探究电动自行车“新国标”难以出台的主要障碍与突破途径(续2)

兼论电动自行车行业“和谐发展之路”及其产品技术路线的再思考

来源:中国电动车网  宋子奎  2015-7-14  浏览28771次  

[摘要]长达13年时间的“新国标”修订已有“实质性进展”,而且也预示着:“新国标”有望于2016年或之后颁布实施。

 

【中国电动车网 特约评论员、特邀撰稿人 宋子奎】近期,工信部、公安部、工商总局、质检总局等四部委再次明确了《电动自行车通用技术条件》国家标准修订5条意见:1.具有脚踏骑行功能,2.最高设计车速不大于25km/h,3.整车重量(含电池)不大于55kg,4.电动机标称功率不大于400w,5.蓄电池标称电压不大于48v;并要求“国标委”年内完成标准审查报批工作。由此可见,颇受争议与博弈的电动自行车“新国标”修订工作,至此或“尘埃落定”,这不仅表明:长达13年时间的“新国标”修订已有“实质性进展”,而且也预示着:“新国标”有望于2016年或之后颁布实施。而对此结果或不应该感到意外,因为“四部委”先前于2014年7-8月间、就已经对目前送审待批的“新国标(报批稿)”给出了上述“反馈(修改)”意见。但一直争议较大,尤其对于“具有脚踏骑行功能”之条款、必须纳入“强制性条款(否决项)”,则成了争议之焦点。而对此条款,电动自行车行业及其骨干企业反映强烈,并就该条款的合理性与必要性提出质疑,但“相关管理部门”坚持己见,故而未能够达成共识,致使“新国标(报批稿)”至今难以出台。

 

【绪文】关于“具有脚踏骑行功能”之条款,是否或必须“入强”?若能基于电动自行车产品的“安全性、实用性与广泛性”来综合考量,或更趋于合理性,例如:目前普及率较高、使用广泛的“滑板型(即小踏板)”车型,即:轮径为455mm(18吋)及以下的小轮径车型。由于车体(车架)高度相对较低,安装“脚踏驱动部”易发生“转弯倾斜时脚蹬触地”,则存在不安全因素;相反,就该类车型,若省去“脚踏驱动部”,车体及鞍座高度可相应降低,继而使驾车者重心高度(离地高度)有效降低,而当车辆起步前或停车时可由双脚同时着地支撑(无需下车),尤其是雨天穿雨披驾车时相对更安全,故而广受消费者(尤其是更多女性消费者)青睐。可见,“具有脚踏骑行功能”之条款是否“入强”,若能基于“更有效提高行车安全、更符合消费者即更多普通百姓实际需求(合理诉求)”来综合考量,或更为科学严谨且更趋于合理性;对此,笔者已在前文中作了相对客观地分析与阐述。

 

然而,此次四部委再次明确《电动自行车通用技术条件》国家标准修订5条意见,可谓是“维持了原判”,而且按照进度要求目前或已进入“强制执行修订程序”。很显然,这对于电动自行车行业及其相关企业(也包括消费者)来讲,则意味着难以获得更多的“诉求预期”;或者可以说,在此轮新国标修订之博弈中,电动自行车行业(也包括更多普通消费者)似乎并未有更多的“话语权”。但是,若从社会发展进步(循序渐进)之角度看问题,而新国标若能够及时出台,则相比于已延用了16年之久的“现行标准”,可谓具有“里程碑”意义,也将为“标准”今后的进一步修订与完善提供了参考范例。故而综合来看,此次“标准修订框架”的确立,虽然“不能够以我们的意志而转移”,却能够带给我们更多的思考与启示:

 

首先,新国标若能够很快出台,至少可将“最高车速”由目前的20km/h放宽至25km/h,“整车重量”由40kg放宽至55kg,“电机功率”也由240w放宽至400w。虽然提高幅度并不大,且与目前的实际使用情况、以及现有产品“技术现状”仍有一段距离,但它相比于已经延用了16年之久的“现行国标(1999年标准)”,至少可将目前对于“超标车”的界定依据(判定标准)有所放宽。而这意味着:对于一些城市与地区实为“禁电(限行)”而制定的“地方性法规”,亦有所放宽或将被清理(取消)。就此而言,新国标若能够出台,则表明与“禁电派”之长期博弈取得了“阶段性成果”,至少可争取到在“国家层面上”、对于“关乎普通百姓日常出行”之电动自行车产品的肯定,继而赢得了“相对和谐的发展环境”,而这对于电动自行车产业可持续发展或是有利的。再者,随着时间推移和“相关管理部门”观念上的更新,加上电动自行车技术的不断进步、以及行业自身的不断发展壮大,试想,过3-5年后或重新修订标准,那么,仅“专业性与安全技术角度”而言,电动自行车行业或将会有更多的“话语权”。

 

诚然,就此轮“新国标”修订之博弈中,电动自行车行业之所以未能有更多的“话语权”,这与目前电动自行车产业规模即“GDP贡献率”并不无关系。比如,具体讲,近年来,电动自行车行业(包括产业链)虽然有“数百亿或超千亿元”年产值,但它相比于汽车及摩托车产业(行业)乃可谓“微不足道”。因此,对于电动自行车行业及其相关企业来讲,若能够充分利用此次“新国标”有望出台之有利契机,调整思路、早做准备,并通过技术攻关(寻求技术上的突破)来满足“新国标”相关条款要求,以适应当前的产业政策环境,进而不断发展壮大自己,继而能够成为拉动经济增长的“支柱性产业之一”。那么,待未来3-5年后或重新修订标准,而电动自行车行业欲获得更多的“话语权”、则自然是“水到渠成”的事了。当然,客观地讲,就“目前产品技术现状及现有技术条件”而言,“四部委”所确立的“标准修订框架”或是相当严苛的,而这对于电动自行车行业及其相关企业来讲,所面临的挑战乃可谓是巨大的,但同时也给该行业带来了前所未有的发展机遇,诸如:

 

首先,“新国标”若能很快颁布实施,目前广泛使用的所谓“超标车”将被逐步淘汰,而这使得现使用产品之“替换量”将大增,则有助于该行业及其相关企业增加产品销量及效益的提升。再者,据最新统计数据显示,我国中西部及西南地区(地域)、相比于华北与华东地区(地域),电动自行车产品普及率还相对较低,这也为国内市场的进一步开发预留了充分的市场储备。还比如,随着我国“一带一路”战略的推进,尤其是诸多“发展中国家”、与我国过去十余年的发展经历(国情、民情)或相类似,则更广泛的“发展中国家”市场还有待于充分开发。据上所述可见,广泛的市场需求乃为我国电动自行车产业进一步做大做强提供了有利条件,但是,目前所面临的困难或在于:我们如何能够在相对严苛的新国标(技术指标)框架下,来进一步提升产品的实用性能,以满足更广泛消费者的实际需求(消费意愿),方能使产业做大做强。对此,笔者以为,结合当前现有产品技术现状、以及现有技术条件,则需要着重解决(重点突破)以下“两项”所谓的“技术难题”。

 

难题之一:如何在目前普及率较高的“纯电动款”车型产品之基础上,保留“良好的脚踏骑行功能”。这是因为,保留“良好的脚踏骑行功能”,不只是为了适应“新国标”强制性条款要求,或更应该将它作为电动自行车产品一大特色,并将其转化为“其它类似产品”所不具备的产品优势。
   

具体而言,就电动自行车产品“特点与属性”来讲,它是介于传统自行车与低速两轮机动车(轻摩)二者之间、兼有“电动与脚踏及互为助动”功能的特种车辆,乃适龄人群人人皆可拥有的交通代步工具;不但产品用户涵盖面尤为广泛,且能够适应(符合)更广泛普通人群(大众消费群体)的实际需求。尤其是:产品不仅具备“方便操控、省时省力、使用便捷”等经济实用性特点,集“自行车、轻摩”功能于一身(如:轻摩或自行车不能同时具备“电动与脚踏”功能);而且,更主要的是,目前仍纳入“非机动车”管理范畴,则综合使用成本(费用)相对低廉,这乃“低速两轮机动车(轻摩)”等类似车辆所不具有的“产品(市场)优势”。据上所述可见,保留“良好的脚踏骑行功能”,不只是为了适应“新国标”强制性条款要求,或更应该将它作为电动自行车产品一大特色,并将其转化为“其它类似产品”所不具备的产品优势。那么,它对于促进电动自行车产品的更广泛普及,以拉动“产销市场”的可持续发展,或将带来更为显著的实际效果。

 

当然,至于目前困扰我国电动自行车行业、难以适应“新国标”要求的最大障碍,或在于:目前产品所采用的“驱动方式(产品技术路线)”、不适宜电动自行车产品“相关功能”设计要求。比如,更具体讲,目前产品中多采用的“无刷无齿低速轮毂电机直驱方式”,所存在的不足之处就在于:当车辆处于“滑行状态、人力骑行状态、或脚踏助力”时,则“轮毂电机(外转子)”跟随车轮(毂)一同转动。可见,“低速轮毂电机直驱方式”或存在可谓致命性缺陷:即难以做到“具备良好的骑行功能”。由于永磁电机定转子之间存在固有的阻滞现象(“齿槽效应”等原因所致),当人力骑行时相当费力,如:目前产品中“简易款”车型,不适宜“人力骑行”、且实为“纯电动款”车型,在实际使用中甚至将脚蹬部件(曲柄)拆除。不止如此,目前广泛使用的“电动款”车型所存在的不足之处还在于:当电驱动系统出现故障、或当“电池电量”不足之情况下,即便是“推(车)行(走)”也是相当费力的。

 

综合如上分析或表明:调整产品技术路线、选择更趋合理的驱动(传动)方式,以满足“新国标”相关条款要求,方能适应当前的产业政策环境。而这也是电动自行车行业及其相关企业所无法回避、乃亟待解决的“关键(核心)”问题。再者,对于如何保留“良好的脚踏骑行功能”,或只需对现有产品的“驱动及传动方式”、稍作调整便是可以方便做到的。比如,我们可将“电动与脚踏”驱动部,设计成“相互独立(互不干扰)”的驱动(传动)系统,而当车辆处于“滑行状态或脚踏骑行”时,使电机转子“不跟转”便可。而这样,即便是电驱动系统出现故障、或当“电池电量”不足之情况下,不但能够像普通自行车一样方便骑行,而且“推(车)行(走)”亦较为轻松便捷。这不仅与我们在实际使用中所遇到的情况更趋于吻合,并且,也更符合广泛消费者的实际需求。这对于推动(促进)电动自行车产品更广泛普及、以拉动“产销市场”可持续发展,或将带来更为显著的实际效果。关于如上所述参考方案及其“实施例”,笔者已在本文前述内容中具体给出(谨供参考),而该方案的具体实施细节、以及改进后产品所具有的“功能特点(技术优势)”及其产销市场效果分析,就不再敖述了,请参见前文(续篇1)相关内容。
   

