新技术给便携式电动车设计的影响

陈雨青

武汉理工大学

新技术给便携式电动车设计的影响

陈雨青

武汉理工大学

陈雨青（1995－）女，籍贯：广东省，导师黄妙华，学历：本科在读。

依托武汉理工大学自主创新项目2015－QC－B1－11

新技术的运用给便携式轻型电动车的造型设计带来了巨大的变化。本文主要通过分析便携式轻型电动车中陀螺仪和加速度计传感器技术，轮毂电机技术，压力传感器技术，以及新材料的使用对在车身的尺寸，结构布置所带来影响。通过技术的特征来预测其对便携式轻型电动车造型的改变。陀螺仪和加速度传感器缩短了车身的纵向长度，改变了车身控制方式。轮毂电机技术使车身结构更加紧凑。压力传感器技术改变了控制方式，使车身结构简化，改变了传统的把手结构。以及新材料的使用让车身轻量，整体造型流畅化。技术的运用使便携式轻型电动车向更加轻量化，微型化，智能化的方向发展。

在时代的发展和科技的进步等因素作用下，解决短程距离的交通问题的轻型电动车逐渐走进人们的视野，发展为人们都消费得起代步交通工具。据全国各大城市的市民需求调查，76%的市民存在将其作为代步工具的需求，可见其需求旺盛。在旺盛出行需求带动下，轻型电动车产量也逐年快速增长，从工信部消费品工业司公提供的2015年1－6月自行车行业经济运行数据来看，我国上半年累计生产电动自行车1233.5万辆。近年来我国公共交通的迅猛发展，越来越多需要解决短距离交通运输的轻型电动车，但现有轻型电动车占用空间大，将其携带至公共交通上不利于公共交通的运输，因此重量超标、尺寸过大的轻型电动车被限制携带上地铁等公共交通工具。从这个角度来看，传统轻型电动车在满足用户的需求上存在一定的局限性，阻碍了其在以公共交通为主，以慢行交通为辅的新的交通格局下发挥自身优势。而这些问题的出现也恰恰为今后的轻型电动车发展指明了道路，即当前普遍的轻型电动车要向轻量化，便携化方向转型，发展为便携式轻型电动车。便携式轻型电动车具有方便携带，收纳性强等特性，可以携带至公交车、地铁等公共交通工具上，作为公共交通工具与家庭工作地之间的一个高效连接，成为公共交通的一个重要辅助环节，必不可少的交通工具。

便携式电动车的技术优势及造型特征

便携式电动车的技术优势

1881年，法国工程师古斯塔夫·特鲁夫发明了世界上第一辆轻型电动车，这是一辆用铅酸电池为动力的三轮车，但由于电池的续航能力，稳定性等因素，并没有得到大范围的市场推行，如何提高电池的综合性能成了制约轻型电动车发展的重要因素。21世纪随着高能量密度锂离子电池的出现，在充电时间、续驶里程、动力性、快速充放电能力等方面取得了可喜的进展，许多厂商开始对便携式轻型电动车进行开发和研究。

便携式轻型电动车填补了自行车与电动汽车之间的一个市场空间地带，它的产业化必将带动电池、电机、电控产业的发展，扩大其市场需求。

便携式电动车的造型特征

便携式电动车从尺寸小型化，功能智能化设计理念出发，正从外形结构到控制系统进行脱胎换骨式的改变。在以便携式电动车为依托的基础上，结合集成化微电子技术对原有的电动机，控制系统优化，运用人机工程学对附件尺寸位置及操作所占用的空间等改进，在车身整体结构简化的同时，依旧能保证其续航能力以及舒适性。伴随着便携式电动车产品的不断更新迭代，多学科技术的爆炸与融合，使得未来的便携式轻型电动车不断突破传统的设计理念，成为交通运输设备制造行业的蓝海。

新科技带来便携式电动车设计的革新

陀螺仪和加速度计传感器技术对车体的造型影响

加速度传感器测量车身的线性加速度，具有较高的稳定性。当物体倾斜的角度有变化时，加速度计的输出也有相应变化。陀螺仪检测物体角速度变化，具有高动态特性。陀螺仪通过对角速度进行积分运算，得到物体旋转的角度。在短时间内，陀螺仪测量具有较高的精度，但陀螺仪容易受振动等因素的影响而引入测量噪声，积分后会使测量误差变大，因此陀螺仪不适合长时间的动态角度测量。所以加速度传感器和陀螺仪产生的信号相结合，将电动车平板的倾斜速度以及角度转换为电压信号，A/D将信号进行采集并发送到微控制器进行处理，通过模糊PID控制算法进行分析，判断出车身的运动趋势，继而作用于直流无刷电机，驱动轮子前进后退，从而达到维持便携式轻型电动车的平衡的目的。

