如何开发电动自行车电机系统？ – 参观Bosch电助力自行车分部

2024年01月08日 18:30 来源：ebike-mtb 作者：Rudolf Fischer

　　如何将电力变成令人愉悦的自行车骑行？换句话说，如何开发电动自行车驱动系统？我们参观了Bosch eBike Systems ，与他们的开发人员、产品经理和首席执行官克劳斯·弗莱舍（Claus Fleischer）讨论了这个过程中最有趣的方面，并让你了解了电动自行车巨头的幕后花絮。享受电机开发的基础知识！

　　失败与成功：电动自行车电机市场有很多参与者，并且仍在增长。然而，也有很多玩家退出了这个领域，失败和破产的情况屡见不鲜。然后是Bosch eBike Systems ：驱动系统开发商不仅是电动自行车领域的先驱，而且从一开始就在塑造市场方面发挥了关键作用，并不断扩大其市场地位。Bosch eBike Systems 成功的故事还包括这样一个事实：斯瓦比亚人年复一年地被我们的读者评选为电机类别的最佳品牌。

　　如果你对博世成功的原因感到好奇，你可以在罗伯特·博斯的回忆录中找到一些线索。一个多世纪后，他的回忆录仍然是整个博世集团的指南。在谈到竞争时，该公司创始人写道：“根据我的经验，对于一家想要长期生存和进步的公司来说，没有什么比没有竞争对手更糟糕的了。” 罗伯特·博斯写下回忆录一百年后，他的智慧仍然适用。但成功肯定不仅仅是竞争刺激业务。为了揭开成功的秘诀，我们冒险前往位于德国罗伊特林根的博世电动自行车系统总部，深入了解电动马达开发的幕后世界。

电动机发展的ABC

　　这一次，我们在Bosch eBike Systems 园区访问行程与过往的不同。接待处简短的欢迎之后，接下来是检查身份证件、询问访问权限和获得拍照许可的官方程序。此次活动不仅包括了参观生动地描绘了公司历史的奖杯柜和展品墙，还包括一睹博世安全门后面的内容。然而，我们并没有被授予无限制的访问权限；我们被允许参观开发实验室、系统测试台、测试跑道和会议室。

　　正如一开始提到的，电动自行车行业现在拥有数量惊人的电机制造商和品牌。然而，尽管进入门槛看似较低，但很多因素在决定成功或失败方面发挥着关键作用。在博世，我们希望探索成功开发电机的可能方法。乍一看，新型 Performance Line SX 电机可能不是同类产品中最具创新性、最紧凑或最轻的电机，但它具有许多优点。有些是该电机特有的，例如最小助力和全功率之间的平衡，而另一些则更具博世特色。那么到底是怎么回事呢？运动发育的基础知识是什么？如果有人能从字母表中的五个字母中创造出更多的东西，那就是博世。

A 如模拟自行车

　　如果你想开发电动自行车电机，你必须从我们都喜欢的东西开始：踩踏自行车。我们中的许多人发现自己喜欢在没有电动辅助的情况下骑踩踏自行车。这就是为什么你首先必须提出并回答一些基本问题以了解骑行者的需求和期望。踩踏自行车为我们提供了什么以及我们喜欢它的什么？电机系统可以改进什么，电动辅助可以更好地满足哪些个人需求，以及电机永远不应该妥协什么？

　　除了以前的踩踏自行车骑手之外，还有许多其他目标群体才发现，借助电动机，两轮旅行是探索世界或日常生活中出行的最佳方式之一。为了让这些新骑手加入，我们需要远离踩踏自行车并提出不同的问题。马达可以实现哪些纯踩踏自行车无法实现的功能？这些受众有哪些新的要求、技能和需求？

