Sähköpyörän tehoista

Sähköpyörän tehosta

Sähköpyörien / polkupyörien sähköistyssarjojen osalta on vakiintunut yleisesti käytäntö että sähköpyörän teho ilmoitetaan jonain tiettynä määränä watteja. Ilmoitetaan esim. että kyseessä on 500w sähköpyörä, tai vaikkapa 250w etumoottorisarja.

Vaikkakin käytäntö on jokseenkin vakiintunut alalla, ei kyseinen tapa ole täysin ongelmaton, korrekti ja se voi myös olla harhaanjohtava. Ongelmana on, että jotkin toimijat ja valmistajat ilmoittavat tehon eri tavalla kuin toiset, jolloin kuluttaja voi hämääntyä moottorin todellisista teholukemista ja mitä ne tarkoittavat.

Pääsääntöisesti sähkömoottorin teho voidaan ilmoittaa joko moottorin nimellistehona, tai moottorin huipputehona.

-Nimellisteholla tarkoitetaan sitä tehoa jota moottori voi ylläpitää ja jonka moottorin tulee kestää jatkuvassa käytössä vaikka ikuisesti.

-Huipputeholla tarkoitetaan tehoa jonka moottori voi tuottaa maksimissaan lyhytaikaisesti ja jonka sen tulee kestää hetkellisesti (esim. 10sek. ajan)

Watit ja moottorin huipputeho?

Watti on tehon yksikkö, joka on saanut nimensä Scottilaisen insinöörin James Watt`in mukaan.

Wattia voidaan käyttää mittamaan/määrittämään jonkin laitteen, kuten sähköpyörän moottorin, välitöntä tehontuottoa (tai ottoa).

Sähkömoottorin tuottama teho (watteina) kullakin hetkellä on akun jännite (Voltti) kerrottuna akulta ohjausyksikön kautta moottorille kulkevalla virtamäärällä (Ampeerit).

Esim: Sähköpyörä jonka käyttöjännite on 36V ja jonka akusta moottorille kulkee (ohjausyksikön kautta) 10A virta, tuottaa moottori tällöin 360W tehon.

Sähkömoottorin / sähköpyörän huipputeho on siis helposti laskettavissa. Riittää kun akun jännite (V) kerrotaan ohjausyksikön maksimivirralla (A).

Moottorin ohjausyksikkö määrittää akulta moottorille menevän virran määrän. Sähköpyörissä ohjausyksikön maksimivirta on yleensä 15-30 Ampeerin luokkaa*

*Akun pitää toki myös olla ominaisuuksiltaan ja komponenteiltaan riittävän tehokas jotta se "jaksaa" antaa turvallisesti tarvittavan ampeerimäärän moottorille ylirasittumatta, jolloin sen käyttöikä lyhenee. Pahimmillaan ylirasitettu akku voi hajota kokonaan ja jos halvan/heikkolaatuisen akun suojaominaisuuksista on vieläpä säästösyistä tingitty, voi se pahimmillaan aiheuttaa jopa vaaratilanteen ja tulipalon.

Esim.2 Sähköpyörä jossa on 48V akku ja ohjausyksikön maksimivirta on 20A, sähköpyörä voi teoriassa tuottaa 960watin hetkellisen huipputehon.

Huipputeho on tietyissä tapauksissa hyödyllinen tieto, ja se voi auttaa mm. vertailemaan erilaisia moottoreita keskenään.

Nimellistehon ilmoittaminen / määrittämien on kuitenkin hieman monimutkaisempaa.

Usein puhutaan 250w, 500w yms. sähköpyöristä / sähköistyssarjoista.

250w sähköpyörä on selvästi yleisin sähköpyörämarkkinoilla, sillä useissa maissa sähköpyörän moottori saa olla lain mukaan nimellisteholtaan maksimissaan 250w*

*250w ei varsinaisesti ole vielä erityisen suuri teho. Esim. ammattilais- polkupyöräilijä voi tuottaa pelkällä omalla polkemisellaan yli 400w tehon.

