電動自行車比例助力傳感系統(tǒng)的一種經(jīng)濟型選擇方案

m.middletowncarescoalition.com 來源：電動車商情　　　電動車商情網(wǎng) 作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-10-29

摘要：文章介紹了目前電動車助力傳感系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了一種可以精確助力，且經(jīng)濟簡便的技術(shù)思路和應(yīng)用方案，并對該方案的市場(Rialto)運作給出了具體的操作思路。一、比例助力系統(tǒng)在中國市場(Rialto)及國際市場(Rialto)實施的必要性電動自行車作為商品出現(xiàn)，在中國大陸已有七年了。眾所周知，其主流模式為全電動驅(qū)動方式，電源一般為36V/12Ah配置，這主要因為在大陸市場(Rialto)，電動自行車不是休閑品，而是代步工具，用戶花兩三千元買了一輛車，若要人力蹬踏，消費者覺得不值。隨著國內(nèi)電動自行車產(chǎn)量近年連續(xù)翻番地急劇膨脹，市場(Rialto)開始細分，比例助力系統(tǒng)越來越受到消費者和廠家的青睞，具有廣闊的市場(Rialto)空間。比例助力系統(tǒng)在全球市場(Rialto)實施的必要性主要有以下幾點： 1、國際市場(Rialto)上，歐美都要求腳踏啟動，腳停斷電，沒有轉(zhuǎn)把的電動自行車。日本市場(Rialto)更需要精確比例助力的電動自行車。沒有比例助力系統(tǒng)，產(chǎn)品就很難走出國門。 2、電動自行車最理想的使用方法就是人助車動，電動人行，人力電力聯(lián)動，省力又省電。長時間全電動騎行或人力騎行都會感覺到累，最好的辦法是比例助力騎行和全電動騎行交替使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點。事實上，在比例助力系統(tǒng)中，如果助力比合適，腿只是稍微用力，肌肉不緊張而自行車快速運轉(zhuǎn)，會有一種很奇特的感覺。首先，人參與了這項運動，休閑的味道會漸漸滲透出來，可以品出一種人機合一的樂趣。全電動騎行時，由于人坐在車上，腿基本不動，半小時一過，就會腰酸背痛。騎比例助力的車卻沒有這種感覺，累了還可以換成全電動，這更合乎健康人生的道理。再從安全角度上講，在紅綠燈前和上下班的車流中想全速前進(Forward)不可能也不安全，這時比例助力是最佳的選擇，可以大大減小交通高峰時間的事故發(fā)生率。 3、比例助力騎行可以避免電池超大電流放電，有利于延長電池壽命，而且從節(jié)電的角度講，用比例助力啟動可以省很多電，因為頻繁全電動啟動是最耗電的。比例助力騎行還能對電機起到保護作用。近兩年，國內(nèi)市場(Rialto)大面積使用的是低速有刷電機，這種電機價格低廉，但它的電流較高速(High Speed)有刷和無刷電機都要高出許多，故而續(xù)行里程要短很多。在全國第二、第三次電動自行車里程賽中續(xù)行70-80km的電動自行車在目前市場(Rialto)上已是鳳毛麟角了。另外，一些高檔消費者眼睛瞄上了Ni-MH電池電動自行車，由于其成本高，各整車廠都傾向于使用24V/8-9Ah的電源配置。這種配置較36V/12Ah的鉛酸電池容量要小不少，至少要短1/3的放電時間，全電動續(xù)行里程能達到35km已是上品了。如果增加了比例助力系統(tǒng)，人力電力合力騎行的話，則很容易將此16里程補回來。此外，如果Ni-MH電池、鋰電池批量投入使用，比例助力系統(tǒng)減少了電機運行過程中的大電流輸出，可以增加電動自行車的續(xù)行里程，部分路途較近的消費者就有可能選擇24V/12Ah及36V/12Ah的電池作為電源配置，這給競爭激烈的電動自行車造型設(shè)計提供了更加廣泛的遐想空間，既豐富了車種，同時又降低了成本，以及銷售價格，對大家都是有益的。當然若有人堅持36V/12Ah的電源配置，使用高速(High Speed)有刷電機或無刷電機，則這種車續(xù)行里程90km～100km屬正常發(fā)揮，部分消費者正好有這種需求。