号のON-OFFの回数を検知してモーターを回すためデジタル式は極端に速くON-OFFを繰り返すとエラーを検出して回転を止めることがある。


トルクセンサー

ペダルの踏み込みのトルクを検知して、その強さに応じてモーターを回す装置。バネ式やチェーン張力検知、非接触磁歪式等がある。PASセンサー以上に自転車らしい乗り味を持つが、高度な制御が必要なため現在は高価。


LCDディスプレイ


バッテリー残量やスピードメーター、現在の消費電力等を表示する液晶ディスプレイ。あれば便利だが機種によって仕様がバラバラなため、対応するコントローラを用意する必要がある。

Cycle Analyst サイクルアナリスト
単に数値を表示するだけでなく、最高速リミットや上限電流リミット、低電圧カットオフなどを設定できる高性能なディスプレイ。β版のV3はスロットル信号の制御や温度監視、トルクセンサー対応など更に高度な機能を持つ。

S-LCD、KT-LCD シリーズ
単に数値を表示するだけでなく、最高速リミットや低電圧カットオフなどを設定できる高性能なディスプレイ。LCD3はワットメーター、スロットル信号の制御やPASセンサーの反転モード対応、上限電流リミット、など更に高度な機能を持つ。

Bafang C961/C963/C965 シリーズ