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电动自行车国标修订之“新六条”亟待完善(二)

日期: 2017-06-01
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【中国电动车网 特约评论员、特邀撰稿人 宋子奎】当然,前提是:我们只有本着“科学严谨和有利于促进产业(行业)技术进步”为宗旨,乃有助于提升车辆本身“综合技术指标(包括安全性能指标)”为基本原则,并充分兼顾(侧重于)更有效改进产品“实用性能”、以期满足广泛消费者即更多普通百姓实际需求(合理诉求)为最终目的,方可“消除分歧、达成共识”,进而使“新国标(新六条)”更趋于完善。故而,或不应将上述推荐(优化)方案,简单的理解或解释为是一种变通做法(变通方案)。为能够充分阐明如上所述观点,并就该“补充(细化)”方案之技术运用的“科学(合理)性与先进性”,包括:该方案所涉及产品本身的“安全耐用性能”,以及它所具有的“经济实用性特点”及其显著的节能效果。我们不妨作如下更为具体的分析与探讨(以供参考):

 

1.关于适当提高“设计车速(预设指标)”主要依据及其安全性与合理性之研讨【见前文】

 

【接前文】

 

2.关于“补充(细化)”方案及其技术应用的科学(合理)性与先进性之研讨

 

2.1就适当提高“设计车速(预设指标)”如何能够提升车辆爬坡能力之原理简述

 

据“新六条”之相关规定:最高设计车速(即:限速指标)为“不大于25km/h”,同时规定电机额定功率指标(标称功率)为“不大于400W”。很明显,当“较大坡度”爬坡时,标称功率为400W之电机、所产生的驱动扭矩或是明显不够的,则车辆的动力性能(爬坡能力)将受到一定限制,继而难以适应不同地域(如:丘陵路况)即更广泛用户的实际需求。那么,如何才能有效弥补(完善)“新六条”之不足呢?我们不妨换一种思路来探讨问题的更有效解决,比如:在能够保障车辆本身安全性能、乃符合“新六条”相关技术指标要求(即:限速25km/h、电机功率400W)之前提下,我们可通过适当提高“设计车速(可将其视为:预设指标)”、便能够相应提升车辆的爬坡能力。为此,我们已在前述(前文)讨论内容中,针对于“新六条”之不足、提出了相应的“补充(细化)”方案,具体为:

 

在设有超速断电功能、且技术措施能够保障车速“不超标”之前提下,乃可以将“限速指标(25km/h)”、与设计车速(或称之为:预设额定车速)严格区分;同时规定“设计车速”可适当大于“限速指标”,如:可将“设计车速”适当提高为“限速指标”的1.4倍,并以“设计车速(预设指标)”来确定电机标称功率为“不大于400W”。而这样,即可在满足“新六条”之相关规定(电机功率400W、车速25km/h)”前提下,便能够将电机的输出转矩相应提高1.4倍,继而使车辆的爬坡能力(驱动扭矩)相应提高1.4倍。诚然,就如上所述解决方案,通常都会提出一些疑问(或质疑),例如:该补充(细化)方案将“设计车速”提高为“限速指标”的1。4倍,则“设计车速”即为25*1.4=35(km/h);再者,若以“设计车速(预设指标)35km/h”来确定电机标称功率为400W,就相当于提高了1.4倍的动力性能,而当车速由35km/h(即:设计车速或称之为“预设车速”)、降至25km/h(限速指标)行驶时,若将其折算成电机功率,就相当于电机功率可提高1.4倍,即为400*1.4=560(W)。或因此而认为它是一种变通做法(变通方案),乃变相增加了车辆1.4倍的动力性能,或对于车辆的“制动性能(制动距离)”及其安全性将产生不利影响。

 

其实不然,为此,我们已在前文中、结合车辆“平路、爬坡”等适时工况,作了较详尽阐明、并给出了参考结论:当设有“超速断电(包括制动断电)功能”之前提条件下,是由“设计车速(预设指标)”的35km/h、或是由“限速指标”的25km/h,来确定电机额定功率指标(标称功率)为400W,它对于车辆的制动性能(制动距离)及其安全性,二者间并未有明显差异(主要依据及其相关分析、笔者已在前文中具体给出,谨供参考)。然而,即便是我们排除了上述“或涉及(影响)产品安全性”的质疑,但就该方案的“实际应用效果”,通常也都会提出这样的问题(疑问),比如:通常认为,电动车的爬坡能力或仅与电机额定功率指标(标称功率)之大小有关,而就其“爬坡能力”或与所谓“设计车速(预设指标)”有关,则不太好理解。

 