博世在 2009 年推出了一款原型车，该车仍然基于改装的踩踏自行车。

　　当我们与首席执行官克劳斯·弗莱舍一起回顾公司历史的展品时，从纯人力自行车到电动自行车的演变变得显而易见。第一个原型车在 2009 年制造，最初是一辆现成的人力车，后来通过添加大量的胶带、扎带和一些广泛的修补，变成了“带有电动机的人力自行车” 。它与我们今天所认为的现代电动自行车相去甚远。随着时间的推移，电机系统开发商和自行车制造商已经认识到，电动自行车不仅仅是固定在人力车上的电机和电池，而且不同受众的需求远远超出了硬件的范围。首先是性能和质量等问题，然后是视觉和技术集成到自行车中，以实现更好的设计和操控。在某个时候，一场伟大的电池竞赛开始了，人们对更大的电池容量产生了非理性的、强迫性的需求。当然，这是以牺牲操控性、集成度和重量为代价的。与此相反，轻型电动山地车的供应量和兴趣有所增加。而且这种演变仍在继续：可持续化、实用性、数字服务和定制是当下的流行语。

　　但这还不是全部。以博世为首的一些制造商现在提供从城市自行车和货运自行车到各种步道旅行和 SUV 用途、冒险自行车和用于在国际赛事中追逐秒数的强大竞赛电动山地车等各种产品。最新的产品是博世 Performance Line SX 电机，它是该公司产品组合中最接近人力车感觉的产品，预计将再次为新的自行车创新铺平道路。

　　我们的使命是打造人力自行车与电动辅助相结合的外观和感觉。第一批 eMTB 看起来仍然有点笨拙。

B如电池

　　字母表中的下一个是 B，代表电池。一旦你对这个主题有了更多了解，你就会知道：电池≠电池。再说一次，重要的不仅仅是电池的标称容量。尺寸、电力、巧妙的热管理，当然还有电池化学至关重要。我们与博世电池和充电器高级产品经理、电池专家维克拉姆·戈博勒（Vikram Godbole）博士一起深入研究了技术细节。我们很快意识到我们有点超出了我们的深度 - 维克拉姆真的很了解他的东西：毕竟，他在过去 10 年里一直在博世电动自行车部门从事电池工作，之前曾担任该领域的研发专家，并且他的论文是关于锂离子电池的。对于博世来说，电机和电池应该协调发展。然而，博世的做法是电动自行车行业的例外，而不是规则。Shimano 和 Brose 等竞争对手也为其电机系统提供自己的电池。然而，他们让自行车制造商决定使用哪种电池，并且也允许使用第三方电池。这既有优点也有缺点：一方面，选择范围更广，灵活性更大，但控制更少，电机系统更分散。博世喜欢自己开发电池，从最基本的层面开始：电池化学。为了实现电动自行车电池的最佳功率和能量密度，电池不是直接购买现成的，而是根据博世规格开发的。早年的发展飞跃尤其令人印象深刻：例如，更高比例的镍极大地提高了能量密度。博世的首款电动自行车电池的能量含量为 288 Wh，而且体积相当庞大。如今，PowerMore Range Extender 的容量几乎相同，为 250 Wh，而且电池本身并不比饮料瓶大。

　　自第一代博世电动自行车电池问世以来，电池化学已经取得了长足的进步，使得电池性能更强大、重量更轻。

电池专家维克拉姆在博世工作的 10 年间参与了这些开发。

　　当然，能量密度的积极发展并不是博世的专利。其他制造商也能够推出更轻、更小、更强大的电池。然而，博世的专家表示，目前的锂离子技术很快就会达到极限，必须开发新的电池技术。对于小型轻量电池，发热和热稳定性可能成为电动机系统性能的瓶颈，对于电动机也是如此。特别是在轻型电动自行车的电机系统中，相对较高的负载分布在电机中更小、更轻的部件以及电池中更少的电池上。因此，热管理是一个关键问题，需要由智能电池管理系统来处理。当电机和电池来自同一制造商并且它们的额定功率精确匹配时（就像博世的情况一样），你可以想象当前可以实现的性能基准：小型博世 Performance Line SX 电机的峰值功率非常高，尽管电机重量约为 2 公斤，电池容量相对较小， 400 瓦时，但功率仍有 600 瓦，这使它的马力跻身较重的全功率电机行列。

