Как мы создали российский электросамокат, который на порядок лучше китайских аналогов

Добрый день! Вас снова приветствует Владимир Боровой, основатель и владелец бренда электросамокатов Halten, и это мой второй пост на Хабре. В конце своего первого поста я упоминал об инженерных разработках, которые ведет R&D-отдел нашей компании.

Сегодня хочу остановиться подробнее на инженерных решениях, которые позволили нам разработать самокаты, максимально отвечающие запросам российского потребителя и приспособленные для российских реалий. В моделях нашей новой линейки и аппаратная, и программная составляющая — целиком результат интеллектуального труда наших инженеров. Поэтому новые самокаты Halten — не просто совместная разработка с китайскими компаниями или грамотный реинжиниринг моделей, произведенных в Китае. Их без преувеличения можно назвать российскими.

Почему мы взялись за разработку российского варианта электросамоката

Я уже упоминал ранее, что продукт китайского производства мало отвечает потребностям российского покупателя. Да, в первой нашей линейке электросамокатов мы усовершенствовали базовые китайские модели: использовали самые надежные и качественные комплектующие, изготовленные по составленному нами техническому заданию, снабдили более безопасным аккумулятором, защитили мотор-колесо от попадания влаги и загрязнений — обо всем этом я уже писал в своем первом посте.

В результате модели стали надежнее дешевых китайских аналогов, они бесперебойно работают в течение не одного, а двух и более сезонов. Этому в немалой степени способствует разработанная нами система контроля качества и сервисная поддержка. Повторяться не буду, подробно об этом можно также почитать в моем первом посте.

Однако даже после модернизации базовых китайских моделей такие самокаты все еще не вполне соответствовали запросам наших российских райдеров — а я как руководитель компании прекрасно знаю, чего хочет владелец электросамоката в России. Я регулярно посещаю и чат технической поддержки, и мастерские, в которых проводится сервисное обслуживание самокатов Halten.

Анализируя отзывы и обращения наших покупателей, моя команда понимала, в каком именно направлении нам необходимо работать, чтобы усовершенствовать существующие модели. Российском райдеру нужен был самокат, удовлетворяющий следующим требованиям.

• Должен иметь большой пробег на одном заряде. Учитывая, что большинство покупателей электросамокатов — это жители Москвы, Санкт-Петербурга и других крупных городов, АКБ самоката должен иметь достаточную емкость, чтобы без подзарядки проезжать 70- 120 км и при этом оставаться легким и мобильным транспортом. В то же время пробег даже тяжелых внедорожных полноприводных моделей китайского производства не превышает 60 км. Для российских реалий этого слишком мало.

• Должен быстро заряжаться до полной емкости. Существующие китайские модели с пробегом 50-60 км заряжаются до 14ч. Мы поставили перед собой задачу зарядки нашей мощной модели с пробегом до 120км за 2-3 часа до полной емкости батареи.

• Не должен бояться заморозков. Обычные литий-ионные батареи, которые устанавливаются на электросамокаты, способны сохранять емкостные характеристики только при температуре до +10 градусов. Если столбик термометра падает ниже этой отметки, батарея быстро начинает терять емкость, причем существенно — на 50-70%. В средней полосе России сезон плюсовых температур недолог — всего 3-4 месяца. Но российский райдер хочет кататься на самокате так долго, пока это позволяют погодные условия, т.е. пока дороги и тротуары не покроются снегом и льдом. Перед нами стояла задача модернизировать литий-ионную батарею таким образом, чтобы она могла работать при более низких температурах, и тем самым увеличить период пользования самокатом в течение года.

• Должен быть более «тяговитым». Возможно, для китайского райдера крутящий момент мотор-колеса на большинстве моделей, которые производят в Поднебесной, и достаточен. Это неудивительно: китайцы по природе более миниатюрны и весят меньше, чем среднестатистический российский мужчина. Но этот российский мужчина тоже хочет кататься на самокате, а не возить его в горку! А значит, необходимо было увеличить пиковую мощность мотор-колеса, усилить крутящий момент таким образом, чтобы даже довольно крупный райдер весом 100-130 кг мог въехать на самокате в достаточно крутую горку, не спешиваясь при этом.