Kun tarkastellaan tyypillistä "250w sähköpyörää" ja nähdään että siinä on esim. 36V akku, ja ohjausyksikön maksimivirta on 15A. Ylläolevan tehon (W) laskukaavan mukaisesti tämä sähköpyörä tuottaa siis 36V * 15A = 540w huipputehon. 20A ohjausyksiköllä samaisen sähköpyörän huipputeho olisi jo yli 700w.

Moottorin nimellisteho:

Huiputehon sijasta sähköpyörien / moottoreiden teho ilmoitetaankin yleensä jatkuvana- / nimellistehona.

Moottorin jatkuva- / nimellisteho tarkoitaa sitä tehoa jolla moottori voi pyöriä vaikka ikuisesti ylikuumentumatta tai vaurioitumatta.

Nimellisteholtaan tismalleen 250w moottori pyörisi siis teoriassa ikuisesti 250w teholla ylikuumentumatta tai vaurioitumatta. Tehoa lisäämällä moottori kuitenkin ylikuumenisi tai hajoaisi jossain vaiheessa (miten nopeasti tämä tapahtuisi riippuu tietysti siitä paljonko tehoa lisättäisiin) 251 wattisena toimiessaan moottori tulisi lopulta ylikuumenemaan jossain vaiheessa.

Useimmiten sähkömoottoreiden tehonkestoissa on kuitenkin enemmän tai vähemmän "pelivaraa", ja ne tehdään kestävämmiksi kuin ilmoitetaan. Lähes jokaisen "250w sähköpyörän" moottori on siis todellisuudessa nimellisteholtaan yli 250w.

Kuluttajan kannalta sähköpyörän tehon ilmoittaminen tällätavoin, tavallaan alakanttiin, ei ole niinkään moraalinen ongelma. Harvemmin mihinkään hankintaan saadaan enemmän vastinetta kuin mistä maksetaan. Ongelmana on enemmänkin se, että koska tehoja voidaan ilmoittaa eri tavoin, voi tehon hahmottaminen kuluttajalle olla vaikeaa ja/tai hämmentävää ja mm. eri moottoreiden / sähköpyörien vertailu keskenään voi olla vaikeaa, jos ei tiedä mikä ja miten teho ilmoitetaan.

Mikä sitten olisi paras tapa tehon ilmoittamiseen / määrittämiseen?

Sähköpyörien tehon ilmoittaminen / määrittäminen onkin jokseenkin epätarkkaa ja voi myös olla kuluttajalle harhaanjohtavaa.

Sähköpyöriä tai muunnossarjoja vertailtaessa on tärkeää tietää mm. vertaillaanko sähköpyörien / moottoreiden nimellis- vai huipputehoja.

Olemme kuulleet useasti väitteen, että 100Kg painava henkilö tarvitsisi vähintään 1000w tehoisen sähköpyörän jotta tehoa olisi riittävästi. Tämä ei pidä paikkaansa, sillä todellisuudessa jo 250w moottorikin jaksaa keventää 100Kg henkilön polkemista merkittävästi ylämäessäkin. Luultavasti tällä 100Kg/1000w väittämällä on tarkoitettu sitä, että moottorin hetkellisen huipputehon tulisi olla 1000w, jotta moottori jaksaisi viedä +100Kg kuorman ylämäkeen ilman että pyöräilijä polkee itse lainkaan mukana.

Esim. 500 wattinen sähköpyörä tai muunnossarja on ilmoitettu 500w tehoiseksi. Lähempi tarkastelu osoittaa että siinä käytetään 48V akkua, ja moottorin ohjausyksikön hetkellinen maksimivirta on 20A. Tällainen kombinaatio tarkoittaa, että kyseinen "500w sähköpyörä / muunnossarja" pystyy tuottamaan hetkellisesti itseasiassa +1000 watin huipputehon ilmoitetun 500w tehon sijaan.*

*48V Litiumakun (Li -ion) jännite täyteenladattuna on 54.6V, joten 54.6V x 20A = 1092W

Näinollen tällainen 500w sähköpyörä olisi siis jo hyvinkin riittävän tehokas ylläolevaan 100Kg/1000w väittämään, koska ko. "500w sähköpyörä" voi tuottaa hetkellisesti esim. ylämäkeen ajettaessa lähes 1000w tehon.