而针对于上述“相关问题(疑问)”,则有必要着重强调与明确的是:对于电动车之电机“额定功率指标(标称功率)”的确定,它是以电机“设计转速”、即与之相对应的“设计车速”为基准的(对此应准确理解)。故而,更确切的讲:当“设计车速”相同时,其爬坡能力乃取决于电机额定功率指标(标称功率)之大小。据此,我们再来具体描述前述“补充(细化)”方案之“预期应用效果”,那就是:当设有超速断电功能、且技术措施能够保障车速“不超标”前提下,我们即可通过限制“实际车速(最高时速25km/h)”、乃低于“设计车速(预设车速35km/h)”行驶,则实为“降速使用”。由于车速下降为原先(预设车速35km/h)的“25/35=1/1.4(倍)”,而此时电机“输出功率(电功率消耗)”同样为400W时,则电机“输出转矩(驱动扭矩)”乃可相应提高1.4倍,继而使车辆的爬坡能力亦相应提高1.4倍。若进一步探究其“作用机理”、则可以理解为:我们乃通过“牺牲”电机转速(设计转速)、即与之相对应的“设计车速(预设指标)”,来“换取”电机输出转矩(驱动扭矩)的相应增加,便能够“较大幅度”提升车辆的爬坡能力。而对此,我们由电机转矩公式:T=P/n,就能够给予相应的解释。为便于理解、且有助于更为直观地探讨问题,我们不妨结合前述(前文)“讨论方案”、作如下更具体阐述(以供参考):

 

首先,由电机转矩公式T=P/n可知,当电机“额定功率P与额定转速n”等相关参数一定时,则“额定输出转矩T”乃既定的;再者,由前述(前文)“讨论方案”可知,当我们将设计车速(或将其视为:预设额定车速)提高为35km/h,但实际使用中、限制车速(实际车速)只允许它跑25km/h。那么,与“实际车速”相对应的电机转速n’即为设计转速n的“25/35=0.71(倍)”,而我们将电机实际转速n’=0.71n代入转矩公式T=P/n,则结果为:T’=P/n’=P/0.71n=1.4T。很明显,我们将设计车速(35km/h)与电机“设计转速”相对应,并以电机“设计转速(或将其视为:预设额定转速)”来确定电机标称功率为400W;那么,当电机实际转速n’为设计转速(即:预设额定转速)n的0.71倍,则电机输出转矩T’将提高为:T’=1.4T,即相当(等效)于400*1.4=560(W)电机所产生的电磁转矩。或者换言之,当电机“输出转矩(电磁转矩)”相同时,所需“能量(电功率)消耗”将减少为原先的0.71倍,则所需驱动功率(电功率消耗)仅为400*0。71=284(W)。综合如上分析乃表明:我们将“设计车速”提高至35km/h(为限速指标25km/h的1.4倍),但实际使用中、限制车速(实际车速)只允许它跑25km/h,那么,它与“新六条”之规定(设计车速与限速指标皆为25km/h)相比,则电机功效(能效比)乃相应提高了1.4倍(即T’=1.4T)。

 

不止如此,由于电机功效(能效比)提升了1.4倍,不仅仅是车辆的爬坡能力可相应提高1.4倍;并且由此所带来的积极(有益)效果还在于:电机做功、尤其是电机过载(爬坡)工况运行时,所需要的“能量(电功率)消耗”、以及电机做功所产生的“能量(电功率)损耗”都将大幅减少;进而可大幅降低(节省)能源(蓄电池)消耗,继而可在“续航里程”相同时,便能相应减少“动力电池”容量配置、以减轻整车重量。这不仅有助于(更趋于)满足“新六条”、关于整车重量(含电池)“不大于55kg”限重指标要求,而且更有利于实现产品“轻量化”设计。而这对于进一步优化产品综合技术性能(提升能效指标)乃具有显著效果,不但能够有效弥补(完善)“新六条”之不足,并且更能体现出“新国标”本身所具有的先进性(提升标准本身之技术含量);尤其是:它对于推动和促进电动自行车产业(行业)技术进步,以期适应更广泛消费者即众多普通百姓实际需求(合理诉求),乃至拉动整个产业(行业)及其“产销市场”可持续发展,则更具有积极(有益)效果和现实意义。

 

2.2就“补充(细化)方案”能够大幅节省能源消耗(提升能效比)之原理简述

 

