两轮上的新自由

性能更为强劲的电动助力自行车驱动器已研发成功

电动自行车的驾驶延伸了个人的行动范围,让人愉悦又能帮助人们保持健康和保护环境。难怪该市场正以创纪录的速度增长。所谓的电动助力自行车(Pedelecs)增长尤其强劲,德国对电动助力自行车没有上牌、责任险、考取驾驶执照或佩戴头盔的硬性要求。集团公司凭借一套创新的完整系统,正通过旗下初创企业Amprio进军自行车电驱动系统的市场。

想要开发新业务,有时我们需要横向思考。2015年,莱茵金属举办了全公司创意大赛,旨在将员工提出的非传统但有发展前途的想法付诸实践。

大赛授予优胜者“企业内创业者大奖”。个人或团队可以展示他们的方案,五位获胜者在实施过程中将获得企业的支持。大赛的一位获胜者提出了3D打印产业化的方法(参见本期杂志第10页),另一大奖则授予为电动自行车增长市场开发智能电动助力自行车驱动设备的建议。方案提交者是集团内三位自行车爱好者,他们在业余时间里也专注于电动助力自行车技术的研发。迪特马尔·格雷文(Dietmar Greven)是发明者之一:“我们在团队中优势互补,相得益彰:亚历山大·鲍曼(Alexander Baumann)来自销售领域,托尔斯滕·科瑞尔(Thorsten Krill)能够将自身生产方面的经验带入项目,而我的特长则涵盖了智能电动车驱动结构设计的方面。我们一同为智能电动车驱动器提供了一个全面的解决方案,不仅考虑了研发,还包含了生产和维护。项目的可行性说服了评委们。”如今,格雷文负责AMPRIO驱动器产品的开发。这家初创公司由“企业内创业者大奖”创立,专门负责开发和销售电动助力自行车系统。

研发过程中的新角色

对于参加该项目的莱茵金属汽车公司员工来说,进军智能电动车驱动市场意味着彻底的转型思考。企业原本作为汽车供应商通常会收到客户的规格表,规格表尽可能详细地规定了技术和结构方面的关键数据。供应商所面临的挑战在于如何相应地开发和制造产品。

这家年轻企业的首要任务之一在于对市场的期待进行分析

电动自行车市场则不同:这一市场中有各种不同规模的自行车制造商。这些制造商并没有创建自己的要求目录,而是期望将智能电动车驱动器制造商的高性能转化为自身系统能力的一部分。因此,这家初创公司的首要任务之一是对驱动需求做市场调研分析,总结和制定自己的规格表。规格表中的标准涵盖了载荷谱、尺寸、重量,当然还有质量方面的标准。此外,自行车上可见部件的外观也是不容小觑的考虑因素。

目前,已趋成熟的电动助力自行车方案包括一个由驱动单元、电池和操作单元组成的协调完整系统。这家汽车供应商企业还专注于技术复杂的精密部件,这自然而然也决定了企业设计生产的这款驱动器面向高端市场的定位。电池单元能够快速完成充电,该单元由21700个先进的圆柱形电池(单电池尺寸21x70mm)组成。此外,AMPRIO所开发的操作系统具有直观可理解的逻辑和易读取的用户界面。但这还不是全部,这家初创企业投放市场时还将推出自己崭新的连通方案。

AMPRIO系统的研发人员特别注重紧凑型尺寸和轻量化结构

功率强大的驱动装置可提升至80牛顿米相对较高的扭矩。然而,对于研发人员而言,比最大值更重要的是系统的正常性能和控制质量。驱动所提供的支持必须对骑行者踩踏的节奏和力量非常敏感。“我们的目标是让自行车的电驱动助力系统不动声色地提供动力辅助,让骑车人实现特别和谐的驾驶行为,”在AMPRIO负责整体系统开发的霍格尔·普里斯(Holger Pries)解释道。

小而轻的驱动单元

电动助力自行车系统的核心包括电动机、传动装置、控制电子装置、扭矩传感器和底部支架的驱动单元。企业对自身提出要求,特别强调紧凑尺寸和轻质结构。有两个参数在电动助力自行车驱动器的几何设计中起决定性的作用。一个是踏板间距,即所谓的Q系数,另一个是驱动单元的总长度。小踏板间隙可确保骑车者在踩踏时能够保持自然的腿部姿势。AMPRIO系统的踏板轴承轴比大多数竞争对手的产品方案短约10毫米。这不仅可以实现极低的Q系数,而且还可以灵活选择后桥的动力传输:在无需更换驱动单元的情况下,制造商可选择为其自行车配备链条或皮带驱动装置

德国电动自行车的市场发展

电动自行车已成为潮流。专家估计,到2018年仅在德国就销售了大约90万辆电动自行车。 这意味着销售额增长了25%。2017年,根据两轮车产业协会(ZIV)的数据,德国销售了大约72万台电动助力自行车。随着这类电动助力车的市场份额不断增长—目前约占整个自行车市场的20%,电动自行车作为增长势头强劲的分类市场,其重要性与日俱增。从中期来看,两轮车产业协会预计电动助力车在整个自行车市场上所占的年度份额为23%至25%,长期甚至高达35%。

另一方面,驱动器壳体的安装长度较小,踏板轴承和后轮轴之间的距离较短。这让自行车具有非常好的操控制性,其操控性可与没有电驱动的传统自行车相当,而且机动性高,操纵轻巧,可动态调整。这对于山地自行车而言是一个特别重要的参数。“在这两个方面,我们都能与市场主要竞争对手相媲美”,格雷文表示。

