これからE-Bikeを自作したいと思われる方に、どんな部品をどのように選べば良いのかご紹介します。この記事は長文なので目次をざっと見て、知りたい項目を抜粋して読まれることをおすすめします。

目次
・自作するのに必要なパーツは？
・モーターの取り付け位置と特徴
　　前輪
　　後輪
　　前輪/後輪取り付けタイプのキット例
　　BB
　　BB取り付けタイプのキット例
・コントローラー
・バッテリー
・一体何を買えばいいの？
　　出来るだけ安く取り付けたい
　　走る楽しさを求めたい
　　手っ取り早く取り付けたい
・E-Bikeが抱えるリスク

自作するのに必要なパーツは？

E-Bikeは以下ようなパーツから構成されます。殆どの方はE-bikeを一から製作するのではなく市販されているコンバージョンキットを購入されると思います。キットを購入すればバッテリー以外は揃いますし、中にはバッテリー付きのキットも販売されています。

・モーター
　250W位から1000W超まで様々な出力のものが販売されています。
・コントローラー
　ペダルセンサーまたはスロットルからの信号をもとに適切な量の電力をモーターに供給します。
・ペダルセンサー
　クランクの根本に取り付けるペダルを漕いでいるかどうか判断する為のセンサーです。
・スピードセンサー
　サイコンに取り付けるスピードセンサーと同じものです。
・スロットル
　漕がずに自転車を走らせたい場合は必要になります。日本ではこれを取り付けると原付になってしまいます。
・コントロールパネル
　電池残量の確認、アシスト強度の選択などを操作するためのパネルです。
・バッテリー
　コントローラーに接続します。 バッテリーが付属しないキットと付属するものがあるので注意して下さい。

多種多用なキットが販売されていて、モーターを後輪に取り付けるものや前輪に取り付けるもの、そしてBBに吊り下げる形で取り付けるものがあり、さらに動作電圧も24から72Vまで様々なバリエーションが存在します。そしてモーターを駆動させるためのバッテリーにも多くの選択肢があります。
これから「モーターの取り付け位置」、「コントローラー」、「バッテリー」を順を追って説明します。

モーターの取り付け位置と特徴

前述の通りモーターの取り付け位置は３種類あります。前輪、後輪、BBです。ここでBBとはボトム・ブラケットの略で、簡単に言うと自転車のクランクが生えている付け根の部分です。中にはベアリングが入っています。ママチャリやエントリークラスのスポーツ自転車ではBSA規格62mmのBBが挿入されています。

前輪

比較的低出力(500W位迄)のモーターを取り付けるなら一番簡単な取り付け位置です。既存の前輪をフォークから抜いて購入したホイールモーターに付け替えるだけでOKです。但し前輪のブレーキがリムブレーキ(Vブレーキ、カンチブレーキ、キャリパーブレーキ)を採用している自転車は注意が必要です。モーターの種類によってはホイールのリム位置がフォークの隙間(フロントエンド)の中央に来ないことがあるからです。これを直すにはハブ軸の片側にナットをかまして調整するか、スポークを外しておちょこ組(片側のスポークを短くしてリムをオフセットさせる)する必要があるのですが、ホイールを組み直すのは手間なので前輪に取り付けるメリットである手軽さが失われてしまいます。よってリムがフォークの隙間の中心に来る機種(Vブレーキ対応と記載されていることが多い)を選ぶか、ディスクブレーキ搭載の自転車に取り付けましょう。
ちなみに前輪にある程度の出力のモーターを取り付けるならトルクアームと呼ばれるフォークの爪がモーターのトルクで変形するのを防止するための金具を取り付けることをお勧めします。個人的な経験ですがトルクアームを付けずに500Wのモーターを前輪に取り付けて私有地を走っていたところ爪が変形して広がってしまったことがあります。もっとも発進時に車輪を空転させるような乗り方をしていたので通常以上の負荷がかかっていたことも事実です。いずれにしろ安全の為に高出力のモーターを取り付けるならトルクアームの装着を推奨します。