二、現(xiàn)有助力傳感系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析助力傳感系統(tǒng)的設(shè)計預(yù)期效果是實現(xiàn)腳踏力和電動力之間保持一定的比例關(guān)系，如我們常說的助力比為1或2.5助力等。助力比為1助力較小，助力比為 2.5助力就大得多。日本標準規(guī)定速度(Tempo)在0-15km/h之間的助力比例公式為： a=（P2-P1）/P1 式中：a：助力比例 P1：人力腳踏功率 P2：驅(qū)動輪輸出總功率如a=1時，電機輸出功率（P2-P1）=人力腳踏功率（P1），a=2.5時，電機輸出功率（P2-P1）=2.5X人力腳踏功率（P1）。速度(Tempo)在15km/h～24km區(qū)間內(nèi)。助力比例逐漸減小到0，超過24km/h后，電機不再提供輸出功率。現(xiàn)在流行的助力傳染系統(tǒng)的工作原理是用一個力矩傳感器將人力蹬踏的腳踏力轉(zhuǎn)化為電壓信號傳送給控制器，控制器分析比較后指示電機輸出相匹配的功率，這種助力系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是力矩傳感器。常見的比例助力系統(tǒng)主要有以下幾種形式： 1、我國出口歐美市場(Rialto)的電動自行車助力傳感器基本上都是開關(guān)型的，把原轉(zhuǎn)把取消，在中軸部分裝一霍爾元件和磁鋼圓盤，達到一定速度(Tempo)電機就開始啟動啟動后就全電動控制了，因此它并無精確比例一說，騎行感覺也較差。優(yōu)點是價格極低，工藝簡單。 2、日本力矩傳感器的原理是人力腳踏后壓迫中置式電機里的彈簧，產(chǎn)生形變，再將形變的幅度轉(zhuǎn)換成力矩大小，且在電機的外沿刻有凹槽，轉(zhuǎn)很小的角度就有反應(yīng)，很靈敏。但這套裝置對零件的材質(zhì)、工藝都有很高的要求，至今，很少有國內(nèi)廠家模仿過。 3、清華大學早期出口日本的力矩傳感器另辟蹊徑，在中軸五通內(nèi)裝有套筒和偏心裝置，人力腳踏即產(chǎn)生偏心力矩。成本較日本方案要低得多，加工倒不復(fù)雜，但精度控制難，軟件中要對其修正。這是國內(nèi)批量最大的精確比例助力傳感器商品。 4、在清華大學之后，國內(nèi)有多種類型的方案出臺，思路都很新穎，價格有高有低。代表性的有測中軸扭力形變的，有測鏈條張力的，有用光柵電路的，有將測力部件放入輪轂的，各具優(yōu)點，但由于種種原因都沒有普及開或正在普及過程中。三、本助力系統(tǒng)的技術(shù)思路現(xiàn)在要介紹這樣一種方案，它能達到精確比例助力的效果，但成本極其低廉，工藝特別簡單，除了在新車上實施之外，還能為正在中國大地(Terra)上騎行的幾百萬輛電動自行車增加比例助力功能，而不影響原車任何現(xiàn)有功能的使用，變成兼有全電動和比例助力功能的新車種。在設(shè)計過程中，鑒于各整車生產(chǎn)廠家選用控制器都有自己的技術(shù)指標要求，且配套廠家的產(chǎn)品又經(jīng)過長期的磨合考驗，所以新比例助力系統(tǒng)只是在原控制器的基礎(chǔ)上加上前輪、中軸速度(Tempo)傳感器和控制電子線路板，仍然通過原控制器控制電機運轉(zhuǎn)，市場(Rialto)售價遠遠低于其它比例助力控制器。具體原理是這樣的，為了方便起見，以0-15km/h速度(Tempo)區(qū)間1:1比例助力為例說明，假設(shè)現(xiàn)車速為12km/h，在標準測試條件下，全電動時整車平均電流為4.0A（特別說明：現(xiàn)在電動車控制器幾乎都采用脈寬調(diào)制技術(shù)，即PWM技術(shù)來調(diào)節(jié)電機的速度(Tempo)。為闡述方便起見，這里所說的平均電流就相當于在一個周期內(nèi)，與脈寬受調(diào)制的方波能量等效的直流電流的大�。�，其中空載電流為0.4A，實際做功電機電流為3.6A。在1：1助力的情況下，電機電流應(yīng)為1.8A，余下1.8A電流做功則應(yīng)由人力提供。測得0-15km/h區(qū)間任一瞬時速度(Tempo)相對應(yīng)的全電動電流值，除去電機應(yīng)提供的比例，余下的功率就自然由人去匹配供應(yīng)，假如人力達不到相應(yīng)的功率，速度(Tempo)就會減小，最后達到一個能勻速前進(Forward)的平衡狀態(tài)。