电动自行车助力比的说法

电动自行车比例助力传感系统的一种经济型选择方案
缪华
（南京大向高新技术有限公司南京 210001）
摘要文章介绍了目前电动自行车助力传感系统应用现状，提出了一种可以精确助力，且经济简便的技术思路和应用方案，并对该方案的市场运作给出了具体的操作思路。

关键词电动自行车，比例助力，经济性，市场推广
一、 比例助力系统在中国市场及国际市场实施的必要性
电动自行车作为商品出现，在中国大陆已有七年了。

众所周知，其主流模式为全电动驱动方式，其电源一般为36V/12Ah配置。

主要原因是在大陆市场，电动自行车不是休闲品，而是代步工具，用户花两三千元买了一辆户外家电，若要人力蹬踏，消费者觉得不值。

全电动模式，手把一扭即走，省事省力，因此日本YAMAHA的PAS系统在中国大陆从没有流行过。

随着国内电动自行车近年连续翻番地急剧膨胀，市场开始细分，比例助力系统越来越受到消费者和厂家的青睐，具有广阔的市场空间。

比例助力系统在全球市场实施的必要性主要有以下几点：
1．国际市场上，欧美都要求脚踏启动，脚停断电，没有转把的电动自行车。

日本市场更需要精确比例助力的电动自行车。

没有比例助力系统，产品就不能走出国门。

2．电动自行车最理想的使用方法就是人助车动，电助人行，人力电力联动，省力又省电。

长时间全电动骑行或人力骑行都会感觉到累，最好的办法是比例助力骑行和全电动骑行交替使用，充分发挥各自的优点。

事实上，在比例助力系统中，如果助力比合适，腿只是稍微用力，肌肉不紧张而自行车快速运转，这种感觉很奇特。

首先，人参与了这项运动，休闲的味道渐渐渗透出来了，可以品出一种人机合一的乐趣来。

全电动骑行时由于人坐在车上，腿基本不动，半小时一过，就会腰酸背痛。

骑比例助力的车却没有这种感觉，累了还可以换成全电动，这更合乎健康人生的道理。

再从安全角度上讲，在红绿灯前和上下班的车流中想全速前进不可能也不安全，这时比例助力是最佳的选择，可以大大减小交通高峰时间的事故发生率。

3．比例助力骑行可以避免电池超大电流放电，有利于延长电池寿命，而且从节电的角度讲，用比例助力启动则可以省很多电，因为频繁全电动启动是最耗电的。

比例助力骑行还能对电机起到保护作用，并且提高续行里程。

，近两年，国内市场大面积使用的是低速有刷电机，这种电机价格低廉，但它的电流较高速有刷和无刷电机都要大一截，故而续行里程要短很多。

全国第二、第三次里程赛中续行70~80km的电动自行车在目前市场上已是凤毛麟角了。

另外一些高档消费者眼睛瞄上了Ni-MH电池电动车，由于其成本高，各整车厂（除春兰外，春兰还没有全国大面积销售）都倾向于使用24V/8~9Ah的电源配置。

这种配置较36V/12Ah的铅酸电池容量要小不少，至少要短1/3的放电时间，在电动车上全电动续行里程能达到35km已是上品了。

如果增加了比例助力系统，人力电力合力骑行的话，则很容易将此1/3里程补回来。

此外，如果Ni-MH电池、锂电池批量投入使用，比例助力系统减少了电机运行过程中的大电流输出，增加了电动车的续行里程，部分路途较近的消费者就可以选择24V/12Ah及36V/7Ah的电池作为电源配置，这给竞争激烈的电动自行车造型设计提供了更加广泛的遐想空间，丰富了车种，同时又降低了成本及销售价格，对大家都是有益的。

