2024電輔車假議題:電能回充

閱讀時間約 4 分鐘

特別標示年度,係因為隨科技技術的發展,現在的假,在未來可能成真。

電能回充對永磁馬達而言,可謂是毫無技術可言,因為永磁馬達的天性就是會產生反電動勢。反電動勢一詞對非專業人士會顯得十分陌生,其實口語的稱謂就是發電。也就是說永磁馬達本來就會發電,不需要額外的設計與處理,反而是產品系統要規劃決定,發出來的電要如何使用。現況來說,永磁馬達發出來的反電動勢是不回收使用,甚至還要想辦法將其消耗掉,如同廢棄物一般的存在,不但沒幫助還要想辦法處理。

廣義的來說,所有馬達都具備四象限運作的能力,包括順時針、逆時針旋轉,因此電動機車會大肆宣傳其具有倒車能力,其實單單僅是應用了馬達轉向變化而已,並不值得大驚小怪。另外就是可以同時作為馬達與發電機的使用。若將馬達視為一個電能與動能的轉換機構,則輸入電能轉換為動能輸出,就稱為馬達;反之改為動能輸入而電能輸出,那就稱為發電機。僅是名稱上面的差異,但內部結構跟零件,其實一模一樣,因此既要當馬達,又要當發電機,在馬達上面實現一點都不困難。

四象限運作

四象限運作

由此可知電能回充一事,顯然與馬達沒啥關係,真正的困難在於系統調配,依序要克服的技術問題討論如下

1. 控制器:馬達控制能力要更為敏銳及多工

既有的電輔車馬達為避免反電動勢的干擾,會在馬達內部安裝了限制單向旋轉的結構,使得馬達控制變得較為簡化,人車合一的控制敏感度被大幅度的調降,就算控制得不好,人也不會有太大直接感受。

但為了能達到電能回充的應用,單向旋轉結構需取消,除了會得到馬達可以反轉運用的功能,也就是電動自行車亦能設定倒車,同時也獲得了電能回充的能力。但此時,馬達及發電機兩種模式,都會直接與騎乘者協同作業。而自行車騎乘是種間歇運動,當騎乘者向下踩踏時才有做功;因此馬達的調控性不好時,很容易產生異常的頓挫感。

而馬達轉換為發電機時,對騎乘者而言是從原本的助力模式切換成阻力,如同健身踩的飛輪阻力一樣,這馬達與發電機之間的過渡銜接不好時,車子甚至會有明顯的剎車感受,因此在控制上有更多的細節處理工作,除非這台車不在意騎乘者的感受,僅要達到有此功能就好;或是僅在煞車時,執行電能回充的模式,是一種較為簡單的處理方式,但就需要搭配電子煞車器做煞車狀態的判斷。

2.電池:充放電能力

電池要能充電,首先輸入的電壓要大於電池電壓值,因此發電機所產生的電能要先進行整理。同時發電機模式下所生產的反電動勢,為交流弦波的狀態,與電池充電時所需要的直流電源亦不相同,需要整流處理。通常會額外增加一組升壓電路,專門處理發電機與電池之間的規格傳遞,確保充電的必要條件。

發電處理

發電處理

解決了充電電壓的問題,第二關是充電速度,假設電輔車系統配置的電池規格為2C放電與0.5C充電,而電輔車馬達為250W的配置,代表電能回充時的最大值也將會達到250W,但由於電池允許的充電功率僅有0.5C,也就是只能回充62.5W,如此一來剩餘的187.5W也是要另外想辦法處理,無法直接輸入到電池當中,需要有另外的儲存裝置或是消耗裝置。假設是額外的儲存裝置,那就是費用問題;假設是消耗裝置,就變成電能回充的效益極差,超過62.5W的部分都要剃除。

另外也討論過不同的情境,包括當電池已經充飽了,電能回充是無法執行的;因此電池要設定無法完全充飽,保留5~10%的電池空間等待電能回充執行。但這樣的執行成本過高,也會直接降低電輔車充飽電時所顯示的續航力,是個賠了夫人又折兵的作法。因此也僅能選擇,當電池充飽電時,將回充的電另外找裝置消耗掉。

實際上,在電動車內會配置超級電容來作為緩衝處理,甚至可以不用進入電池,馬達直接由超級電容抽取電能使用,但這些技術都是用在電動F1方程式賽車當中;筆者都不確定是否普及到了世售電動車當中,更何況是電動輔助自行車。

3.耗能裝置:必要之惡

由上述種種做法發現,回充並非是萬能,發出來的電在無法使用時,需要找個宣洩的管道,不然會塞爆整體系統,下場就是電池、電控、馬達選一個燒掉。因此當需要執行電能回充時,耗能裝置的存在是必要的;目前最便宜的做法就是安裝水泥電阻,讓多餘的電能透過電阻轉換為熱能散發掉。因此整台電輔車又要找個地方安裝水泥電阻,且消耗電能時會產生熱,因此還要考慮將熱快速帶走,或是讓騎乘者感覺到車子的熱情如火。

水泥電阻

水泥電阻


重點整理:

經過反覆多次開會討論,最終確定這是個拉高車價的好題材,需要立案執行。

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電動自行車產業喜歡玩數字之爭,因此有段時間筆者常被要求拉高馬達轉矩值;以中置馬達為例,開始基本要求的轉矩值為50Nm,之後一路擴增到120Nm,現今是否有再持續增加,筆者就沒有再追蹤下去了。 筆者不愛這數字之爭,主要是從系統搭配的角度來看,就算馬達能作到如此大的轉距動能輸出,其實整台電動自行車並沒
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筆者剛開始接觸電動自行車產業時,大馬力及時速45公里的車款正在風頭上,因此廠商希望筆者能設計一款出力達到1馬力(1hp=750W)的動力馬達。筆者就在原本250W的體積空間內嘗試加大馬力,經過一段時間的實驗測試,最大曾經達到1,000W的輸出功率;若能進一步優化散熱設計,預計將可達到1.5KW的功率
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