איך לבחור סוללה לאופניים חשמליים? – מדריך – התאמת סוללה למנוע

איך מתאימים סוללה לאופניים חשמליים? איזו סוללה מתאימה למנוע שלי? מה אורך חיי הסוללה?
– מדריך רכישת סוללה מתאימה לאופניים – 

באופניים חשמליים, הסוללה הינה לב המערכת החשמלית, והיא מרכיב חשוב במחיר האופניים החשמליים. הסוללה קובעת את טווח הק"מ שניתן להשלים בכל טעינה.
פעמים רבות אנשים שואלים 2 שאלות עיקריות: 1. "כמה תחזיק לי הסוללה?"  2. "מה המחיר?"

לפני שנענה על שאלות אלה, חשוב לי להסביר את העיקרון הבסיסי של הסוללה באופניים החשמליים, כדי שכולנו נבין טוב יותר לפני שאנחנו הולכים לרכוש סוללה לאופניים, או לקנות אופניים חשמליים מהחנות.

הגדרה בסיסית לסוללה של אופניים חשמליים:
סוללה היא בנק האנרגיה של האופניים (מיכל הדלק) – הסוללה אוגרת בתוכה מטען חשמלי, שנפרק ממנה אל המנוע, ומייצר תנועה – נסיעה.
יהיה קל יותר לחשוב על הסוללה כמיכל דלק, המסוגל להכיל כמות מסוימת, ושניתן למלא אותו דרך שקט החשמל בבית שלנו. כמות הדלק-חשמל של הסוללה נמדד באמפר שעה Ah. אומר – מספר האמפר A שהסוללה יכולה לספק במשך שעה אחת H.
נתון נוסף שחשוב לא פחות הוא מתח הסוללה, שלרוב נע במדרגות של 24V, 36V, 48V, 60V בכל הנוגע לאופניים חשמליים. חלק מהאנשים מתקשים להבין את עניין מתח הסולהל והמשמעות שלו, ולכן אסביר זאת בקצרה ע"H דוגמא.

דמיינו שהסוללה שלכם הינה אקוויום של מים שמכיל 10 ליטר וממוקם בגובה של 1 מטר מעל פני הקרקע.
לתחתית האקווריום מחוברת צינורית מים בקוטר של 5 מ"מ שמגבילה את זרימת המים. צינורית זו הינה מנוע האופניים שלנו, שיכול להעביר דרכו כמות A מסויימת.
אם נפתח את הברז ונתחיל לרוקן את האקווריום, יקח למים שעה אחת להתרוקן.
עכשיו הקבילו את ליטר המים לאמפר שעה (Ah) = קיבולת המים באקווריום שווה לקיבולת החשמל בסוללה.
בזמן שהאקווריום מתרוקן, יהיה לצינור לחץ מסוים. בואו נגיד שהלחץ שלו יהיה 0.36 אטמוספירות – מקביל למתח הסוללה 36V.

אם נרצה להגביר את לחץ המים, נוכל להרים את האקווריום לגובה של 2 מטר מעל פני האדמה, (החלפת סוללה 36V ל 48V) ואז נגלה שאותה כמות מים נותנת לנו לחץ חזק יותר (יותר כוח מנוע ומהירות), ובמקביל האקווריום יתרוקן מהר יותר.
בהקבלה לסוללה, אם ניקח סוללה של 36V 10Ah אל מול סוללה 48V 10Ah ונחבר כל אחת מהן למנוע 250W של אופניים חשמליים, נגלה שהמנוע מקבל הרבה יותר כוח עם סוללת ה 48V, וגם שטווח הק"מ שלו גדל (כל עוד נבדוק טווח ק"מ באותה מהירות ומאמץ). אמנם שתי הסוללות הן בקיבולת של 10Ah, אך סוללת ה 48V מספקת הרבה יותר כוח וגם קיבולת = טווח נסיעה.