　　走进衣柜固然不错，但走进冰箱就完全是另外一回事了：博世的系统测试台位于恒温室中，可以产生 -10 至 50 摄氏度之间的测试气温。

　　维克拉姆不仅是电池方面的专家，而且还是充电器和电池的产品经理，他预计我们在电子园区之旅中的另一个要点：B 表示构建块或模块化系统。电池尺寸不仅影响电机性能、续航里程、寿命和充电速度等技术参数。它还影响自行车的整体概念和设计。尺寸、重量和形状决定了电池与电动自行车集成的程度，从而决定了重心、车架布局以及后悬架运动学，最终决定了整体操控性。虽然第一代博世电动自行车电池在设计方面受到很大限制，但博世的第三代电机系统“Smart System,”提供了多种电池形状，并且与所有Smart System,电机交叉兼容。例如，仍然有外部电池，例如 PowerPack 框架，可以快速轻松地拆卸。这对于城市电动自行车爱好者来说特别有用，他们不能总是将自行车存放在电源插座附近，因此需要随身携带电池。它还支持诸如面向竞赛的Lapierre Overvolt GLP III等概念，该车型具有特别平衡的中心重心，并且允许在竞赛条件的压力下在几秒钟内更换电池。可安装在车架内的内置 CompactTube 和 PowerTube 电池，电池容量为 400-750 Wh，为大多数骑行提供充足的能量储备：从下班后的短途骑行到长途旅行。为了满足货运自行车和长途探险者的需求，博世正在为Smart System,开发双电池系统，该系统将于2024年推出。这将直接使电池容量增加一倍。然而，智能系统中的任何电机/电池组合都可以与 250 Wh 的 PowerMore 增程器配对，以灵活地从系统中挤出更多的续航里程。即使对于没有为车架上的电池提供特殊安装点的城市自行车制造商来说，博世也提供了 PowerPack Rack 解决方案：将电池简单地安装在后部行李架上。

　　当被问及博世电池领域还缺少什么时，答案是“标准化插头”。这不仅是电动自行车爱好者的愿望清单的首位，也是制造商的愿望清单的首位。我们的想法是能够为所有电动自行车使用一个充电器，并且如果可能的话，在旅行中不必依赖你自己的品牌和电机系统特定的充电器。相反，你可以使用带有与任何电动自行车兼容的插头的充电基础设施，例如在自行车区的咖啡馆或阿尔卑斯山交叉口的山间小屋中。这就是博世电动自行车系统加入 CHAdeMO 联盟的原因，该联盟已经在推动电动汽车市场充电基础设施的标准化。

　　它可能不像乐高那么直观，但它仍然是模块化原则：所有智能系统电机和电池都相互兼容，使自行车制造商在电池概念的设计和选择方面拥有尽可能多的自由。应用工程师塞巴斯蒂安和西蒙花了整个会议桌来布置所有可用的构建块。

　　塞巴斯蒂安和西蒙与我们一起讨论模块化原理。在他们带我们进入字母C之前，他们想在字母B中加上博世的服务质量。因为电动马达开发的正确ABC不仅包括我们面前桌子上的所有硬件，还包括全面的服务网络保证全球所有博世电动自行车的正常运行。除了保证备件供应外，还包括全面的经销商培训。博世在我们的年度读者调查中始终名列前茅的原因之一是很容易找到当地的联系人。为了确保这一点，博世电动自行车系统开展了广泛的经销商培训计划，预计今年仅在欧洲就有超过 17,000 名培训参与者。此外，欧洲还有 350 家商店获得了博世电动自行车专家认证并接受持续培训。还为经销商开发了特殊的工具和软件，例如CapacityTester，它可以让当地的自行车商店诊断电池故障，而其他制造商则需要将电池或整个电动自行车送返。目前，有很多很少有电机制造商能够建立良好的区域影响力，更不用说全球服务网络的艰巨任务了。

