ＡＳＴ自動(dòng)同步換檔，裝置電動(dòng)車爬坡助手

　　上海智御動(dòng)力技術(shù)有限公司自行研發(fā)的“變速電機(jī)”技術(shù)是本公司“AST自動(dòng)同步換檔裝置”的衍生產(chǎn)品。“AST自動(dòng)同步換檔裝置”是一種國際最新汽車變速裝置，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超我國現(xiàn)有最先進(jìn)變速系統(tǒng)的863計(jì)劃項(xiàng)目 “AMT汽車機(jī)械變速器自動(dòng)/手動(dòng)操縱系統(tǒng)”。

　　現(xiàn)有技術(shù)中的電動(dòng)機(jī)主要由電機(jī)外殼、定子和轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)速和扭矩一般不可變。當(dāng)用現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)裝配成電動(dòng)自行車時(shí)，因其無法實(shí)現(xiàn)扭矩多倍增的爬坡要求，一旦遇到坡道或山路基本無法上去，起步困難，因此給使用者帶來不便，這也就是現(xiàn)有電動(dòng)自行車難以在道路(Strada)有起伏的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)推廣的主要原因。

　　現(xiàn)有電動(dòng)車電機(jī)技術(shù)

低速測(cè)試總結(jié)表

　　電動(dòng)車三大核心部件是：電動(dòng)機(jī)、控制器、電池。電機(jī)是電動(dòng)自行車的主要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)部份，也就是電動(dòng)車的心臟。電機(jī)的好壞直接影響著電動(dòng)車的性能。

　　按照電機(jī)類別分為：無刷直流電機(jī)、有刷有齒直流電機(jī)、有刷無齒直流電機(jī)等。

　　（1）有刷高速(High Speed)電機(jī)。有電刷效率高，過載爬坡能力強(qiáng)、起動(dòng)力矩大，但稍有噪聲。

　　（2）無刷電機(jī)。無電刷，無減速器，具有免維護(hù)、無噪聲優(yōu)點(diǎn)。但控制器復(fù)雜，起動(dòng)電流大，過載上坡能力較差。

　　（3）有刷低速電機(jī)。有電刷，無減速器、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，成本較低。但效率較低，上坡、過載能力較差。目前應(yīng)用較多的是有刷高速(High Speed)電機(jī)。                                 

　　有刷低速電機(jī)被電動(dòng)自行車車選用又名有刷無齒電機(jī)，它在電動(dòng)自行車起動(dòng)與爬坡時(shí)電流較大，性能較弱，目前一般極少被廠家采用。

　　有刷高速(High Speed)電機(jī)（3600轉(zhuǎn)/分鐘左右）目前被國內(nèi)大多數(shù)電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠家所選用，它采用碳刷作為電機(jī)電源的兩個(gè)觸點(diǎn)，利用調(diào)速轉(zhuǎn)把和控制器來控制，通過齒輪二次減速及超越離合器來達(dá)到電動(dòng)自行車0－20公里/小時(shí)的無極調(diào)速。目前采用的這種有刷高速(High Speed)電機(jī)含金量高，電機(jī)減速齒輪強(qiáng)度較強(qiáng)，耐磨性好，設(shè)計(jì)合理，故返修率較低；而且維修更換齒輪和電機(jī)的成本較少，有效的降低了電動(dòng)自行車的維修費(fèi)用；并且有刷電機(jī)可以通過超越離合器和飛輪實(shí)現(xiàn)人力騎行。

　　無刷電機(jī)目前被電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠家采用的一般都是無刷無齒電機(jī)。它的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的造價(jià)比有刷高速(High Speed)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)要高，控制器在使用中容易發(fā)生故障。裝有無刷電機(jī)的電動(dòng)自行車行駛速度(Tempo)必須達(dá)到35公里/小時(shí)以上時(shí)，才能發(fā)揮其最佳的工作效率，但是我們知道電動(dòng)自行車作為非機(jī)動(dòng)車來管理，時(shí)速必須在20公里/小時(shí)以下，故無刷電機(jī)被電動(dòng)自行車選用降低了工作效率，可取性不強(qiáng)。現(xiàn)在它被采用的主要一點(diǎn)是噪音小。

　　高效稀土永磁有刷電機(jī)與高效稀土永磁無刷電機(jī)。目前市場(chǎng)(Rialto)上大多數(shù)電動(dòng)自行車還停留在有刷電機(jī)階段。有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求較低，相對(duì)成本低于無刷電機(jī)，有刷電機(jī)的起動(dòng)力矩略大于無刷電機(jī)。但致命的弱點(diǎn)是：壽命短、噪聲大、效率低。它長期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞。同時(shí)磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落下齒輪油中，使齒輪油加速干涸，電機(jī)噪聲進(jìn)一步增大。有刷電機(jī)使用到一年左右就需要更換內(nèi)碳刷，充電一次行駛的里程不及新車買來時(shí)的三分之二，而且爬坡時(shí)動(dòng)力不足，還會(huì)燒壞控制器。這是因?yàn)殡姍C(jī)更換碳刷后，換向器也被磨出了一條凹槽，使碳刷接觸面積減少，接觸不良的碳刷通電后會(huì)產(chǎn)生火花并加快氧化換向器和銅片，導(dǎo)致上述不良現(xiàn)象。