前輪にキットを取り付けたい方は詳しくはこちらをご覧下さい。
前輪にハブモーターを取り付けるには？

後輪

大出力(概して1000W以上)のモーターを取り付けたい場合は最適な搭載位置です。前輪のフォークの爪と違い後輪の爪はペダルを踏みこんだ時の力が加わることを前提に設計されているので強度があります。
搭載するには後輪を取り外して同じ段数のスプロケット(円錐状に歯車が並んでいる部品)を付けたホイールモーターを取り付けます。取り外した後輪についていたスプロケットを流用することも出来ます。
注意点として、前輪に取り付ける時と同じように取り付けたいモーターがリムブレーキ用なのかディスクブレーキ用なのか確認が必要です。そしてリアエンド(後輪を挟む爪の間隔)が135mmのMTB規格のものが殆どを占めていますのでロードバイクに取り付けたいという方は130mmの機種を探す必要があります。
デメリットとしては変速段数の多すぎる自転車には取り付けられない可能性があります。近年MTBの業界で浸透しつつある12段変速のリアディレーラー(後輪に取り付ける変速機)に対応したモデルは皆無ですし、11段、10段でも対応するモデルは少ないです。6,７段のボスフリー(軸にネジが切ってあるタイプ)仕様と、8速のカセット(軸と平行に溝が掘ってあるタイプ)仕様であれば対応するモデルは多いです。
勿論コンポ(ディレーラー、クランク、シフトレバーなどの部品一式)を変速段数の少ないモデルにダウングレードすればどんな自転車にも取り付けられますが、これをする人はまずいないでしょう。

前輪・後輪取り付けタイプのキット例

基本的に、前輪取り付けタイプと後輪取り付けタイプの違いはモーターの軸にスプロケットが付くか付かないかだけなので殆どのメーカーでは前輪・後輪両方のキットを販売しています。

24 V/36 V 250 ワットの電子バイクの変換キット
同一と思われるモーターを使用したキットが色んな所で販売されています。Q100H,BPM2などのハブモーターを使用したキットが良く見られます。取り付ける自転車の車輪のサイズを選んで注文します。後輪取り付けの場合はスプロケットの段数も選択します。

GoldenMotor
コントローラーを内蔵したモーターも販売されています。配線がすっきりするメリットがあります。
そしてこのメーカは10段のスプロケまで対応するモーターを販売しているのでDeoreや、Soraなどのディレーラーを搭載した自転車にも取り付けられます。

BB

セントラルドライブとも呼ばれます。国産の電動アシストの殆どがこの取り付け位置です。シマノやボッシュなどから販売されているモーターもこのカテゴリに位置します。特徴としては重量物のモーターが車体の中心の低い位置に搭載されるのでバランスが良いです。そしてBB周りで機構が完結しているため、ホイールやコンポ(フロントディレーラー、クランクを除く)の制約がないのでロードバイクのようなスポーツ車と親和性が高いです。 下の写真ように高級ロードバイクメーカーに採用された例もあります。
De RosaにBafang eROAD/GRAVEL /CXM800 が採用

最大のメリットは変速機と併用することで非力なモーターでも使い勝手を向上させることが出来ることです。前輪、後輪に取り付けた場合は直接タイヤを駆動させるので何段に変速しようとも速度は変化しませんが、BBに搭載した場合はチェーンを介して車輪を駆動させるので人力で漕いでいる時と同じように変速することでスピードとトルクを変化させられます。

デメリットは取り付けが面倒なことです。３種類の取り付け位置の中で一番手間が掛かります。自転車のクランクとBBを外す必要があるのですが闇雲に取り付けてしまうとチェーンリング(クランクにくっ付いている歯車)の位置(Qファクター)が変化したことに伴ってチェーンの位置が変わり、変速が上手く決まらなくなる恐れがあります。取り付ける前に自分の自転車のQファクターとBBの規格を確認しましょう。
もう一つの欠点として価格が比較的高いことが挙げられます。

