如何選擇中置驅動電動自行車電機?
在國際疫情影響下, 自行車市場近年來呈現罕見的成長態勢, 與國內上下游工廠加班加點生產出口. 他們之中, 電動自行車成長迅速. 在可預見的未來, 電動自行車必將成為國內自行車產業新的成長點.
電動輔助自行車, 從廣義上講, 是一種電動輔助自行車, 與純電動自行車或電動車不同, 仍然需要手動步進和驅動. 電動馬達僅起輔助功能. 在額定工況下對自行車進行輔助工作, 讓騎乘更輕鬆, 提高整體耐力，降低騎乘難度.
從最早的電動通勤車到今天的電動登山車, 道路車輛, 和碎石車輛, 電力系統的發展已經能夠在技術上實現車型的全面適配. 我們可以看到是否是普通的硬尾XC, 越野森林車口味較重, 或道路車輛, 有電力的影子. 我在長期的騎乘經驗中也經歷了電力產品的不同發展階段和形態. 以下是一個簡單的分享.
電動輔助的外在表現一般分為輪驅動與中驅動.
早年, 由於設計理念和車身結構, 一些通勤和旅行車輛採用前輪驅動的形式 (如日本松下的單速通勤車、小米的電動折疊自行車). 前輪花鼓設有驅動電機, 馬達被整合到花鼓中. 上電後, 電能轉換為機械能. 這種方式結構比較簡單，成本較低, 也是目前市面上改裝電動自行車的主要形式之一.
然而, 前輪驅動存在許多問題. 第一個問題是重量. 前輪比較大而且重. 前輪增加幾公斤的重量將對日常操控產生重大影響; 第二個問題是阻力. 當電池電量耗盡時, 輪轂電機會增加騎乘時的阻力, 並結合自身重量, 會影響騎乘體驗; 第三個問題是適應性問題. 製造商需要為前輪馬達準備輪組. 如果是普通通勤車輛, 這不是一個大問題.
然而, 如果是高端運動自行車, 廠商準備的輪組無論在等級或適應性上都存在不足; 此外, 前輪馬達的自重和驅動力可以增加前煞車的壓力, 加劇煞車損失, 並且在嚴重的情況下, 可能會導致一些安全問題; 輪轂馬達在能耗方面也不具備優勢. 所以, 這種驅動形式在運動自行車上沒有廣泛推廣也在情理之中.
與前輪馬達相比, 後輪馬達的結構比較複雜, 還需要考慮傳動系統的匹配, 如塔座飛輪, 這導致更高的成本. 然而, 後輪馬達也有一些難以克服的缺點. 首先是它的完整性, 這使得市場上很難找到可用於改裝和匹配品牌輪圈的後輪電機.
所以, 還是需要廠商準備輪組, 對於不同機型的適配非常不方便, “對輪組後期升級也有影響, 而前輪馬達的重量問題在後輪馬達上依然存在. 後輪馬達驅動在某些環境下容易打滑, 當沒有電源時, 它仍然帶來顯著的騎行阻力. 馬達位於輪組位置, 在長期振動或惡劣的工作條件下會影響其壽命。”.
這三種形式中, 中央馬達無疑是最佳解決方案. 雖然中央馬達也有較大的重量, 置於車架五通段不影響前後輪平衡重量, 並且還可以降低重心. 同時, 中央馬達內部常採用離合器傳動齒輪, 不踩踏或電池沒電時可自動切斷馬達與傳動系統的連接, 所以它不會造成額外的阻力.
與輪轂馬達相比, 中央馬達系統的電動自行車可以自由更換輪組，不影響後期升級. 可以說，中央馬達代表了運動自行車電動輔助系統的技術方向, 是運動電動輔助自行車結構問題的解藥. 所以, 也是各大品牌競相研發的策略重點.
市場上有很多品牌生產中置電機, 但著名的仍然是幾個行業領導者，例如 博世, 雅馬哈, 等. 他們幾乎壟斷了高端市場, 而且價格自然也是非常高端. 島野, 捷安特等自行車品牌幾年前也進入中置馬達市場, 搶佔一部分中端市場. 八方等國產品牌, Qingke, 紐瓦克, 尼可, 喬奇, 等. 也密切關注, 並推出各種馬達系統, 逐步填補市場空白.
對於消費者, 他們今天選擇的電力輔助品牌其實並不是 “選擇汽車”, 而是選擇電力輔助系統. 由於外觀限制, 中置馬達通常需要與底盤深度結合, 目前尚無統一的外觀規範或國際標準, 因此很難評估同一軌道上的不同馬達系統.
所以, 也希望國內電機廠商能夠先內部聯合起來，確定一個內部的 “國家標準” 為了業界的面貌, 這將使整車製造商更容易設計車架，並為上下游零件製造商提供更多想像空間. 同時, 它還可以迫使國外主要品牌考慮統一標準.
