1、1全电子力矩助力创新技术将推动小型电动车产业走向新辉煌天津瑞起科技有限责任公司 李平一、概述力矩传感助力技术是现代电动自行车的高端标志，是国际市场主流低速小型电动车的代表产品。使用力矩传感助力技术的电动自行车电动自行车被称为电力辅助自行车或称助力电动自行车。这种电动车系以电力驱动辅助人力的方式骑行，不蹬不走，形式与自行车无异，而完全不同于纯电动的骑行方式。这与各国现行交通法规或道路交通法规定的非机动车的概念、定义并无冲突和抵触，故无被禁止骑行或销售之虞。力矩助力骑行的重大优势在于：由于人力的参与，减少了可充电电池这一车载有限能源的电能消耗。与纯电动驱动方式相比，在保证相同续行里程的情况下，电池
2、容量可减小一半，电池的体积、重量、造价均可大大减少，电机所需功率、重量也可减少，车重将显著降低。而在同等电池容量的情况下，则一次充电续行里程可增加 1 倍，与此带来相应的在一定时间内电池需充电的次数将大大减少、两次充电时间间隔及电池使用寿命都将显著延长。对前一种情况，以通常使用的 36V、10AH 的铅酸电池为例，电池重量可减少约 6kg，48V、12AH 电池约可减少10kg，48V、17AH 电池约减少 13.5kg。例如: 当要求一次充电续驶里程为 40km 左右、助力比在 1：1 的情况下，以使用铅酸电池的钢车架为例，电池将由 36V10AH 的 12kg 减少为 36V5AH 的 6
3、kg，即2整车重量将由 42kg 减少为 36kg。由于电池重量轻了一半，对于每天必须手提沉重的电池上楼充电的妇女、老人，无疑是一大福音，大大减轻了负担。由于电池重量占整车重量很大比例，如采用力矩助力技术，目前我国电动自行车产品中相当大部分的品种特别是所谓豪华款（俗称大包车）的重量超标现象也将减少。国外标准，特别是颇具影响力的欧盟与日本标准都规定了电动自行车必须以电力辅助的驱动方式骑行，但车速超过 25km/h 或24km/h 后必须需切断电力 只能依靠人力蹬踏以普通自行车的方式骑行。这种方式自然限制了高速飙车的可能以及大大降低了对骑行人自身或行人的交通伤害几率。如我国也采用这种先进的驱动方式
4、，民众需求、企业生产规格与现行标准的矛盾冲突也将大大减少（目前国标GB/T17761 规定电动自行车车重不得超过 40kg，车速不得超过 20km/h） ，对车架的强度、刚度的设计要求与保证将可有所降低，车重与材料或制造成本也可减少。此外，人力辅助骑行的优点是还可运动健身与防病，这可大大减少全电动方式在寒冷天气骑行对人体膝关节部位的损害与患病的发生几率。采用先进的助力技术，将为我国电动车大举进入国际市场开辟了通途大道，这对提高我国电动车产业的总体科技水平、进军高端市场、创造高技术附加值与巨额产值、利润都意义重大。根据我国的现行标准与国情，在目前纯电动方式电动车已大量普及的情况下，推广力矩助力电
5、动车当然需要加大广告宣传力度与3引导消费的过程，要让民众充分体验电力辅助/力矩助力骑行方式的轻松、舒适与运动健身的优点，以及了解可大大延长一次充电续行里程、延长电池使用寿命期限、减少重新购买电池花费等重大优势。此外，新型电动自行车还可设计成电动/助力双模式工作，在长时助力骑行感觉疲劳的情况下，用户可自由或自动切换至电动骑行模式。对老人、妇女或体弱的用户群体，助力比可加大并设计为多种比例例如 1.5 : 1, 2 ：1，3 ：1 等，并可由用户在骑行中自由选择切换，以达到骑行轻松省力、舒适的满意效果。国内目前的所谓 1+1 助力实质是极简单的助速度，非助力。这种控制方式是依据踏速信号控制车速，踏
