1. 电动自行车

电动自行车上世纪80年代末发源于日本,最初是为了减轻骑行者的劳累感,采用的是动力辅助系统PAS(Power Assist System)。它的一个比较关键的部件是力矩传感器,通过感知脚踏力量的同时,调节电机输出力矩的大小,从而使骑行者省力。电动助力车的电机,一般采用中置的方式,就是安装在自行车中部脚踏的牙盘,然后通过减速齿轮和链条传动给后轮。这种自行车平衡性和操控性都比较好,但是结构复杂,成本高。助力车进入国内后由于高昂的价格没有普及,国产厂家经过多年研发逐渐走出了自己的道路。国内目前主流都是采用下图中这种轮毂电机,它把电机和车轮做在了一起,结构简单,成本低。当然这种电机需要厂家在抗震动和防水性能上多下功夫。我们看一下这种电动自行车的主要部件,看看它们是怎么工作,还有用到了哪些嵌入式设备吧。

 

 

2. 主要组成部件除了车架外,一辆电动自行车主要的部件有:

电机,控制器,转把,闸把,助力传感器,灯具,仪表,电池,充电器等。其中电机及其控制器是最为核心的部分,它的性能直接决定了自行车的骑行体验。电机:最初用的有刷电机,现在已经逐渐被淘汰掉了。后来居上的是无刷电机,以其噪声小,寿命长的优点得到了广泛的采用。国内普遍使用的是下面这种轮毂电机,它和车轮做在一起。这种电机和通常的电机不一样。我们平常看到的电机都是中间一个转动的轴,轴和电机的永磁转子连在一起的,不转动的定子在转子外侧。而轮毂电机正好相反,它的定子在中间不转动,永磁体转子在外部与车轮固定在一起,随车轮转动。

 

 

在图中我们看到定子上是密密麻麻的线圈,它们在电流的激励下会产生旋转的磁场,与转子的磁场相互作用,推动转子转动。不同的电机的线圈数量可能是不一样的,但不管线圈有多少个,它们都是分成三组,分别串联到A,B,C三相引出线上。除了这三相驱动线产生动力外,定子上还会安装三个HALL传感器,转子上的磁极经过时,HALL会输出脉冲,控制器根据HALL输出信号实时估算转子的位置和速度。

 

a 电机三相驱动线

绿色:电机A 相

蓝色:电机B 相

黄色:电机C 相

 

b 电机霍尔传感器

红色:+5V

黑色:地线

绿色:A 相

蓝色:B 相

黄色:C 相

 

控制器:控制器是电动自行车的核心,它接收转把的调速信号,以及刹车,巡航,倒车等输入信号,控制电机的转速,同时把速度信息输出至仪表,控制刹车盘动作,还有防盗等功能。各厂家的接口基本都是一样的。

 

 

 

电机控制可以说是控制器里的核心,电机的控制算法经历了方波,伪正弦,到现在普遍使用矢量控制技术的阶段。矢量控制FOC(Field Oriented Control)技术带来很多好处,比如极低的噪声,节能高效率,动态响应快等,但它不像方波算法那样简单,一个普通8位单片机就能搞定,矢量控制因为要进行大量快速运算,对单片机性能要求提高不少,所以矢量控制器价格也会高一些。力矩传感器:具有助力功能的电动车,需要力矩传感器。它在骑行中检测脚蹬力量和脚蹬速度,控制器据此动态调节电机输出功率,以达到人力与电力自动匹配,共同驱动电动车前进。主流的是中轴双边力矩传感器,它能够采集左右两边的脚蹬力,并采用非接触式电磁采集方式,提高了信号采集的精确性和可靠性。电池,充电器:早期多使用铅酸电池,价格便宜,但体积大,质量重,充放电次数少,寿命较短。现在越来越多地采用锂电池,体积小,重量轻,充放电次数达上千次,但价格也高一些。新国标要求整车重量不能超过55Kg,铅酸电池在体积和重量上比较难满足要求。充电器是比较成熟的技术了,使用较普遍的是三段式充电器。第一个阶段充电开始时,先恒流充电,迅速给电池补充能量,等电池电压上升后转为恒压充电,此时电池能量补充较缓慢,电池电压继续上升,当达到终止电压值时,转为涓流充电。在绿色环保越来越重要的今天,一些厂家还在电动自行车中增加了动力回收功能,在下坡或者制动的过程中,动能被转化为电力,反充到电池中。这种技术可以延长一次充电后的行驶里程。3. 产品标准和市场2018年5月16日,国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会,批准发布了新修订的 GB17761-2018《电动自行车安全技术规范》。以前电动自行车电池组电压有36V,48V,60V,72V新国标对此进行了规范,蓄电池电压必须小于等于48V,同时最高车速要小于等于25km/h,电机功率小于等于400W。

 

下面是一些电动自行车及核心部件厂家:

电动车厂家:爱玛,雅迪,台铃,小刀,金箭,新日,绿源,泰丰小鸟,雅马哈,捷安特

电机:博世电机,八方电机,同盛电机,金宇星,华兴电机,永屹电机,全顺

电池:天能,超威,星恒,旭派,海宝,天能

 

当然,一些很有实力的大厂家会自己研发电机,控制器,和电池。

 

新动向:

大家都知道,博世在电动工具和汽车配件方面一直很厉害,其实他对电动自行车市场也是很重视的,早在2012年就开始向中国市场供应轮毂电机,迄今已经销售1000万套,新建的博世(宁波)轻型电动车电机有限公司占地2.2万平方米,拥有约 300 名员工,将形成年产400万套、可扩产至700万套的生产能力,主要为轻型、中型和大功率电动两轮车开发和生产功率范围在 350 瓦到 11 千瓦的驱动电机,将成为博世中国最大的两轮驱动制造基地。希望这条巨型鲶鱼能激起国产厂商奋发向上的动力吧。