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行業(yè)動態(tài) 電助力

一篇文章讀懂電動助力自行車的前世今生

5月初的中國國際自行車展吸引了超過1000家參展商,本次大會“電動助力自行車”異軍突起,許多整車廠都帶來了自家的電動助力自行車產品。而本次大量出現(xiàn)的外籍采購客商的目標主要也是“電動助力自行車”,這與歐洲、韓國、東南亞等國家對電動助力自行車旺盛的需求,以及國外廠商們在面對自行車行業(yè)整體趨冷,而電動助力自行車良好走勢的預期不無關系。

電動助力自行車到底是怎樣的東西?它與我們認知中的電動自行車有著什么區(qū)別?為何歐洲市場需求旺盛而國內卻對其缺少認知?讓這篇文章幫你整理一下電動助力自行車的發(fā)展歷史,技術研發(fā)上的難點,以及使用其它替代技術的電助力車型。


首先,要先明確“電動助力自行車”與“電動自行車”之間的本質區(qū)別。

電動自行車最早于80年代末90年代初發(fā)源于日本,被稱作PAS(Power Assist System動力輔助系統(tǒng),也就是“電動助力自行車”。在日本,電動自行車只允許采用比例助力控制系統(tǒng),也就是必須是“人力+電力”的混合運行模式,而不允許采取純電動模式,因此,日本的電動自行車其實就是“電動助力自行車”。

雅馬哈YAMAHA是電動助力自行車的發(fā)明者

雅馬哈YAMAHA是電動助力自行車的發(fā)明者

90年代末,電動助力自行車的概念傳入中國,但由于科技水平以及生產工藝上的落后,中國企業(yè)無法生產Power Assist System動力輔助系統(tǒng)。而如果從日本進口重要零部件成本極高,整車出品后嚴重超出當時中國的消費水平。因此,中國企業(yè)轉變思路,在電動助力自行車上使用了各種替代技術,但動力輔助均效果不佳,最終摩托車的“擰把”結構獲得成功,這也就是目前我們生活中最常見的“電動車”,可能正是因為使用了“擰把”結構,目前中國的電動自行車已經越來越像摩托車,大多已經取消腳踏,失去了“自行車”的樣子。

目前中國廣泛流行的“已經失去自行車外觀的電動車”

目前中國廣泛流行的“已經失去自行車外觀的電動車”

在英文中,電動自行車為“E-Bike”,但這個組合詞過于寬泛,經常也會將已經沒有了自行車形態(tài)的電動車算入其中,因此在日本一直使用PAS這個稱呼,而在歐洲很早就將電動助力自行車拎出來稱作“Pedelec”,也就是擁有踏板的帶有“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”的自行車。

捷安特 GIANT XTC 0 E使用雅馬哈YAMAHA Power Assist System動力輔助系統(tǒng)

捷安特 GIANT XTC 0 E使用雅馬哈YAMAHA Power Assist System動力輔助系統(tǒng)

“電動助力自行車(Pedelec)”與目前國內理解的“電動自行車(E-Bike)”最本質的區(qū)別在于,電動助力自行車是為了解決騎行累的問題而出現(xiàn),所以它依然需要人去蹬腳踏,然后讓電力介入使騎行變得省力而輕松。而目前國內大多數所謂的電動自行車(E-Bike)已經取消腳踏的設計,變成了理論上的“電動摩托車(Electric Motorcycle)”,單純使用電力作為動力。

其次,要了解“電動助力自行車(Pedelec)”的由來。

其實早在百余年前,人們已經開始考慮如何解決自行車在騎行中會造成勞累的問題,在19世紀末20世紀初,出現(xiàn)了帶有燃油助力的自行車,當然,后來這種車慢慢沒有了腳踏,體型也越來越大,成了摩托車的鼻祖。直到20世紀末,世界上第一款電動助力自行車(Pedelec)在雅馬哈(YAMAHA)誕生,隨后松下(Panasonic)、三洋(SANYO)、普利司通(Bridgestone)、本田(Honda)也推出了采用同類技術的產品。

