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电助力车?这里有十点你务必知道的事

浏览: 发表时间:2021-08-24 09:20:51 来源:美骑网-单车资讯

我们国内通常所说的 E-Bike 是指电助力自行车,最初起源于日本,后在欧洲发展壮大。按照欧盟法规,相关产品通常分为三大类:电动助力自行车 ( Pedelec ) 、高速型电动助力自行车 ( S-Pedelec ) 和电动自行车 ( E-Bike ) 。

Pedelec 是英文 Pedal Electric Cycle 的缩写,这种车型通常只有在主动踩踏时,电机才会对骑行者提供助力,因此也称作半踩踏式电动自行车,也就是我们现时车友通常意义上讲的 "E-Bike"。

利用不同的助力模式,电动助力自行车 ( Pedelec ) 的踩踏助动可以满足不同用户的特殊要求,通常会根据助力强弱来划分档位,也有品牌会根据应用场景来做档位区分,例如平路、越野、爬坡、下坡。当然助动程度会影响电机助力的续航里程以及蓄电池的能耗。

不同国家对于电动助力自行车 ( Pedelec ) 的额定功率和速度限制也有所不同。按照欧盟标准,电动助力自行车 ( Pedelec ) 的电机额定功率不得超过 250 W。在达到 25 km/h 的时速后助力自动关闭,如果低于这一速度,将再次自动开启助力。一些电动助力自行车 ( Pedelec ) 还拥有推行辅助系统,当车友推行时,可通过按键激活推行辅助系统,此时单车会匹配步行的速度向前行进,让推行更加轻松省力。

S-Pedelec 是电动助力自行车 ( Pedelec ) 的高速车型,也称为高速型电动助力自行车。它的工作方式与普通电动助力自行车 ( Pedelec ) 相同。也是需要人力踩踏,电机才会给出助力,不同的是,高速型电动助力自行车 ( S-Pedelec ) 的额定功率和断电速度阈值更高,同样按照欧盟标准,高速型电动助力自行车 ( S-Pedelec ) 的额定功率上限提升至 500W,当速度超过 45km/h 时,电机才会断开助力。因此在德国,高速型电动助力自行车 ( S-Pedelec ) 根据交通法已归入轻型摩托的类别,因而这一车型需要强制购买保险,并获得使用许可。并且在骑行需要佩戴 " 合适的 " 防护头盔,必须安装反光镜,不得占用自行车道。

在一定条件下,电动助力自行车 ( Pedelec ) 可通过刷程序更改限速,变身成为 S-Pedelec;当然,绝大多数的私自改装都会触碰当地国家法规,各位车友请勿以身犯险。

电动自行车的第三个类别便是电动自行车 ( E-Bike ) 车型,E-Bike 是 ElectricL Bike 的简写,它和助力自行车最大的区别在于,即便没有踩踏踏板,车辆也会受到电机驱动,某些通过油门手柄或按钮起动的电动自行车 ( E-Bike ) 可达到 45 km/h 的时速,所以在欧洲,电动自行车 ( E-Bike ) 属于轻型摩托的类别,需要购买保险以及上牌。

说到这里有的车友可能会问,E-Bike 怎么成电驴了?事实上,在日常语用环境中 "E-Bike" 也可泛指 Pedelec 和 S-Pedelec 车型,这种用法在运动自行车领域尤为常见,很少有品牌商会将产品细分到 Pedelec 和 S-Pedelec,大家都约定俗成地用 E-Bike 代指自家的电助力自行车产品。久而久之,ElectricL Bike 的原始属性慢慢淡去,并逐渐行成了我们现在所说的 "E-Bike" 即 " 电助力自行车 "。

电助力系统的工作原理

无论是何种品牌的电助力系统,其本质都是将电能转换成动能,并施加在单车的传动系统中,让骑行变得更轻松省力。而我们常说的电助力系统,实质上是包含传感器、控制器、电机三部分。