6、速越快，车速越高。在遇顶风或爬坡等高阻力、重载荷时，车速就低，电力驱动功率能提供的反而小，根本无法助力轻松骑行，因而是假助力，这与具有高科技含量的真力矩助力技术实际有天壤之别，风牛马不相及。二、助力技术发展历史与各国标准现状力矩检测助力技术系由日本 YAMAHA 公司于 1993 年发明，被称为 PAS 助力技术，或简称 1+1 助力技术，也称 1：1 助力技术。力矩助力技术的助力比定义为：人力蹬踏输出功率与电力驱动功率之比。这里，电力驱动功率为电机输出功率与传动损失之差，或等于电动车总输出功率与人力蹬踏输出功率之差。真力矩助力技术的核心是依据路况不同与骑行人主观期望控制车速快慢的意愿，经由蹬
7、踏力矩传感器检测骑行人在蹬踏骑行过程4中的力（力矩/转矩） ，再通过单片计算机智能控制电动车驱动电机的输出功率以达到与骑行人输出的蹬踏功率成一定比例的技术。该项技术至今已经历了十余年的发展历史。然而，至今仍畅行不衰。由于该技术的先进性与多方面的优点，至今已成为日本小型电动车的国家标准（JIS）与道路交通法的法定规格。由于这种电动车形式上依然靠人蹬踏行驶：不蹬车不走，电机只起辅助助力作用，因此被称为电力辅助自行车。这种电动车与自行车相比，无论从外观上或骑行方式上都没有根本区别，加之能自动限制其最高车速 ( 日本标准规定为 24km/h ), 使其在超过最高车速后只能完全靠人力骑行，从而可完全避免
8、了飙车的可能，大大减少了交通事故的发生，因此能被视为非机动车，允许在非机动车道路上行驶。助力比原仅为 1 : 1，2008 年日本 JIS 标准及道路交通法考虑到能更好地适应日本已进入老龄化社会的现实需要，特别是老人和妇女等体力弱群体的舒适、轻松骑行的需求，新标准助力比已提高到2 : 1，加大了电辅助驱动部分的比例，使蹬踏更省力。国际市场助力电动自行车商品，考虑到社会各类人群的不同爱好与需求，也提出了其他比例。图 1 示出了日本道路交通法规定的电力辅助电动自行车助力比曲线。5图 1 日本道路交通法规定的助力比与中国电动自行车现行标准（GB/T17761）不同，国外大多数国家的交通法规都已把纯电
9、动式自行车视为机动车因而对其严格加以限制并禁止使用，就是因其完全靠电力驱动行驶；这实际已成为我国电动自行车直接出口、进入世界电动自行车市场的最大障碍。目前，世界许多国家和地区都制定了与日本电动辅助自行车标准相似的法规或标准。欧盟颁布的新标准（EN 15194:2009）虽未给出助力比与车速的关系，但明确规定了电动助力时的车速上限为25km/h，且仅限于允许以电动助力的方式在交通道路上行驶。欧洲市场的主要商品电动自行车，几乎都是真力矩助力技术的类型。只有少数国家，例如美国与加拿大，由于地广人稀、道路宽畅的国情，允许纯电动工作方式的电动自行车的骑行，车速上限也较高，最高6可达 32km/h，电机功
10、率也允许使用的较大：可达 750W 或 1000W。三、力矩助力技术与传感器力矩助力技术的实现的直接测量方法是检测五通管中轴部位骑行人蹬踏的扭矩与转速，两者之乘积即为人力蹬踏输出的功率。检测蹬踏扭矩需要使用转矩传感器，属力学传感器类。最基本的转矩传感器为机械弹性扭杆结构，利用各种传感器直接检测中轴在蹬踏扭矩的作用下产生的应力、应变、扭角或位移都可得到蹬踏扭矩信号。转矩传感器是机械领域检测专业中最重要的传感器之一，由于通常必须优先采用非接触测量技术，加之需要应用许多高性能材料或部件、元件制造，结构复杂，因而制造成本很高，售价昂贵。例如工业上应用的国产转矩传感器价格就高达近万元。加之体积重量大，无
11、法也不可能在电动助力自行车上直接应用。传感器检测基于各种原理的都有，例如磁电、光电等。日本松下电动自行车产品属于应用磁致伸缩薄膜的导磁率随应力变化的原理进行检测。目前，已提出各种各样类型的助力检测装置，其基本原理除直接检测中轴部位以外，在蹬踏力矩作用于传动系统的任意环节上，诸如链论、链条、飞轮、轴承以至车架、轮辋、曲柄、脚蹬等处，原则上只要能利用检测到的、相应产生传递的作用力、反作用力或弹性变形等，都可采用各种传感器间接测量蹬踏转矩的大小。但能否成功地获得实际应用，还得视其是否结构是否简单、工艺制造难7度低、成本低、寿命长、耐受恶劣工作环境、灵敏度高、长期稳定性好、重复性好、线性度好等等。这类