　　無刷電機(jī)以電子換向取代機(jī)械換向，技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機(jī)。由于無刷電機(jī)沒有齒輪或減速裝置，減少了電機(jī)磨損的不可靠性,它的效率在一定電流范圍內(nèi)比有刷電機(jī)效率高。無刷電機(jī)行駛起來幾乎沒有噪聲，且壽命長達(dá)10年以上。據(jù)于兩者比較，無刷電機(jī)要優(yōu)于有刷電機(jī)。目前，已有一些電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠原先用有刷電機(jī)現(xiàn)改用了無刷電機(jī)。無刷電機(jī)肯定是今后電動(dòng)自行車的發(fā)展方向。  

　　現(xiàn)有電機(jī)需要逾越的技術(shù)障礙

　　電動(dòng)自行車發(fā)展到現(xiàn)在，人們還從未像今天這樣關(guān)注電動(dòng)自車行的爬坡能力。更有甚者把爬坡能力的大小作為衡量電動(dòng)自行車性能的最重要指標(biāo)，整車廠把爬坡能力強(qiáng)作為賣點(diǎn)，消費(fèi)者把它作為選購電動(dòng)自行車的依據(jù)。現(xiàn)以實(shí)例計(jì)算分析，現(xiàn)有電機(jī)加強(qiáng)爬坡能力所需付出的代價(jià)以及帶來的嚴(yán)重后果：

　　1.電動(dòng)自行車攜帶的能源有限，而爬坡需消耗較多的能量。

　　2.國標(biāo)GB17761規(guī)定了電機(jī)的額定連續(xù)輸出功率應(yīng)不大于240瓦，遠(yuǎn)低于可爬4.5度坡、輸出功率為數(shù)千瓦的燃油車。

　　3.爬坡阻力和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：

　　電動(dòng)自行車在爬坡過程中，受三種阻力，即輪胎和地面間的滾動(dòng)摩擦力Fg、迎風(fēng)阻力Ff和爬坡阻力Fα。為簡(jiǎn)化起見，在此忽略前兩種阻力，

　　僅計(jì)及爬坡阻力Fα，其大小等于

　　Fα＝G×sinα(N)

　　式中G=車重+載重（N）

　　α=坡度角（°）

　　爬坡轉(zhuǎn)矩Mα

　　Mα＝Fα×RL＝G?sinα×RL（Nm）

　　式中RL=輪胎半徑（m）

　　近期不斷出現(xiàn)可爬12度坡的報(bào)導(dǎo)，也有報(bào)導(dǎo)可爬15度甚至16度坡，下面就以12度坡為例計(jì)算所需轉(zhuǎn)矩。
　
　　依標(biāo)準(zhǔn)，G＝車重+載重＝（40+75）Kg
　　　　　　　　　　  ＝1128(N)
　　18″車，輪胎半徑RL＝0.228（m）

　　將數(shù)據(jù)代入上式，則所需爬坡轉(zhuǎn)矩

　　Mα＝1128×sinα12×0.228＝53.5（Nm）

　　考慮到滾動(dòng)阻力和迎風(fēng)阻力，電機(jī)所提供的轉(zhuǎn)矩

　　M＞Mα＝53.5Nm

　　而現(xiàn)有電機(jī)最大扭矩以500W400轉(zhuǎn)電機(jī)為例只有十幾牛米，1000W也不過二十幾牛米顯然與號(hào)稱的12度坡、16度坡不相符。

　　4.電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)Ke和轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km

　　電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)Ke由多個(gè)電機(jī)參數(shù)，如繞組系數(shù)Kw，每相串聯(lián)匝數(shù)W（對(duì)于有刷電機(jī)為 每支路串聯(lián)匝數(shù)），電樞直徑Da，有效鐵芯長度lδ，氣隙磁密Bδ等所決定。對(duì)于一臺(tái)已經(jīng)制作完成的電機(jī)，Ke基本上為一定值。

　　對(duì)于額定電壓、轉(zhuǎn)速相同的電機(jī)，即使類型不同、設(shè)計(jì)不同的電機(jī)，反電勢(shì)系數(shù)Ke沒有明顯的差別，當(dāng)然效率高的電機(jī)Ke稍大。在一定的電磁單位制下，轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km和反電勢(shì)系數(shù)Ke在數(shù)值上是相等的，例如，對(duì)于18″36V車速V=25Km/h的電動(dòng)自行車所用電機(jī)，兩參數(shù)如下：

　　Km≈1Nm/A

　　Ke≈1VS/rad

　　5.爬坡所需電流（峰值）計(jì)算

　　由轉(zhuǎn)矩平衡方程：

　　Me=Mo+ML

　　   =Mo+Mg+Mf+ Mα

　　式中 Me=KmImax—電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）

　　Imax—最大電流（A）

　　Mo—電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩（Nm）

　　Mg—輪胎和地面間的阻力矩（Nm）

　　Mf—迎風(fēng)阻力矩（Nm）

　　為計(jì)算簡(jiǎn)單起見，忽略Mo、Mg和Mf，則有

　　Me≥Mα

　　KmImax≥Mα

　　Imax≥Mα/Km=53.5/1=53.5（A）

　　也就是說，對(duì)于配備36V電源，車速為25 Km/h的18″車，要爬12度坡其峰值電流，要大于53.5A才可行，對(duì)于車速更高、輪胎直徑小的電動(dòng)自行車，其轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km更小，則需要更大的電流。