C 作为控制

　　塞巴斯蒂安和西蒙解释说，对于字母 C，我们必须经过博世园区上的几个站点。他们实际上位于工艺链的下游，并将电机系统软件应用于硬件。狭义上，C代表控制；从更广泛的意义上讲，它包括通信、配置、定制和协作。这意味着什么？最好的情况是，好的电动自行车发动机知道骑手在做什么。它可以识别骑行情况并相应地调整电机功率。同时，电机必须以可预测且适当的方式做出反应，以便骑手不会遭受不必要的意外。在第一代博世电动自行车系统中，只有两个箭头按钮可以在 Eco 和 Speed 线性骑行模式之间切换。其他一切都必须由你自己在踏板上的输入来控制。很少在技术小径骑车时，这很有效。但我们骑电动山地车的方式已经发生了变化。动态变化的骑行环境几乎没有时间让人与机器之间进行尴尬的沟通。

　　自那时起，博世在电机调校和可配置性方面取得了长足进步，成为电动自行车行业的领导者之一。不仅有各种各样的电机，还有各种各样的调节选项，可以根据预期用途加载到电动自行车上。例如，对于旅行自行车手来说，动态 Tour+ 模式会根据环境条件和骑行风格不断调整电机功率。在平地上，它旨在提供温和、省电的支持，以实现高续航里程。当你开始爬坡或遇到强逆风时，电机会感知骑行者功率的增加，并相应调整自身的功率输出，为你带来平稳的骑行体验，而无需不断按下按钮。运动型骑手的对应模式是 eMTB 模式，该模式可在较大范围内调节电机功率，并适应技术性骑行操作，例如半坡起步或应对台阶。这使得骑手能够直观地控制电机功率，即使在没有时间按下遥控器上的冗长按钮组合的棘手情况下也是如此。另一个例子是 Race 模式，该模式专为赛车而开发，专门用于Bosch Performance Line CX Race 电机。它的特点是特别直接的响应与强大的动力输出相结合，因此具有高水平自行车控制的专业人士不会在赛道上浪费宝贵的时间。博世还将他们在精密电机传感器领域获得的经验应用到其他产品中，超越纯电机系统的限制。例如，博世的第二代电动自行车 ABS是该公司在其产品系列中提供的越野防抱死制动系统，可让电动自行车新手和经验丰富的骑手在危急情况下更好地控制前轮，从而提高安全性。

　　尽管已经对电机特性进行了微调，博世仍将最后的润色留给骑手。每种模式都可以通过 eBike Flow 应用程序进一步调整，以满足个人在动力和控制方面的需求。基本电机调整过程需要五个地点，其中只有三个位于园区上。在开发办公室编写的软件首先可以在内部系统测试台中进行验证。在不透露太多技术秘密的情况下，我们只能说博世系统测试台是最先进的。它具有特别高水平的动态控制来模拟赛车情况，并可以测量自行车上几个不同点的功率和性能。这样就可以得出有关软件和硬件的精度和性能以及质量控制的结论。这让我们回到了控制的C。系统测试台允许从早到晚连续运行，如果周四中午已经达到每周 40 小时的工作时间，则不会抱怨加班。但尽管测试设施再好，它也无法复制人为因素。这就是为什么我们离开园区的建筑群，前往内测跑道的原因。

　　博世员工需要获得许可才能使用测试跑道。我们需要一份免责声明。测试跑道上建造了各种障碍、爬坡，包括精致的木结构。测试赛道非常“好”，但它没有提供测试所有骑行特性中最重要的一个词汇：乐趣！为此，我们必须离开园区，探索周围的小径，但字母表中又多了 23 个字母，我们没有多余的时间。开发者还与各种电动系列赛的职业车手保持着密切的关系。这样，来自最高级别骑手的反馈意见也会流入他们的智囊库中。

　　实验室和实践经验同在：在博世，电机软件的微调不仅可以在系统测试台上进行，还可以在公司自己的测试跑道上进行。然而，为了获得有趣的骑行体验，他们更喜欢去世界各地的小径骑行。砾石表面和平坦的弯墙需要一些主动的骑行动作。