当然若有人坚持36V/12Ah的电源配置，使用高速有刷电机或无刷电机，则这种车续行里程
90km~100km属正常发挥，有部分消费者正好有这种需求。

二、 现有助力传感系统的优缺点分析
助力传感系统的设计预期效果是实现脚踏力和电动力之间保持一定的比例关系，如我们常说的助力比为1或2.5助力等。

助力比为1助力较小，助力比为2.5助力就大得多。

日本标准规定速度在0~15km/h之间的助力比例公式为：
a= (P2-P1)/P1
式中：a：助力比例
P1：人力脚踏功率
P2：驱动轮输出总功率
如a=1时，电机输出功率(P2-P1)=人力脚踏功率(P1)，a=2.5时，电机输出功率(P2-P1)=2.5×人力脚踏功率(P1)。

速度在15km/h~24km/h区间内，助力比例逐渐减小到0，超过24km/h 后，电机不再提供输出功率。

现在流行的助力传感系统的工作原理是用一个力矩传感器将人力蹬踏的脚踏力转化为电压信号传送给控制器，控制器分析比较后指示电机输出相匹配的功率，这种助力系统的关键部位是力矩传感器。

常见的比例助力系统主要有以下几种形式：
1．我国出口欧美市场的电动自行车助力传感器基本上都是开关型的，把原转把取消，在中轴部分装一霍尔元件和磁钢圆盘，达到一定速度电机就开始启动，启动后就全电动控制了，因此它并无精确比例一说，骑行感觉也较差。

优点是价格极低，工艺简单。

2．日本力矩传感器的原理为人力脚踏后压迫中置式电机里的弹簧，产生形变，再将形变的幅度转换成力矩大小，且在电机的外沿刻有凹槽，转很小的角度就有反应，很灵敏。

但这套装置对零件的材质、工艺都有很高的要求，至今未见到哪个国内厂家模仿过。

3．清华大学早期出口日本的力矩传感器另辟蹊径，在中轴五通内装有套筒和偏心装置，人力脚踏即产生偏心力矩。

成本较日本方案要低得多，加工倒不复杂，但精度控制难，软件中要对其修正。

这是国内批量最大的精确比例助力传感器商品。

4．在清华大学之后，国内有多种类型的方案出台，思路都很新颖，价格有高有低。

代表性的有测中轴扭力形变的，有测链条张力的，有用光栅电路的，有将测力部件放入轮毂的，各具其优点，但由于各种原因都没有普及开或正在普及过程中。

三、 本助力系统的技术思路
现在要介绍这样一种方案，它能达到精确比例助力的效果，但成本极其低廉，工艺特别简单，除了在新车上实施之外，还能为正在中国大地上骑行的几百万辆电动自行车增加比例助力功能，而不影响原车任何现有功能的使用，变成兼有全电动和比例助力功能的新车种。

在设计过程中，鉴于各整车生产厂家选用控制器都有自己的技术指标要求，且配套厂家的产品又经过长期的磨合考验，所以新加比例助力系统只是在原控制器的基础上加上前轮、中轴速度传感器和控制电子线路板，仍然通过原控制器控制电机运转，市场售价远远低于其它比例助力控制器。

具体原理是这样的，为了方便起见，以0~15km/h速度区间1:1比例助力为例说明，假设现车速为12km/h，在标准测试条件下，全电动时整车平均电流为4.0A（特别说明：现在电动车控制器几乎都采用脉宽调制技术，即PWM技术来调节电机的速度。

为阐述方便起见，这里所说的平均电流就相当于在一个周期内，与脉宽受调制的方波能量等效的直流电流的大小），其中空载电流为0.4A，实际做功电机电流为3.6A。

在1:1助力情况下，电机电流应为
1.8A，余下1.8A电流做功则应由人力提供。

测得0~15km/h区间任一瞬时速度相对应的全电动电流值，除去电机应提供的比例，余下的功率就自然由人去匹配供应，假如人力达不到相应的功率，速度就会减小，最后达到一个能匀速前进的平衡状态。

