電動自行車:續航力與馬達效率 ( I )

2022/08/31閱讀時間約 2 分鐘
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%。
馬達特性數據表
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。
馬達特性曲線圖
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。
效率與時速比對
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。
輪徑、轉速與效率差異
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。
效率與轉矩比對
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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