【接前文】综上所述及其相关分析,或不难看出,目前产品中普遍采用的“外转子、内定子”结构之低速轮毂电机,它的不足之处就在于:当用于(作为)低速车辆之驱动电机时,而由于低转速电机功率密度相应较大、效率及效能相对较低,则使得电能(能源)消耗亦相应较大。不仅如此,而更为关键的是,其技术局限性或可称之为“致命性”技术缺陷,更集中体现于,其功效即“能效比(电磁转矩/电机轴功率)”的进一步提升,乃受到“车轮毂特定结构、以及低转速电机固有技术特征”的限制。由此可见,所谓制约电动自行车产业(行业)可持续发展之“技术瓶颈”,并非完全归结于:目前“高能量密度”电池之技术研究及其产品开发,尚未能取得突破性进展。而更为客观地讲,就电动自行车行业自身而言,影响行业技术进步与现阶段产业发展之主要“制约瓶颈”,更在于:目前产品中普遍采用的、被称之为“原创设计”的“低速轮毂电机驱动方式”,存在着固有的技术局限性。之所以提出此观点,其理由则源于以下方面:
其一,表面上看,低转速轮毂电机可方便实现与车轮转速匹配,与早期的外置式电机驱动方式相比,省去了传动连接装置,减少了传动机构所产生的功率损耗,传动效率相应提高;但更宏观与整体上看,传动效率的相应提高,即传动机构功率损耗之减少,仅占驱动系统总功率消耗的很少部分,它对于“功效”的提升(幅度)乃有限。其二,通过近年来的不断改进,目前低速轮毂电机技术已相当成熟,包括“正弦波、同步变频技术”的应用等等;但这更多的、只是对电机性能的一些改善,而对于电机本身之功效即“能效比(电磁转矩/电机轴功率)”的进一步提升,或是“微不足道”的。其三,对于目前所采用的“内定子、外转子”结构之“低速轮毂电机”而言,由于其本身“功率密度”已较大、效率及效能相对较低,再加上受到车轮毂特定结构(轴向、径向尺寸)的限制;那么,欲通过优化结构设计来进一步提升“功效”、以减少电能(能源)消耗,则优化改进空间甚微。因此,可以说,在新材料、新工艺以及新的技术方案尚未出现(或尚未成熟应用)之前,我们即便是将相关优化改进措施做到极致,其最终效果或可谓“事倍功半”。
6 关于“高能效比”电驱动系统之技术优势分析及其设计策略研究
综合之前所述或可以说明,若局限于目前产品之“低速轮毂电机驱动方式”,来实施其优化改进,或将使我们的改进思路亦存在局限性;或者可以说,我们若仍固守于现有产品之常规设计模式,即:基于“低速轮毂电机”这一“低效力(效能)”技术平台来改进产品设计,并期待于“电池技术及其研究”在短期内能够有所突破;则将使现阶段电动自行车产品的进一步改进及其“节能技术”之研究,或停滞不前。而进一步讲,即便是将来“电池技术(储能技术)”之研究有所突破,但“提升电机功效、减少能源消耗”之改进思路,则始终不会失去其技术上的先进性,将更有利于电动自行车产业之未来发展。
更进一步讲,就现有技术条件而言,我们通过大幅提升驱动电机“能效比”、来减少电池能量消耗及其容量配置,以降低整车综合实施成本;远比:“欲在短期内突破电池技术、来降低电池本身成本”,要容易的多。而且其技术优势及其有利条件还在于:限于目前技术条件下,我们充分运用现有成熟技术及其常规技术手段,来改进驱动电机(驱动系统)设计、以实现其“能效比”的进一步(大幅)提升,乃可以方便做到的(相关优化改进措施之后具体给出)。不仅如此,这里更需要指出的是,对于“新一代”高性能电池产品之研究与开发,它所要解决的问题则在于如何提高电池“比容量”,即:通过提高“能量密度”来减小体积和减轻重量;但它对于更有效减少(降低)电动自行车产品之“电能(能源)消耗”,并不会带来“实质性(本质上)”改变。
更具体的讲,比如,基于现有“低速轮毂电机驱动方式”之产品,即便是我们选用了目前“能量密度”相对较高的“锂电池”,来作为动力电池,其效果也只是减轻了重量,而它对于电能(能源)之消耗,并不会有明显减少;而且,电池成本将会明显增加。而与之相比,我们通过大幅提升电机“能效比”,则可以减少电池能量消耗及其容量配置,其效果更在于:我们同样也选用“锂电池”,不仅重量更为减轻;而且,即便是与目前普遍使用的低成本“铅酸电池”相比,而由于电池容量配置的大幅减少,则所用“锂电池”成本也不会有明显增加或者更低。由此可见,选择大幅提升电机“能效比”之解决方案,对于加快现有产品之“锂电化”转型升级,乃是更为积极且较为经济的“低成本”解决方案与实施途径。不仅如此,该解决方案更为突出之优点还在于,它对于更有效减少(降低)现有产品之能源消耗(即:显著的“节能效果”),乃其它解决途径(技术方案)所不及,则更能体现出电动自行车产品之技术优势及其“公益性(低碳环保)”特点。