• Должен быть безопасным. Дешевые литий-ионные батареи, которыми комплектуются типовые китайские самокаты, небезопасны. Из-за отсутствия функции контроля температуры они перегреваются и в процессе зарядки, и при интенсивных рабочих нагрузках. В результате перегрева батарея может воспламениться, взорваться, произойти короткое замыкание. И такие случаи нередки. Мы ставили перед собой задачу создать на 100% безопасную батарею, защищенную от подобных последствий.

• И, наконец, самокат должен продаваться по цене, доступной российскому покупателю. Т.е цена должна оставаться на уровне стоимости существующих китайских аналогов, которые существенно уступают как по техническим характеристикам, так и по технологическим. А значит, необходимо было провести инжиниринг устройства таким образом, чтобы цена новой модели не «улетела в космос».

Чтобы решить эти задачи, R&D- отдел Halten создал принципиально новую платформу, в состав которой входят мотор-колесо, контроллер и батарея. Каждый из элементов разработан нашими инженерами.

Все элементы платформы работают исключительно в связке, т.е. установить отдельно разработанные нами АКБ или контроллер на другой электросамокат не получится. Наше платформенное решение полностью цифровое, мы предусмотрели защиту в виде закрытых кодов и протоколов. Так что подделок мы не опасаемся, по крайней мере, в ближайшие лет 5.

Расскажу подробнее о каждом элементе платформы.

АКБ с 6-ступенчатой системой защиты

За основу нашей разработки мы взяли литий-ионные источники питания марки LG серии Е63. АКБ нашего электросамоката состоит из 8 элементов, емкость ее составляет 63 А/ч, суммарное напряжение — около 33 Вольт.

Чтобы обеспечить сохранность емкостных характеристик батареи при низких температурах, мы снабдили аккумулятор динамической автоматической системой подогрева каждого его элемента. Можно сказать, что для батареи была создана своеобразная «тепловая подушка», которая не дает остывать элементам даже при температуре до  минус 10 градусов. Таким образом, мы решили две проблемы: предотвратили потерю емкости АКБ на холоде и тем самым увеличили пробег электросамоката без подзарядки в холодное время года.

Мы позаботились о защите АКБ не только от холода, но и от перегрева в жаркую погоду, в процессе зарядки и во время работы с максимальной нагрузкой. В батарее предусмотрена система охлаждения. Таким образом, наш АКБ будет бесперебойно работать в температурном диапазоне от минус 10 до плюс 40 градусов Цельсия.

Также для увеличения доступной емкости блока аккумулятора мы реализовали в нем систему балансировки заряда. В результате заряд равномерно распределяется по всем 8 ячейкам, что в итоге не только улучшает емкостные характеристики АКБ, но и продлевает срок службы каждой ячейки в отдельности и аккумулятора в целом. Батарея, разработанная нашими инженерами, рассчитана на 2000 циклов зарядки/разрядки.

Мы хотели сделать батарею по-настоящему, на 100% безопасной, полностью защищенной от перегрева, возгорания, короткого замыкания, взрыва. Поэтому в нашем АКБ установлена защита от перегрева, реализована защита по большому и малому напряжению, а также защита от разбалансировки ячеек. Регулировка уровня заряда не допускает ни превышения заряда, ни его критического снижения.

Защиту аккумулятора от короткого замыкания обеспечивает механическое реле. Если повышается температура батареи, появляется перенапряжение в процессе зарядки, если превышен уровень заряда выше установленной нормы, словом, при любом риске возникновения короткого замыкания реле прерывает физический контакт между нагрузкой и АКБ.

