电助力自行车的技术原理
2022-09-23

  随着小米电助力折叠自行车的发布,激发了人们对于这类相对新兴的出行工具的兴趣,不过很多人对于这种电助力自行车并不太了解,在听到小米电助力自行车的价格时也会产生这样疑问:三千都够买个电动车了,为啥要买个需要脚踏的自行车呢?由此也可以看出,人们对于这类产品确实存在一定的认识误区,所以今天我们就来聊聊电助力自行车的技术原理,让你对这类产品有进一步了解。

  电助力自行车的技术原理分析

  虽然电动车和电助力自行车都是电助力交通工具,但我们必须要认识到的一点事,电助力自行车和电动车两者有着严格的区别,所以将两者并不属于同一类产品。较为直接的区别就是,电助力自行车不具备纯电力骑行模式,而是需要“人力+电力”的混合动力驱动,这和电动车的纯电动模式有着本质的区别,而骑这种车的方式与骑自行车没什么区别。电力提供的助力能够解决了骑自行车费力的问题,同时配合人力的驱动,所以在搭载不大的电池的条件下就可超越一般电动自行车的续航里程,实现更远距离的骑行。

  电助力自行车的核心助力技术

  首先,电助力自行车最早诞生于日本,并且采用的是一力矩传感器为核心的“Power Assist System动力辅助系统”,是一种“人力+电力”的混合动力模式,同时也可以依靠单纯人力驱动。电助力自行车拥有自行车的轻巧和便捷性,又能够有效弥补自行车上坡、逆风、载物时的负担感的个人交通工具。它以传统自行车为基础,搭载以力矩传感器为核心的动力系统,配有电机与电池。与电动自行车(电驴)最大的区别在于它不是通过转把来调节动力大小,而是以力矩传感器去感知骑行者踩脚踏的力度,根据人力的大小进行判断,为骑行者提供相应的动力支持。目前全球范围内拥有动力辅助系统的企业有不少,但在动力辅助系统里使用力矩传感器的却仅有几家,如德国博世、马牌,日本雅马哈、松下,这些企业基本都与汽车、新能源行业相关,技术研发门槛很高,一般的企业很难进入。

  电助力自行车的技术原理分析

  雅马哈的三传感器示意图

  目前,国内也有一些公司在独立研发针对电助力自行车的“力矩传感器”,其中八方BAFANG、轻客TSINOVA都是比较有代表的少数可以独立研发Power Assist System动力辅助系统的企业,掌握了核心的力矩传感器技术以及相应的算法,八方BAFANG的中置电机系统已经获得一定的市场份额。而轻客TSINOVA还另辟蹊径,开发出更为模块化的VeloUP威履智慧动力系统。

  电助力自行车的技术原理分析

  八方BAFANG的中置电机系统

  电助力自行车的技术原理分析

  VeloUP威履智慧动力系统

  作为替代的“非力矩”传感器

  由于力矩传感器以及相应的系统研发存在一定的技术门槛,因此产生了几类另辟蹊径的替代技术,它们主要在于传感器的替代以及可实现的简化算法,比较有代表性的就是后轴勾爪传感器、扭簧传感器、以及转速传感器,但这些传感器与力矩传感器均有较大差距,所以大多都是用于低端的电动助力自行车,其中后轴勾爪传感器表现较好,这也是近期发布的小米电助力折叠自行车助力系统所采用的传感器;扭簧传感器由于不能提供线性的助力输出,所以骑行的体验差强人意;而转速传感器的助力有明显的延迟现象,同样造成体验不佳的问题,基本只在一些低端的电助力自行车上使用。下面我们就来详细介绍下几类常见的“非力矩”传感器。

