יתרונם של אופניים חשמליים הוא באפשרות לנסוע למרחקים גדולים ובמהירות - וזאת כמעט ללא מאמץ. ההבדל בין המאמץ הנדרש לצורך נסיעה על אופניים חשמליים, לעומת אופניים, מאפשר שימוש בהם למטרת הגעה נינוחה אל היעד תוך הגדלת טווחי ניידות ומנגיש אותם כאמצעי תחבורה גם עבור אנשים בעלי כושר גופני מוגבל. בכך הם מהווים חלופה אפשרית לאמצעי תחבורה יקרים, עמוסים או מזהמים.
עם פיתוחן של סוללות קלות משקל ובעלות כושר אגירה משופר. גורם נוסף לעלייה בפופולריות שלהם הוא עידוד חקיקתי של מדינות מפותחות כגון ארצות הברית, קנדה, יפן ובריטניה, להשתמש באופניים הללו. בסין השימוש באופניים חשמליים נפוץ בין היתר הודות לחוקים המגבילים את תנועת המכוניות בערים, ולמחירם הנמוך יחסית של האופניים החשמליים.
המערכת החשמלית מורכבת מסוללה, מטען, מנוע, בקר מנוע, ידית תאוצה, ידיות למעצורים, חיישן דיווש/חיישני כוח ואמצעי תאורה.
ישנם שני דגמים עיקריים של אופניים חשמליים - אופניים עם המנוע בגלגל ואופניים בהם המנוע משולב במערכת ההילוכים. אחד היתרונות של הסוג הראשון הוא בפעולה שקטה יותר של המנוע, בעוד שהסוג השני נהנה מיכולת התאמת העומס על המנוע לתוואי השטח כמו עליות ומישור. מערכות המתחברות להילוכים מצריכות, על פי רוב, הכנסת שינויים בציר הדוושות המרכזי, ואילו מערכות האב מוטור (מנוע בגלגל האופניים) מצריכות החלפת גלגל אחורי או קדמי לגלגל בו מותקן המנוע.
נסיעה על אופניים חשמליים מותרת בישראל החל מגיל 16. עם זאת, אין זה נדיר לראות נוער וילדים מתחת לגיל זה משתמש באופניים חשמליים.
ניתן להסב אופניים רגילים לחשמליים, אך פעולה זו אינה חוקית בישראל.
מרכיבים עיקריים.
סוללה.
הסוללות המקובלות כיום הן סוללות ליתיום-יון, המספקות זרם עבודה וטווחי נסיעה גדולים, עם משקל קטן וממדים פיזיים קטנים יחסית. בעבר היה נהוג להשתמש במצברי עופרת-חומצה אך מצברים אלה כבדים יתר על המידה ואינם מספקים את הכוח הדרוש למנועים גדולים.
סוללות הליתיום המיושנות היו נוטות להתלקח בעת התחממותן, ומשקלן העצמי היה גדול יחסית לטכנולוגיה החדשה. בשנים האחרונות תפסה תאוצה הטכנולוגיה החדשה של סוללת ליתיום-יון הבטוחה יותר לשימוש, ומגיעה עם בקר טעינה/פריקה פנימי, המגן עליה ועל הרוכב מפני התלקחות.
מתחי הסוללות המקובלים הם 24V, 36V, 48V וקיבולת הסוללה נמדדת באמפר שעה (Ah), כך שככל שהקיבולת עולה כך גם כמות החשמל הנאגרת בה, בא ביחס ישיר לטווח הנסיעה האפשרי בכל טעינה.
אורך חיי הסוללה נמדד במספר מחזורי הטעינה, ונע בין 200 ל-800 מחזורי טעינה מלאים.
אמפר שעה אחד של סוללה באופניים תקניים במשקל עד 30 ק"ג, יספיק לרכיבה של כ-3 ק"מ ברכיבה מישורית עם משקל רוכב במשקל של 75 ק"ג.
הסוללות בנויות ממספר תאי סוללה גליליים, המחוברים בצורה טורית ומקבילית משולבת. החיבור המקבילי מספק תוספת קיבולת, והחיבור הטורי מספק תוספת מתח.
הסוללה היא המרכיב היקר ביותר באופניים החשמליים, וכן הרגיש ביותר לשינויי טמפרטורה וזעזועים. כדי לאפשר טעינת הסוללה גם מבלי לקרב את האופניים למקור החשמל, נהוג לאפשר שליפה והרכבה מהירים של הסוללה מהאופניים. שליפת הסוללה נותנת הגנה מסוימת לגנבות כאשר האופניים נקשרים מחוץ לבית.
