電助力套件應用：自行車 ( I )

電助力套有著各種豐富的應用場合，本系列文章就是針對個別的產品應用進行詳細說明；而筆者一開始是由電動自行車的需求開始，之後才將其獨立發展為電助力套件的形式，因此也就先由自行車開始介紹起。

一套電助力系統，基本上要有三個基礎單元，分別為電源、動力馬達及控制器。以行動類的應用來說，大多係採用電池的直流電源，且往往會因各家電池規格不同，會有電壓值的規格差異；以電動自行車為例，目前主流電位是36V，但已有增加至48V的趨勢，若需要更強大的動力時，就會拉到更高的電壓值，筆者的個人經驗已然達到了144V。另外就是電池容量的差別，常見的標示為安時(Ah)或是瓦時(Wh)，如下圖所示，數值越大往往代表電動自行車的續航力就越長。

而電池的售價，除了受到電池規格的影響之外，其實外殼與法規占了很大的比重；自行車電池的高售價，追根究柢還是因為車型所引起的。各家自行車廠持續不斷的各種車款造型設計，連使得電池亦需要有各種可搭配的外觀做變化；而每設計一款的電池外殼就需要重新進行法規認證，之後將每次認證的成本攤於電池當中，一旦攤提的電池數量不足時，這就導致了自行車電池的售價十分驚人。

同樣的情況在手工具電池，就截然不同了；同樣是需要考慮認證成本，然手工具機並不在意電池外觀，一組電池外殼可以重複沿用，隨著銷售量與時間的流逝，模具及法規認證的成本早已攤提殆盡，因此售價對比於自行車電池就顯得物美價廉。

由於手工具電池價格相對低廉，長期的使用及生產經驗豐富使得品質穩定，且銷售通路豐富容易取得，已然是個十分成熟的產品，故本電助力套件亦可支援此類手工具電池。但其電壓18V及容量6Ah較低，故馬達需要針對工作電壓進行客製化調整；而低容量對於自行車的續航力會有所限制，所幸手工具電池重量輕體積小，若真的有長途騎乘的計畫，可攜帶多組電池，以備不時之需。

上述提到電池電壓規格的不同，馬達得要配合調整，不然速度及動力會有誤差，如下圖中可見紅色實線為48V較高電位的馬達輸出特性，而藍色虛線段即為36V的較低電位表現，X軸標示著轉矩(Torque)代表馬達力量，Y軸標示轉速(RPM)代表馬達速度；可以觀察到無論是力量或是速度，皆因工作電壓不同而有著明顯的落差。故馬達會針對工作電壓進行生產規格變更，確保馬達輸出特滿足產品應用所需；但這也表示馬達的通用性並不佳，必須客製化處理，才能達到最好的輸出效果。

由於馬達的細節規格，一般民眾較不容易理解，往往會轉換為功率(W)，方便消費者比對；然而功率一詞還分為輸入功率及輸出功率兩種，輸入功率可以視為馬達的耗電狀態，輸入功率越大就代表吃電越兇，對電動自行車的續航力造成衰減；輸出功率越高則是馬達出力越多，騎乘者就會越輕鬆。

理想上就是輸入功率越小越好，而輸出功率越大越好，因此輸入與輸出之間還有個能量轉換的效率值，效率越高代表輸入直接轉成輸出的比例越高；而輸入與輸出之間的能量落差稱之為損失，會轉換為熱能形式產生，之後消散於環境當中，也導致了馬達會有發熱的情況，輕則影響馬達效率下降，重則造成燒毀故障。

故馬達的設計上，除了工作電壓的注意，還需著重於馬達本體能量轉換效率，結構散熱能力的規劃，以及與外部機構銜接的能力等等；這些種種的要素，使得馬達產生了龐大的多樣性及客製化的必要。如下圖為例，皆是做為動力輪需求的輪轂馬達，但無論是規格、內部機構，甚至是外觀造型都天差地遠，以應付不同的產品應用需求，如碟煞、鼓煞的安裝介面就不相同，卡式與旋式飛輪亦有差異，無法以單一結構配合。

控制器的部分其實又分為人機介面及驅動器兩部分，其中人機介面就是方便使用者操作的工具，如同機車的油門以及儀表板，可以提供各類資訊以及駕駛操作的功能。電動自行車則是藉由儀錶來顯示騎乘資訊，如電量、時速以及騎乘距離、時間等等；操作方面大多是直接安裝於五通處，使用者踩踏即可反映，亦有安裝油門或是按鈕開關等形式，來進行電助力的操作，如下圖所示。由於人機介面，其實是針對人的使用習慣而設計的，形式的選擇往往因人而異；但功能越豐富，造型越新穎，往往代表售價越高，反之功能越陽春，操作越簡單，則相對較為便宜。