因为控制系统的改变，所以便携式轻型电动车主要采用独轮或者并轮设计，这是典型的微型思维车造型。控制系统的改变使其由原来的纵向结构变成横向结构，缩短了车身的纵向长度，减少了整车的重量。这改变不仅使车身结构简化，也加强了车身的提携性能。

以ACTION的火箭鞋为例，每只鞋的的重量只有1.25kg。火箭鞋采用了两轮并置的布局，整体造型小巧，车身总长只有420mm，相当于A3纸的长度。其运用陀螺仪和加速度计传感器技术，通过双脚控制，脚前倾加速，后倾减速或停止，操作智能化。

同样，滑板造型的onewheel利用陀螺仪和加速度传感器技术，和自稳车一样采用了体感控制方式，身体前倾控制前进和加速，后倾则能实现刹车或者后退功能。采用传感器等微电子元器件，减小了控制机构的体积，面板的投影面积22.9×76.2cm2，重量为11.3kg，具有较强的便携性，即便提着也完全不是问题。

图1　ACTION的火箭鞋　

图2　Onewheel

图3　INMOTION的L6成人电动滑板

轮毂电机技术对车体的造型影响

轮毂电机是将电机、传动和制动装置都整合轮毂里面，将原本复杂的电机组简化成直接驱动电动车前进的动力驱动装置。有别于传统的电机集中驱动的设计，轮毂电机技术的整合不仅提高了传动效率，更优化了电机传动系的空间利用率，让设计师们可以在便携式轻型电动车造型设计上灵活布局，发挥设计的想象空间。以INMOTION的L6成人电动滑板车为例，后轮直径为267mm的轮毂电机给整车提供强大的动力，并简化了车身结构，折叠后电动鞋的车身造型相对压缩，所占空间小1037*160*418mm，呈现出强大的便携性。

压力感应器技术的使用对车体的造型影响

便携式轻型电动车通过压力传感器检测人的脚部动作在车板上压力的变化，来对车进行速度，转向控制。控制系统与车底板合为一体，省去了传统电动车的车把手等机械控制结构，简化为长板。通过对车身的轻量化、紧凑化处理，在底板下方给电池系统腾出了空间。在新开发的紧凑型控制系统基础上对车轮，电机进行紧凑化，降低底板高度，使人更贴近地面，提升乘客行驶的稳定性。底板高度的降低，增强了车身的离去性，在复杂多变的路况中，使用者可轻松下车，提升了安全性。由于这类平板模样的便携式轻型电动车造型简单，形状规则，使之更容易提携。

例如ZBoard 2 电动滑板，不使用控制器操作，通过作用在电动滑板面板上的足踏感应区力的大小来控制滑板的前进和停止。不但外观小巧，而且动力十足。ZBoard 2 电动滑板都采用的是 500 瓦无刷电动马达，最高时速可达 32 km，续航里程是 39km，足以满足日常生活需要。

图4　ZBoard 2 电动滑板

图5　Marbel智能滑板

图6　WalkCar

新材料的使用给便携式电动车带来的全新变化

到目前为止已发展到集中以碳纤维或铝合金为车身材料时代。

碳纤维材料具有质量轻，硬度高的特点，其重量相当于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上，不仅减轻了车身的重量，其安全性也没有降低。同时，不同于金属的传统连接方式—— 电焊，碳纤维材料可以直接采用碳纤维交接模式连接，增加了结构系统的稳定性。以图五中的Marbel智能滑板为例，碳纤维的车身为统一的整体塑造创造了有利条件，使车身造型流畅自然。碳纤维材料的使用不仅带动了轻量化车身的发展，也引领着车用材料的绿色低碳风尚。

铝合金材料由于出色的机械性能、成熟的成型工艺、特殊的外观特征等综合性能使其在金属材料中脱颖而出，成为极具发展潜力的车身材料。铝合金材料的使用在减轻整车结构质量的同时，为车内的智能设备与蓄电池提供了更大的空间。并且由于其特有的金属光泽，提升了设计的美观性。例如以铝合金为车身的Cocoa Motors公司的 WalkCar，形状类似平板电脑。轻薄的铝合金车身给WalkCar带来金属的质感与光泽，即符合简约主义又极具设计感。

结语

在社会所倡导的以公共交通为主，私人交通为辅的交通模式下，便携式轻型电动车无疑具有着独特的优势。伴随着各个学科的交流与融合，便携式轻型电动车集成了电子信息，材料等学科的技术，一步步朝着智能化，轻量化的方向发展。如今，推动便携式电动车发展的不仅是设计上的改进与优化，更是技术上的创新与突破。电池技术的发展给便携式电动车的发展提供了契机，而电机及电控等领域取得的进步带领着轻型电动车朝着一个崭新的方向前进。结合微型化，便携化，智能化的设计理念，便携式电动车下一步有望发展成为交通工具中的可穿戴设备。