回顾前述(前文)之“补充(细化)”方案可知,当设有超速断电(包括制动断电)功能、且技术措施能够保障车速“不超标”之前提条件下,是由“设计车速指标的35km/h”、或是由“限速指标的25km/h”来确定电机额定功率指标(标称功率)为400W,它对于车辆的制动性能(制动距离)及其安全性,二者间并未有明显差异(主要依据及其相关分析,笔者已在前文中具体给出,谨供参考)。但二者相比不同之处在于:我们将“设计车速(预设指标)”提高为35km/h,而实际使用中、限制车速(实际车速)只允许它跑25km/h;那么,它不仅仅是可将车辆的爬坡能力相应提高了1.4倍,而且更为重要的是:它对于大幅降低(节省)“能源(蓄电池)消耗”乃具有显著效果。比如,更具体讲,公知的,电动车之电机输出功率的大小,乃随着“负载转矩”之变化而变化;也就是说,电机“适时输出功率”是与负载转矩相对应的。据此,若车辆以35km/h的设计时速(或将其视为“预设指标”)行驶、且所需驱动功率为400W的话,而当以25km/h的实际车速(最高限速)行驶,则所需“驱动能量”将同比减少为25/35=0.71(倍),若我们将其折算成电机“实际输出功率(轴功率)”,则所需“驱动功率(电功率消耗)”亦同比下降为400*0.71=284(W)。

 

再者,经测量(测算),载荷75kg(车重约55kg),车速为25km/h“平路(微风)匀速”行驶、或“较小坡度”爬坡时,所需驱动功率(电机轴功率输出)一般≦284W。很明显,据前述“讨论方案”可知,电机功率由“车速为35km/h的400W”、降至为“车速为25km/h的284W”来使用;那么,当车辆处于“平路匀速行驶”工况、且电机输出功率约为284W,则电机做功时、乃处于(更趋于)“最高效率点(284W/400W=0.71)”附近区域,继而能够进一步降低电机工作(做功)时的“功率损耗”。并且,我们将电机由额定功率(标称功率)为400W(车速35km/h)、降至为284W(车速25km/h)来使用,则实为“降档(降速)”使用;那么,就目前电动自行车产品、广泛使用的“无刷电机(永磁电机)”而言,我们选择电机“降档(降速)”使用方案,则能够显著提升电机功效即“能效比”。而对此,这里更需要解释的是,针对于车辆处于“平路匀速(时速25km/h)”之额定工况行驶时,而我们之所以引入电机功效即“能效比”之参数概念,用于阐述“降档(降速)使用”永磁电机的节能效果、而不是以“电机效率”来探讨问题,则是因为:由“电机效率”来解释(阐述)“降档(降速)使用”永磁电机的节能效果,则存在一定“局限性”。现就此,探讨如下:

 

长期以来,甚至可以说,自“永磁电机(无刷电机)”诞生以来、乃至广泛应用至今,而我们对于“永磁电机”的节能技术研究,仍然套用“励磁电机(或感应电机)的研究理论,即通常认为:电机的输出功率(轴功率)P2是不能够>输入功率(电功率)P1的,若P2>P1(或P1<P2),则认为“电机效率将>1”、乃有悖于“能量守恒定律”。对此,笔者以为:对于励磁电机(或感应电机)来讲,欲使P2>P1(或P1<P2)乃无法做到的;但就“永磁电机(无刷电机)”、尤其对于“降档(降速)使用”之永磁电机而言,则不尽其然。为便于相关问题的更深入讨论,我们首先要明确如下相关概念(核心要点):公知的,“永磁电机(无刷电机)”与一般“励磁电机”相比,最根本区别就在于,它是由“永磁体”替换了励磁绕组,而“励磁功率”所占电机额定功率(标称值)之比例大致相同(相当),即“通常皆为5﹪左右”。据此,我们若将永磁电机之“永磁体”预先充磁所获得的“能量储备”、折算成“励磁功率(电功率)”,它所占电机额定功率(标称值)之比例亦为5﹪左右。明确了如上所述相关概念(核心要点),我们再来探讨如下相关问题,或更便于理解,比如:

 