博世BOSCH的中置Power Assist System動力輔助系統(tǒng)

博世BOSCH的中置Power Assist System動力輔助系統(tǒng)

歐洲作為全球自行車文化的中心,看到日本的發(fā)展,隨后德國博世(BOSCH)、BLOSE、馬牌(Continental)等也跟進推出了相應的PAS(Power Assist System動力輔助系統(tǒng)),推動了電動助力自行車(Pedelec)在歐洲的普及。由于要讓電力與人力達到完美的混動有著很高的技術門檻,因此在日本及歐洲,一般都是與汽車、電池相關的企業(yè)在進行“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”技術的研發(fā),其它企業(yè)很難進入。

接著,要了解PAS“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”。

對于真正的電動助力自行車(Pedelec)而言,它是只允許以助力模式運行的,也就必須是“人力+電力”的混合動力輸出方式,是沒有純電動模式的。之所以只允許使用助力模式,是因為助力驅動模式有效保證了騎行的安全性和可靠性,并且大大增加了一次充電的續(xù)航里程,同時有效避免了整車重量的增加,還起到代步和鍵身的雙重效果,讓人們可以在保留騎行體驗的同時騎得輕松,并騎得更遠。因此,“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”的優(yōu)劣一直是衡量電動助力自行車(Pedelec)水平高低的標準,也是各企業(yè)間競爭最為激烈的領域。

雅馬哈YAMAHA 的Power Assist System動力輔助系統(tǒng)工作示意圖

雅馬哈YAMAHA 的Power Assist System動力輔助系統(tǒng)工作示意圖

雅馬哈(YAMAHA)在研發(fā)PAS之初,就使用了以力矩傳感器(Torque sensor)為核心的多傳感器控制系統(tǒng)(力矩傳感器(Torque sensor),也稱為扭矩傳感器或轉矩傳感器),它可以去檢測人力的輸出力矩,然后調用電力給電機輸出力矩來輔助人力,衡量一套動力輔助系統(tǒng)是否足夠優(yōu)秀的標準就是“電力的輸出力矩波形是否完美接近人力輸出的力矩波形”,然后兩個波形的相位盡可能保持一致。人力輸出大,電力輸出相應提高,人力輸出減小,電力輸出也相應減少,電力總是按照一定比例隨人力的變化而線性的變化,這樣才能在騎行時達到最佳的動力輔助,同時最大化的利用好人力與電力,讓人騎行變輕松,同時不浪費電力。

一種力矩傳感器(Torque sensor)示意圖

一種力矩傳感器(Torque sensor)示意圖

因此,如何提高力矩傳感器的檢測精度,提高控制系統(tǒng)的反應速度,讓電力輸出的力矩更線性一直是研發(fā)“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”的核心,目前頂級的系統(tǒng)除了使用力矩傳感器,還會配合使用速度傳感器以及踏頻傳感器,因此在數學模型以及算法上也就更為復雜。目前高水準的力矩傳感器(Torque sensor)技術、相應的多傳感器數學模型以及算法主要掌握在日本及德國的企業(yè)手中,直到最近兩年,國內的八方BAFANG以及輕客TSINOVA才研發(fā)出同樣水準的技術,并均已通過歐洲的EN15194、EN300220標準,可以在歐洲市場與BOSCH等公司同臺競技,其中輕客TSINOVA還與松下(Panasonic)成為戰(zhàn)略合作伙伴,聯(lián)合推動電動助力自行車在中國市場的發(fā)展。