Teho vaihtelee tiettyjen tekijöiden ja olosuhteiden mukaan:

Jotta asia ei olisi liian yksiselitteinen, niin moottorin teho myös vaihtelee tiettyjen olosuhteiden ja tekijöiden muuttuessa.

Otetaan esimerkkiin 250w sähköpyörä, jonka ohjausyksikön nimellisvirta on 7A ja maksimivirta 14A. Sähköpyörässä on nimellisjännitteeltään 36V akku. Näinollen jos mikään arvo ei muutu, niin moottori tuottaa nimellistehona 7A x 36V = 252w.

Toisaalta sähköpyörä tuottaisi huippu/maksimitehoa (hetkellisesti) 14A x 36V = 504w

Asiaan vaikuttaa kuitenkin mm. se, että akun jännite vaihtelee varaustilan mukaan.

Yleisesti sähköpyörissä käytettävien, nimellisjännitteeltään 36V Li -Ion (LiNiCo2Mn yms.) akkujen jännite on 42V silloin kun akku on täynnä. Kun akku on tyhjä, on 36V akun jännite n.30V luokkaa.

Näinollen myös akun varaustila (jännite) määrittää moottorin tehoa kullakin hetkellä. Yläpuolella olevan esimerkin mukaisesti kyseisen "250w sähköpyörän" tehot menisivät siis seuraavanlaisesti:

-Nimellisteho kun akku on täynnä | 7A x 42V = 294w

-Nimellisteho kun akku on tyhjä | 7A x 30V = 210w

-Huipputeho kun akku on täynnä | 14A x 42V = 588w

-Huipputeho kun akku on tyhjä | 14A x 30V = 420w

Jos tehoasian suhteen lähdettäisiin oikein "hifistelemään", niin pitäisi huomioida vielä monia muitakin tekijöitä ja vaihtujia. Kuten puhutaanko akseli- vai rengastehoista, pyörän ja kuljettajan kokonaispaino, maasto ja sen kaltevuus, ajo- ja moottorin pyörimisnopeus, moottorin energiatehokkuus ja sen vaihtelut, välityssuhde eri nopeuksissa jne jne.

Tässä artikkelissa ei kuitenkaan mennä nyt näihin sen syvällisemmin.

Sähköpyörien teho lainsäädännön suhteen:

Vuonna 2017 uudistettu lainsäädäntö sähköpyörien (ja muiden kevyiden sähköisten liikkumavälineiden) tehon suhteen on tuonut paljon hämmennystä ja epäselvyyttä monille eri tahoille kuluttajista kauppiaisiin ja vakuutusyhtiöihin (sekä monia lainsäädännöllisiä "porsaanreikiä")

Lainsäädännön mukaan sähköpyörän nimellistehon tulee olla max. 250w ja moottorin huippunopeus saa olla max. 25Kmh. Jos nämä arvot ylittyvät, tulisi sähköpyörään hankkia erillinen sähköpyörä -tieliikennevakuutus.

Epäselvyyksiä kuitenkin aiheuttaa mm. tavat joilla moottoreiden teho ilmoitetaan, sekä se, että ei varsinaisesti ole mitään "kiinteää" teholukemaa minkä sähköpyörä (tai muu vastaava laite) tuottaisi aina ja kaikissa olosuhteissa*

*Kärjistettynä esimerkkinä voisi ajatella tilannetta jossa "250w sähköpyörä" myydään kaupasta asiakkaalle akun varaustilan ollessa 50%. Pyörässä on 36V akku ja 7A/14A ohjausyksikkö:

-Varaustilan ollessa 50% akun jännite on 36V, jolloin sähköpyörän nimellisteho on 7x36=252w
-Kun asiakas lataa kotona akun täyteen (42V), sähköpyörän nimellisteho onkin 7x42=292w
-Parhaimmillaan ko. "250w sähköpyörä" voi tuottaa akku täynnä hetkellisesti maksimitehoa 42x14=588w

