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電動輔助自行車之動力輔助技術分析與驅動系統設計

摘要"

隨著全球暖化議題不斷發酵,以節能減碳為訴求的綠色科技持續被重視,具有運輸且兼具休閒運動功能之電動輔助自行車,近年來便是在這股趨勢下相當熱門的綠色產品。根據Bike Europe的統計,歐洲電動輔助自行車市場從2003年的7萬輛的銷售量,已增長到2015年約170萬的銷售輛,年複合成長率高達30%。國內傳統中高級自行車,每年出口約400萬輛,而電動輔助自行車,則每年出口僅約8.5萬輛,代表國內電動輔助自行車之相關技術及行銷方式仍有提升的空間,以符合更廣大的全球市場需求。基於此,本文旨在探討電動輔助自行車之關鍵的動力輔助技術架構,並說明電動輔助自行車之驅動控制系統之分析與設計。

關鍵詞:電動輔助,自行車、動力輔助、馬達驅動控制

近年來全球暖化危機持續存在,2015年巴黎協議決議[1],未來全世界的國家需共同努力在本世紀末前,讓全球平均氣溫升幅不超過2℃,並以1.5℃做為努力目標,藉由控制溫升減少氣候變遷造成的風險和影響。因此,持續降低廢氣排放量及發展新替代能源,仍是未來科技發展的重點。從廢氣排放觀點而言,與人們日常生活息息相關的交通運輸其所產生的廢氣排放量是僅次於工業的廢氣排放量,也是造成氣候暖化的主因之一。所以,使用環保、無污染及純電力來驅動的交通工具,日益受到人們的重視,特別是具有運輸且兼具休閒運動功能的電動輔助自行車,便是在這股氛圍及趨勢下相當熱門的綠色產品。據Bike Europe的統計[2],歐洲電動輔助自行車市場從2003年7萬輛的銷售量,已增長到2015年銷售接近170萬輛,年複合成長率高達30%,主要原因是歐洲大陸相互連接,電動輔助自行車比起純電動自行車有較多的操作模式可挑選,如圖1所示,且若在省電模式下操作,不但可增加騎乘里程數,同時又有省力及運動效果,是非常受歡迎的車種,因此電動輔助自行車是未來自行車產業中非常重要的主流產品。
台灣自行車產業發展超過40餘年,傳統中高級自行車,每年出口約400萬輛,一直是全世界自行車的重要供應來源。而電動輔助自行車,2015年出口約8.5萬輛,其中出口至歐盟地區的數量為6.7萬輛,年增長率為16.8%;出口至北美地區約7,034輛,年增率達到30.5%[2]。整體而言,電動輔助自行車的出口數量與傳統中高級自行車相比,仍有許多進步的空間。目前電動輔助自行車在國內的發展大多依循傳統製造模式,注重加工技術的精進與外觀及人因之整體設計,但針對重要的電動輔助系統,則多以採購國外電動套件加以整合,以降低成本及縮短開發時程。就短期之發展而言,確實可以快速切入市場,但就整體自行車產業之長期發展而言,卻存在著關鍵動力輔助技術無法自主掌握的隱憂。基於此,本文將以電動輔助自行車為對象,分析探討系統核心的動力輔助系統架構;並介紹在驅動系統上的分析與設計,期許為國內電動輔助自行車產業共同努力。

動力輔助策略

電動輔助自行車是一種結合電動馬達、電池、驅動控制器及動力輔助策略的新型態自行車,如圖2所示。當騎乘者經由踩踏自行車踏板時,可透過安置在踩踏處或電動馬達處的各式感測器,擷取出使用者之踩踏力,再依此踩踏力之大小觸動動力輔助策略及控制馬達輸出輔助動力,達到使用者輕鬆省力的騎乘效果。市售的相關產品中,獲取使用者踩踏力的方法約有三種:(1)在踩踏軸中安裝扭力感測器[4];(2)與鏈條同側之後輪軸安置扭力感測器[5];(3)由踩踏軸之速度感測器[6]推估,如圖3所示。而目前電動輔助自行車之系統中,常見的動力輔助策略方法有兩種:固定輔助力法(Constant Assisted Power)與比例輔助法(Proportion Assisted Power)[7]。……(更多內容,請見機新刊雜誌)

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