12、传感器，目前都是以机械力作用的原理为基础，实际能成功地应用于小型助力电动车的并不多，许多产品或是因其结构复杂、工艺难度高、品质控制困难、影响因素多，或是敏感材料制备困难，制造成本高，或是灵敏度低、稳定度差、抗干扰性差，很多未能得到大规模的实际应用。以扭杆式中轴转矩传感器为例，对扭杆这一关键弹性元件的材料与热处理的要求十分严格，因为扭杆承受的冲击扭矩最大可能达165Nm 以上，测量范围也高达 60Nm，每年工作需要承受的交变应力循环次数就可达 300 万次以上，因此对其抗扭转疲劳的寿命要求极高。尚若以五年保修期计算，寿命就必须保证在 1500 万次以上。加之考虑到高灵敏度的要求，应变又不能太小，
13、因而必须采用高强度、高性能的仪表弹性材料，还必须进行严格的热处理、精密的机械加工或冷镦、冷锻等高生产率的先进加工工艺制造。此外，敏感材料的制备、处理工艺通常也十分复杂。以磁致伸缩材料为例，其合金的制备、成型或粘合、涂装工艺流程很长，做好品质控制并非易事。何况这类传感器输出的信号通常都十分微弱，还必须经过精密放大才能供单片机运算处理。否则，很难保证传感器的稳定性与一致性。综上所述，这类传感器的制造成本很难大幅度降低，否则可靠性会很差。正由于售价很高的原因，难以在电动自行车这类低价民8用基本产品中大面积应用与推广。这也说明了助力技术为何在中国小型电动车产业中一直迟迟未能得到大量生产与应用的主要原因
14、。四、基于加速度传感器助力技术的重大创新我们的助力传感与检测原理突破了上述思维的局限，采用全新的原理即基于路况、车况检测的方法，使用先进的多轴微机械加速度传感器为核心传感器，可同时检测出电动自行车前进的速度（即车速，依据相对运动原理确定迎风阻力） 、加速度（其值与车人系统总质量之积，即等于平动牵引力）与倾角（即坡度，相应于爬坡阻力）等，通过单片机的强大模拟数字转换与计算功能，利用编程软件，根据地面车辆理论，依据骑行总阻力和运动方程能快速计算出骑行所需要的总牵引力与功率，再根据助力比与蹬踏转速可计算出电机应输出的扭矩，并据此按测控软件程序以先进的控制技术控制电流，实现所要求的助力比特性。我们的技
15、术创新已取得了圆满成功，现已开始进入批量生产阶段。新产品装备的助力电动自行车的骑行感觉十分舒适、轻松、流畅，跟随性好，顶风爬坡性能优良，可与任何电机或车型配套。经试验骑行，已获得了不少国内外重要厂商、业界专家的高度评价。新产品与我们先进的中置驱动电动车配套，以 36V、10AH 电池、1：1 助力比装备的所谓简易款电动车一次充电续驶里程实测已轻而易举的超过了 85 公里。这种基于加速度传感器检测的全新控制原理实现了全电子化，体积小，安装方便，可迅速组织大批量生产，具有现代电子产品的9一切属性与优势高生产率、可复制、性能高度稳定，品质管控技术成熟、工艺性、一致性好、成本可望随大批量生产迅速下降。
16、目前其制造成本已显著低于基于纯机械原理的传感器，因此，可以毫不夸张地说，新一代助力传感技术是真正的颠覆性新技术，他的诞生将彻底改变目前助力自行车的产业格局，彻底改变我国电动自行车在国际市场的低端产品形象，将成为小型电动车发展史上一个重要的转折点，因而对推动我国与世界的电动自行车发展将具有重大意义。我们的新技术，已申报了国家发明专利，将拥有完全的自主知识产权，可彻底打破国外厂商在助力传感这一关键技术上的垄断或壁垒，从而为我国助力电动车大举进入国际中高端市场铺平了前进的道路，展示了光明的前景。无疑，助力新技术将为我国电动车产业创造高额的产值利润，因而可望获得重大经济效益与社会效益。201028 初稿
