電動自行車比例助力傳感系統的一種經濟型選擇方案

www.guilinhy.com 來源：電動車商情　　　電動車商情網作者：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應用現狀，提出了一種可以精確助力，且經濟簡便的技術思路和應用方案，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，在中國大陸已有七年了。眾所周知，其主流模式為全電動驅動方式，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。隨著國內電動自行車產量近年連續翻番地急劇膨脹，市場(Rialto)開始細分，比例助力系統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，產品就很難走出國門。 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，充分發揮各自的優點。事實上，在比例助力系統中，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，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，全電動續行里程能達到35km已是上品了。如果增加了比例助力系統，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，則這種車續行里程90km～100km屬正常發揮，部分消費者正好有這種需求。二、現有助力傳感系統的優缺點分析助力傳感系統的設計預期效果是實現腳踏力和電動力之間保持一定的比例關系，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區間內。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。現在流行的助力傳染系統的工作原理是用一個力矩傳感器將人力蹬踏的腳踏力轉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，這種助力系統的關鍵部位是力矩傳感器。常見的比例助力系統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型的，把原轉把取消，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，產生形變，再將形變的幅度轉換成力矩大小，且在電機的外沿刻有凹槽，轉很小的角度就有反應，很靈敏。但這套裝置對零件的材質、工藝都有很高的要求，至今，很少有國內廠家模仿過。 3、清華大學早期出口日本的力矩傳感器另辟蹊徑，在中軸五通內裝有套筒和偏心裝置，人力腳踏即產生偏心力矩。成本較日本方案要低得多，加工倒不復雜，但精度控制難，軟件中要對其修正。這是國內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、本助力系統的技術思路現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。在設計過程中，鑒于各整車生產廠家選用控制器都有自己的技術指標要求，且配套廠家的產品又經過長期的磨合考驗，所以新比例助力系統只是在原控制器的基礎上加上前輪、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，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)區間1:1比例助力為例說明，假設現車速為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：現在電動車控制器幾乎都采用脈寬調制技術，即PWM技術來調節電機的速度(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，與脈寬受調制的方波能量等效的直流電流的大小），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，電機電流應為1.8A，余下1.8A電流做功則應由人力提供。測得0-15km/h區間任一瞬時速度(Tempo)相對應的全電動電流值，除去電機應提供的比例，余下的功率就自然由人去匹配供應，假如人力達不到相應的功率，速度(Tempo)就會減小，最后達到一個能勻速前進(Forward)的平衡狀態。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)一快對應要求的電流就會增加，反之亦然。通過軟件循環檢測可以保證這一過程周而復始地進行下去。電動自行車的優點是節能、環保、方便、適合中國國情。本比例助力傳感器系統的優點是經濟、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是比較優秀的。因為在上述方案中，速度(Tempo)和電流是以連續函數關系一一對應的，不會出現其它精確比例系統中的一旦不踩就會斷電，一踩又會來電，時斷時續的不良感覺，得到的應是行云流水、張馳有度、隨心所欲的效果。騎乘者利用該系統可以幾乎不費力地加速到20km/h，放慢踩速，就可以平穩地降低速度(Tempo)，可以在任何一個速度(Tempo)點達到平衡狀態。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、本系統市場(Rialto)開發的具體構思 1、國內市場(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，本方案是在其基礎上加上比例助力功能，兩者之間切換十分方便。轉把轉動就是全電動功能，轉把復位就是比例助力功能，無附加按鈕，響應迅速。我國電動自行車安全通用技術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，所以本系統受到歡迎是可以理解的。考慮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為連續可調，整車廠員工或銷售人員都可以進行調節，甚至也可以教會用戶自己調節的方法。一般說助力比例設在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，爬坡時應同時用全電動轉把、把電機的功率發揮到最大，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速轉把無法使用，則可以在車體上固定一個裝置，檢測水平傾角的大小，從而調節輸出電流。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共存的電動自行車應該是可以接受的，扣除成本后，其收益空間足以讓維修點和銷售商動心。總結本文首先討論了比例助力系統在中國及國際市場(Rialto)上實施的必要性，然后對現有實施方案的優缺點進行了比較分析，接著提出本方案的技術思路，重點介紹了本助力系統的實現原理及其多種優點，最后對其市場(Rialto)前景作了簡要的分析。無論是國際國內市場(Rialto)新舊車市場(Rialto)，該系統由于其價格低廉、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。