BB取り付けタイプのキット例

Bafang BBSシリーズ
出力が250WのBBS01と750WのBBS02の２種類があります。

コントローラー

自転車に取り付けたスロットルやペダルからの信号をもとにモーターに電力を制御するのがコントローラーの役割です。バッテリーの直流を３相交流に変換していますのでインバーターの役割も担っています。大抵の機種にはe-brake機能(ブレーキを握るとモーターの駆動を停止する)の為のコネクタも備わっています。

通販サイトで「Convertion Kit」を購入すると大抵モーター、スロットル、ペダルセンサー、コントローラー、コントロールパネルなどが付属しますのでモーターの出力に見合ったコントローラーが同梱されます。
モーター単体で購入したい場合は相応しい機種を自分で選ぶ必要があります。例えば24V250Wのモーターを購入したとします。この場合必要なコントローラーは24Vに対応した定格出力250W以上のものです。定格と最大出力が記載されていますが定格出力を確認して下さい。
コントローラーが内蔵されたモーターも販売されています。

バッテリー

一番の肝がバッテリーです。せっかく高出力のモーターを搭載してもそれに見合わないバッテリーを搭載しないと本来の性能が発揮されません。バッテリーの価格はピンキリですが不自然に安いものは避けた方が賢明でしょう。リチウムバッテリーには発火のリスクがあり、事故を防ぐためにバッテリーセルの異常を見張るBMSという安全装置が組み込まれているのですが、稀にBMSが非搭載のものも販売されています。バッテリーを選定する上で最低限見るべきポイントは電圧(V)、容量(Ah)、 連続放電電流( Continuous Discharge Current ) 、最高放電電流( Maximal Discharge Current )です。順を追って説明します。

電圧：取り付けたいモーターの駆動電圧と同じものを選んで下さい。

容量：単位はAh(アンペアアワー)です。走行距離に合わせて選んで下さい。どれくらいの容量のバッテリーを購入すればよいのか見当が付かない場合は国産電動アシストメーカーのサイトを参考にしましょう。
一応計算でも求められますがあまり当てになりません。一応ご自身で計算したい方は以下の例を参考にして下さい。

24V250Wのモーターを搭載した自転車で50kmの距離を走りたい場合
モーターの定格出力時に出るであろう速度を予想します。26インチの前輪にモーターが取り付けられていて、26×1.5のタイヤを履いていたとすると一周回るごとに2010mm進みます。
そしてモーターの定格回転数が328rpmだったとすると自転車の最高速度は・・・
328 x 2010[mm/min]なので時速に直すと328 x 2010 x 60 / 1,000,000 = 39.5568[km/h]です。但し車輪を空回りさせれば定格回転は出ますが、人が乗れば回転は落ちますから実際はこんなに速くはありません。経験上250wクラスのハブモーターではペダルを漕がずに乗ると25km/h位が最高速となります。BB取り付けタイプはスプロケットのギア比によって変わるので分かりません。Youtubeにe-bikeの走行動画が挙がっていますので、出力と駆動方式が同じモデルを探して何キロくらい出ているのか確認すると良いでしょう。
せっかく計算しましたが実態とかけ離れた数値を使っても意味が無いので、ここでは最高速度を25km/hとします。
50kmの距離を25km/hで走行すると2時間かかるので、250Wで走って２時間持つだけのバッテリー容量が必要になります。ですから250 x 2 =500[Wh]の容量です。
[Ah]に直すと500 / 24 = 20.8[Ah]になります。

連続放電電流：モーターの定格出力から電流が計算できますので、定格時に流れる電流値以上のバッテリーを選ぶ必要があります。中には連続放電電流が記載されずCレートで表記されている場合もあります。

Cレートとは
バッテリーを放電させられる最大のスピードのことで電磁気学に出てくるクーロン[C]とは異なります。バッテリーの容量[Ah] × Cレートで放電電流が求められます。例えば10AhでCレートが２のバッテリーは20Aの電流が流せることになります。

余談ですが同じリチウムバッテリーでもスマホやPCに使われるものと、ドローンやラジコン用に使われるものではCレートが大きく異なります。概して後者の方がCレートは大きいです。