难题之二:如何在“电机标称功率不大于400w”之前提条件下,更有效提高电机的“最大输出功率”、以增强“动力性能”,并通过大幅提高电机“做功效力(提升能效比)”等更有效方法(如:充分利用“永磁电机”本身所具有的功率放大功能、以增加电机出力),来显著提升驱动电机的节能(节电)效果。而这样,不仅能够“大幅节省能源消耗、以减少蓄电池容量配置”,而且可“相应增加续航里程、提升产品爬坡能力及减轻整车重量”。
   

据如上所述“改进思路”,若能够获得预期应用效果,那么,它对于合理规避新国标(电机标称功率不大于400w)指标限制,进而有效提升产品实用性能(提高性价比),继而进一步推动(促进)电动自行车产品更广泛普及、以拉动“产销市场”的可持续发展,或可谓具有“颠覆性”的改进效果。然而,就上述“电机标称功率一定时、通过大幅提高电机做功效力(提升能效比)”之提法(改进思路),通常都会提出诸多疑问或质疑、而且通常也都会理解为:电机的输出功率(轴功率)P2、将大于电机的输入功率(电功率)P1(或P1<P2),即“电机效率η≧1有悖于能量守恒定律”。但对此,这里需要特别强调与指出的是:就目前广泛使用的“永磁电机(无刷电机)”而言,其本身乃具有(具备)“功率放大功能”,而“功率放大之能量来源”还是无偿的。比如,具体讲,永磁电机是由“永磁体”来替换了“励磁绕组”,而我们将永磁体本身能够持续保持的“剩磁磁场(磁动势)”、折算成“励磁(激磁)功率”的话,若是能够足以“抵偿”电机做功时所产生的“能量(电功率)损耗”、且尚有剩余,那么,电机的实际输出功率(轴功率)P2将会>P1,注:P1仅限于“电枢绕组”从电源(蓄电池)实际汲取的能量(电功率)。

 

据如上简要分析,笔者以为,目前所形成的电机设计“标准体系”,它对于“永磁电机”的节能技术研究与产品开发,或存在一定的“局限性”。这是因为,目前我们仍将用于“直流电机或感应电机”的研究理论(即电机效率η<1),套用于“永磁电机(无刷电机)”的节能技术研究,乃有悖于“事物客观存在规律”。比如:我们将永磁电机本身乃具有“功率放大作用、且功率放大之能量来源是无偿的”等固有特性(特征)给忽略了,除不知,却恰恰违背了“能量守恒定律”。为此,笔者查阅了大量相关文献资料、也包括“教科书”,皆是这样来描述“永磁电机”之性能特点的,诸如:“永磁电机(无刷电机)”,采用“永磁体”替代(替换)了励磁绕组,可使功率损耗相应降低(因省去了励磁绕组、可相应减少“铜损”),并且,它与“直流电机或感应电机”相比,还能够相应减小一个或两个“机座号”;不但电磁材料(绕组及铁芯)用材量减少、成本相应降低,而且电机效率亦相应提高,等等。

 

然而,针对于如上“永磁电机性能特点”之描述(表述),稍作推敲或不难发现,这其中所存在的明显错误之处就在于:它是将“永磁电机”做功时所产生的“能量(电功率)损耗”、与电机做功时的“实际能量(功率)消耗”混为一谈。例如,当电机体积(机座号)减小后,将会使电机发热程度加剧(主要为电枢绕组的“铜损”、以及铁芯部分的“铁损”会相应增加),那么,电机做功时所产生的“能量(电功率)损耗”乃相应增加的,则电机“效率”是要降低的;可是,给出的结果(结论)却描述(表述)为:电机“效率”反倒是提高了。而针对于如上“含糊其辞”且“相互矛盾”之描述与结论,笔者以为,之所以得出“电机体积(机座号)相应减小、反倒会提高电机效率”之结论,原因或在于:当电机“将电功率(输入功率)转换为机械输出功率(轴功率)”时,我们在统计电机工作(做功)时的“能量消耗来源上”出现了问题。现就此,我们不妨作如下具体分析与探讨(谨供参考):

 

公知的,对于电机的输入功率(电功率)P1,我们是通过电量参数来直接计量的,即P1=U*I;而当电机做功时,将输入的电功率P1转换为输出功率(轴功率)P2,而P2无法用“电量参数”直接计量,则是先通过“测功机”测得电机转矩T与转速n后,再由P2 = T*n/9.55等常用公式计算出电机的输出功率P2。可见,问题就出现在:当我们统计电机输入功率P1时,只统计了从电源汲取的能量(电功率),而将“永磁体”本身所存有的“能量”并未列入其中,而这部分“能量”却参与了电机做功时的“能量转换”、且转换为输出功率P2的“一部分”,则相应提高了电机出力(即“轴功率”相应增加了)。据此,若更形象的讲,“永磁电机”乃可谓是一只“功率(能量)放大器”,而功率放大之“能量来源”、则是由“永磁体”所提供的。当然,需要进一步解释与说明的是:“永磁体”存有的这部分“能量”并非其本身所固有的,而是我们利用“永磁材料”具有剩磁(矫顽力)之特性,预先“充磁”而得到的。因此,我们应该将“永磁体”充磁后、且能够持续保持的“剩磁磁场(磁动势)”,折算成“励磁(激磁)功率”,并将其也列入(视为)电机“实际输入功率”之其中一部分,然后再由“能量守恒定律”来解释它,方才是“全面与完整的”。
   

