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电子电气化一辆自行车,有必要吗?

时间:2018-10-11 作者:Bill Schweber 阅读:
当今的单车正朝电动化大步前行,当你跨上一台具有动力踏板的单车,几乎不费吹灰之力即可让车子畅行无阻,也不必担心与电子产品有关的常见问题,这不是很神奇吗?

如今,即使是看来不起眼的人力脚踏车也开始走向电动化。我在此指的并不是车速表、GPS等周边装置,而是更核心的功能:为骑乘和变速提供动力。这种变化正发生在大众市场主流的单车上,而不只是一些专业级或高档的客制单车。mc6EETC-电子工程专辑

先来看看驱动电力。当然,电动单车并不是什么新鲜事儿;早期的脚踏车很快地就发展出附加汽油引擎,使其成为最原始的机车雏型,接下来还尝试发展出各种采用铅酸电池的电动版本。当然,由于当时的马达和控制效率相对不高,以及这种电池化学成份的能量/重量和能量/体积比例不恰当,使其难以真正发挥作用。mc6EETC-电子工程专辑

如今的情况当然改变了(请参考此专门介绍电动单车的网站)。您还可能会看到改装的电动辅助单车,在其座管或下管安装着锂电池组以及电动后轮毂;这些主要用于在大都市的送货服务。或许看起来粗糙而不够优雅,但至少能发挥作用。电池组在某种程度上已经标准化了,因而简化了充电和更换电池。除了DIY 转换套件外,市场上还有一些时尚、优雅的电动辅助单车,采用的电池整合了Trek Bicycle Corp.和Specialized Bicycle Components等主要供货商以及许多新创公司的车架。mc6EETC-电子工程专辑

尽管市场上充斥着各式各样的产品,但美国新创公司GeoOrbital, Inc.推出一款聪明的设计令我印象深刻。这家位于麻州剑桥的GeoOrbital, Inc.成功地在Kickstarter提出了一个创新的想法:一款“插入式”(drop-in)的替代前轮,它结合了电池和马达,可以直接插入任何脚踏车使用(图1和2)。该公司已经打造并销售了数千套,并记录了数千英哩的骑乘旅程。mc6EETC-电子工程专辑

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GeoOrbital插入式前轮在一个单元中结合了充电电池和马达,以及电池管理和监控功能,适用于所有单车(来源:GeoObital)mc6EETC-电子工程专辑

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GeoOrbital插入式前轮的机械布局能够符合各种车型的限制,表现其巧妙的设计、工程与封装(来源:GeoOrbital)mc6EETC-电子工程专辑

我自己都想试用这种电动车轮了。这一设计想法似乎可以让我们不必花钱去买昂贵或专业的单车。但我唯一的顾虑是,由于“回转效应”(gyroscopic effect),在前轮上多次旋转将会对于单车的操控和机动性产生不利影响。(对于那些认为以前轮作为陀螺仪能让单车稳定的人:不好意思,这已经是一种早已被多项实验拆穿的迷思了!只要Google一下“如何保持单车稳定”,就会看到许多可靠的实验证明事实并非如此。)mc6EETC-电子工程专辑

这不只是因为单车的电力正在通电。前后变速器也受此电子牵引。传统上,单车使用位于车把或车把附近的变速杆来拉动由许多穿过保护罩的细钢丝制线缆(你知道它们其实称做Bowden电缆吗?)。虽然这是一种简单而有效的解决方案,但也存在缺点:线缆易于磨损和卡扣;替换和调整任务可能简单也可能令人头痛;手指需要很用力才能拉动沿着车架走的较长线缆。此外,还必须努力克服变速器复位弹簧的作用力。mc6EETC-电子工程专辑

解决办法就在于电子变速器。当我第一次看到这些东西时的反应是,“谁需要这些东西?它们只是让一个根本不存在的问题复杂化的多余装置。”然而,显然地,事实并非如此。诸如Shimano, Inc.等高档单车零件供应商已经推出第二代和第三代变速器了(图3)。其原理很简单,但实施其来并不容易:前或后变速钮——而非变速杆——启动相应变速器上的电动机构,变速钮和致动机构之间的连接可以采用硬接线或无线方式。当然,每一种选择都涉及成本、安装以及修改。mc6EETC-电子工程专辑

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电子变速器或许看起来像是不必要的功能,但是,Shimano Ultregra D12前变速器(图标)及其搭配单元由于简便、功能性和效能等因素,吸引业余和专业车手的目光(来源:Shimano)mc6EETC-电子工程专辑

电子变速已经被大多数竞赛和许多挑剔的车手认可了,并且广泛用于业余爱好者和环法自由车赛(Tour de France)的专业车手。虽然业余车手可能会喜欢,因为它很“容易”操控,但如果不能真正带来性能优势,专业车手是不会使用的,即使电子变速有一点点稍重,甚至成本更高,但这都不成问题。此外,电子变速更可靠,充电电池的续航力可达数千英哩。mc6EETC-电子工程专辑

当今的单车正朝电动化大步前行,其势不可挡,尤其它还带来更多优势(当然,这也是需要付出代价的)。同时,当你跨上一台具有动力踏板的单车,除了身上的肌肉之外,完全不费吹灰之力即可让单车畅行无阻,也不必担心微控制器(MCU)、电源、接线或无线连接、是否易受EMI/RFI干扰等与电子产品有关的各种常见问题,这一切不是很神奇吗?mc6EETC-电子工程专辑

你有电动单车吗?是否曾经骑过这种高科技的动力脚踏车?您对这种电动化的单车有何看法?会不会很快地就会出现单车升级软件供用户下载?就像特斯拉(Tesla)的电动车(EV)和其他车辆的情况一样?mc6EETC-电子工程专辑

编译:Susan Hongmc6EETC-电子工程专辑

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本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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