　　博世在电机开发的ABC中还有另一个C，但被许多竞争对手忽视了：C代表合作与协作。不言而喻，自行车制造商与博世合作并传达他们的要求和愿望。据博世称，这就是为什么有超过 100 家知名制造商选择了博世电机系统。然而，合作意味着不同的东西，这对于博世电动自行车系统来说无异于角色转换。他们希望给予制造商更多的影响力并退居二线。作为一名骑车人，你会注意到这一点的细微变化，例如当你打开 eBike Flow 应用程序时，映入眼帘的是 Trek 或 Cannondale 徽标，而不是博世开始屏幕。到目前为止，博世在这一领域一直占据主导地位。客户对自行车品牌的忠诚度基于博世发动机。在我们的读者调查中，超过 40% 的参与者表示，他们正在骑一辆配备博世电机的电动自行车，并希望在他们的下一辆电动自行车上安装一台同样品牌的电机。博世希望通过更加低调的外观来提升制造商的品牌知名度，这有利于客户对自行车品牌的忠诚度——毕竟，电动自行车的骑行方式不仅仅是电机。当然，这让制造商特别高兴。博世如何改变主意的问题让我们回到了第一位受访者克劳斯·弗莱舍（Claus Fleischer）。

　　为了给赛车手提供最好的（电子）支持，博世与来自各个电子赛车项目的世界杯车手保持密切联系。作为回报，他们会收到来自最高层的第一手反馈。

C 代表 CEO，或克劳斯·弗莱舍（Claus Fleischer）

　　克劳斯自 2012 年 7 月起担任博世电动自行车公司董事总经理，换句话说，他几乎从一开始就在公司工作。与他交谈后，我们很快就会发现，他并不符合大公司首席执行官只关注销售额和利润数据的典型形象。他本人也是一位充满热情的骑手，几乎每一分钟空闲时间都花在自行车上。他不仅对博世电动自行车产品组合了如指掌，而且还很了解自行车群体的需求，而且对电动自行车赛车场景真正情有独钟。当然，一家公司的成功永远不能仅仅归功于一个人，它总是需要一支强大的团队——正如公司创始人罗伯特·博斯已经知道的那样。然而，克劳斯位于商界和自行车界的交叉点，有时会有不同的观点，需要平衡和调和。公司流程运行、高水平专业精神以及严格的流程导向结构在每个安检门和检查站都引人注目。如果你想批量生产高质量产品，则需要这种流程。但这常常会在较为悠闲的自行车行业中引起摩擦。克劳斯将这两个世界结合在一起，并与斯特凡·施利（Stefan Schlie）一起成功地将自己的个人热情“Uphill Flow”转变为公司项目：骑行乐趣不仅在平地和下坡上令人兴奋，而且在上坡上也令人兴奋。他们不仅开发了匹配的电机系统，还参与了各种举措，包括步道建设，以确保步道提供全方位的骑行乐趣。他还高度参与并在群体和行业层面积极游说，无论是电动自行车和越野合法化还是电子赛车赞助。无论主题是什么，克劳斯都是一个你可以平等交谈的人，并且与大多数骑车人有着相同的价值观。但在我们太得意忘形之前，数字化和营销产品专家罗曼带我们看下一封信。

　　在骑行爱好者中：E-MOUNTAINBIKE 创始人 Robin 和编辑 Mike 会见了 Bosch eBike Systems 首席执行官克劳斯·弗莱舍，但聊起天来，感觉大家都是车友。

数字环境中的 D

　　罗曼的专业领域并不那么容易与物理位置联系起来，而是发生在虚拟空间中。我们谈论的是数字环境 D。第一批博世电动自行车是在数字时代创建的。然而，技术和数字工具提供的机会在某种程度上被忽视了。连接性被视为附加组件，而不是产品体验的一部分。今天我们知道，它不再仅仅与自行车有关，而且焦点正日益从硬件转移到软件。对于罗曼来说，很明显，当你今天购买配备博世智能系统的自行车时，你不仅购买硬件，还购买包含所有未来更新和全面服务包的软件。数字环境正日益成为商业模式的一部分，因为你可以订阅其他数字服务。