据如上分析可见,目前“教科书”等文献资料中,所谓:“永磁电机”相比于直流电机或感应电机,在减小一个或两个“机座号”之前提条件下,仍然能够提高电机效率之说法(学术观点)是不确切的。这是因为,电机体积(机座号)的减小,会相应增加“能量(电功率)损耗”;但“永磁体”所存有(储备)的“能量”,却能够足以“抵偿”由于减小“机座号”所产生(增加)的“能量损耗”、且略有剩余。则表面上看,我们得到的结果是:它相比于“直流电机或感应电机”、电机效率η相应提高了,但实际上并非如此,故而,更需要指出的是:我们以P2 = T*n/9.55等常用公式所计算出的结果是P2 略有增加,但这并非是电机工作(做功)时“能量(电功率)损耗”真的减少了,却恰恰是电机“能量消耗”相应增加了,而增加的这部分“能量消耗来源”、则是由“永磁体”所提供的。并且,永磁体之“能量”、转换为机械功率(轴功率)输出时,还是无偿的,只要永磁体“未退磁”、乃长期有效(以逸待劳)。所以,更确切的讲,所谓“永磁电机”效率η的相应提高,实际上反映的是永磁电机之“做功效力(出力)”相应增加了,而并非电机做功时的“能量损耗”减少了,即:并非电机效率η真的提高了。对此,须更为“客观地、全面地”准确理解。

 

然而,尽管我们作了如上“实事求是”地分析讨论及其相关解释,但通常还会提出这样的疑问或质疑:其一,即便我们能够分清电机“效率”与“效力”有所不同,但它并不具有实际应用价值,这是因为,我们目前衡量电机是否节能,仍然是以电机效率η高低作为依据的;其二,无论是教科书等相关文献资料给出的结论、还是现有“永磁电机”产品实际测试结果,电机效率η皆是<1的;故而,欲通过大幅提高电机“做功效力(提升能效比)”、来减少能源消耗之提法(技术观点),或很难被普遍认同。而针对于如上之“疑问或质疑”,笔者并不感到意外,原因在于:长期以来、甚至可以说自“永磁电机”诞生以来乃至广泛应用至今,我们对于“永磁电机”如何能够提高效率η之作用机理,可以说,相当多的人(甚至包括一些从事电机设计的专业技术人员)仍然是“模糊不清”。尤其是,当有人提及“永磁电机”效率η或是能够做到≧1时,诸多人的第一反应就是:有悖于“能量守恒定律”,而且通常也都会与所谓的“永动机”联系在一起。对此,笔者以为:若将永磁电机本身所具有的“功率放大作用、且功率放大之能量来源是无偿的”等固有特性(特征)给忽略了,并且非要与所谓的“永动机”联系在一起,可谓是“知其然不知其所以然”。

 

鉴于此,则更有必要指出的是,长期以来,我们对于“永磁电机”节能技术研究存在一个误区,那就是:我们习惯于,将“直流电机或感应电机”的研究理论(即电机效率η<1),套用于“永磁电机”的节能技术研究;尤其是,“永磁电机”本身所具有的“功率放大功能特征”被忽略了,除不知,却恰恰违背了“能量守恒定律”。不止如此,更为严重的问题还在于:目前的研究理论(学术观点)若不得以及时修正(校正),将长期影响(误导乃至阻碍)“永磁电机”节能技术的进一步深入研究。而笔者之所以给出如上观点,其充分理由就在于,目前“教科书”等相关文献资料所描述(表述)的“永磁电机效率η亦不能够≧1”,是有前提条件的,那就是:永磁电机与“直流电机或感应电机”相比,相应减小了一个或两个“机座号”。由此可见,所谓“永磁电机效率η不能够≧1”,是在限制电机体积“不能够增大、反而相应减小”之前提条件下给出的结论。据此可见,永磁电机同比与“直流电机或感应电机”,并非不能够做到效率η≧1,而是我们“人为设定、限制其效率η不能够≧1”。若要验证这一点,方法也很简单,我们只要相应增加电机体积(增大“机座号”),便是能够做到其效率η≧1(“验证方法”与“应用实例”,本文将在之后的讨论内容中具体给出)。

 

但在尚未讨论如上“相关问题(验证方法)”之前,需要着重强调与明确的是:我们将目前常规设计(使用)的“永磁电机”、增加一个或两个“机座号”,即相当于:恢复到与“直流电机或感应电机”相同(或相当)的“机座号”,则与同等容量(规格)的“直流电机或感应电机”相比较,其体积并未有增加或大致相当。但不同的是,当电机“标称功率”一定时,我们相应增加电机体积即增大“机座号”,则与目前常规设计(使用)的“永磁电机”相比,电机性能将会发生如下显著变化:首先,由于电机体积的相应增大,电枢绕组“用材(铜)量”相应增加,电枢绕组“载流密度”相应减小,则“铜损”将相应减少;再者,由于电机体积的相应增大,磁路即铁芯“截面积”相应增加,磁路磁阻(磁通密度)相应减小,则铁损(主要为铁芯部分的“磁滞损耗”)亦相应减少。据上分析或表明,通过相应增大电机体积(机座号),电机“综合效率”将明显提高。当然,电机效率的明显提高,仅是与目前常规设计(即:未增大“机座号”)之“永磁电机”相比较而言,并且,尽管电机效率相应提高了,也只能说明电机效率η或更趋于1,而无法证明电机输入功率P1<输出功率P2(或P2≧P1),则电机效率η仍然是小于1的。因此,这里更需要特别强调与指出的是:

 