當然不同車型，不同電機所得到的電流都不相同，但對具體車型，則可以用實驗方法檢測出來，余下的就是用數(shù)學方法進行軟件修正了。此時第一推動力是人力，騎乘者希望快點就要加力蹬踩，此時瞬時速度(Tempo)就會提高，速度(Tempo)一快對應(yīng)要求的電流就會增加，反之亦然。通過軟件循環(huán)檢測可以保證這一過程周而復(fù)始地進行下去。電動自行車的優(yōu)點是節(jié)能、環(huán)保、方便、適合中國國情。本比例助力傳感器系統(tǒng)的優(yōu)點是經(jīng)濟、精確、工藝簡單、維修方便、適用性強，從騎行舒適性、流暢性上講在目前國內(nèi)是比較優(yōu)秀的。因為在上述方案中，速度(Tempo)和電流是以連續(xù)函數(shù)關(guān)系一一對應(yīng)的，不會出現(xiàn)其它精確比例系統(tǒng)中的一旦不踩就會斷電，一踩又會來電，時斷時續(xù)的不良感覺，得到的應(yīng)是行云流水、張馳有度、隨心所欲的效果。騎乘者利用該系統(tǒng)可以幾乎不費力地加速到20km/h，放慢踩速，就可以平穩(wěn)地降低速度(Tempo)，可以在任何一個速度(Tempo)點達到平衡狀態(tài)。另外車輛的一些安全措施如剎車斷電等功能都不受任何影響，故整車的安全性能得到了很好的保障。四、本系統(tǒng)市場(Rialto)開發(fā)的具體構(gòu)思 1、國內(nèi)市場(Rialto)電動自行車使用全電動功能是中國的一大特色，如要取消，市場(Rialto)肯定不會接受，本方案是在其基礎(chǔ)上加上比例助力功能，兩者之間切換十分方便。轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動就是全電動功能，轉(zhuǎn)把復(fù)位就是比例助力功能，無附加按鈕，響應(yīng)迅速。我國電動自行車安全通用技術(shù)條件中并無精確比例助力的要求，但是否精確比例助力對騎乘者來說感覺大不一樣，所以本系統(tǒng)受到歡迎是可以理解的�？紤]到各地路面狀況不一，騎行者體重不同，可以在出廠時將助力比例設(shè)為連續(xù)可調(diào)，整車廠員工或銷售人員都可以進行調(diào)節(jié)，甚至也可以教會用戶自己調(diào)節(jié)的方法。一般說助力比例設(shè)在2～2.5之間，既能有很強的助力感，又不至于使人跟不上轉(zhuǎn)速而踩空。唯一使人有疑惑的是在爬坡時，要先有較大的速度(Tempo)才能輸出較大的電流助力，這一點可以在說明書中說明，爬坡時應(yīng)同時用全電動轉(zhuǎn)把、把電機的功率發(fā)揮到最大，然后輔以腳踏助力，這樣爬坡效果和全電動模式下是相同的。 2、國際市場(Rialto)以日本市場(Rialto)要求的精確比例助力為例，前述的方案在爬坡時因為無調(diào)速轉(zhuǎn)把無法使用，則可以在車體上固定一個裝置，檢測水平傾角的大小，從而調(diào)節(jié)輸出電流。這樣在上坡時仍然可以達到精確的比例助力，人力和電力都增加了部分功率。歐美市場(Rialto)也可以采用類似方法。 3、舊車改裝市場(Rialto)市場(Rialto)總量約有250萬輛以上，消費者花100元將原有的全電動功能的電動自行車改裝成全電動和比例助力系統(tǒng)共存的電動自行車應(yīng)該是可以接受的，扣除成本后，其收益空間足以讓維修點和銷售商動心。總結(jié) 本文首先討論了比例助力系統(tǒng)在中國及國際市場(Rialto)上實施的必要性，然后對現(xiàn)有實施方案的優(yōu)缺點進行了比較分析，接著提出本方案的技術(shù)思路，重點介紹了本助力系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及其多種優(yōu)點，最后對其市場(Rialto)前景作了簡要的分析。無論是國際國內(nèi)市場(Rialto)新舊車市場(Rialto)，該系統(tǒng)由于其價格低廉、工藝簡單、助力精確，都有它廣泛的適用性，其市場(Rialto)前景誘人。