当然不同车型，不同电机所得到的电流都不相同，但对一具体车型，则是可以用实验方法检测出来的。

余下的就是用数学方法进行软件修正了。

此时第一推动力是人力，骑乘者希望快点就要加力蹬踩，此时瞬时速度就会提高，速度一快对应要求的电流就会增加，同时人力也会增加，反之亦然。

通过软件循环检测可以保证这一过程周而复始地进行下去。

下面用一些图表来进一步直观地表达这种思想。

图1表示在全电动情况下，速度与电流/功率的近似对应关系。

图2表示在助力比为1的助力系统中，速度与人力功率，电机功率以及总功率之间的对应关系。

图3表示在助力比为2.5的助力系统中，速度与人力功率，电机功率以及总功率之间的对应关系。

图4表示在日本1：1助力模式下，速度与人力功率，电机功率以及总功率之间的对应关系。

图1、全电动情况下，电动车的行驶速度与电流/功率的对应关系
图2、在助力比为1的助力系统中，速度与人力功率，电机功率以及总功率之间的对应
关系
图3、在助力比为2.5的助力系统中，速度与人力功率，电机功率以及总功率之间的对
应关系
图4、在日本1：1助力模式下，速度与人力功率，电机功率以及总功率之间的对应关
系
电动自行车的优点是节能、环保、方便、适合中国国情。

本比例助力传感器系统的优点是经济、精确、工艺简单、维修方便、适用性强，从骑行舒适性、流畅性上讲目前国内的比例助力系统无出其右者。

日本YAMAHA技术部的高田先生曾夸奖过此方案，称其流畅性超过日本的PAS系统。

其实能达到这样的性能并不奇怪，因为在上述方案中，速度和电流是以连续函数关系一一对应的，不会出现其它精确比例系统中的一旦不踩就会断电，一踩又会来电，时断时续，电动车骑行过程中一冲一冲的不良感觉。

得到的是行云流水、张弛有度、随心所欲的效果。

骑乘者利用该系统可以几乎不费力地加速到20km/h，放慢踩速，就可以平稳地降低速度，可以在任何一个速度点达到平衡状态。

另外原车控制器的一些安全措施如刹车断电等功能都不受任何影响，故整车的安全性能得到了很好的保障。

四、 本系统市场开发的具体构思
1．国内市场电动车使用全电动功能是中国的一大特色，取消了市场肯定不会接受，本方案是在其基础上加上比例助力功能，两者之间切换十分方便。

转把转动就是全电动功能，转把复位就是比例助力功能，无附加按钮，响应迅速。

我国电动车安全通用技术条件中并无精确比例助力的要求，但是否精确比例助力对骑乘者来说感觉大不一样，所以本系统受到欢迎是可以理解的。

考虑到各地路面状况不一，骑行者体重不同，可以在出厂时将助力比例设为连续可调，整车厂员工或销售人员都可以进行调节，甚至也可以教会用户自己调节的方法，方便不同的人使用。

一般说助力比例设在2~2.5之间，既能有很强的助力感，又不至于使人跟不上转速而踩空。

唯一使人有疑惑的是在爬坡时，要先有较大的速度才能输出较大的电流助力，这一点可以在说明书中说明，爬坡时应同时用全电动转把，把电机的功率发挥到最大，然后辅以脚踏助力，这样爬坡效果和全电动模式下是相同的，消费者也不会有怨言。

2．国际市场以日本市场要求的精确比例助力为例，前述的方案在爬坡时因为无调速转把无法使用，则可以在车体上固定一个装置，检测水平倾角的大小，从而调节输出电流。

这样在上坡时仍然可以达到精确的比例助力，人力和电力都增加了部分功率。

欧美市场也可采用类似的方法。

3．旧车改装市场该市场总量约有250万辆以上，消费者花100元将原有的全电动功能的电动车改装成全电动和比例助力系统共存的电动车应该是可以接受的，扣除成本后，其收益空间足以让维修点和销售商动心，由于其部件简单，经过短暂的培训，一般工人就可以胜任。

总结
本文首先讨论了比例助力系统在中国及国际市场上实施的必要性，然后对现有的实现方案的优缺点进行了比较分析。

接着提出本方案的技术思路，重点介绍了本助力系统的实现原理及其多种优点。

最后对其市场前景作了简要的分析。

无论是国际国内市场，新旧车市场，该系统由于其价格低廉、工艺简单、助力精确，都有它广泛的适用性，其市场前景诱人，构思该方案时间在5年以上，实际修改定型也费时有3年，借此机会，请教各位同行。