我们通过相应增加电机体积(机座号),不仅仅是增加了“电枢绕组及铁芯”的“用材量”,来有效减轻电机发热程度(改善散热条件),继而进一步降低电机做功时的“能量(电功率)损耗”,且使得“电机效率η更趋于1”;并且,相应增加电机体积(机座号),“永磁体”的体积(用材量)也“同比例”相应增加,这将使“永磁体”所存储的能量(磁动势)亦相应增加,那么,“永磁体”的这部分“能量”、在电机工作(做功)时将直接转换为输出功率(轴功率)P2,继而使P2要明显大于P1(或P1≦P2)。当然,这里仍需要再次提示与明确的是:其一,若将“永磁体”预先充磁、且能够持续保持的“剩磁磁场(磁动势)”,折算成“励磁(激磁)功率”、并将其也列入(视为)电机“实际输入功率”之其中一部分,则整体上看P2是小于P1的,它是符合“能量守恒定律”的。其二,若按照目前常规统计(计算)方法,“永磁体之能量(磁动势)”并未有列入电机的“实际输入功率”,那么,从局部上看,P1将小于P2(或P2≧P1),但这并不违背“能量守恒定律”,而是我们在统计电机工作(做功)时的“能量消耗来源上”出现了差错,仅此而已。这也是笔者之所以用较多篇幅来撰写【绪文】、并竭力阐明相关问题之“原因所在”,或对于目前电动自行车用“驱动电机”之节能技术的更深入研究,希望能起些参考作用。

 

诚然,我们通过“相应增加电机体积(机座号)”之方法,即便是能够做到“永磁电机效率η≧1”,但它与目前已形成的电机设计“标准体系”不相适应,而针对于“永磁电机”若要重新(单独或另行)制定一个“标准体系”,短期内几乎是不可能做到事;况且,“永磁电机能够做到效率η≧1”并未被普遍认同,这将给实际应用带来相当难度。但对此,笔者以为,问题并非如列举或想象中的那样复杂,我们只要调整思路或换一个角度看问题,那么,如上所述问题或就不是问题。为此,笔者已在本文前述内容(续篇1)中提出:采用现有成品电机“降档(降速)使用”的改进方案,具体为,我们可选择额定功率(标称功率)“大一档及以上规格”的常规使用电机、作为“低一档及以下规格”的电机来使用便可。显然,这与“增加电机体积(机座号)”的改进方案(方法)相比,不仅原理上是相同的、且简便易实施。并且,经“测功机”对“降档使用”之电机的实际测试结果,也验证了它的“有效性与可实施性”(具体方法详见“续篇1”相关内容)。而为了能够“延续本文前述内容”、以及对相关问题讨论的连续性,现结合前文(续篇1)相关内容、并就“降档(降速)使用方案”如何能够大幅提高电机做功效率(效力)之作用机理,作进一步阐述(谨供参考)。
   

【前文提要】(续篇1)综合如上“定性及半定量”分析与讨论,或已表明:选用“降档使用”方案,它对于减少驱动电机的“功率消耗(提升效力)”及其改进效果乃较为显著的。若进一步探究该优化方案之“作用机理”,或不难看出:其一,“降档使用”方案的本质内容乃增大了电机体积(可视为增大了“机座号”),即相比于“同等容量、低一档规格”电机(P2=399.36W)体积增加了,则增加了“磁动势(NI)”储备;那么,当车辆爬坡时,在电机“实际输出功率”大于“额定功率”之工况下运行,电机仍处于“高效率工作区间”,则电机“能量(电功率)损耗”相应减少。其二,“降档使用”方案的实质性内容,乃通过降低(牺牲)转速来获得(换取)“电磁转矩”的相应增加,继而提升了车辆的“爬坡能力(驱动扭矩)”;但它仍然是基于“增大电机体积(增加磁动势储备)”为必要前提、方能够实现的。而对此,仍需要特别提示的是:对于“降档使用”方案,它能够提高电机“效率”或很好理解;而对于能够提高电机之“做功效力(提升能效比)”,继而可减少“所需驱动功率及降低额定功率指标”,或不易准确理解。为此,我们不妨再结合电机磁系统(磁路)原理,并就前述“降档使用方案”之作用机理,之后给予更为具体的详尽阐述,以供参考【待续未完、接续篇2】。
   

【接前文(续篇1)】

4.2 关于“降档使用方案”如何能够大幅提高电机做功效率(效力)之“作用机理”研讨
   

根据前文(续篇1)相关内容及其“改进(优化)方案”可知,所谓“降档(降速)使用方案”,概括的讲,就是将“高一档及以上规格”的较大功率(较高转速)电机、作为“低一档及以下规格”的较小功率(较低转速)电机来使用。而一般来讲,对于前述“降档使用方案”,它能够提高电机“效率η”或是很好理解的,我们可由电机磁系统(磁路)之“磁化曲线(如附图3所示)”、以及电机效率曲线(如附图4 所示),就能够给予相应的解释。

 

 

(参见图3、图4 所示)我们将“高一档及以上规格”的电机(现有成品电机)、作为“低一档及以下规格”的电机来使用,实际上是相当于:将电机的“额定工作点(Pe)”,由原先的“a”点附近、移到了“b”点附近,而“b”点附近区域即为降档使用后的“额定工作点(Pe')”。据此,我们对照“磁化曲线(图3)”或不难看出:首先,额定工作点由原先“靠近于磁路饱和区域”的“a”点,移到了“b”点,则处于“磁化曲线”中段的“近似直线部分”,即电机效率η处于(趋于)“最高效率点”附近区域(如图4所示);再者,所谓“最高效率点”,是指“铜损ΔPto(可变损耗)”等于“铁损ΔPti(不变损耗)”时,电机效率η最高。那么,将“b”点附近区域作为“额定工作点(Pe')”,则电机的“铜损ΔPto与铁损PΔPti”二者间(比值上)更趋于“相等”;或者是说,“b”点附近区域、它相比于“a”点附近区域,电机效率η更趋于“最高效率点”。

 

