電動自行車：續航力與馬達效率 ( I )

本探討動力系統的效率對電動自行車續航力的影響。

由於永磁馬達的技術發展，現今的馬達效率都比傳統馬達來得高，因此電動自行車的馬達效率， 都可輕鬆的達到80%以上。由馬達特性數據表中，我們可以量到電動自行車的動力系統效率，確實可以符合80%以上的描述；本次量測的最高效率甚至達到84.32%。

將量測的數據，以圖表的型式表現，則下圖中的綠色線段為馬達效率對比於轉矩的表現。此時可以明顯的發現，原來馬達的轉換效率在對應不同轉矩值時，是不一樣的。84.32%其實是在低轉矩負載時，才有的優異表現。

上圖是採用馬達常見的表示方式，我們改採電動自行車比較容易理解的單位，以時速與效率的關係來看，轉換的結果如下圖所示。圖中可以發現，當電動自行車的速度越快時，動力系統的效率越高；但若速度超過最高效率點時，則效率又快速下降。另外筆者在圖中分別標示了紅色的左半面及藍色的右半面，是要告知在低轉速高轉矩時的紅色左半面，往往是大電流的供電狀態，對馬達而言，會有大量的銅損產生，降低能量轉換的效率；大電流也代表電動自行車的續航力下降。而對於高轉速低轉矩的使用狀態下，與速度有關的機械損、風損及鐵損會出現，造成效率的下降。

由上圖的效率與時速的比對後，我們會得到一個結果，高速騎乘時，只要不超過臨界值，則可以維持高效率的能量轉換狀態，使續航力提升；因此當法規限制電動自行車的最高時速為25公里時，將最高效率點設計在此時速條件下，才會獲得最佳的續航力表現。然而自行車還有輪徑的選擇，不同輪徑對應於25公里的時速下，其輪子的轉速並不相同，因此若僅用單一規格的馬達來通用，就會造成實際工作點的效率表現不佳的情況。如下圖所示，此顆馬達最高效率約為84%，若以標示效率80%以上，能適用的輪徑範圍，就會有限，僅適合24寸至29寸之間的輪徑。這也代表，若您挑了一顆高效率的馬達，但實際的工作轉速不正確，那產品的效率表現，仍然是不如預期的，就會造成電動自行車的續航力表現較差。

若光看速度與效率的表現，還會有一種低速就耗電的感覺。難到騎電動自行車，不能慢慢騎嗎? 這點就是犯了剛剛為了輕鬆理解，將Y軸座標由轉矩轉換為時速的誤會。時速顯示慢，是因為負載很重，導致速度降下來；主要是反應了轉矩與轉速的對比關係，並非指騎乘者自行降速的使用情況。這也是馬達業內會將Y軸以轉矩呈現的原因，只是會讓一般人不容易理解及感受。因轉矩跟時速，是對比的關係，造成"效率與轉矩比對圖"跟"效率與時速比圖"看起來就是直接對稱顛倒的樣子。

而真正耗電的情況，是在載重或是爬坡那類的騎乘條件，此時會有低速、大電流這兩個條件都存在，其能量轉換的效率才會真的變差。

重點整理：
想省電，要先確認使用條件；選錯規格，高效率還是耗電。

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