אולי תשאלו, ובצדק: "איך זה יכול להיות, הרי שתי הסוללות הינן 10Ah?"
נכון, שתיהן באותה קיבולת, אך המתח שבו הן עבודות גבוה יותר, ולכן נוצר יותר כוח דחף חשמלי בעת ההתרוקנות של הסוללה, מה שנותן בסופו של דבר 'הספק שעה' גבוה יותר Wh (וואט שעה), שהוא בעצם הנתון החשוב ביותר כדי לחשב את טווח הק"מ, כמו גם את אורך חיי הסוללה.

איך מחשבים וואט שעה Wh?
פשוט וקל: מתח (V) כפול אמפר שעה (AH) שווה וואט שעה (Wh)

V  X  Ah = Wh

זאת היא בעצם הנוסחה הבסיסית והנכונה כדי לדעת כמה קיבולת אמיתית יש לסוללה שלכם, כשהיא מחשבת בתוכה את מתח הסוללה ואת הקיבולת שלה. זה הנתון הנכון לשאול את מוכר החנות ממנה קונים סוללה (למרות שחלק גדול מהמוכרים לא ידעו להגיד לכם. חשבו בעצמכם). גם יש לקחת בחשבון שלא תמיד מה שכתוב על הסוללה נכון, מכיוון שיצרני הסוללות לא תמיד עומדים במה שהם מבטיחים, ולכן הבדיקה האמיתית תמיד תהיה בשטח – במציאות, תוך כדי נסיעה ובדיקת ק"מ. (או שניתן לשלוח את הסוללה לבדיקת קיבולת אצל מעבדת סוללות).

אורך חיי הסוללה של האופניים החשמליים
אחד הנתונים החשובים ביותר והקשים ביותר לבדיקה, הוא אורך חיי הסוללה. הרי מיכל הדלק שלנו הוא מיכל דלק רב פעמי שאנו יכולים למלא אותו בכל יום משקע החשמל בבית, אך למיכל זה מגבלה – מספר הפעמים שניתן למלא אותו לפני שיאבד מכוחו.
מספר הפעמים שניתן לטעון סוללה נקרא: מס' מחזורי טעינה. באנגלית cycle life. רבים מהיבואנים מתפארים במספר מחזורי טעינה של מעל 1000 מחזורים, אך בפועל הנתונים שונים לגמרי.
המציאות אומרת שרוב הסוללות הסיניות המיובאות יחד עם האופניים החשמליים הסטנדרטיים (המתקפלים 20") מצליחות להשלים 200-400 מחזורי טעינה. זה אומר שאם אדם טוען ופורק את הסוללה בכל יום, הסוללה תחזיק מעמד כ 7-16 חודשים לכל היותר. מה שיקרה גם (ורוב האנשים לא מודעים לכך) שעוד הרבה לפני ההתבלות המוחלטת של הסוללה, ירד טווח הק"מ ומהירות הנסיעה תפחת לפעמים לרמה כזאת שכבר לא יהיה כדאי לצאת מהבית עם סוללה כזאת.

מספר מחזורי הטעינה שווה ישירות לכסף שמשלמים כשקונים סוללה, ולכן מומלץ לרכוש רק סוללות שמספר מחזורי הטעינה שלהן ידוע מראש, כמו סוללות איכותיות של: סמסונג, פנסוניק (רק תאים מקוריים כמובן – לצערי יש גם לא מעט תאים מזוייפים בארץ).

החישוב הכספי הוא פשוט:
אם קנינו סוללה של 48V 10AH במחיר של 1500 ש"ח והחלפנו אותה תוך שנה, זה אומר שהשקענו בסוללה לאופניים שלנו 1500 ש"ח לשנה.
אם קנינו סוללה לאופניים 48V 10AH במחיר של 1900 ש"ח, והיא החזיקה שנתיים, שהשקענו בסוללה לאופניים שלנו 950 ש"ח לשנה.
אם קנינו סוללה לאופניים 48V 10AH במחיר של 1900 ש"ח, והיא החזיקה 3 שנים, שהשקענו בסוללה לאופניים שלנו 633 ש"ח לשנה.

