深度剖析电动助力自行车之技术原理

深度剖析电动助力自行车之技术原理在今年的台北展上，我们看到了美利达的首款电助力山地车，在它之前，捷安特、崔克、SPECIALIZED、CUBE、SCOTT、HAIBIKE、Focus等品牌都已推出电助力自行车，包括狼途在内的大陆品牌也在跟进。电助力自行车在欧美被称为Pedelec，属于e-bike的一种，在国内尚未进入主流视野的它有哪些区别于常规山地车的特性？这是一种既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，进而理解骑行者的骑行意图，提供相应的动力支持。它无法像电动自行车那样纯电动行驶，而是需要“人力+电力”的混合动力驱动，因此骑这种车的方式与骑自行车没什么区别。电力提供的恰当动力完美解决了骑自行车费力的问题，同时也因为人力的组成，它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，一般都在50-100公里左右，续航持久。电动助力车（Pedelec）领域最前沿的技术是“力矩传感器”，它是自行车电动助力系统理解骑行者意图的核心。高端的电助力自行车均使用目前最具科技含量的“双边力矩传感器”，这种传感器技术长期被德国BOSCH及日本YAMAHA等几家跨国公司垄断，搭载这种传感器的车辆售价一般在2000欧元以上，这也是电助力自行车在中国无法打开市场的一大原因。在自行车创业团队中，轻客独立研发出了以力矩传感器为核心的智慧动力系统，使城市电助力车的整车价格在4000元以下，这个价格有望使这类车在国内得到普及。在中低端电助力车产品中，则广泛使用“单边力矩传感器”（只能感知单只脚踏的力量大小，无法真实理解骑行者力量需求），这也是目前大多数国产电助力车使用的技术，骑行体验与高端车型有较大差距。在低端电助力车领域，还有一种使用“后轴勾爪传感器”的产品，因为没有技术门槛实现成本低而被广泛采用，在实际使用中效果欠佳，因此基本只用在低端车款上。今天这篇文章就来介绍一下“力矩传感器”与“后轴勾爪传感器”，分析它们的工作原理以及优缺点。首先，大家要了解一下自行车的动力传递方式：人踩脚踏，然后带动链条将动力传输到后轮，再驱动自行车前行。如果分解成结构名称就是：脚踏——曲柄——牙盘——链条——飞轮——后花鼓——车架。先谈谈“后轴勾爪传感器”上图中的灰色构件即为“后轴勾爪传感器”，它安装在后上叉和后下叉的结合处，也就是后轴的安装位置（图中的红点为后轴）。它相当于是一个额外的附加转接件，一般为铝合金材质。自行车前进的动力通过后轴传递给“后轴勾爪传感器”，然后再传递到自行车的车架上。“后轴勾爪传感器”在受到后轴给的力量时就会产生形变，进而挤压上图中红圈中的“压力传感器”，然后调动电池电机为电助力车提供动力。“后轴勾爪传感器”的优点是原理简单，结构不复杂，生产价格低廉，如果电助力车一直是在平直的公路上使用也是不错，但现实的路况下这种传感器的缺点也就暴露无遗。（如上图红圈所示，其实“后轴勾爪传感器”就是将“压力传感器”内置到一块铝合金加工的套件里而已。）缺点一：“后轴勾爪传感器”想要测量踩踏力矩，就需要通过脚踏、曲柄、牙盘、链条、飞轮、后花鼓、车架的一系列传动环节，每个环节的零部件都是弹性体，力量在传输过程中就会产生损耗。更由于金属的“弹性滞后”效应，“后轴勾爪传感器”的测量力量不仅误差大，而且会有延迟，无法做到实时理解骑行者的力量需求，在骑行时动力的提供不准确且总会慢一拍，因此体验上会比较差。就如同你开车明明已经踩下了油门，但动力总会要等一会儿才给你。缺点二：“后轴勾爪传感器”安装在后上叉和后下叉的结合处，如果想要精准测量力量，就要求安装位置的加工需非常精密，否则会在安装的时候造成传感器的变形，进而造成传感器测量数据不准。