最高放電電流 ：モーターに強い負荷がかかると通常よりも多く電流が流れます。この時に流れる電流を賄えるだけの性能を持ったバッテリーを選ぶ必要があります。モーターの最高電流が不明の場合は連続放電電流の２倍くらいは見ておいて下さい。上り坂でゼロ発進するとかなりの電流がモーターに流れます。前述の通りバッテリーには保護回路が内蔵されていますので、最高放電電流の低すぎるバッテリーを使用すると急発進や登坂時に保護回路が働く恐れがあります。

そのほかに考慮すべき点として、充電サイクル回数があります。リチウムバッテリーの中にも様々な種類がありますが、よく見かけるのがリチウムイオン( Li-Ion 　Ni,Co,Mnを正極活物質に使用 )とリフェ( LiFePO4 )です。リチウムイオンと比較してリフェは充電サイクル回数が多い特徴があります。メーカーにより変わりますがLi-ionが500-800回程度でLi-feが2000回程度の充電に堪えられます。価格はリチウムイオンの方が安いです。
リチウム電池についてはこちらのサイトが詳しく解説しています。

両方とも36V10Ahのバッテリーなのに100$近い価格差があることが見てとれます。 勿論高い方のバッテリーは寿命が２倍以上持ちますし、ハイCレート仕様と謳われている通り２倍の電流が流せます。
自分の求めている性能に合わせてバッテリーを選んで下さい。
上のではシュリンクチューブで包んだだけのバッテリーを取り上げましたが、下のようなケースに入ったバッテリーも販売されています。

一体何を買えばいいの？

長々と説明しましたが、何を買えばいいのかよく分からないと思われた方に、予算や目的に主眼を置いた購入例をいくつかご紹介します。

出来るだけ安く取り付けたい

安くなったとは言え、廉価品でも電動アシスト自転車は７万円位はします。でも下で紹介する構成ならば３万円台で電動化出来ます。
・モーター
　「Q100 24V 250W-350W Rear Driving E-Bike Kit」
　 　24V 250Wで、後輪に取り付けるタイプです。　

・バッテリー
　「 24 V 10Ah 6S5P 18650 リチウムイオン電池パック 」
　24Vの10Ahの容量のバッテリーです。

・取り付けられる自転車
　外装６,７段のママチャリ、クロスバイク、MTBに適合します。クランクとBBを外すよりは後輪を外す方が格段に楽なのでそれ程取り付けには苦労しないと思われます。前輪に取り付ける方がもっと簡単なのですが、多くのフロントモーターはフォークのエンド幅が100mmの車種に適合するように作られているので、ママチャリに取り付けることができず、フォークの爪はそれ程丈夫に出来ていない車種も存在しますので安全性を考慮して後輪にしました。車種によっては前輪に取り付けた方が良いケースもあるので「前輪」の項を詳しくはご覧ください。
・価格
　モーター(E-bike kit)が235.79$で、バッテリーが送料込みで55.17$なので合計290.96$になります。
一ドル110円で円に換算すると32000円です。既にベースにする自転車を持っているならそのまま付けられますし、新たに自転車を購入した場合でも外装６段のママチャリなら15000円位で買えますから47000円程度で製作出来ます。
・実用性
　価格を抑えることを第一に構成を考えましたので、色々と粗削りな部分があります。出力は250Wと国産の電動アシスト自転車と同程度になっています。平地であればそこそこのスピードは出ると思いますが、きつい上り坂では自分で少し漕ぐ必要があるかもしれません。注意が必要なのがバッテリーとコントローラーの保護で、特にバッテリーはシュリンクチューブに包まっただけの裸の状態なので、自分で衝撃や水から守る手段を講じる必要があります。一番簡単な方法はバッテリーとコントローラーをまとめて防水バッグに入れて、籠に置いておくことです。

走る楽しさを求めたい

走る楽しさを求めるならBB取り付けタイプのキットをおすすめします。シフトチェンジによってモーターのスピード・トルクを調節出来るのでバイクを運転するのに通じる楽しさがあります。そして上で説明したようにスポーツ車との親和性が高いので楽にヒルクライムをしたい方には良い選択肢になり得ます。