进一步讲,就电动车之“驱动电机”而言,电机的“适时输出功率”乃随着“负载转矩”之变化而变化。那么,据前述讨论分析明显可见,“降档使用”之电机、它相比于“低一档及以下规格”之常规使用电机,不只是将电机额定工况(额定工作点Pe')效率η相应提高了,而且电机之“高效率工作(运行)区间”也获得了拓展(拓宽)。比如,具体讲,当车辆爬坡时、负载转矩相应增大(电机输出功率增加),而当电机“过载工作点”若趋于图3、图4所示的 “a”点(即靠近于磁路饱和区域),由于电枢电流的增加、电枢绕组之“铜损ΔPto”亦相应增加,电机的“铜损ΔPto”将大于“铁损ΔPti”,电机效率η将会相应降低。但此时,由于电机仍处于“较高效率工作区间”,并未进入磁路“过度饱和区域”,则电机之“能量(功率)转换效率”仍然是相对较高的,即:与降档使用之前的“额定工作点(Pe)”效率相当。

 

同样,当电机处于“轻载”工况下运行,电机效率η也将相应降低,但不同的是:当电机“轻载工作点”若趋于图3、图4所示的“c”点时,由于电枢电流显著减小、电枢绕组“铜损(可变损耗)”将大为减少,则使得电机“铜损(可变损耗)”将会远小于“铁损(不变损耗)”;也就是说,与“额定工作点(Pe')”相比,在“轻载”工况下运行时,电机效率η会降低很多。对此,或需要指出的是:对于“降档使用”之电机,若简单的用电机效率η来衡量“轻载工况下”的节能(节电)效果,或是不够准确的。原因在于:由本文前述讨论内容(参见续篇1)可知,其一,“降档使用方案”其本质上讲,乃增大了电机体积,而相应增加了电枢绕组“串联匝数”,则可在获得所需“相同磁动势(电磁转矩)”时,所需要的“激磁电流(电枢电流)”显著减少;其二,电机体积的相应增大,而相应增加了电枢绕组线径(截面积),载流密度减小,继而使电枢绕组“铜损(可变损耗)”更为减少,这将使得电机之“铜损ΔPto与铁损ΔPti”、在比值上相差很多,若仅从数值上看,电机效率η会较低。但对此,更需要指出的是:在“轻载”工况下运行时,“降档使用”之电机其效率较低,却恰恰反映是,它相比于“低一档及以下规格”的常规使用电机,电枢绕组“铜损ΔPto”的减少幅度更大,电机之节能(节电)效果更为显著。

   
不止如此,对于“降档使用”之电机,它相比于“低一档及以下规格”的常规使用电机,在“轻载”工况下运行时,电机“铁损ΔPti”也是相应减少的。只不过“铁损ΔPti”之减少幅度、远没有“铜损ΔPto”减少幅度大,“不甚明显”而已。而对此,我们还可通过电机磁系统之“磁滞回线(附图5所示)”,也能够给予进一步解释。具体为:公知的,“磁滞回线”的宽窄,主要取决于铁磁材料的磁导率(即:电机“铁芯部分”的磁路磁阻),那么,采用“降档使用”方案,由于电机体积即“铁芯截面积”乃相应增加,则磁路磁阻将相应减小,“磁滞损耗(铁损ΔPti)”亦将相应减少。据此同样道理,当我们选用相同铁磁材料(即:电机铁芯材质相同)时,由于“降档使用”之电机、相应增加了“铁芯截面积”,则电机“铁芯部分”的磁路磁阻相应减小,“磁滞回线”将收窄(图5-1所示),“磁滞回线”所包络的面积亦相应减小。而由于“磁滞回线”所包络面积与铁损ΔPti成正比,故,它能够相应减少“磁滞损失(即铁损ΔPti)”。再者,进一步讲,由图5-2所示的“三组磁滞回线”也明显可见,当电机处于“轻载”工况(“c”点)运行、它同比与“过载”工况(“a”点)下运行,“磁滞回线”所包络面积要小很多。由此可见,对于“降档使用”之电机,在“轻载”工况运行、它相比于“过载”工况下运行时,其能量损耗(铁损ΔPti)可谓“微不足道”。

 

综合如上讨论分析或表明:“降档使用”之电机,它相比于“低一档及以下规格”的常规使用电机,电机“综合效率”相应提高,尤其是“过载工况”运行效率(能量转换效率)显著提高,则“电功率损耗”显著减少。不仅如此,我们采用“降档使用方案”更显著优点(技术优势)还在于:它能够提高电机“做功效力(提升能效比)”。而我们结合如上相关讨论,对其“作用机理”再作进一步阐述或更便于理解。比如,具体讲,我们增加电机体积之目的(作用),不仅仅是可以显著降低电机做功时的“能量(电功率)损耗”,更是为了有效(相应)增加电机的“磁动势储备”,这其中包括:其一,增加磁路即铁芯截面积、可减少铁损(磁滞损耗);其二,增加电枢绕组之线径(截面积)、可降低载流密度,则可以减少“铜损”。除此之外,更为重要的一点就是:“降档使用”之电机,相应增加了电机体积、乃相应增加电枢绕组的“串联匝数”,则增加了“转矩(扭矩)储备”。比如,具体为:据F=NI可知,欲获得相同的“磁动势(F)”,若通过相应增加电枢绕组“串联匝数(N)”,则可以相应减少所需激磁电流(I);也就是说,在获得相同的“磁动势(驱动扭矩)”时,而通过相应增加电枢绕组“串联匝数(N)”,则可相应减少“功率消耗”。

 

