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電動自行車:續航力與馬達效率 ( II )

来源: 心得 rexwumotor 2022-9-22 12:00 顯示全部回文 |閱讀模式
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本探討動力系統的效率對電動自行車續航力的影響,針對騎乘速度對於續航力的影響。
上篇有討論到動力系統的效率與速度的關係式,但若只考慮速度的變化,而忽略了轉矩的要求,會產生奇特的迷思,電動自行車越慢就越耗電。但這點很明顯的並不合理,因此在上篇的結尾有提到,其實是因為負載變重的情況下,使騎乘速度下降,才會符合速度慢就耗電的條件;類似爬山時,騎得又累又慢的情況。

而若是平路上,僅僅是騎乘者主動降速,不想騎快,則動力系統的表現,仍然是很高效率的。由於在永磁馬達當中,輸入電壓的值會正比於轉速,因此我們以降低輸入電壓的方式,來測試馬達動力系統的效率表現,比擬騎乘速度下降時的影響。由下圖中的馬達效率與轉速的關係可以發現,除了速度有明顯的差異之外,在效率的表現曲線及峰值沒有太大的差異。也就是好的動力系統中,馬達控制器會針對騎乘者的速度,來主動調節動力系統的工作電壓,不僅是配合人的騎乘感受,還能達到高效率的省電效果,延長電動自行車的續航力。

   
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轉速與效率關係


僅利用輸入電壓來調整馬達轉速,之所以在效率表現上沒有太大的差異,其實是因為馬達仍是同一顆,其展現的特質,一般我們稱之為馬達常數,都沒有變化。但仍需要注意,在輸出轉矩上,會因為降壓後,限制了輸入電流的大小,導致輸出轉矩有變化,也使得效率表現有了差異。以下圖中的轉矩與效率關係為例,當預計轉矩值為150時,輸入電壓為36V時,效率僅為32%左右,增加至42V時,效率上升至44%,而48V時則可達到50%。代表調整工作電壓,在負載較重時,才會有明顯的差別。在實務上的使用條件,負載轉矩往往都是大於馬達最高效率點的轉矩值,也就是上圖中的右半面區域。這就是為何所有的電動載具產品,無論是電動自行車、電動機車甚至是電動車,其工作電壓一直持續的增加;就是為了在重載時,仍有良好的效率表現。


  
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轉矩與效率關係


另外值得一提的就是最大轉矩值,也會隨著工作電壓的提高而增加,主要就是受到最基本的電壓方程式影響。由於馬達內部的電阻值,來自於漆包線圈,為一固定值。在電阻固定的情況下,調高工作電壓,就代表調高了輸入電流,因此永磁馬達的轉矩值也隨之增加。使得高工作電壓,不僅帶來較好的效率,也帶來了更大的轉矩輸出。


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電壓方程式


彙整上述的馬達特性表現,因此在以提高續航力為主的動力系統操作策略上,當電動自行車處於輕載慢速時,馬達控制器應調降馬達工作電壓,來達到省電提高續航力的效果;但當屬於重載慢速時,馬達控制器反而要拉高馬達工作電壓,使得重載時的馬達效率表現仍然維持高性能狀態,才能維持電動自行車的續航力。


重點整理:
動力系統控制策略是要有明確的目標,且了解所有反應後,才能完整規劃。
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