בחירת קיבולת הסוללה
איזו סוללה לאופניים נצטרך אם עלינו לנסוע בכל יום 30 ק"מ, עם מנוע 250W ?
השאלה כמעט מושלמת, אך חסר לנו 2 נתונים בסיסיים: משקל הגוף ותנאי השטח.
בגדול, כדי לדעת את קיבולת הסוללה עלינו לדעת את ארבעת הנתונים הבאים:
1. מס, הק"מ שהרוכב מעוניין להשלים בכל טעינה (מספר מדויק ככל האפשר – כולל סטיות ספונטאניות מהנתיב)
2. הספק המנוע (האמיתי – כי רבות קורה שהמנוע צורך יותר זרם מהמוצהר)
3. תנאי השטח (האם מישור, או עליות  קלות/בינוניות/קשות)
4. משקל גוף הרוכב (כולל משקל נשיאה, או הרכבת ילד/מבוגר)

כל אחד המנתונים האלה משנים באופן דראסטי את שיקולי בחירת הסוללה הנכונה, ולכן יש לספק נתונים נכונים לפני רכישת סוללה, כי סביר להניח שרוב המוכרים בחנויות לא ידעו לעשות עבורכם את החישובים.
עצת דג הזהב – להוסיף מקדם ביטחון של לפחות 20% מעל התוצאה שיצאה.  הסיבות: א. ככל שהסוללה תעבוד פחות קשה ולא תגיע להתרוקנות מלאה, כך חייה יאריכו והיא תישאר בעצמה מלאה לאורך זמן רב יותר. לטוווח הארוך הבחירה הזאת תהיה שווה לא מעט כסף – ב. בתום שנה וחצי הסוללה תתחיל להיחלש וטווח הק"מ שלה ירד ב 5-10%, כשהכבישים ישארו בדיוק באותו האורך.  ג. מי באמת רוכב במהירות של 25 קמ"ש?! (אמר דג הזהב וקפץ למים..)

דוגמא לחישוב נכון לקניית סוללה לאופניים חשמליים:
לטווח נסיעה של 30 ק"מ, מנוע 250W, נסיעה מישורית, משקל גוף 70 ק"ג, יש להצטייד בסוללה של 15.5AH 48V (מקדם הביטחון כבר כלול בהמלצה).
כך הגענו לתוצאה: אם מהירות האופניים היא 25 קמ"ש, יקח לנו שעה ורבע להשלים את המסלול בנסיעה רציפה. זה אומר שהמנוע שלנו שצורך 7 אמפר יצרוך מהסוללה כ 10 אמפר שעה.
עכשיו נוסיף את מקדם הביטחון המומלץ של ה 20% והגענו לסוללה של 12AH 48V. ואם נחשיב גם את העצירות והתחלות הנסיעה שלנו, או קפיצה קטנה לסופרמרקט בדרך נגיע בקלות ל 13-14AH, ובהחלט יהיה חכם ללכת על סוללה של 15.5AH 48V.

ניצולת מנוע-סוללה
דבר נוסף שיש לקחת בחשבון הוא, שככל שמתח הסוללה עולה, כך עולה גם ניצולת (יעילות) המנוע, כך יוצא שככל שנעלה במתח, כך נרוויח יותר הספק וכוח. אך קיימת כמובן מגבלת מתח של המנוע ושל שאר חלקי המערכת, כך שלא נוכל לטפס למתח גבוה יותר ממה שתוכננו הרכיבים האלקטרוניים (בקר מנוע למשל). 

כמה ניתן להעלות את מתח הסוללה מבחינת המנוע?
זאת אחת השאלות המרכזיות שאנחנו נשאלים כשאנחנו מתבקשים להמליץ על הגדלת כוח ומהירות לאופניים חשמליים, ואכתוב כאן כמה נקודות בסיסיות שיבהירו את העניין:

בואו נבין קצת יותר את המנוע החשמלי של האופניים החשמליים (מדובר במנוע חסר מברשות  Brush-less). ממה הוא בנוי בעצם?
יש בתוכו – סלילים (חוט חשמל מלופף), מגנטים, פלדה, סנסורים, מיסבים.