博世BOSCH中置 Power Assist System動力輔助系統(tǒng)內部結構

博世BOSCH中置 Power Assist System動力輔助系統(tǒng)內部結構

“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”除了力矩傳感器外,還需要擁有高性能的電機系統(tǒng)以及高效能的電池系統(tǒng)。目前優(yōu)秀的電動助力自行車均使用“無刷有齒直流高速電機”并使用FOC正弦波控制器,因為電機的轉速越高,電機的體積和重量就可以做得越小,并且電機輸出效率也就更高,F(xiàn)在中國普遍流行的電動自行車使用的是低速電機,也就是常見的那種直徑比較大,但比較扁的電機,而高速電機一般直徑比較小,因此顯得比較厚。電動助力自行車的電機安裝位置主要分為兩種,一種是中置,也就是安裝在自行車的五通中軸位置,另外一種則是安裝在自行車的輪轂中。90年代初電動助力自行車誕生時,雅馬哈(YAMAHA)使用了鉛酸電池,但很快就改進使用鎳鎘電池,而近年來隨著鋰電池技術的發(fā)展,目前中高端的電動助力自行車已經基本都是采用鋰電池技術。

輕客 TP01

在上海展上拍到的輕客TSINOVA TP01,使用ABS碟剎、后方盲區(qū)提醒等汽車技術

另外,近年來隨著技術發(fā)展,為了進一步提高電動助力自行車的使用體驗以及安全性可靠性,已經有越來越多的汽車技術、電子信息技術被應用到電動助力自行車領域,其中比較有代表性的就是輕客TSINOVA在技術上的探索與開發(fā),如后方盲區(qū)提醒、ABS碟剎、正時皮帶傳動、CAN總線等技術。

最后,目前常見的電動助力自行車都有哪些?它們的區(qū)別在哪里?在國內的發(fā)展如何?

電動助力自行車在日本從最初誕生到現(xiàn)在都是使用以力矩傳感器為核心的“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”,并且已經更迭了多代,依然保持全球領先的地位;德國的跟進速度很快,目前在技術上基本可以與日本比肩,當然有不少觀點認為德國已經實現(xiàn)了超越;電動助力自行車進入中國之后走上了另一條發(fā)展道路,因為基本沒有企業(yè)去研發(fā)核心的“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”,而購買日本德國的系統(tǒng)又過于昂貴,因此在經過了10余年的野蠻生長后,如今中國的城市及鄉(xiāng)村大量穿梭著的是大量包裹著塑料裝飾件的摩托化外觀的電動踏板車,已經成為交通事故多發(fā)的頑疾,目前北上廣深中,廣州深圳已經全面禁止此類車輛上路,而北京也在開始限制。

雅馬哈YAMAHA的Power Assist System動力輔助系統(tǒng)已經更迭了多代

雅馬哈YAMAHA的Power Assist System動力輔助系統(tǒng)已經更迭了多代

目前八方BAFANG以及輕客TSINOVA屬于中國少數可以獨立研發(fā)Power Assist System動力輔助系統(tǒng)的企業(yè),掌握了核心的力矩傳感器技術以及相應的算法,八方BAFANG的中置電機系統(tǒng)已經獲得一定的市場份額。而輕客TSINOVA還另辟蹊徑,開發(fā)出更為模塊化的VeloUP威履智慧動力系統(tǒng)。更值得注意的是,輕客TSINOVA在互聯(lián)網大數據的實用化方面取得突破,所開發(fā)的系統(tǒng)可以收集用戶的騎行數據,進行深度學習,這也就意味著隨著個體用戶使用時間的增長以及整體用戶的增多,輕客的Power Assist System動力輔助系統(tǒng)會變得越來越聰明,助力的提供不再局限于固定的比例提供,而是按照個體用戶的使用習慣去匹配,在人機交互上達到新的高度,很好的解決了困擾博世BOSCH、雅馬哈YAMAHA等企業(yè)多年的低齒比助力不夠線性的難題。

輕客TSINOVA的模塊化Power Assist System動力輔助系統(tǒng)

輕客TSINOVA的模塊化Power Assist System動力輔助系統(tǒng)