בקר סוללה BMS
סוללת הליתיום זקוקה למערכת ניהול סוללה, כדי לשמור על איזון מתח כל התאים הטוריים, ולספק הגנת זרם/מתח נמוך.
תאי הליתיום מיועדים לעבוד בטווח מתחים של 2.9v – 4.20v, וכל חריגה מטווח מתחים זה תגרום לקלקול התא ולהוצאתו מכלל שימוש.
בקר הסוללה BMS הוא רכיב אלקטרוני המחובר לכל שורת תאי הסוללה הטוריים, וגם מפקח על הקוטב השלילי הראשי היוצא מהסוללה (-).
בקר הסוללה מבצע איזון מתח לתאי הסוללה במהלך כל טעינה, מגן מפני עומס יתר (בקרת זרם), מגן מפני יתר מתח (פריקת זרם באמצעות נגדי פיזור חום), ומגן מפני מתח תאים נמוך, בניתוק שער פריקת הזרם הראשי כאמצעי הגנה מרכזי, שישוב להעביר זרם רק לאחר חיבור הסוללה למטען.
בשנים האחרונות, פרצו מעל מאה דליקות בעקבות הטענת סוללות בצורה לא בטוחה.
מטען סוללה.
מטען הסוללה הוא יחידה חשמלית-אלקטרונית המספקת את זרם הטעינה שטוען את הסוללה.
המטענים המקובלים מתחברים לרשת החשמל וממירים את זרם החילופין לזרם ישר, תוך כדי שהם דואגים להגביל את מתח וזרם הטעינה כדי לשמור על תקינות הסוללה.
סוללות ליתיום דורשות מטענים עם מתח מקסימלי מדויק, יחסית למטעני העופרת-חומצה.
טווחי מתח המטענים מקבילים למתח הסוללה ומותאמים בצורה מדויקת בהתאם למספר וסוג התאים שבתוכה.
המנוע.
המנוע הוא המכלול המספק את כוח התנועה של האופניים החשמליים, הוא ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה באמצעות יצירת שדה מגנטי של דחיפה-משיכה.
טווח הספק המנועים נע לרוב בין 180W ל 500W, ומתחלק לשלושה טווחי מתחים עיקריים: 24V, 36V, 48V.
קיימים גם מנועים בעלי הספקים גדולים יותר, והם דורשים התקנה מיוחדת וגלגלים מחוזקים אך אינם חוקיים בישראל.
המנוע מקבל את הכוח החשמלי מבקר המנוע ובמקביל משדר אליו את מיקום הרוטור (החלק הנע) באמצעות המותקנים לרוב בתוך גוף המנוע.
המנוע בנוי מחלק נע הנקרא רוטור ומחלק נייח הנקרא סטטור ומחובר לשלדת האופניים.
קיימים בעיקר שני סוגי מנועים חשמליים המותקנים באופניים חשמליים. מנוע מברשות (brush motor) ומנוע חסר מברשות (brushless motor). מנוע המברשות מורכב מסלילים וחלקי מתכת היוצרים שדות מגנטיים מנוגדים בכיוון סיבובו, מנוע חסר מברשות הוא מנוע המורכב מחלקי מתכת, מגנטים וסלילים היוצרים שדות מגנטיים מנוגדים בכיוון סיבובו.
מנועי המברשות הם בעלי הספק נמוך מהמנועים חסרי המברשות ודורשים טיפול תקופתי והגנה מפני לחות ומים, והם מחוברים לאופניים באמצעות תמסורות כוח שונות.
המנועים חסרי המברשות אטימים למים (עד לזמן ספיגה של כשעה) ואינם זקוקים לטיפול תקופתי, נחשבים לאמינים ופעולתם שקטה.
הם לרוב מותקנים על ציר הגלגל ומהווים חלק בלתי נפרד מגלגל האופניים.
משנת 2012 החלו לייצר מנועים מרכזיים המחוברים לציר המרכזי באמצע השלדה וברובם בעלי חיישני כוח חכמים אשר מתאימים לעליות קשות של רכיבה ולרכיבת שטח.
החל משנת 2014 החלו לייצר מנועים נגד מים אשר מסוגלים לפעול גם כשהמנוע כולו שקוע במים וישנם כאלו גם בישראל.
בקר מנוע.