然而, 排除車架驅動輪組等外部因素, 如何評估中樞運動系統非常簡單. 無論是傳統自行車還是電動自行車, 參數和配置是次要的, 而核心問題始終好不好騎. 在此背景下, 中央馬達之間的比較是有道理的.
根據我的經驗, 良好的中置馬達系統需要速度快, 準確的, 無情, 且經濟, 以及實現低存在感.
快速地 – 電源響應速度要快, 與許多汽車不同, 更喜歡將加速器調整為 “懶惰的”. 自行車, 尤其是運動自行車, 專注地踩著，從一隻腳走到另一隻腳. 對於具有電動輔助的運動自行車尤其如此. 如果踩踏有延遲, 會對騎行節奏產生很大的影響. 博世中央電機反應速度可達 50 毫秒, 一些國產中置馬達反應時間甚至更快.
準確的 – 中央馬達輸出功率要準確, 並且不能被踩到, 也不可以 “脫掉” 立即地. 不同檔位之間的輸出變化應呈線性, 最終達到盡可能多踩的效果, 實現人車一體化.
殘酷的 – 扭力要大, 這是中置馬達的先天優勢. 透過內部離合器齒輪組合, 可以達到扭力放大的效果, 無論是否平坦路面騎乘都能獲得更高的扭矩, 攀爬, 或在負載條件下.
經濟 – 能耗低, 提高續航無非兩點, 打通來源、降低成本. 使用更大的電池組是一種選擇, 但由於目前的科技水平, 電池能量密度幾乎是固定的, 而且自行車不能配備誇張的電池. 所以, 著力提高中央馬達能耗水平.
低存在感是指騎乘時需要安靜、平穩. 最好讓人們忘記他們正在乘坐電動輔助車輛. 騎乘時沒電時, 不應該有拖拉. 最重要的是, 中央馬達應足夠堅固耐用, 具有良好的防塵防水性能, 不應該讓車主擔心後期保養.
以最近測試的Newark SP20中置為例 以馬達系統為例, SP20具有動態監控系統，由內建扭力感測器和兩個速度感測器組成, 可以在毫秒內準確捕捉腳步動作. 透過紐瓦克自主研發的演算法進行分析, 輔助補償指令輸出至電機, 無空步或長功率響應過程, 邁步或行走時實現快速反應，無延遲, 上坡起步時更方便 – 快速地.
同時, 指令訊號透過FOC以正弦波方式控制電機 (磁場定向控制) 和正弦脈寬調製 (正弦波脈寬調製) 技術實現準確、流暢 馬達的控制 扭力輸出. Newark SP20的控制演算法還可以結合各種感測器的即時數據，使馬達的輸出與步進的力量相匹配, 修正輸出功率, 對真實路況與踩踏場景進行補償與平滑，達到精準助力.
SP20系統中額定功率250W、峰值功率500W的馬達採用外轉子結構, 比傳統內轉子馬達具有更多級數. 減速機構用於放大扭矩, 在低速情況下可以產生更大的扭矩. 不僅能滿足平坦道路巡航的要求, 還能輕鬆應付長距離爬坡.
在能源消耗方面, SP20系統採用更高強度的空心主軸, 結合輕量化設計, 減輕了中央馬達的重量，減輕了整車的負載. 同時, 它還減少了中心軸驅動的摩擦阻力, 提高轉換效率, 並且可以達到接近的極限範圍 100 搭配36V鋰電池後行駛公里數, 中短途出行無需擔心電量問題 – 節約能源.
此外, SP20 中置驅動電動自行車馬達的耐用性也得到了優化. 透過三點固定方式與框架穩定連接, 確保馬達穩定運行, 減少顛簸時馬達系統的過度震動, 並有效抑制噪音. 馬達採用半包裹式設計，最大限度地散熱，降低馬達過熱引起的故障風險.
包裝工藝也更注重耐用性, 採用防水防塵設計. 馬達與外殼採用密封製程組裝, 電路板經過防水漆處理, 主軸配有防水油脂和密封圈, 且線束接口採用防水插頭. 理論上, 免維護效果 – 可以實現低存在感.
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雖然國內消費者對電動自行車的關注點仍主要停留在 “品味水平”, 不可忽視的是，越來越多的國內廠商開始參與電動產品的研發.
所以, 作為自行車運動的參與者和相關產品的消費者, 我們有必要加深對電動自行車的認識. 我也相信 E-Bike/Piedelec, 電動自行車, 不應該只是一個 “玩具” 適合國際大亨玩家. 隨著技術進步和成本降低, 電動自行車終將走進越來越多的家庭.
綠天電力公司, 有限公司. 是一家從事研究的專業製造商, 發展, 生產, 原始設備製造商電機, 出售中置驅動電動自行車電機.
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