永磁电机(无刷电机)是由“励磁电机”演变而来,但它与“励磁电机”相比,不同之处在于:永磁电机“励磁系统”之励磁功率,是我们利用永磁材料具有“剩磁(矫顽力)”之特性(特征)、预先“充磁”而获得的(乃预先储备的),而当电机工作(做功)时、并不需要从电源(蓄电池)汲取这部分能量(电功率),只要“永磁体”未退磁、则长期有效(以逸待劳、或可谓“无偿的”)。故而,当电机“输出功率(轴功率)”相同时,而“永磁电机(无刷电机)”同比与励磁电机、则可以相应减少(节省)5﹪的“能量(电功率)消耗”。而沿此思路,试想,我们通过相应增加永磁体之“能量储备”,若将其折算成“励磁功率”、并使它所占电机额定功率(标称值)之比例且大于5﹪;同时,再将电机做功时所产生的“功率损耗(主要为电枢绕组的铜损及铁芯部分的铁损)”相应降低、且相当于“额定功率(标称值)”的5﹪及以下。那么,由“永磁体”所节省出的“励磁功率(电功率消耗)”,将足以“抵偿”电机(电枢绕组等)所产生的“电功率损耗”、且尚有剩余,则电机输出功率(轴功率)P2将>电机输入功率P1。注:P1仅限于自“电源(蓄电池)”实际汲取的电功率。

 

基于如上讨论,我们不妨再依据“能量守恒定律”、来探讨“电机功效(或效率)与节能效果”二者间关系。比如:据前述“讨论方案”可知,我们将标称功率为400W之永磁电机、降档为284W来使用,而电机本身我们未做任何改动,则电机励磁系统的功率储备(励磁功率)、它所占电机标称功率(400W)之比例仍为5﹪,即为400*5﹪=20(W);但若将它与“标称功率同样为284W(常规设计、使用)”之电机相比,则励磁系统之励磁功率、它所占电机标称功率之比例将>5﹪,即为:20W/284W≧7﹪。进一步讲,我们将电机功率由“车速为35km/h的400W”、降至“车速为25km/h的284W”来使用,则电机工作(做功)时、更趋于“最高效率点(284W/400W=0.71)”附近区域,继而使电机做功时的“能量(电功率)损耗”将进一步降低。据此可见,当电机输出功率(轴功率)为284W、且电机做功所产生的“功率损耗”又相应降低,若功率损耗>14.2W、而<20W,即“功率损耗”所占电机“输出功率284W”之比例>5﹪、而<7﹪;那么,由“永磁体”所节省出的“励磁功率(电功率消耗)”,将足以“抵偿”电机(电枢绕组等)所产生的“电功率损耗”、且尚有剩余,则电机输出功率(轴功率)P2将>电机输入功率P1。注:P1仅限于自“电源(蓄电池)”实际汲取的电功率。

 

综上所述,我们或可以给出这样的参考结论:对于“降档(降速)使用”之永磁电机,而当电机处于“最高效率点”做功时,则电机“输出功率(轴功率)P2”或将>输入的“电功率P1”,但这并不违背“能量守恒定律”。例如,据能量守恒定律内容可知:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一种形式转化为其它形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。据此或不难理解:遵循“能量总量保持不变”之能量守恒基本原则,而我们选择前述“降档(降速)使用”方案,它相比于“常规设计(使用)”之电机,由于“永磁体”之能量(励磁功率)储备相应增加(如:所占输出功率284W之比例相应增加至≧7﹪);而且这部分能量并不需要从电源(蓄电池)汲取,但它也不会凭空消失、并实实在在的参与了“电机做功时的能量转换”,且转换为“输出功率(轴功率)P2”的一部分,进而相应提高了“电机出力”。至此明显可见,我们若将“永磁体”预先储备的能量(励磁功率)、也视为电机“实际输入功率之其中一部分”,然后再由“能量守恒定律”来解释它,方才是“全面与完整的”。

 

因此,就前述永磁电机之“降档(降速)”使用方案而言,即便是我们能够做的P2>P1(注:P1仅限于“自电源即蓄电池”实际汲取的电功率),但它并不违背“能量守恒定律”。当然,针对于前述“降档(降速)”使用方案,我们不能仅局限于“平路匀速行驶(时速25km/h、电机输出功率284W)”的额定工况、来探讨问题;而当车辆处于“爬坡工况(即:电机过载运行工况)”时,我们采用如前所述“降档(降速)”使用方案,其节能效果又如何呢?这乃我们更需要着重探讨之问题。而为了便于之后相关问题的更深入讨论,我们还需明确一些关键性概念,例如,就永磁电机(无刷电机)应用于电动自行车产品之“节能(优化)设计”,或应包括两个方面的研究内容:其一,当电机输出转矩(驱动扭矩)相同时,如何来提升电机功效即“能效比”、以期更有效节省“能量(电功率)消耗”;其二,当车辆处于“爬坡工况(即:电机过载运行工况)”时,如何来提高电机效率(电机做功之“能量转换效率”)、以期更有效降低(减少)电机做功时所产生的“能量(电功率)损耗”。而这其中:

 