电助力系统工作时,传感器将侦测到的速度、踏频、力矩等数据传递给控制器,控制器通过计算发出指令控来制电机运转。值得一提的是,绝大多数电机并不是直接作用于传动系统,电机以高转速低扭矩输出动力,需要通过减速系统,将扭矩放大,同时让输出转速接近人腿的踏频(中置电机)或者轮组的转速(轮毂电机)。

同轴电机,平行轴电机

上文提到,电机将电能转换为动能后并不是直接施加在传动系统上,而是要通过一系列降速装置,将扭矩放大、转速降低。因此,对于中置电助力自行车来说,电机动力输出轴和自行车的牙盘轴在结构上是两根轴,中间由降速机构链接。而我们根据这两根轴相对位置的差异,可以将中置电机分为同轴电机(也叫做同心轴电机)和平行轴电机。

图为 Shimano 中置电机的传动结构,右侧的白色小齿轮连接的就是电机的动力输出轴,而最左侧连接的是牙盘轴,两轴一左一右处于平行位置,中间由一系列传动齿轮接连,因此这种结构的电机被称为平行轴电机。

图为 BOSCH(博世)电机的内部结构,电机输出轴在后部,牙盘轴在前部,同样为平行轴结构。

▲由于平行轴电机需要较长的内部腔体空间,因此体积较大,呈冬瓜型

▲ TTIUM 天腾动力研发的同轴中置电机

同轴电机,顾名思义就是牙盘轴和电机的动力输出轴在同一轴心线上,此类电机多为外转子电机,利用电机定子内圈和两侧的空间来安置减速系统,因此同轴电机的外观看起来更小巧,内部结构更紧凑。

不过在有限的空间内,实现多级减速、同时还要兼顾扭矩、散热并且保证传动轴的同心度并非易事。前期我们介绍过的倍速出行电助力自行车所采用的 TTIUM 电机就是典型的同轴中置电机。作为一个后起的国产品牌,在众多技术壁垒的环境下能够闯出一条新路,并且拥有三项世界专利技术、二十一项国家专利技术和终身唯 一编号,确实值得钦佩。

中置、花鼓那家强?

目前市场上的助力电机系统大致可分为中置式和轮毂式两种。中置电机是指驱动电机安装在车架五通位置的电机(分原生一体式和五通外挂式),该电机与车身连接,并通过链条与后轮进行连接而传递动力。轮毂电机是指驱动电机安装在车轮毂位置的电机,该电机直接作用于轮组。

对于运动车型而言,一体式中置电机无疑是合适的选择。

首先,电机驱动系统位于车架五通处,不会影响整车的前后重量平衡,而对于全避震车型而言,中置电机减少了簧下质量,后避震的反馈也因此更加自然,在越野操控上有先天优势。

其次,轮组的更换相对便捷,如果是轮毂电机,车友很难自行升级轮组,而中置电机就不存在这种情况,玩家可以购买车架组自行 DIY,大大增加了可玩性。同时,优秀有效的轮组也能降低传动损耗,大大提升续航能力。

第三,在越野骑行时,中置电机相对于轮毂电机所受的冲击更小,所以在防护方面更加有利,从而减少电机的损坏危险,降低故障率。

而对于非运动车型来说,选用轮毂电机无需对传统车架结构进行大改,加之低廉的成本更容易通勤代步类人群接受

大小牙盘?

经常关注电助力产品的车友可能会注意到,同样是中置电机的 E-BIKE,有的牙盘大,有的牙盘小,这是为什么呢?

▲ Shimano 电机上装配的是一个常规大小的牙盘盘片

▲在 BOSCH(博世)系统和 PESU MONSTER 整车上我们看到的却是小盘片

关于这一点,在《狂野猛兽 PESU MONSTER 电助力山地车开箱》一文中已经做过简单的介绍。

虽然电机搭配的是小齿盘,但实际踩起来并不慢,奥妙在于在电机的内部有一个机械的升速装置。用转速来弥补扭矩。即曲柄踩动一圈,牙盘盘片实际转二点几圈,因此十几齿小盘片等效于三十多齿盘片的踩踏效果。