而驅動器的部分，則要可能要應付三方面的需求，分別為電池、馬達及人機介面。一般而言，簡稱為驅動器是因其主要的工作是驅動馬達運轉；但由於人機介面的存在，需要協助顯示電助力系統或是自行車的相關資訊時，就得增加驅動器的工作內容。以剩餘電量顯示為例，驅動器必須要先與電池銜接溝通，獲取電池剩餘電量後，才能轉而告知儀錶；且還要設定儀錶的顯示方式，以圖形或是數值的方式表示；這些種種零散的工作事項以及人機介面的搭配，使得驅動器一詞不再恰當了，稱為控制器更為精準，然習慣上仍稱這包含了電路元件的部分為驅動器。

所幸驅動器的體積並不大，如下圖所示，故自行車廠大多將其藏於車架或是電池盒內，以達到美觀的效果，但散熱及故障維修時就顯得麻煩。但若是傳統自行車改裝，會缺乏安置及藏匿驅動器的空間，故本動力套件將其設計固定於座管處，可藉由椅墊略為遮掩。

電動自行車的壽命問題，首先發難的往往是電池，如同手機的鋰電池一般，必然會有老化衰減的困擾，筆者遇過最誇張的經驗是一年一換，但由於自行車電池的特殊性，每次更換費用高達一萬元；兩年後使用者受不了，修改採用手工具電池，反倒是延長了電池使用壽命，且後續更換電池的費用也大幅降低了。而自行車電池壽命為何低於手工具機電池? 這顯然就是產品成熟度的差異，即便採用相同的保護技術手段，但手工具電池是千錘百鍊後的正式產品，而自行車電池每每更改結構造型，就宛如新生兒一般，充滿著未知可能性。

其次就是驅動器壽命，主要是受到內部為數眾多的電子零件影響；已知個別的電子元件的不良率單位為百萬分之一(PPM)，但若電路板上使用了一萬個電子零件，那整體良率就降為百分之一，甚至誇張點講，若電路板上使用超過一百萬個零件，那不良率就是100%。除去電子元件的不良率之外，電路當中往往會使用電容元件來協助穩壓工作，而電容就如同電池類似，會有明確的老化衰減現象無可避免，即便高品質的電容有效使用工時可達到1萬小時，但仍然是有了時間壽命的限制。上述這兩點顯然就告知電子產品其實是有不良及壽命問題的，會需要後續的更換維修服務。

最後才是馬達的壽命，主要得力於內部大多為機械結構，同時還會進行防鏽、烤漆及強化等處理，使得氧化所產生的老化效應時間大幅拉長，使得馬達壽命亦隨之延長。馬達內部較為容易受到影響的元件為感測轉子位置的霍爾感測器(Hall Sensor)，所幸總共僅使用了4顆，因此故障的比例會遠低於使用眾多電子元件的驅動器。其次是馬達所使用的軸承，主因往往是長期使用後，內部的潤滑油流失，導致軸承內部滾珠開始磨損，但此異常的生成週期會需要高達十年以上；當軸承故障產生時，也僅需要更換軸承後，馬達仍可順利運作，維護成本並不高。

再來則是非預期的故障，大多是在連接線的部分；由於採用實體線材進行電池、控器、馬達、車燈等週邊設備的連接，電動自行車上會有許多連接線需要進行收納。當車友收納的十分精簡，導致線材過度彎折或是擠壓，有可能造成內部銅線受損，進而產生接觸不良的故障情況；反之，收納過於寬鬆，亦可能造成線材被勾到，瞬間的外部受力，亦可能造成內部線材斷裂的發生。其實連接線故障，反而是筆者最常遇到的異常，主要是過往自行車整體皆為金屬結構，相對強度較高，組裝人員的安裝力道已然養成習慣，甚至力量過小會判定為組裝不良；但這些電器連接電線受到尺寸限制，希望盡可能的細小，避免影響到自行車的美觀，因此相對強度會遠弱於自行車的其他部件，禁不起師傅所習慣的組裝方式，這才導致連接線的故障異常層出不窮。

而對一般消費者而言，自行車的使用年限是相當長的，甚至可能一輩子都預期自行車完好如初，畢竟除了電助力套件之外，自行車其他組件要壞掉的機率都十分低。哿暢機電同樣不希望浪費地球資源，期待電動自行車可以陪伴消費者一輩子，因此對於銷售出去的電助力產品提出"一年保固，終身保修"的承諾，願每一台電動自行車陪伴您的一生。

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