企业协同效应助力目标的实现

驱动单元的紧凑设计主要可以通过所使用的电机来实现。在集团公司内,这家初创企业开发了此类电动机,并考虑到了电动助力自行车驱动器的特殊要求。由于线圈沟槽间距很大,电动机具有非常高的功率密度,而且所使用的绕组线直径规格让电动机产生很小的热量损失。位于诺伊斯的系统开发商还在其他领域充分利用集团内部的协同效应。

电动助力自行车系统可以作为整个微型电动车领域的基础。

例如,汽车部门的同事为测试台检查和铸造外壳设计提供了支持:壳体部件的设计优化和现代轻质结构解决方案使驱动单元实现了小于3千克的目标重量。除此之外,工程师们还利用创新的3D打印技术完成短期内的组件样品制作,用于应对接踵而来的声学和性能测试。在这个过程中,他们也与Solidteq公司密切合作,Solidteq也是“企业内创业者大奖”框架下所成立的一家增材制造领域的初创企业。

电动助力自行车系统计划于2020年开始投产。企业最初阶段的重点将放在山地自行车、城市和骑行旅行用的自行车产品上。长远来看,该公司将在此基础上涵盖整个微型电动车系列,从两轮到三轮再到城市用四轮车

“在配套环境领域,所有的变化发展都必须加快点速度。”

海因里希·迪斯蒙(Heinrich Dismon)作为莱茵金属汽车股份公司首席技术官通常从事的领域是四轮车技术,但是他对两轮车技术也了如指掌。我们与他一起谈论全新的AMPRIO系统研发。

在开发电动助力自行车驱动器的过程中,您在多大程度上受益于莱茵金属集团其他部门的专业技术知识?

涉及到驱动单元,我们当然能够充分利用莱茵金属汽车集团的专业技术知识,例如在电动机专业领域以及一般的机电一体化技术领域。这一专有技术对电子配置和电机控制也非常有利。然而,在其他一系列的主题领域—例如电动机的调节方面,我们正致力于开辟新路径。与内燃机上的电气部件相比,电动自行车驱动单元与操控者有着直接的互动关系。在主观感受上,电动自行车的扭矩叠加对于最终客户来说是不同的,感受和性能必须相适配。

您开发的其他组件情况如何?

人机界面(HMI)、电池系统与上层系统方案一样,对我们来说都是全新的,因此我们为这些领域的开发和生产寻求了外部的支持。同样的,我们也招聘了新员工,他们不仅带来了专业知识,还带来了对未来发展的预见和认识。总而言之,整个团队取得了很大进步,工作也非常出色。

产品开发过程中,隐藏的障碍在哪里?

对于莱茵金属集团而言,电动助力自行车市场是一个完全不同的商业环境。其产品周期要短得多,所以一切的执行速度都必须比汽车行业要快的多。电动自行车的商业环境更不稳定—这一点既有积极的一面也是消极的一面,但我仍然认为微型电动车是莱茵金属集团重要的未来市场,这也为产品服务的多样化提供了极好的机会。

反过来看,其他部门可以向Amprio公司学习什么?

如前所述,在这种商业环境中,一切都要更快一些。速度快,但结果仍必须专业。我认为,汽车市场也将不得不进入这种发展模式。现在汽车行业的新晋企业其实施速度也非常迅速,例如不少的电动汽车初创企业。另外,连通性和数字化这些主题也是企业必需专注的领域。这里同样需要速度。顺便提一句,连通性也是集团在电动助力自行车领域所关注的一大重点课题。

您认为未来电动助力自行车的法律框架会有任何改变吗?

可以预见的是,欧洲立法者针对电动助力自行车—尤其在性能方面—将做出新的规定,以便所有电动自行车的性能都能达到同一水平。竞争力的强弱必须在其他方面体现。这其中也包括对于最终消费者显得十分重要的连通性。

产品所使用的电动机是否专门应其预期用途和要求而开发?

是的,电动机、传动装置、甚至电子装置都是特别打造的解决方案。我们现有电动产品目录中的标准电机在这里只能有限适用。我们将凭借自身研发的驱动器进入电动自行车和运动市场,在这里我们必须穷尽电机各种可能性的极限,例如输出功率的热稳定性。山地骑行时要保证不能几分钟后功率就出现下降。另一个研发重点是声学。由于骑行人非常靠近电动自行车上的驱动单元,因此必须尽可能抑制发动机噪音,特别是传动系统的噪声。

与许多竞争对手一样,Amprio系统的工作电压为48伏而不是36伏。你们为什么选择更高的电压?

事实上,有一系列的制造商目前的工作电压都是48伏,市场新晋的企业也一直都采用这一级别的工作电压。我们做出这个决定是出于几个原因。一方面,我们能够在较高的电压水平下以更小的电流实现所需的电功率,从而让电缆横截面变得更小。此外,原则上还存在更大的潜力来提高驱动器或电子设备性能,以便适用于其他应用领域。还有一个原因:汽车领域辅助部件的控制电压水平设定为48伏,在这一工作电压水平下,必要部件和技术解决方案已经存在,并且能确保大批量供应,这一点优势也具有决定性影响。我们由此可确保供应的安全性,当然也希望获得成本效应。

您自己也是位充满激情的骑车人。您怎么看自行车,尤其是电动自行车?

是的,两轮车是我的爱好,我有一辆山地车和一辆公路自行车。但目前,我仍会继续用肌肉力量来驾驶山地自行车,因为我无法想象自己去使用竞争对手生产的自行车。如果是电动山地车,那么必须只会用Amprio驱动系统!我想这一点应该是不言而喻的。

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