因此，使用这种传感器就对车架的生产有较高的工艺要求，额外增加了电助力车的生产成本。缺点三：自行车的后上叉与后下叉的结合处是车身受力很大的部位，各种路面的颠簸冲击都会通过这部分传递，而“后轴勾爪传感器”就安装在这个力量传递点上。这种传感器绝大多数使用硬度及强度都较差的铝合金材质，因此它在真实路况下使用就极易受损，测量精度及使用寿命会随着使用时间的加长而急剧下降。比如下个马路牙子或者被风吹倒之类就有可能造成传感器的变形，出现飞车或无动力的情况。因此，虽然“后轴勾爪传感器”有原理简单，实现成本低的优势，但因为测量力矩不精准且有延迟，骑行体验差。它对车辆的生产工艺要求高，将传感器省掉的成本转移到了车架加工上。铝合金材质容易变形，使用寿命短，用户的后期维护成本高，所以目前稍微高端一些的电助力车均抛弃了这种传感器。早年间捷安特就曾经尝试使用“后轴勾爪传感器”生产廉价版本的电助力车，但因其体验差、故障多、寿命短而最终放弃。再谈谈前沿的“力矩传感器”随着技术发展，尤其是日本及欧美对于自行车这种形态的个人交通工具的推崇，“力矩传感器”最终被应用到了自行车上。正如开篇所说，“力矩传感器”相对“后轴勾爪传感器”来说，最大的区别就是在对“力”的理解上，而“双边力矩传感器”可以测量两只脚踏的力量，下文中主要讲的就是这种更有科技含量的传感器。相对落后的“后轴勾爪传感器”来说，双边力矩传感器的优势极为明显，它主要被安装在曲柄和牙盘之间，也就是五通的外侧，有些则直接安装在中轴上。世界上没有绝对的刚体，因此中轴在受力时就会产生极为细微的扭力形变，通过测量中轴表面的细微形变信号即可得出当前踩踏的力矩的大小，它的精度非常高。因为是由扭力测量力矩，所以力矩传感器也被称为“扭矩传感器”。优点一：因为是安装在五通的外侧或是直接安装在中轴上，所以力矩传感器测量踩踏力量的中间环节很少。而且脚踏，曲柄，中轴大都是刚性极大的钢金属构件，弹性滞后效应小，产生的力矩信号便能非常快速地随踩踏力的大小变化而变化。这样最直接的结果就是使用双边力矩传感器的电助力车的动力响应都很快，大多的反应时间都是毫秒级别，近乎零延迟，动力随踩随有。优点二：如果力矩传感器采用安装在五通外侧的方式，就可以使用标准的模块化设计，基本所有自行车都能实现无缝安装，也无需为其研发专用的车架，更不需要每个车架都针对上述的“后轴勾爪传感器”那样做高精度的处理，从研发以及生产两个方面降低了成本。优点三：还是因为安装在五通外侧或者是中轴上，所以路面的那些颠簸带来的冲击力被车架的韧性及弹性缓冲了其中的绝大部分，因此力矩传感器受到的冲击力就会很小，工作负荷也不大。外加它一般都是使用自行车的中轴工艺制造，优质钢金属材料在硬度强度及韧性上都极佳，拥有良好的耐磨损性，因此力矩传感器的寿命都比较长。总结从骑行体验角度来说，因为可以更为精准地测量用户给予脚踏的力量大小，而且不受路况的影响，力矩传感器可以做到真正理解用户的骑行意图，从而调动电池电机输出恰到好处的动力给予骑行者帮助，让骑行者感受到更为舒适的骑行体验；从研发生产角度来说，力矩传感器普适性强，无需研发专用的车架，也无需对安装位进行高精度的处理。虽然单个传感器价格贵，但分摊到整车生产上，成本便相对降低了；从日常使用角度来说，力矩传感器的寿命长，而且不易出现故障，日常也无需维护，大大降低了骑行者的使用门槛及购买障碍；还有最后一点就是使用安全性，力矩传感器性能稳定，而后轴勾爪传感器在使用过程中容易变形造成精度下降以及故障，在骑行过程中会出现飞车及无助力等情况，造成骑行危险。电助力车是种全新的品类，大众在准备购买前需要做好功课，因为任何新兴市场在成长期都难免会被鱼目混珠。读了这篇文章，你应该会对“力矩传感器”这个关键部位增加了些了解，可作为认识这种车型的参考。