用转速来弥补扭矩,一方面可以减小链条的拉力负担,这对于暴力输出的 E-BIKE 来说尤为重要。另一方面,牙盘轴高转速,减小了有限空间内电机减速机构的压力。减速装置的体积、运行负担、电机的整体体积都将减少。

不过凡事都有双面性,高转速会加剧小齿盘的磨损,需要从盘片材料上下功夫,同时设计师还需要解决小盘搭小飞的状态下,链条和后下叉干涉的问题。

五花八门的传感器,当心被忽悠

目前市面上 E-BIKE 所使用的传感器可分为力矩传感器、踏频传感器、速度传感器。力矩传感器是通过测量踩踏发力后金属表面产生的细微形变,从而获得高精度的扭力数值。

踏频传感器顾名思义是通过测量踏频来判断助力需求,基本上是踏频越快,助力越猛,踏频越慢,助力越弱。速度传感器同理,但这样的设定显然无法匹配真实需求,例如在爬坡或遇到逆风时,人的踏频和速度变慢,而电机却默认车友不需要太大的助力。

因此,使用踏频 / 速度传感器的 E-BIKE 通常会加入纯电动模式,然而这一定程度上也背离了电助力的初衷。一些品牌为了掩人耳目提高逼格,也将其称作转速传感器或磁环传感器。而一辆靠谱的 E-BIKE 通常会将力矩、踏频、速度传感器叠加使用,通过综合运算来判断当前的骑行状态。

控制程序:无形的上帝之手

同一部电机,同一辆 E-BIKE,厂家可以通过刷程序让你感受到截然不同的骑行体验,这并不是玄学。上面我们提到,控制器监测到力矩、速度、踏频信号后,会将信号传递给控制器,控制器通过运算得出输出信号从而指导电机如何出力。控制器的运算法则就是我们所说的控制程序。

少数 E-BIKE 品牌甚至在 APP 上开放程序调试端口,允许玩家自由调整助力曲线,同一辆车,你可以让它初段起步迅猛,中段巡航平稳,末段加速狂暴,也可以让它起步平顺,中段加速灵敏,末段平顺限速。在当今的数字世界中,当硬件技术发展到一定层次,软件将会成为电机决定性差异的关键。

电机额定功率

通常我们所说的电机额定功率是指电机的额定输出功率,即在理想状态下可长期正常运转的大输出功率,也有人将其称为 " 大使用功率 ",注意,电机的额定功率不等于峰值功率。许多车友习惯用额定功率来衡量电机的性能,严格来说是不对的,因为其中还涉及到电机的结构设计、额定电压、转化效率、输出扭矩等诸多因素,即便是额定功率一样的两款电机,也有完全不同的骑行体验。

一些国家和地区对电助力自行车的额定功率有强制的法规要求,例如欧盟标准是额定功率不得高于 250W,而在美国的部分地区,这一标准则会被放宽至 750W,在中国,新国标规定电动车和电助力自行车额定功率不得超过 400W。

电池容量

许多人都习惯用毫安来表示电池容量,但严格来说,这是一个错误的表达方式。毫安是电流的计量单位,毫安时(mAh)才是正确的电池容量单位,而一些严谨的品牌还会同时标上瓦时(wh)。以 PESU MONSTER 整车上搭配的电池为例,电池电压为 36V,容量为 13.6Ah,如果换算成瓦时(wh),那就是 13.6*36=489.6,即 489.6 瓦时,约等于 0.5 千瓦时就是半度电,这样一说是不是更容易理解了?

电池组内有乾坤

无论是外置式电池还是车架隐藏式电池,我们所看到的 " 电池 " 其实都只是电池包的外壳。拆开外壳,里面是密密麻麻排列的电芯以及电池控制系统(BMS)。

目前市面上的电助力自行车通常都是采用 18650 锂电池电芯,18650 电芯寿命长、单位密度容量大、工作性能稳定。大名鼎鼎的特斯拉在整车上使用了数千颗 18650 电芯来保障续航能力。


电助力车?这里有十点你务必知道的事
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