　　博世之前的数字电动自行车环境是一个私人俱乐部，有严格的门卫。博世希望放松严格的访问控制，并为自行车相关服务提供更多连接点。Strava、Komoot 或 Apple Health 等知名健身和活动跟踪提供商将进入电动自行车领域，其他小型服务提供商也将及时跟进。此外，强大的数字环境有助于从用户体验的角度进行电机系统的开发。例如，这意味着智能系统中的所有电机都可以通过无线方式进行更新。这不仅会让经销商的变得更轻松，而且还将使拥有博世发动机的骑手能够使他们的自行车保持最新状态并添加新功能。许多骑车人可能会感到惊讶，在 2022 年 11 月更新后，eBike Flow 应用程序与 KIOX 300 显示屏相结合突然有了导航功能。

　　增强客户体验的另一种方法是来自单一来源的优质服务包。对于智能系统，这意味着与博世 ConnectModule 的链接。隐藏在自行车内的跟踪模块提供盗窃检测和报警功能。通过Flow+订阅服务，博世在方案中已经有了自己的防盗保护，这不仅起到了威慑作用，还提供了安全感。

E 代表电动机

　　你通过几个线圈施加几伏和几安的电压，这些线圈会产生与永磁体的磁场相互作用的磁场。哇哦，你已经创建了旋转运动，并且电动自行车电机已准备就绪 - 是吗？嗯，不完全是。经过在园区里的长途跋涉之后，我们很清楚：要成功开发电动马达，必须仔细检查从 A 到 D 收集的所有知识并将其集成到马达系统中。当然，电机的尺寸、重量、使用的材料以及物理定律本身都会受到限制。你可以充分探索这些限制，甚至尝试规避它们，以开发更小、更轻、更强、更稳健的电机。但这并不是成功的秘诀。电机硬件只是基础，电机系统赋予了特性，软件使系统焕发活力，围绕电动自行车的服务保证了长期的满意度。

　　如果你要重新审视最初的问题“我们喜欢纯人力自行车的什么？” 从运动山地自行车手的角度来看，以下几点是最重要的：时尚、简约的外观；轻便灵活的操控，提供自然的骑行体验；以及骑手自身的力量和自行车的推进力之间的直接联系。如果你要为此类骑手设计合适的电动马达和马达系统，并且不会过多干扰人力车的外观和感觉，那么你最终可能会得到一个最小的辅助马达。它必须是新的博世 Performance Line SX 智能系统吗？不，海里还有很多其他鱼可能更轻、更紧凑、更容易融入。但选择博世的理由有很多，因为它在质量方面运用全面的方法。当然，峰值功率为 600 瓦的电机缩小了最小辅助电机和全功率电机之间的差距，使一些新的、令人兴奋的自行车概念成为可能。

　　凭借新型轻型 Performance Line SX 电机，博世向前迈出了一大步，同时又回到了一切的起点：人力自行车。

　　成功之路已经规划好了，无论你今天询问哪家制造商，博世都做对了很多事情。E：这要归功于博世多年的经验，这是电机开发ABC的另一个关键成功因素。2019 年，博世电动自行车系统庆祝成立 10 周年。在人类年龄看，该公司甚至还没有达到青少年时期，但在电动自行车时代，他们已经是该行业的资深人士。2021 年，公司推出了智能系统，这是公司成立仅 12 年之后的第三代电机系统。这表明电动自行车市场的发展速度有多快，创新的压力有多大。我们的骑行方式和电动自行车的用途仍在不断发展。自行车和发动机制造商也需要发展，自行车群体也需要发展。人们仍然有太多非理性的意愿去购买具有最高扭矩或最大电池的自行车，而不是着眼于整个概念。博世 SX 电机是朝着市场迫切需要的多元化迈出的一步。市场越多样化，就越能开发出更多新的应用程序，从而使电动自行车能够随着我们不断变化的骑行习惯而发展。

　　E也代表结束。结束？！等等，不是少了21个字母吗？嗯，在博世工业园经过漫长的一天后，我们得出的结论是，成功的电机开发过于复杂，无法用我们掌握的 26 个字母来概括。我们唯一想添加的字母是 F（表示乐趣），我们将以此结束：如果你享受骑行乐趣，字母表的其余部分并不重要。