所谓提升“能效比”是指:我们将电功率P1转换为机械输出功率(轴功率)P2时,如何来有效降低(节省)电机做功所需要的“能量(电功率)消耗”、而不是“能量(电功率)损耗”。那么,如何来有效降低(节省)电机做功时的“能量(电功率)消耗”呢?对此,我们已在前述“讨论方案”中作了较充分阐明,若概括地讲,就是:我们可将“设计车速(预设指标)”提高为35km/h,而在实际使用中、限制车速(实际车速)只允许它跑25km/h,则实为“电机降档(降速)使用”,进而使电机功效(能效比)可将相应提高1.4倍(即T’=1.4T);并且,当电机处于(趋于)“最高效率点(时速25km/h、电机输出功率284W)”运行时,电机输出功率(轴功率)P2或将>输入功率(电功率)P1。因此,它与“新六条”之规定(设计车速及限速指标皆为25km/h)相比,其节能效果乃尤为显著的。基于如上所述“电机功效(能效比)”提升1。4倍为前提,我们再来探讨车辆“爬坡工况(即:电机过载运行工况)”时,它如何能够有效降低电机做功时所产生的“功率损耗”、而不是“功率消耗”,或更便于理解。具体讲,当车辆爬坡时,随着爬坡角度的适时增大、“负载转矩”亦相应增加;而为了平衡“负载转矩”增加,则电机输出功率(轴功率)亦将随之增加,例如:

 

就前述“讨论方案”而言,当电机输出功率由284W增加至400W时,则电机做功所产生的“功率损耗”亦相应增加,电机“做功效率”亦将相应降低。但这里需要提示与明确的是:当电机输出功率由284W增大至400W时,它与电机输出功率为284W(即:最高效率点运行工况)相比,虽然电机效率会有所降低,但此时电机输出功率仍为额定值(400W)、并未过载,其做功效率(即:将电功率转换轴功率之能量转换效率)仍然是相对较高的,其“功率损耗”仍然是相对较低的。再者,据前述(前文)之“补充(细化)”方案可知,我们将设计车速(预设指标)提高为35km/h、且仍然保持“电机额定功率指标(标称功率)为400W”不变,而在实际使用中、限制车速(实际车速)只允许它25km/h,则能够提高1.4倍的“输出转矩”,即相当(等效)于400*1.4=560(W)电机所产生的“输出转矩”。据此,我们若将它与“新六条”之相关规定(指标)相比较,从中或不难发现二者之间区别,例如:若依据“新六条”之规定,设计车速与限速指标皆为25km/h,当电机标称功率同样为400W时,欲获得相同的“输出转矩”,则电机输出功率需增大至560W,方能获得“相同的输出转矩”;那么,此时电机将处于“过载工况运行(过载1.4倍)”,则电机“做功效率”将有所下降,其“功率损耗”亦相应增加。

 

不止如此,当“较大爬坡”爬坡时,若依据“新六条”之相关规定,即便是电机“输出功率”增大至560W,它所产生的驱动扭矩还是明显不够的。而相比之下,若依据本文所提出(推荐)的“补充(细化)”方案,当电机“输出功率”由400W增大560W时,虽然电机同样过载1。4倍、但尚未进入电机磁路“过度饱和区域”,而且,我们若将该方案“可提高功效(能效比)1.4倍(即:T’=1.4T)”、折算为电机功率,乃相当(等效)于560*1.4=784(W)电机所产生的电磁转矩。以此类推,若依据“新六条”之相关规定,欲获得与本方案“相同的输出转矩(电磁转矩)”,则电机输出功率又将增加至560*1.4=784(W)、方能产生相同的电磁转矩(驱动扭矩),但此时电机将过载1.96倍(784W/400W=1.96),或已进入(趋于)电机磁路“过度饱和区域”,则电机“做功效率”将会降低很多,即:将电功率(输入功率)P1转换为轴功率(机械输出功率)P2时、所产生的“能量(电功率)损耗”将会增加很多。至此或可以说明:与“新六条”所规定的“相关指标”比较,本文所提出(推荐)的“补充(细化)”方案,不仅可提高电机功效(能效比)1.4倍、乃相应提高车辆1.4倍的爬坡能力,而且当车辆较大坡度爬坡(即电机处于“过载运行工况”)时,则能够较大幅度降低(减少)电机做功时所产生的“能量(电功率)损耗”,其综合节能效果乃尤为显著的。

 

鉴于本文篇幅所限,关于永磁电机“降档(降速)”使用方案、用于现有电动自行车产品的“节能(优化)”设计,笔者已另文给出,推荐参考《探究电动自行车“新国标”难以出台的主要障碍与突破途径》一文(详见该文续篇1。2。3)。该文中,