(Nimellistehoon, maksimitehoon ja reaaliaikaiseen tehoon vaikuttaa moni muukin tekijä näiden lisäksi)

Sähköpyörän säädettävät ominaisuudet:

Joissain sähköpyörissä fyysisten komponenttien lisäksi mm. tehoon, huippunopeuteen ja muihin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa sähköpyörän ohjausyksikön ohjelmoinnilla / parametrien muutoksilla.

Joissain sähköpyörissä tämä onnistuu (ainakin jossainmäärin) suoraan pyörän näyttöpaneelista. Toisissa sähköpyörissä tarvitaan erillinen "ohjelmointipalikka" tai "rajoituksenpoistaja". Joissain sähköpyörissä / sähköjärjestelmissä tällaisia säätöjä ei voi tehdä lainkaan.

Suurimmassa osassa sähköpyöriä sähköjärjestelmää on rajoitettu elektronisesti niin että moottorin nimellisteho olisi jokseenkin 250w tasolla, ja moottorin huippunopeus on säädetty 25Kmh.

Esimerkiksi 36V sähköpyörän ohjausyksikkö voi olla alunperin nimellisvirraltaan vaikkapa 10A, jolloin moottorin nimellisteho olisi ~360w. Moottorin nimellistehoa voidaan kuitenkin laskea alemmaksi (joissain tapauksissa) muuttamalla ohjausyksikön asetuksia siten, että yksikön nimellisvirta lasketaan 7Ampeeriin. Tällöin myös moottorin nimellisteho laskee 252 Wattiin (olettaen että akun varauskyky pysyisi kokoajan samassa 50% varaustilassa, jolloin akun jännite on ~36V)

Paljonko sähköpyörässä tarvitsee olla tehoa?

Sähköpyörän tehontarve riippuu mm. pyörän ja pyöräilijän kokonaispainosta, paljonko sillä ajetaan ylämäkiä jne.. Mitä kovemmalle rasitukselle pyörä tulee joutumaan, myös sitä enemmän tarvitaan tehoa (tarkemminottaen vääntöä).

Alitehoinen järjestelmä voi joutua säännöllisesti liian kovalle rasitukselle, joka lyhentää komponenttien kestävyyttä, käyttöikää ja altistaa järjestelmän rikkoontumisille.

Esim. Kevyelle 50Kg painavalle pyöräilijälle joka ei polje juurikaan ylämäkiin, pieni 24V järjestelmä jonka nimellisteho on esim. 150w ja huipputeho ~300w voi olla täysin riittävä.

Toisaalta 100Kg painavalle pyöräilijälle joka polkee myös ylämäkiin, samainen 24V järjestelmä on auttamatta liian pienitehoinen.

Ohjausyksikön Ampeereita lisäämällä saadaan yleensä jonkinverran lisää vääntöä, mutta jos tehoa tarvitaan reilusti lisää, tulee järjestelmän jännitettä nostaa 36V tai 48 Volttiin, ja samalla myös ohjausyksikön Ampeereita nostetaan niin että saadaan riittävästi suorituskykyä jotta järjestelmä ei joudu säännöllisesti liian kovalle rasitukselle*

*Jännitteen nostaminen 24V:sta 36V:iin vaatii akun vaihtamisen 36V akuksi, sekä ohjausyksikön joka toimii 36V käyttöjännitteellä.

Ohjausyksiköstä riippuen se voidaan määrittää niin että moottorin nimellisteho pysyy 250w tietämillä, mutta esim. ylämäkiä varten moottorin hetkellinen huipputeho voi olla lähemmäs 700w, jotta moottori ei "hyydy" ylämäessä eikä joudu liian kovan rasituksen alaiseksi.

Nyrkkisääntönä voidaan pitää että 250w teho ei pääsääntöisesti ole yleensä riittävä yli 100Kg kokonaispainolle, mikäli tiedossa on ylämäkiä.