Для дополнительной защиты от случайного воспламенения в производстве батареи используются негорючие материалы. Даже если возгорание возникнет (что маловероятно, учитывая остальные защитные механизмы, реализованные в АКБ), материалы нейтрализуют пламя, и оно не разгорается. Похожая технология применяется для защиты аккумуляторов электромобилей.

Таким образом, нам удалось создать батарею, которая на 100% безопаснее любого китайского аналога.

Как я уже говорил, все элементы разработанной нами платформы взаимодействуют друг с другом. Так, работу батарейки регулирует микроконтроллер. Батарея при включении электросамоката сначала связывается с контроллером, затем производит необходимые проверки по нагрузке, и только после этого происходит включение АКБ в рабочий режим. Пока самокат выключен, батарея находится в полностью отключенном режиме.

Найденное инженерами Halten инновационное решение позволило

• в 2 раза увеличить емкость аккумулятора без увеличения веса самоката. Так, наш новый внедорожник весит 35 кг, в то время как его ближайшие аналоги китайского производства весят не менее 45 кг.

• в 1,5-2 раза увеличить дальность пробега электросамоката на одном заряде батареи. Наши новые городские модели проедут без подзарядки до 70 км, внедорожники — до 120 км, в то время как у китайских моделей эти показатели составляют 35-40 км для «тротуарных» моделей и порядка 60-70 км для внедорожников;

• в 5 раз сократить время зарядки батареи. Для полной зарядки нашим АКБ потребуется всего 2-3 часа, в то время как китайские литий-ионные батареи вдвое меньшей емкостью заряжаются в течение 14-16 часов

• защитить АКБ от потери емкости при температуре ниже -10 градусов, в то время как обычнее китайские аккумулторы теряют до 50-70% своей емкости при температуре ниже +10 градусов. Теперь на нашем самокате стало возможным кататься в течение 9-10 месяцев: с середины-конца марта до конца октября. А это практически круглый год;

• сделать батарею на 100% безопасной, надежно защитив ее от возгорания, короткого замыкания, взрыва, перегрева и перезаряда;

• продлить срок службы аккумулятора за счет системы балансировки заряда.

Контроллер с высоким КПД

За основу разработанного нами контроллера был взят микропроцессор для силовой электроники третьего поколения производства компании Texas instruments. Для управления двигателем мы применили систему Field Oriental Control, КПД которого чрезвычайно высок и приближается к 95%. Устройство может генерировать ток на фазу максимум 250 А. Для работы устройству необходимо напряжение до 40 В, т.к. стандартное напряжение для АКБ составляет 33 В.

Интерфейс контроллера связан с АКБ и дисплеем, между аккумулятором и контроллером происходит постоянный обмен данными. Таким образом, работа микроконтроллера регулируется текущим состоянием аккумулятора, что обеспечивает дополнительную безопасность.

Благодаря связи контроллера с АКБ и зарядным устройством происходит управление зарядом батареи. Подобный принцип действует и в электромобилях.

Управление кнопками и осветительными приборами происходит полностью в цифровом режиме, поэтому управление системой не пострадает даже в случае случайного обрыва внешнего провода. Сигнал от кнопок поступает на контроллер, который после обработки сигнала дает команду на включение огней тормоза, поворотников и пр.

Система рекуперации, реализованная у нашего контроллера, позволяет преобразовывать кинетическую энергию, которая вырабатывается при торможении, в электроэнергию для подзарядки АКБ. Система работает таким образом, что при слабом нажатии на тормоз в первую очередь включается механизм рекуперации и лишь затем, при более сильном давлении на тормозную педаль, срабатывает гидравлический тормоз электросамоката.

Мотор-колесо с усиленным крутящим моментом

Как я уже говорил, мы стремились сделать мотор-колесо нашего самоката более мощным, «тяговитым» — и нам это удалось.