  1.后轴勾爪传感器

  后轴勾爪传感器是目前应用比较广泛的一类传感器,在BH以及GIANT的低端电动助力自行车产品中也会使用,小米电助力折叠自行车也是同样的传感器,是一种相对表现比较好的解决方案。它们都是通过安装在自行车的后轮中轴与车架的转接处的压力传感器来实现,当我们在踩脚踏时,力量会通过链条传递,最终挤压后轴位置,再通过后轴的压力传感器测量出力量的大小,然后就再根据测得的这个力量来为用户提供动力辅助。

  电助力自行车的技术原理分析

  后轴勾爪传感器结构图

  不过这种后轴勾爪传感器也存在一定的问题,那就是辅助动力的输出会有一种弹性滞后的效应,同时传感器安装到这个的维护性也比较差,由于这个位置是整车受力比较大的地方,当后花鼓接触到地面的时候,都会导致传感器塑性变形,从而导致监测的基本值变高,助力变小,向下骑行时也是比较危险的,控制器会认为有力的输出,会导致车在没有任何操作的时候“飞车”,所以后轴勾爪最大的问题是存在滞后性,以及寿命比较低。具体的判断方法就是,这种传感器在后轴位置和普通自行车是不一样的,一般会经过专门改造,对车辆的加工成本也比较高。

  2.扭簧传感器

  另外一种就是扭簧传感器,扭簧传感器是在牙盘中内置霍尔传感器,并使用多根弹簧结构,其实就是将电动自行车的拧把安装到了牙盘中,蹬踏越用力,压缩弹簧也就越多,霍尔传感器也就探测出磁场变化,因而输出更多电力给电机。扭簧传感器最主要的问题就是不精确,测量有延迟、不及时,分档位,不线性。这种传感器当你踩踏踏板的时候会压缩弹簧的形成,根据胡克定律可以算出来压缩的量,可以探测出实际使用了多少力。但同样存在一定的问题,一个是使用弹簧形变被放大,车不动的时候,会先踩下去一个角度,对于骑行爱好者来说是个问题,会泄力。二是测量有延迟,会有机械的变形和转动,探测到变形的量会有延迟。

  电助力自行车的技术原理分析

  扭簧传感器结构图

  另外,扭簧传感器的精度不够高,因为是采用线性弹簧作为转接线,不是刚性的连接,是无法持续测量踏踏力,一开始力量大弹簧被压缩,给你助力,你的力小的时候弹簧被摊开,摊开以后助力变小,力会变大。骑行过程中是一个反反复复,上下波动的关系,这被认为是一个比较不好的解决方案,但是现在这种在国内的市面上比较常见,主要的原因也是因为成本比较低,也能实现一部分的力矩的换形。该怎么判断呢?其实很简单,你可以试着去按压曲柄,如果能够转动就说明用的是扭簧传感器。

  3.转速传感器

  转速传感器有多种类型,其中最为简单的就是利用两块儿磁铁,一块儿安装于自行车的五通位置,一块儿安装于曲柄,原理与自行车码表的踏频传感器类似,在骑行过程中每蹬一圈,磁铁就会描过一次,则认为电源打开一次,然后提供助力。这也就导致了,骑行的越快助力越大,骑行较慢时助力越小,这样就不能够提供实时助力的效果,在另外一方面也说明了这类传感器存在一定的安全隐患,当消费者在下坡的时候,踏频会比较快速,所以会感觉越骑越快。判断的方式很简单,起步或上坡的时候如果没有助力输出的就是采用的转速传感器。

  电助力自行车的技术原理分析

  转速传感器结构图

  总结:

  通过对电助力自行车动力辅助系统的全面了解,从技术产品和用户体验的角度来说,目前力矩传感器的依然是市场的主流,能够在骑行中提供及时和适当的辅助动力,从而让用户获得最佳的助力骑行体验,而一些非力矩传感器则在价格上拥有一定的优势,在更低的价格下,也能满足一定的助力骑行,不过两者在实际的骑行中还是存在一定的差异。随着电助力自行车在国内的兴起,未来市面上也会有不同类型电助力自行车产品的出现,从而满足不同消费群体的差异化需求,这或许也能从一定程度上解决人们出行难的问题。

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