・モーター＆バッテリーのセット
Bafang モータ BBS01B 36V 250 ワット(24.5Ahのバッテリーを選択)

971$という値段を見てびっくりした方もおられると思いますがこれは極端な例です。長距離を走る方を対象にバッテリーが大容量のモデルを選んだので、容量の少ないモデルを選べば価格はぐっと安くなります。

36V 24.5ahのバッテリーを搭載すれば100kmの距離を走れると記載されています。中華メーカーのカタログスペックなんて信用できないと思うかもしれませんが、個人的にはむしろこの数字は控えめなのではと思いました。比較対象としてヤマハのクロスバイク風電動アシストのカタログを見てみましょう。このモデルのモーター出力は240Wなのでパワーの差はほぼ無いと言えます。

バッテリー容量と走行可能距離の表はこちらです。

25.5V 15.4Ahのバッテリーで強モードで60km走行できると記載されています。
Bafangのバッテリーは36Vで電圧が異なるのでWhに直して比較します。
ヤマハ　25.5 x 15.4=393Wh
Bafang 36 x 24.5=882Wh
Bafangに搭載されるバッテリーはヤマハの2.24倍あるのでヤマハの強モードを基準にしても134kmは走れる計算になります。十分な容量と言えるのではないでしょうか？
ちなみに一つしたのグレードの36V 17Ahを選ぶと価格は701$まで下がります。これでも強モード基準で93km走れます。一番下のグレードでは36V 10.4Ahになり、価格は577$です。強モード基準では57kmです。ポタリングや通勤用途なら実用になると思います。

・注意点
魅力的なスペックを持つこのキットですがモーターの位置の都合上、取り付けるのには注意が必要です。
各部の寸法をよく確認して自転車のフレームと干渉しないか見る必要があります。

上の図の図のDimensionCがBB長です。BB長さは一般的な68mmとなっています。Shaft Standardの所にはJISと記載されているので、BB30のような圧入タイプのBBには取り付けられないことが分かります。近年エントリークラスの車種でも圧入BBが増えてきているので悩ましい問題です。
もう一つの問題がバッテリーの搭載位置です。このキットではダウンチューブにバッテリーを取り付けるのでボトルケージの取り付け穴をふさいでしまいます。ボトルケージは諦めるか別の位置に取り付ける工夫が必要になります。若しくは、Bafangのモーターは色んなところで販売されていますから、バッテリーが付属しないキットを購入して自分の好きな位置にバッテリーを取り付けることもできます。

手っ取り早く取り付けたい

面倒な部品の取り付け、ケーブルの引き回しを出来るだけしたくない方にうってつけなのがこちらです。
IMortor 電気変換自転車キットバッテリーブラシレスギアハブモーターホイール

このキットは前輪に取り付けるタイプのモーターなのですが、ハブモーターの中にコントローラーだけでなくバッテリーまで内蔵しているので、取り付けと配線が非常に楽です。対応するエンド幅は100mmなのでMTBであれば問題なく取り付けられます。クロスバイクやロードバイクのフォークにも付きますが推奨はされていません。
欠点はスペースの都合上バッテリー容量が少ないのと、前輪が非常に重くなるので取り回しが悪化することです。

表にもあるとおり、バッテリー容量は36V 3.2Ahとかなり少ないです。走行距離はカタログ値で20-25kmです。

E-Bikeが抱えるリスク

多くのE-Bikeはモーターを駆動させるのにリチウムバッテリーを使用します。リチウムバッテリーは皆さんもご存じの通り、発煙や発火のリスクがあります。最近は従来のLi-ionやLi-Poバッテリーよりも安全性の高いLi-fe( LiFePO4 )も流通するようになったとは言え、価格が高いのでバッテリー付きキットにはLi-ionが採用されることが多いのが現状です。E-Bikeのバッテリーが発火するとどんな感じに燃えるのかは下の動画をご覧ください。