Так, на наш новый «горожанин» Halten Strizh весом всего 15 кг мы установили мотор-колесо с крутящим моментом 30 Н/м. Для сравнения: у китайских моделей такой показатель встречается разве что у внедорожников весом 45 кг. Т.е. наш легкий «тротуарник» свободно завезет в горку ездока весом 100-130 кг.

У моноприводной шоссейной модели из новой линейки Halten Ermak показатели мощности мотор-колеса еще серьезнее. Его номинальная мощность составляет 2000 Вт , а пиковая – 3500Вт.

И, конечно, мы используем в новых моделях наиболее удачные решения, реализованные ранее. Так, для всех мотор-колес из новой линейки предусмотрена установка качественных подшипников с герметичными прокладками

Об этом я писал в своем первом посте. Кратко напомню, что такие подшипники наилучшим образом защищают мотор электросамоката от загрязнений и влаги. Защищенный механизм не подвергается коррозии, а значит, время беспроблемной эксплуатации двигателя увеличивается. 

Новая линейка самокатов на базе инновационной платформы

Пока на базе разработанной нами платформы планируется выпуск двух моделей электросамокатов: легкой городской модели Halten Strizh и шоссейного/внедорожного электросамоката Halten Ermak. Разрабатывая эти модели, мы постарались максимально учесть потребности российского пользователя. Расскажу о них подробнее.

Самокат для поездок по городу Halten Strizh

Эта модель создавалась для тех, кто привык использовать электросамокат как «транспорт последней мили»: для поездок на работу, перемещений между станциями метро, приятных прогулок. Поэтому нам важно было сохранить небольшой вес и компактность модели. Весит Halten Strizh 15 кг. Его достаточно удобно переносить в руках, хранить в городской квартире.

Однако при этом технические характеристики такого «тротуарника» во многом превосходят показатели гораздо более тяжелых внедорожных моделей китайского производства. Судите сами.

• Модель «пробегает» без подзарядки до 70 кг, в то время как типичный 15-килограмовый «китаец» едва покроет расстояние в 30 км. Т.е на таком самокате можно свободно проехать из конца в конец Москвы или объехать половину Санкт-Петербурга.

• Заряд батареи восполняется всего за 1,5 — 2 часа, в отличие от обычной АКБ китайского производства, которой для зарядки потребуется 7-8 часов.

• Пиковая мощность мотор-колеса составляет 1150 Вт — это сравнимо с мощностью мотора многих у китайских внедорожников весом 45 кг. Самокат легко поднимет в горку не только подростка, но и крупного ездока весом 100 кг или более.

Шоссейный Halten Ermak

Эта модель для любителей дальних загородных поездок и высоких скоростей (насколько это применимо к электросамокату).

• Halten Ermak способен проехать на одном заряде до 120 км — солидное расстояние для такого вида техники, особенно по сравнению с китайскими моделями аналогичных габаритов, пробег которых составляет в среднем 50-60 км. На нашем внедорожнике можно выехать на природу, на дачу. Он преодолеет бездорожье, проедет по пересеченной местности, но и для поездок по городским шоссейным дорогам он тоже хорош.

• Конечно, он гораздо тяжелее «горожанина». Вес модели составляет солидные 35 кг — конечно, для переноски в руках это много. Однако весит Halten Ermak на 10 кг меньше, чем наиболее близкая по характеристикам китайская модель массой 45 кг.

• Пиковая мощность мотор-колеса этого самоката составляет 3500 Вт

• Для полной зарядки аккумулятора Halten Ermak потребуется всего 3 часа. Для сравнения: китайский аккумулятор в 2 раза меньшей емкости будет заряжаться в течение 14-16 часов.

Обе модели — и городскую, и шоссейную — можно эксплуатировать при температуре до минус 10 градусов без потери емкости АКБ, в то время как китайские аналоги уже при температуре ниже +10 теряют до 50-70% емкости батареи.