综上所述,笔者以为,就如何更有效提升电驱动系统(驱动电机)之“功效(能效比)”而言,我们或应该“更新技术思路”、突破传统的固有设计模式。比如,就“电机优化设计”而言,当“主要参数、基本尺寸”等大致确定后,通常,我们会通过优化其“功率重量比”、则可以降低电机成本,即:通过“提高功率密度来减小体积”,以减少用材(量)便能降低电机本身造价。可是,对于电动车辆之驱动电机而言,它与工业用电机设计之区别或在于,它采用车载储能设备(动力电池)供电,因此,我们或更应该强调统筹整车优化设计,来提高产品综合经济技术指标;而具体涉及驱动电机之技术指标,则应突出其“高能效比”,从而可减少电池容量配置便能降低电池成本,继而提升整车产品之性价比。并且,鉴于目前的技术条件、以及“选用相同(同样材质)电磁材料”等前提下,最为有效和更便于做到的解决途径或在于,我们可以采用(选择)“倾向性”优化设计方案,即:通过适当降低电机功率密度、合理增加其“质(重)量”,来相应增加定子绕组(电磁线圈)匝数,以相应减少所需驱动电流(所需驱动功率),则能方便做到电机功效(能效比)的更有效提升。
然而,需要指出的是,上述技术思路及其“倾向性”优化设计方案,若用于现有产品之“低速轮毂电机”的进一步改进,或相当困难。其原因在于:若通过增大其“质(重)量比”来提升其“能效比”,不但电机体积有所增大、原材料(用材量)相应增加、不经济;而且,将会受到车轮毂特定结构(轴向、径向尺寸)的限制。据此可见,基于现有“低速轮毂电机驱动方式”来改进电机设计,所能够得到的最终效果,最多也只能体现在“电机效率”或有所提高,则无法做到(实现)其功效即“能效比(电磁转矩/电机轴功率)”的大幅提升。其理由在于:简单地说,所谓提高电机效率,则是基于一定(设定)的“效能平台”、来实施其优化改进,即:当电机的“主要参数、基本尺寸及质(重)量”等大致确定后,它的最大“效力(即:效能平台)”乃一定(既定)的;而我们所作的优化改进,也只是如何使电机自身的功率损耗趋于更小;而且,我们即便是将相关优化改进措施做到极致,其“效率”也不可能超过1,否则将变为“永动机”,有悖于“能量守恒”之基本原理。
根据如上所述,我们用于解释现有产品之“低速轮毂电机驱动方式”技术局限性,或更便于理解。更具体与直观地讲,也就是说,现多采用的、称之为“原创”设计的、用于电动自行车产品之“低速轮毂电机”,它的最大“效力(即:效能平台)”乃一定(既定)的;而我们仍局限于(停留于)“提高电机效率”之技术思路,来改进产品设计,则无法达到:大幅提升电机“功效(能效比)”之预期效果。因此,笔者以为,更新技术思路、突破“原创设计”之束缚,并选择“高效力即高效能”之技术平台来改进驱动系统设计,对于更有效(大幅)提升驱动电机自身功效,以实现“低成本、高能效比”电驱动系统的综合优化设计,乃更为有效之解决途径。而且,其有利条件更在于:所谓“高效力即高效能”技术平台或已经存在于现有技术之中,或是我们尚未有充分发掘和更有效利用,仅此而已。比如,我们仍可以选用(选择)“外置式电机驱动方式”,这是因为“外置式电机”不受车轮毂特定结构限制,则更便于电机本身(本体)之结构及其“高能效比”优化设计;而在此基础上,我们再通过选择高转速电机、并实施“减速增矩”传动方式,即可方便做到其“功效(能效比)”的倍增、乃至更大幅度的提升。现就具体优化改进方案,我们作如下进一步探讨(供参考)。
7“高能效比”电驱动系统之技术升级方案概述
为节省本文篇幅和便于理解,我们结合电机之“功率、转矩、转速”等相关参数概念及其解释一并讨论。具体而言,公知的,电机之转矩
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