当然,还需要进一步解释的是:电枢绕组“串联匝数(N)”的增加,将会使电机“反电势Es”增加很多,这是因为,电机“反电势(Es)”与“绕组串联匝数的平方”成正比关系(即N²∝Es)。或因此,通常会提出这样的疑问:由于“反电势(Es)”增大,将使“电枢电流(Is)”会减少很多,继而使电机“最大输出功率(峰值扭矩)”将受到限制。而据此,通常也都会这样认为:欲通过增加电枢绕组“串联匝数”之方法、来提高电机之“做功效力(增加出力)”,理论上讲或是不成立的,故,难以获得提升车辆“爬坡能力(驱动扭矩)”之预期效果。其实不然,而针对于如上所提出的“疑问”,笔者并不感到意外,原因在于,我们若将“降档使用方案”理解为:是在现有常规设计的“成品电机”之基础上,再来(额外)增加电枢绕组“串联匝数”,那么,当然(必然)会提出(产生)这样的疑问。为此,还需要进一步强调与明确如下相关问题(概念):

 

首先,所谓“降档使用方案”,它是通过“改变(降低)电机额定电压”来实现的(工作原理详见前文“续篇1”相关内容);也就是说,我们所选用的电机其“额定电压(标称值)”原本就较高,而与之相对应、则“电枢绕组串联匝数”亦相应较多(关于“电压与匝数”的对应关系,请参阅“电机设计原理”,具体细节就不再敖述了);再者,“降档使用方案”所选用的电机为现有“成品电机”,故,电枢绕组“串联匝数”的多少乃“既定的”。据此,或更有必要再次明确与强调的是:其一,对于“降档使用方案”所选用的电机、它相比于“低一档及以下规格”的常规使用电机,所谓“相应增加了电枢绕组串联匝数”、乃二者之间相比较而言,并不是我们额外增加的、而是它原本既有的,如:我们所选用的电机(成品电机),对其本身(本体)并未作任何改动。其二,无论是“常规使用”的电机、还是“降档使用”的电机,它的“最大输出功率(峰值扭矩)”是与“最大负载转矩”相对应的,若更确切的讲,就是:电机输出功率的“大小与变化”,它与电机的“适时工况”有关,而与电枢绕组“串联匝数之多少(既定参数)”并无直接关系。为了能够更清楚的说明这一点,我们不妨再结合电动自行车的“适时工况(工作状态)”作如下进一步讨论(供参考)。
   

为便于相关问题的讨论,我们需要首先引入电动自行车“基准行驶功率”等有关参数、并明确相关概念。所谓“基准行驶功率”是指:车辆在“标准行驶状态”下、所消耗的功率。当然,在确定“基准行驶功率”之前,得先要明确什么是车辆的“标准行驶状态”,但由于涉及车辆行驶状态参数较多,还无法用一个确切参数来描述它。为此,我们参照《电动自行车用电机效率和功率的探讨》一文(作者:国家自行车质量监督检验中心)、所提供的参数指标,即:在以20Km/h的车速恒速平路行驶、标准负载质量(75千克)和无风的条件下,电机消耗的功率一般为95-115W,平均功率为105W。我们可将105W确定为“标准行驶状态”时的电机功率(即:基准行驶功率)。但还需要补充说明的是:由于基准行驶功率105W,是依照“现行国标”额定车速(最高时速20Km/h)给出的,而“新国标”最高时速放宽至25Km/h,则“基准行驶功率”将同比增加1.25倍,即为105W*1.25=131.25W;又由于车速提高、风阻会相应增加,为留有一定富余量,我们将功率150W确定为“基准行驶功率”。

 

还有,我们之所以引入电动自行车“基准行驶功率(参数指标)”来讨论问题,是因为在一定车速下,不同的轮径转矩不同、而所需“驱动功率(功率消耗)”则基本相同。现就以“基准行驶功率150W”为参照、再结合电动自行车的“适时工况(工作状态)”,继续如下讨论:

 

⑴关于“车辆标准行驶工况(状态)”之讨论:依照新国标(标准修订框架)要求,电机额定功率(标称值)为“不大于400W”,而与“基准行驶功率150W”相对照,则有一定富余量。据此,我们若以“全电压(额定电压即标称电压为48V)”供电时,则电机输出功率将大于150W(趋于400W),而车速将超出“25Km/h”的限速指标,即进入限速区(依照新国标要求须设有“超速断电功能”)。故,当需要控制车速为≦25Km/h行驶,我们可通过调节“操控转把”、来相应降低(调低)“驱动器”输出电压(低于48V及以下),即可将电机输出功率减小至150W(及以下)、并保持车速为≦25Km/h。

 

⑵关于“车辆爬坡适时工况”之讨论:与“标准行驶状态”相对照,当“小坡度”爬坡时,由于“负载转矩”的增加,若仍然保持“电机输出功率150W”不变,车速将下降。若要保持车速为(趋于)25Km/h,可通过调节“操控转把”、来相应提高“驱动器”输出电压(趋于或等于48V),就可相应增加电机输出功率、以平衡“负载转矩”的增加。而当“顶风、或大坡度爬坡”时,则“负载转矩”会增大很多,即使我们将“操控转把”旋到头、以“48V(全电压)”供电,电机“输出功率”也只有(不超过)400W,不足以平衡“负载转矩”的增加,则车速将会继续下降。而当车速继续下降、电机“转速与反电势”亦相应下降,则电机输出功率将相应增加。很显然,当电机额定参数(标称值)及“电源电压”一定时,无论是“常规使用”的电机、还是采用“降档使用”的电机,随着“负载转矩”适时增加,电机“输出功率”皆会随之增加。据此可见,电机“输出功率之大小”、仅与“负载转矩及电机转速变化”有关,而与电枢绕组“串联匝数多少(既定参数)”并无直接关系。但不同的是:当电枢电流(I)相同、而“降档使用电机”电枢绕组“串联匝数(N)”较多,所产生的磁动势(F=NI)即“电磁转矩”相应增加,继而提升了车辆的“动力性能(爬坡能力)”。