Пока самокаты новой линейки не поступили в продажу. Однако Halten Ermak практически завершил стадию испытаний, и уже в июле 2022 года планируется выпуск первой партии этой модели. Городская модель Halten Strizh пока находится в процессе разработки, которую мы планируем завершить также в 2022 году. После этого будут проведены испытания модели и ее внедрение в производство.

Сколько будет стоить новый самокат Halten

В начале поста я упоминал, что для нас важно, чтобы самокаты Halten были доступны российскому потребителю. Поэтому, разрабатывая новую платформу для наших устройств, занимаясь инжинирингом моделей новой линейки, мы не забывали об экономической стороне вопроса. Для новой линейки необходимо было, с одной стороны, найти более совершенное с технической точки зрение решение, с другой — воплотить наши разработки так, чтобы и качество не пострадало, и цена была приемлемой.

Сразу хочу отметить, что стоимость моделей новой линейки будет сопоставима со стоимостью самокатов китайского производства. При этом, конечно, имеются в виду аналоги, сходные по габаритам, весу. Однако в плане функционала наши самокаты, как видно из приведённых выше характеристик, в разы совершеннее. Если же говорить о качестве сборки, то у Halten оно на порядок выше, чем у большинства китайских производителей. Подробно о нашей системе контроля качества я также писал в предыдущем посте. И при этом и модели Halten, и самокаты производства КНР остаются приблизительно в одной ценовой категории.

Чтобы понять, как такое возможно, надо знать особенности китайского производства. В Поднебесной в производстве электросамокатов задействовано множество компаний и предприятий, каждое из которых занято не изготовлением и сборкой моделей «под ключ», а производством одного вида комплектующих. При этом у какого бы из изготовителей ни была куплена деталь, она будет совместима с деталями других производителей. Таким образом, купив у совершенно разных поставщиков все комплектующие, практически каждый может собрать у себя «на коленке» любой узел, да хоть весь электросамокат.

Причем, цепочка поставщиков различного вида комплектующих может быть очень длинной. Это может быть и 50, и 100 изготовителей, каждый из которых, естественно, хочет получить свою долю прибыли.

Однако мы сами спроектировали основные (и наиболее дорогие) детали и узлы наших электросамокатов. Это мотор-колесо, контроллер, АКБ. Их стоимость — это 80% от стоимости всей конструкции. При этом мы не закупаем эти узлы, а производим самостоятельно по себестоимости материалов. Таким образом, цепочка посредников в процессе производства сокращается до минимума. Нам не приходится делиться прибылью с посредниками, а значит, себестоимость этих ключевых узлов для нас снижается. За счет этого происходит экономия.

Конечно, можно сделать себестоимость и, соответственно, цену продажи самоката еще дешевле. Но только в том случае, если при сборке использовать те же комплектующие, что и китайские производители. Естественно, качество при таком подходе существенно пострадает.

Мы же пошли другим путем: используем более дорогие и качественные комплектующие, не экономим на качестве сборки, используем более совершенные технические решения. Но при этом можем себе позволить продавать наши электросамокаты по цене, близкой к стоимости китайских моделей с более низкими техническими характеристиками.

Надеюсь, что в ближайшем будущем мы откажемся от сборки наших самокатов в Китае — есть такие планы. Конечно, придется докупать в азиатских странах комплектующие, производство которых в России пока не налажено. Однако изготовление основной части деталей и узлов, а также сборка самокатов полностью будет проходить на территории России. Согласно нашим подсчетам, себестоимость продукции при этом вырасти не должна. А значит цена, по которой российский потребитель сможет купить электросамокат Halten в магазине, также останется приемлемой.

---

Жду в комментариях ваши вопросы о технической составляющей наших новых электросамокатов и с удовольствием отвечу на них. Возможно, у вас появятся мысли о том, чего еще не хватает электросамокату в техническом отношении, чтобы стать универсальным городским транспортом. Буду благодарен, если поделитесь ими. Не исключено, что ваши идеи лягут в основу новых инженерных разработок Halten.