החלקים שמעניינים אותנו כשאנחנו מעלים את מתח הסוללה הם: הסלילים והמגנטים.

אם ניקח לדוגמא מנוע 250W 36V (מנוע חסר מברשות), אז הסלילים שבתוכו תוכננו להעביר דרכם זרם מסוים A, והזרם נקבע לפי עובי החוט. שימו לב שהסלילים לא תוכננות למתח מסוים, כי עקרונית הם יכולים להעביר דרכם גם 100V בלי שתהיה כל בעיה לסלילים, מלבד בעיית החום אליה נתייחס בהמשך.

אם נחבר את המנוע לסוללה של 36V ונריץ את המנוע במהירות ועומס מלא, נגלה שעובר דרך סלילי המנוע זרם של כ 10A (אמפר). זה אומר שההספק המקסימאלי של המנוע יהיה בעומס 360W (רוב מנועי ה 250W מגיעים להספק כזה, מכיוון שהם מתוכננים לספק 250W בעומס בינוני ולא בעומס מלא.  אם נריץ את המנוע בעומס מלא לאורך זמן, הוא יתחמם ויהרס.)

עכשיו בואו ניקח את אותו מנוע ונחבר אותו לסוללת אופניים 48V בעומס מלא.
מה שיקרה בפשטות הוא, שהזרם שעובר דרך הסלילים ישאר 10A (כי זה המקסימום שהסליל יכול להעביר), אך מכיוון שהמתח גבוה יותר, נקבל הספק של 480W בעומס מלא. על פניו נראה שהרווחנו כאן הספק בחינם, אבל במציאות אין מתנות חינם (את זה היו אמורים ללמד אותנו בכיתה א'), ולכן יהיה לזה מחיר.

המחיר העיקרי יהיה: התחממות יתר של המנוע, ואיבוד ניצולת.

למה שהמנוע יתחמם יותר?
כאשר מתכננים מנוע במפעל, בונים את חלקי המתכת שלו בצורה כזאת שיוכל לפזר את החום שמצטבר בתוכו אל האוויר. בכל הנוגע למנועים של אופניים חשמליים, הדרך היחידה שלהם לקרר את עצמם היא באמצעות פיזור החום דרך גוף המנוע – אל האוויר.
במנועים גדולים של אופניים חשמליים ניתן לראות בבירור שיש להם גוף פלדה גדול וכבד יותר, שמשמש כגוף קירור.
כשאנחנו מפיקים מהמנוע יותר כוח, הוא יתחמם יותר. זה חוק טבע שאנחנו לא יכולים לשנות.  הדבר היחידי שנוכל לעשות במקרה כזה הוא, לבדוק מדי פעם את חום המנוע (במיוחד בימים חמים), או לחילופין – אם יש יצירתיות וידיים נאמנות, ניתן לבנות צלעות קירור מאלומיניום שיתחברו לגוף המנוע, רק שזאת עבודה שדורשת מקצועיות והבנה בתחום.

אם כך, ניתן לחבר מנוע של 36V אפילו לסוללה של 60V והוא יעבוד מהר יותר?
התשובה היא כן. המנוע יעבוד במהירות אדירה ויפיק גם כוח כפול (כ 600W), רק שהוא יתחמם מאוד, ועוד לפני שהוא ישרף, סביר להניח שהגיר (תמסורת פנימית שבנויה מגלגלי שיניים מפלסטיק) שלו ישבר ויתבלה.
מנועים סטנדרטיים של אופניים חשמליים הם מנועים חלשים מטבעם, ולכן מכניסים לתוכם תמסורת פנימית שתמיר את המהירות שלהם לכוח. כמו שנוסעים ברכב בהילוך ראשון, מקבלים יותר כוח ממהירות המנוע של הרכב. מנועי ה 250W מסתובבים במהירות גדולה בתוך עצמם, והמהירות שלהם מומרת לכוח שיוצא לגלגל האופניים. מנועים בעלי גיר פנימי נקראים מנועי תמסורת.