Toki 250w järjestelmäkin keventää polkemista jossainmäärin ylämäissäkin, mutta avustus voi jäädä vaatimattomaksi, ja järjestelmä voi joutua säännöllisesti kohtuuttoman kovan rasituksen alaiseksi.

Moottoreissa ja niiden suorituskyvyissä on myöskin eroja. Jos verrataan esim. kahta erilaista 250w tehoista napamoottori -sähköjärjestelmää, niin niiden todellisissa suorituskyvyissä voi olla suuriakin eroja:

-Toinen voi esim. kulkea nopeasti, mutta pienenkin ylämäen tullen vauhti hiipuu nopeasti ja paljon, koska moottori ei jaksa vääntää riittävästi.

-Toinen samantehoinen moottori puolestaan voi vääntää hyvin jyrkemmässäkin mäessä, mutta moottorin huippunopeus tasaisella voi jäädä vaatimattomaksi.

Käytettävissä olevan tehon "jakaminen" nopeuden ja väännön kesken:

Yksinkertaistettuna voisi havainnollistaa niin, että jos esim. käytössä on 500w moottori / sähköjärjestelmä, niin mm. moottorin mallilla ja rakenteella, vannekoolla (napamoottoreissa), jännitteellä ja virralla voidaan määrittää millainen osa tästä 500w tehosta käytetään nopeuden muodostamiseen, ja paljonko tehosta jää väännön muodostamiseen*

*Moottorin energiatehokkuus on myöskin tärkeä tekijä monellakin tapaa. Jälleen hyvin yksinkertaistaen: Oletetaan että esimerkin 500w moottorin energiatehokkuus on 80%. (20% moottorin tehosta (100w) ei ole käytettävissä pyörän liikuttamiseen, vaan se poistuu lämpö- ja muina häviöinä) Näinollen 500w tehosta on käytettävissä 400w, josta esim. 40% voidaan käyttää nopeuden muodostamiseen, ja loput 60% väännön muodostamiseen.

Nyrkkisääntönä voi todeta, että valinnan tullessa eteen aina on parempi valita mielummin tehoiltaan ylimitoitettu kuin alimitoitettu järjestelmä.

Kaikenkaikkiaan asia on siis monisyinen ja asiaan vaikuttaa monet eri tekijät, eikä moneenkaan sähköpyörän tehoa koskevaan kysymykseen ole yhtä ainoaa ja oikeaa vastausta.

Alla vielä joitain yleisiä tekijöitä ja määreitä jotka vaikuttavat sähköpyörän tehoon / tehontarpeeseen (karkeasti ja yksinkertaistettuna):

-Järjestelmän jännitettä nostamalla moottorin huippunopeus nousee

-Järjestelmän virtaa nostamalla moottorin vääntö nousee

-Suuri vannekoko tuottaa suuremman huippunopeuden mutta vähemmän vääntöä. Pieni vannekoko tuottaa suuremman väännön mutta vähemmän huippunopeutta (napamoottorit)

-Alennusvaihteellisen moottorin välityssuhde vaikuttaa moottorin nopeuteen / vääntöön

-Eri tekijöillä voidaan määrittää suhde paljonko kaikesta yhteensä käytettävissäolevasta tehosta käytetään nopeuden muodostamiseen, ja millainen osa käytetään väännön muodostamiseen.

-Moottorin energiatehokkuudella on merkitystä sähköpyörän toimintasäteeseen, akun käyttöikään, moottorista saatavaan kokonaistehoon yms..

-Sähköpyörän pääasiallisella käyttötarkoituksella, kokonaispainolla, maastolla jne. on suuri vaikutus siihen paljonko tehoa tarvitaan.

-Erilaiset moottorityypit tarjoavat erilaisia energiatehokkuuksia, ajo-ominaisuuksia yms, joilla on osaltaan vaikutusta mm. siihen paljonko kyseisessä käyttötarkoituksessa tarvitaan tehoa kaikenkaikkiaan.