雖然屬于不怎么受關注的品類,但電動助力自行車在中國也一直有所發(fā)展,因為力矩傳感器以及相應的系統(tǒng)研發(fā)門檻過高,所以不少另辟蹊徑的替代技術也因此而誕生,主要在于傳感器的替代以及可實現(xiàn)的簡化算法,比較有代表性的就是后軸勾爪傳感器、扭簧傳感器、以及轉速傳感器,但這些傳感器與力矩傳感器均有較大差距,所以大多都是用于低端的電動助力自行車,其中后軸勾爪傳感器表現(xiàn)較好,扭簧傳感器則差強人意,而轉速傳感器因為體驗太差基本只有最低端的產品才會使用。

后軸勾爪傳感器其實就是安裝在自行車后鉤爪的壓力傳感器,它可以檢測壓力,與力矩傳感器直接測量力矩有不小的差異,性能上有所不如,但已經屬于最為接近的技術。

后軸勾爪傳感器結構圖

后軸勾爪傳感器結構圖

不過,由于安裝在自行車受力最大的后輪中軸與車架的轉接處,因此這種技術最大的缺點就是壽命較短,一般路況下使用一年左右就會報廢,而且怕摔。它的技術門檻不高,并且生產成本低廉,所以也有不少品牌使用,比較有代表性的就是BH以及GIANT的低端電動助力自行車產品(BH的中高端產品使用博世BOSCH系統(tǒng),GIANT的中高端產品使用雅馬哈YAMAHA系統(tǒng))。

 BH EVO SNOW 29" PRO使用后軸勾爪傳感器(并不便宜)

BH EVO SNOW 29" PRO使用后軸勾爪傳感器(并不便宜)

扭簧傳感器是在牙盤中內置霍爾傳感器,并使用多根彈簧結構,其實就是將電動自行車的擰把安裝到了牙盤中,蹬踏越用力,壓縮彈簧也就越多,霍爾傳感器也就探測出磁場變化,因而輸出更多電力給電機。

霍爾傳感器

但這并不是真實的去測量“力”的大小,而且霍爾傳感器本身的精度有限,助力的提供也就會有很明顯的延遲現(xiàn)象,在騎行是會有明顯的力量沖擊感,造成騎行體驗比較差,并且不夠安全。更因為彈簧結構的加入,曲柄與牙盤之間就會晃動,進一步劣化了騎行體驗,因此很少有品牌使用這種傳感器。

轉速傳感器有多種類型,最簡單的就是兩塊兒磁鐵,一塊兒安裝于自行車的五通位置,一塊兒安裝于曲柄,原理與自行車碼表的踏頻傳感器類似,在騎行過程中每蹬一圈,磁鐵就會描過一次,則認為電源打開一次,然后提供助力。因為基本沒有技術門檻,所以這種傳感器售價僅為幾塊錢,多年來國內的低端電動助力自行車一直是使用這種技術,一般售價在1000元以內。

某國產品牌“智能自行車”使用的低端轉速傳感器

某國產品牌“智能自行車”使用的低端轉速傳感器(圖片來源于極果網)

使用低端轉速傳感器的電動助力自行車因為每次提供助力都是按照固定的功率提供,無法達到線性助力,騎行體驗會很差,更為重要的是,因為是通過踏頻來判斷提供助力,在面對上坡或逆風情況時,因為踏頻開始變慢,助力提供就會減少,在需要助力的時候沒有助力,而下坡時如果蹬踏過快,則會有安全風險。


總結:電動助力自行車(Pedelec)是自行車寒冬里的一把火。

經過20年左右發(fā)展,電動助力自行車(Pedelec)在日本已經是較為普及的兩輪代步工具,而歐洲市場近年來成猛增勢頭,僅2015一年,電動助力自行車在荷蘭的銷售量就飆升了24%,而德國同樣有11.5%的銷量增長,而產量則達到37%的增長。尤其是近年來歐洲市場自行車銷量持續(xù)下滑,電動助力自行車的崛起之勢也就被更多期待,以德國BOSCH以及日本YAMAHA為首的“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”研發(fā)企業(yè)已經開始發(fā)力布局,最大的傳統(tǒng)自行車零配件廠商SHIMANO也推出了相應的系統(tǒng)。