איבוד ניצולת
דבר נוסף שיקרה בקפיצה למתח של 60V למנוע שתוכנן ל 36V, שהניצולת שלו תהיה קטנה. ניצולת אומרת: כמה כוח המנוע מפיק בפועל, יחסית לכמות כוח חשמלי שנכנסת אליו.
מנוע שתוכנן ל 36V בנוי ממגנטים שיכולים לספק כוח משיכה שמתאים להספק של 250-350W. אם נפיק מהמנוע 600W, המגנטים לא יצליחו למשוך את הרוטור (החלק המסתובב בתוך המנוע) בצורה יעילה, וחלק גדול מהאנרגיה החשמלית יהפוך להיות חום, במקום תנועה. אלה חוקי פיזיקה פשוטים. ניתן לומר שאם נחבר מנוע 250W לסולהל של 60V, נקבל בפועל כ 400W, כשה 200W הנוספים ילכו להפקת חום (והרי לכם חום המנוע העודף ובזבוז האנרגיה).

מנועי הנעה ישירה
כשמדובר במנועים גדולים יותר (1000W ומעלה), אין צורך להשתמש בגיר פנימי, ולכן הכוח מועבר ישירות לגלגל המנוע. מנועים אלה נקראים מנועי הנעה ישירה.
ברגע שיש למנוע מספיק כוח הנעה התחלתי (מומנט), אז אין יותר צורך בתמסורת פנימית, והוא יכול להעביר את מלוא הכוח שלו ישירות לגלגל האופניים, מה שמתבטא בנצילות גבוהה, פעולת מנוע שקטה, ובתחזוקה שולית (החלפת מיסבים אחת לכמה שנים).
את העובדה הזאת יודעים כל יצרני המנועים בעולם, אך ידיהם כבולות מכיוון שאם ייצרו מנוע הנעה ישירה 250W, לא יהיה לו מספיק כוח כדי להתחיל את הנסיעה או למשוך את משקל הרוכב.
מנועי הנעה ישירה מתחילים לרוב מהספק של 1000W ומעלה.

בואו נפשט את העניין – מה ניתן לעשות בכל זאת כדי להגדיל את כוח המנוע מבלי להזיק לו?
אם נגדיל את מתח הסוללה מ 36V ל 48V (במדרגת מתח אחת כלפי מעלה) נקבל יותר כוח ומהירות מהמנוע. הערכה של תוספת מהירות וכוח של 20%.
רוב המנועים יחזיקו מעמד ויוכלו לפזר את החום, אך יש לקחת בחשבון שאורך החיים שלהם יתקצר. לרוב הגיר יזדקק להחלפה בתוך תקופה של שנה.
כדי לעשות את השדרוג הזה, לרוב יש צורך להחליף את בקר המנוע של האופניים החשמליים (יחידה אלקטרונית שניראת כמו קופסת אלומיניום עם צלעות קירור), כדי שיוכל להתמודד עם מתח של 48V, וגם יהיה פתוח מהגבלת המהירות הקבועה ברוב הבקרים שמגיעים לארץ עם אופניים חשמליים מיובאים.

קורה רבות שאנשים רוצים לקבל יותר כוח ומהירות וקונים מחנויות סוללה לאופניים שמתח של 48V, ואז מגלים שהסוללה לא מצליחה לתת למנוע את הכוח שציפו, ולפעמים גם מתנתקת במהלך הנסיעה.
הסיבה לכך היא, שיצרני הסוללה תכננו אותה לעבוד על מנועי 250W, או שאיכות הסוללה ירודה, ולכן אמליץ בחום לרכוש סוללה לאופניים חשמליים ממעבדה מקצועית שיודעת להתאים את כוח הסוללה לדרישות המנוע שברשותכם.

מוזמנים לשתף ולשאול שאלות, בתגובות למאמר זה

ימים טובים
תמיכה טכנית – עולם חדש