   
⑶关于“车辆起步瞬间(瞬时)状态”之讨论:为能够充分阐明“降档使用方案”能够提高电机之“做功效力(提升能效比)”,我们以“车辆起步瞬时状态”为例,来进一步探究它的“作用机理”或更便于理解。比如,具体讲,当“车辆起步瞬间”,由于车速及“电机反电势”为零,电机输出转矩将瞬时达到最大值(峰值扭矩),而此时电机峰值电流及“最大输出功率”,则是由“电源电压(驱动器最高输出电压)”与电枢绕组“直流电阻R”所决定的。据此而言,试想,当电源电压(48V)一定,而通过相应增大电枢绕组“直流电阻R”、且同时相应增加绕组的“串联匝数N”,如:将电阻R增加一倍、且匝数N也增加一倍(注:“降档使用电机”同比与“常规使用电机”,乃可以方便做到的),那么,即可在获得所需“相同磁动势NI”时,所需要的“启动电流(即:功率消耗)”将会减少为一半(1 / 2)。或者,换言之,当“最大输出功率及启动电流”一定时,而电枢绕组“串联匝数”增加1倍(注:同比与“低一档及以下规格”的常规使用电机),则“起步转矩(驱动扭矩)”将增大1倍,继而使车辆起步时的“动力性能”倍增。

 

综合如上“电动自行车适时工况(工作状态)”之讨论与分析,或已表明:采用电机“降档使用”方案,它对于提高电机“做功效力(提升能效比)”,继而大幅节省能源消耗、减少蓄电池容量配置及减轻整车重量”,乃具有显著效果。尤其是,我们选用“现有成品电机”将其“降档使用”、并用于目前电动自行车产品“电驱动系统设计”,它对于合理规避新国标(电机标称功率不大于400w)指标限制,大幅提高现有产品“动力性能(增强爬坡能力)”,或可谓具有“颠覆性”的改进效果。然而,对于上述“降档使用”方案,如何能够大幅提高电机“做功效力(效力)”之作用机理,似乎还缺少一个“核心问题”尚未有谈清楚,那就是:它是否有悖于“能量守恒定律”呢?例如:目前广泛用于电动自行车产品的“无刷电机(永磁电机)”,由“永磁体”替代(替换)了电机“励磁绕组”,但我们通常普遍认为:它只是相应减少了“励磁绕组”所产生的功率损耗,而电机效率仍然是<1的。其实不然,针对于“降档使用”的无刷电机(永磁电机),其效率η则是能够做到≧1的,对此,我们已在本篇(续2)之【绪文】中予以阐明,现就相关“核心要点”简要概括如下:

 

首先,电机的“励磁绕组”换成了“永磁体”,它不只是减少了“功率损耗”;而更主要的是:省去了“励磁绕组”,乃节省了电机做功时的“能量(电功率)消耗”。由于永磁体本身所具有的“励磁磁动势”,是我们利用“永磁材料”具有剩磁(矫顽力)之特性、预先“充磁”所获得的,只要永磁体“未退磁”乃长期有效(以逸待劳,或可谓“无偿的”)。再者,永磁体之“能量”、在电机工作(做功)时,将直接转为输出功率(轴功率)的“一部分”,则不仅使得输出功率P2相应增大了,而且,由永磁体替换“励磁绕组”所节省出的“能量(功率)消耗”,若能够足以“抵偿”电机做功时所产生的“能量(功率)损耗”、且尚有剩余(注:“降档使用电机”乃可以方便做到的),那么,我们所得到的最终结果就是:电机的输出功率P2将会>电机的输入功率P1。但这并不违背“能量守恒定律”,而是目前的“常规统计(计算)方法”存在不足,未能将电机做功时的“实际能量(功率)消耗”做到“全面完整”的统计;也就是说,我们应该将“永磁体”预先充磁、且能够持续保持的“剩磁磁场(磁动势)”,折算成“励磁(激磁)功率”,并将其也列入(视为)电机“实际输入功率”之其中一部分,然后再由“能量守恒定律”来解释它,方才是“全面与完整的”。

 

综合如上分析讨论则表明:我们选择“高一档及以上规格”的较大功率(较高转速)电机、作为“低一档及以下规格”的较小功率(较低转速)电机来使用,它对于大幅提高电机“做功效率(效力)”将可获得尤为显著的实际应用效果。尤其是,我们选用“现有成品电机(永磁电机)”,将其“降档使用”、并用于目前电动自行车之“驱动电机改进(优化)设计”,它对于合理规避新国标(电机标称功率不大于400w)指标限制,大幅提升现有产品“动力性能(增强爬坡能力)”,或可谓具有“颠覆性”的改进效果。当然,我们若仅仅停留于对“相关原理(作用机理)”之分析与探讨,乃远远不够的;唯有付诸于具体应用,方能体现(有效证明)它的“实用性(可实施性)”。为此,我们将在之后的讨论中,通过列举“应用实例”来进一步阐明(验证):“降档使用”之永磁电机(无刷电机),是能够做到“电机效率η≧1的”;并依照目前的常规统计(计算)方法,通过对“相关参数(数据)”的检测、统计与计算来有效(充分)证明:“降档使用”之永磁电机(无刷电机),不仅能够做到“电机效率η≧1”,而且它并不违背“能量守恒定律”。【待续未完、接续篇3】

 

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