电动自行车正处于鼎盛时期。它们是如何设计的?

Lime是一家美国运输公司，在世界各地的城市经营电动滑板车、电动自行车、普通脚踏自行车和汽车共享系统。该公司最近宣布，它已达到1亿5千万次乘坐都是100%使用可再生能源公司成立三年后。

但从电力的角度来看，这些新时代的交通工具是如何制造的呢?在这篇文章中，我们将尝试介绍一些设计电动自行车的基本技术概念。

估计电机功率

设计E-Bike的第一步是估计所需的电机功率。为了推动自行车前进，马达应该提供克服几种不同的反作用力的力量。例如，当我们上坡时，重力把我们拉下山。如下图所示，重力下坡的力为:

$ $ F_d = mgsinφ(\)$ $

其中m是总质量，g是引力场强，和φ是倾斜角。

骑自行车上山时，骑自行车的人必须施加比重力更大的力来推动自行车和骑自行车的人。使用的图像礼貌是自我驱动

抗风和轴承和轮胎摩擦是应考虑的其他主要相对的力。确定风拖曳力的一些重要因素是骑车者和自行车正面区域和相对于逆风的自行车速度。

电机提供的推进力(Fp)应至少等于上述三种相反力(重力、风和滚动阻力)的总和。将F_p由自行车速度v_b为我们提供电机应提供的最小功率:

P_电机，闵= F._p•V._b

在实践中，我们需要向上扩展这个值，以考虑损失。此外，E-Bike的加速要求将授权使用甚至更高功率值的电机。

估算电子自行车的范围

电动自行车在平地上的最大速度通常被限制在每小时30公里左右。因此，使用具有更高功率容量的电池将增加电动自行车的续航里程，而不是它的最大速度。电池功率容量，以瓦特小时(Wh)表示，表示电池中存储的能量量。这种能量被用来产生一种推动自行车前进的力量。

假设电动自行车以其最大速度行驶v_b,_最大限度跨越地面的推进力是F_P，级别。在这种情况下，我们可以使用以下方程来估计给定功率容量的范围:

$${F_{p, level}} \cdot {v_{b, max}} = {F_{p, level}} \cdot \frac {Range}{time}$$

$$ range = \ frac {电池电量容量} {f_ {p，level}} $$

例如，F_P，级别= 30.N加上480 wh的电池，我们的续航里程可以达到57.6公里。

电池类型：铅酸与锂离子

电动自行车常用的两种电池类型是铅酸和锂离子电池。铅酸电池更便宜但具有较低的能量密度。

电池的能量密度指定电池可以提供在质量单位（每千克）或体积（每升WH）中的能量的量。基于质量的定义被称为电池的特定能量，并且基于体积的度量称为电池容积能量密度。

如下图所示，锂离子电池的比能量密度大约是铅酸电池的3倍。

能量密度比较大小和重量。使用的图像礼貌Epec

此外，锂离子电池提供了更高的放电和效率，这意味着锂离子电池的有效能量密度可以比上述图更好。此外，锂离子电池具有更长的寿命。

锂离子电池的主要缺点是它们对过热敏感，并需要电池管理系统（BMS）以将温度保持在指定范围内。应保护锂离子电池免受充电/放电。如下面的电子自行车框图所示，BMS需要在检查中保持电池的不同参数。

电动自行车电动推进系统。图片由Waraporn Puviwatnangkurn等。AL.

BMS的另一个常见功能是保护电池免受过载或短路情况下可能发生的过流。

电机类型和驱动:无刷直流电机

无刷直流(BLDC)电机是电动自行车应用领域中常用的电机类型。

无刷直流电动机比有刷直流电动机具有更高的效率、更长的寿命和更低的维护要求。此外，无刷直流电机的尺寸更小，因此，适用于电动汽车应用，要求电机具有高扭矩重量比。

然而，无刷直流电机需要复杂的控制算法来实现所需的功能，如更严格的控制所获得的转矩/速度，更少的脉动，和更好的驱动动力学。对于电动自行车的应用，减小扭矩波动是最重要的方面，因为它直接关系到驾驶的舒适性。

BLDC结构要求复杂的控制算法。对于无刷直流电机，线圈在定子上，永磁体在转子上。需要一个电子电路(控制器)以适当的顺序给定子线圈通电，以便定子产生的磁场使转子旋转。

下图显示了一个简化的无刷直流电机结构以及控制器框图。

实现霍尔传感器的无刷直流电机控制框图。使用的图像礼貌德州仪器

控制器需要了解转子相对于定子的当前位置，使得它可以用正确的顺序激励线圈。转子位置通常通过集成到电机中的霍尔传感器来确定。

结论

石灰估计，清洁基于能源的游乐设施，如E-Bikes，已保存1,300,000加仑的气体。广泛的E-Bikes吸收可以减少对短途运输的个人汽车的依赖，并使用更绿色的星球离开后代。

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