צג דיגיטלי המציג מהירות, מצב סוללה, מרחק, שעון, הילוכים ועוד.
בקר המנוע הוא יחידה חשמלית-אלקטרונית המקבל כוח חשמלי מהסוללה ומווסת את הזרם המגיע למנוע, בהתאם למצב ידית התאוצה/חיישן הדיווש.
חלק מבקרי המנועים גם יודעים להחזיר זרם טעינה לסוללה בעת בלימה (שמופעלת על ידי מתג חשמלי המותקן על מערכת הבלמים).
בקרי המנוע שמפעילים את המנועים חסרי המברשות (brushless motors) מספקים מקצבי (pulse) זרם תלת פאזי לשלושת הסלילים העיקריים שבמנוע מאפשרים ניצולת מנוע גבוהה והתחממות מועטת.
בקרי מנועי המברשות מספקים זרם בעצמה משתנה בהתאם למצב המצערת/חיישן הפידול.
הבקרים נמדדים בהספק המרבי שהם מספקים (ואט W) ומוגדרים לטווח מתח עבודה מסוים (וולט V).
הבקר מקבל פיקוד הפעלה מידית התאוצה או בחיישן הדיווש המותקן על ציר דוושות האופניים.
הוא גם מקבל מהמנוע מידע על מצב הגלגל וכך מחליט על העצמה ועל מהירות מקטעי הזרם המשודרים אליו.
בלמים.
בלי תלות בסוג הבלמים בהם נעשה שימוש בגלגלים, חובה להוסיף לכל ידית מעצור מתג אשר מחובר לבקר המנוע, או למנוע עצמו, וברגע של לחיצה קטנה על דוושת הבלם יאט את פעולת המנוע. ידית מעצור שאין בה מתג למערכת החשמלית אינה חוקית, ואף מסוכנת בעליל, אפילו אם באופניים מותקן אמצעי אחר לשליטה על המנוע, למשל בידית המעצור השנייה.
חיווט.
החיווט] הדרוש למערכת החשמלית הוא מרכיב עתיר עבודה באופניים. ריבוי המרכיבים של מערכת החשמל, והמיקום השונה שלהם על האופניים, דורשים תשומת לב רבה לעניין החיווט. את החיווט יש לחבר לאופניים, על מנת שלא יתפס במקרה בחפצים כלשהם. אך יש להתחשב בכך שבאופניים נדרשת תנועה סיבובית של חלקים כמו הגלגל הקדמי והכידון. במקרה של אופניים מתקפלים נדרשת התאמה גדולה יותר של אורך החיווט, והנקודות בהן הוא מחובר לאופניים. נהוג שהחיווט יהיה גלוי, על מנת לאפשר תחזוקה של המערכת החשמלית, אם כי קימים אופניים חשמליים בהם החיווט חבוי בתוך השלדה.
תקינה בישראל.
ביולי 2014 התיר שר התחבורה לרכוב על אופניים חשמליים שעומדים בין השאר בתנאים הבאים:
האופניים החשמליים הוגדרו באופן רשמי כ-"אופניים בעלי מנוע עזר".
על פי התקנות שנכנסו לתוקפן ב 18 במאי 2016, הרכיבה על אופניים חשמליים מותרת מגיל 16 ומעלה בלבד. מותרת הרכיבה על שבילי אופניים או על הכביש בהתאם לחוקי התנועה, ואסורה הרכיבה על המדרכה. ישנה חובת חבישת קסדה בעת הרכיבה, בכל גיל ובכל הכבישים .
על פי החוק רוכב אופניים חשמליים ללא קסדה יחויב בקנס, רוכב אשר ידבר בטלפון בזמן נהיגה או יעבור באור אדום יקבל קנס כמו נהג ברכב.
באוקטובר 2018 פורסם על תקנות חדשות שייכנסו לתוקף בתחילת 2019 לפיהם מי שאינו מחזיק ברישיון נהיגה יהיה רשאי לנהוג באופניים חשמליים רק לאחר קורס עיוני ובחינה. בנוסף הוחלט על סנקציה למי שימצא רוכב על אופנים חשמליים מתחת לגיל 16 - זכותו להוצאת רישיון נהיגה תדחה בשנה ואופניו יוחרמו. מי שייתפס כי הסיר את מגבלת המהירות מהאופניים ייקנס ב-10,000 שקלים.
כופרים
פוסט-אקסום
דרגות חופש (פיזיקה וכימיה)