本次中國國際自行車展,來自全球各地的外籍客商將主要目光投向了電動助力自行車。國內的無論是電動車企業(yè)亦或是自行車企業(yè)紛紛推出了搭載了“Power Assist System動力輔助系統(tǒng)”的電動助力自行車,但基本都是面向外銷,不在中國市場銷售。只有 GIANT、輕客、BESV等少數企業(yè)是針對國內市場,意圖推進中國自行車在助力化方向的發(fā)展。但可以預見的是,隨著中國經濟增長,消費能力的增強,以及自主技術的進步,電動助力自行車在中國必將大有可為。

(本文僅代表作者觀點,與本站無關)

責任編輯:Alexa

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  • vika.cn 2016-06-08 23:16

    BH Emotion的 EVO Snow是前后雙驅(前250W后350W),當然貴了,而且BH一直都是以內藏式電池車架為特色,所以相對博世系列產品性價比也算是可以接受。踏頻傳感器優(yōu)化已經相對完善,相對來說踏頻傳感器所提供的助力才是均一穩(wěn)定的,不管你踩踏力度大小只要很小的位移他都會激發(fā)電機助力,所以上坡時只要腳蹬還在轉動就一直會有助力,并不會減少,下坡你只要不蹬,也就不會有助力

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    • vika.cn 2016-06-08 23:18

      踏頻傳感器激發(fā)馬達是靠牙盤的轉動,跟踩踏頻率無關,你踩踏再頻繁,馬達的輸出都是恒定的

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    • vika.cn
      回復vika.cn
      2016-06-08 23:23

      相對于踏頻技術,我更感興趣的是怎樣讓tp02那么小的電池體積達到19.2Ah的容量,特別是現(xiàn)在歐洲市場都是36V250W甚至350W電機的情況下

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    • vika.cn
      回復vika.cn
      2016-06-08 23:27

      最后向辛勤普及電動助力的友軍致敬,要改變大多數人對電動助力的看法需要很漫長的時間,歐洲那邊大眾也才剛剛認識到ebike和pedalec的區(qū)別,接受這個新產品。國內推廣更是舉步維艱。加油!

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  • 五月的風格 2016-06-08 18:50

    最后一圖是云馬吧,這有陀螺儀,上坡會加大助力,并不會上坡就降低輸出犯這么低級的錯誤。

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    • BEPOWERFUL 2016-06-10 02:25

      別逗比了,世界上哪來的陀螺儀加大助力這一說。都是云馬那個騙子團隊編出來的。不信去試試云馬就知道上坡有沒有助力。

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    • BEPOWERFUL 2016-06-10 02:36

      如果拿陀螺儀來測坡度,那只要有個石子一顛車不就會識別傾斜然后猛加力嗎?這是何等的荒謬。

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  • 單車少年去流浪 2016-06-07 17:16

    這樣就失去了騎行本身的樂趣

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  • xhgq 2020-10-30 13:12

    國內的問題,在于行業(yè)性的不思進取

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  • 粉條66 2016-06-12 13:35

    確實是一種趨勢,是一種潮流,但是我不太看好因為他本身失去了騎行的樂趣雖然現(xiàn)在各式各樣的大家沒有見過的也挺多  jinlaiba.com/archives/5945.html

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  • BEPOWERFUL 2016-06-10 02:35

    國內的力矩系統(tǒng)離博世和雅馬哈還是有很大距離的。不管是八方還是輕客都有很長的路要走。

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  • 以酒自戕⑤ 2016-06-07 16:20

    老貨,不過配圖和舉的栗子升級了

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