2013年3月31日 星期日

材料篇



前面的篇章裡有提過:

功率W = 電壓V  x 電流A

負載降壓Vx = 電流I  x 電組R



    在大功率的世界裡,如果電壓只能被有限度的提升,則勢必得靠提升電流來得到大功率,但系統整體的電阻若越大、則系統整體負載降壓也會越大,而電流越小、則系統降壓越小。既然以上所有的關鍵都指向了電阻,那應該如何盡量降低系統整體的電阻呢?

從小處著手!

    別小看小小的一顆端子,如果使用的規格(寬度與厚度不足)與材質(的純度,或是使用其他比導電性差的材質)不正確,在大電流的放大作用之下,電阻就會跟著被放大!例如:

負載降壓Vx = 電流I  x 電組R 2 = 60 x 0.0333 

若換上規格與材質不正確的端子,致使電阻翻倍變成了0.0666,結果會如何?

Vx= 60 x 0.0666 Vx = 4,系統降壓一下子就跟著翻了兩倍!

當然實際上用錯端子也應不至於使整體電阻變成兩倍,以上僅為例舉。

    所以,5公斤的東西,就應該要使用能裝5公斤以上的袋子!先別急著看到有線就拿來用、有端子就拿來壓、有接頭就拿來接。大電流材料與元件,分別介紹如下:

線材
    首先介紹線材。電線以銅導體結構來說可分為三種,分別是:實心線絞線花線實心線絞線屬於硬線,適合使用在永久性輸配電路上。花線則屬於軟線,所以適合使用於電器的電源接駁線、或具有移動性需求的器具上,並因應用途的不同而發展出更細芯、更好活動與彎曲的線。

    再來是絕緣皮的部分,因應各個專業領域的需求,而各有不同的特性,例如一般最常見到與使用的PVC外皮、抗風吹雨打日曬雨淋的耐候型外皮、抗化學油污的耐油型外皮、可頻繁彎曲的耐曲尺型外皮,與可耐高溫耐燃的消防馬達型外皮等。
    那究竟什麼樣的線材合使用在大功率上呢?里柯是認為,只要條件符合,其實都是可以使用的:

  • 線身柔軟、易於走佈。
  • 外皮能耐磨,且有良好的絕緣,所以需有一定的厚度
  • 外皮能耐高,至少需能耐攝氏100以上。
  • 持續電流能力大,至少需能承受連續100安培以上的電流。


以里柯目前所使用的8AWG線來,就是出自於航模的部品:


  • 線芯為1650銅線,柔軟度極佳;
  • 線皮可攝氏200、厚度足1mm
  • 最大可持續耐電流達190A

    AWG是一種美規的線徑規格表示法,指"在一固定的截面積之下,能塞進相同AWG線的數量",所以AWG前的數字越小、表示線徑愈粗,所能承受的電流就越大;反之則線徑越細、耐電流量也越小。

    通常安規檢驗合格的線材,外皮都會標示完整的詳細規格,與外皮的耐熱度等資訊,應儘量選擇這類的線材來使用,較有保障。

端子
    小小的端子,可是藏有大大的玄機!端子的厚度寬度,依規格有其標準,對應越大線徑的端子,其厚度與寬度都要充足,才能承受大的電流。一般正規端子的材質為,而也要看純度, 若以1mm厚的C110純銅基本上的耐電流公式約可這樣計算:

截面積 1mm平方 = 10A

    所以1mm厚 、3cm寬的C110純銅片即約可承受300A的持續電流。但若實際走一趟電子材料行,能買到正規的端子就該笑了,更別說要能耐大電流!(因為電料行所賣的電料都是for小電流甚至弱電流的電子器材所使用)

我們先來看看以下這個實際案例:
這是里柯從一組高球車鐵鋰電池組上所拆下來的大電流線組,接頭用的是安德森SB-120
接著就來看看這組接頭都用到可耐120安培大電流、線材也用到了6AWG"大電流線"上所使用的端子到底是如何的!(右邊端子上的電火布已先被里柯拆除)


左邊為線組上的R14-6端子,右邊則為相同規格的正規品,傻瓜都一眼就看得出來兩者間的差異了吧?其實光是這個線組的端子在壓接後,僅使用電火布來隨意綑紮的這個動作,里柯就有點不以為然了。
以游標卡尺量測,左邊的端子寬度12mm、右邊的正規品則達16mm
厚度更是一整個災難,下面的線組端子,厚度只有1mm,這甚至還未達到R8-6正規端子1.2mm標準厚度!上面的R14-6正規端子厚度即達到足1.5mm,這是偷料品的1.5倍
所以里柯個人是認為,一般電料行的端子非常不適合使用在大電流線組上面,在這個案例中,真是枉費了貴鬆鬆的安德森
再來看看另一組更粗的線組
使用到4AWG的線材,已經比里柯的手指還要粗了!這種線徑也已經不是很適合走布在車體內了。
無敵電火布。就是不願意使用熱縮套管就對了。

移除電火布。











使用的是對應4AWG線徑的R22-6S端子,但為什麼要使用"S"縮小版端子而不是正規端子呢?這個縮小版的端子,寬度13mm是OK的、但厚度只有1.2mm,比起同樣規格的正規端子還是少掉了1/3,有點可惜!



    
    所以里柯當初在找材料時的想法,是先去想什麼樣的器材會使用DC直流電、又會使用到很大的電流?”於是乎汽車音響四個大字就浮現在里柯腦海裡了。因為汽車是使用DC12V的電壓,所以若是要汽車音響能輸出等同於市電AC110V音響等級的功率,那幾乎要放大9倍多電流才能辦得到!所以如果各位去一趟汽車音響改裝店家逛逛,就能找到適用於大功率電動機車的優質端子

    像里柯目前所使用的端子,就是寬度與厚度均符合正規標準、使用高純度無氧銅並以24K純金加厚電鍍處理鍍金端子:

    鍍金處理可防止的表面氧化,雖然的表面氧化不至於影響到銅裡面的導電效果,但如果你是跟里柯一樣是個吹毛求疵的人,凡小處必想盡善盡美,且事實上幾顆鍍金端子也多花不了多少錢

    在電動機車發展更為蓬勃的對岸,則是廣泛的使用一種結合"端子""銅管"銅鼻子

    寬度與厚度皆"海派"銅鼻子,價格低廉、使用簡單,唯在台灣因為市場需求的現實關係,市面上是尚未能找到的。若從對岸購買東西回來,要注意對岸慣於灌水的習性。所以若是因為擔心、或是沒有把握能買到應有品質的銅鼻子,上面的鍍金端子就顯得安心許多,這也許也是台灣目前碩果僅存的軟實力之一了吧!

接頭
    接頭也是個大學問!里柯見過很多電動機車與電池組上面所使用的接頭,竟是只能耐小電流的接頭,真是令人匪夷所思、不可置信!

    接頭若耐電流能力不足,不但系統整體的電阻變大、更直接的反應就是發熱(還記得在本篇最前面的兩個簡單的公式嗎?)。此時如果接頭的塑膠材質又不是能耐熱的,那後果就很不堪設想了!先前提過,以而言,其耐流能力為其截面積 1mm平方 = 10A,所以如果各位對自己眼前所見的接頭耐流能力有所質疑,不妨心裡頭大致盤算一下"接頭的截面積"即可真相大白!

結論能耐大電流的接頭,也是在一般電料行買不到的。那應該上哪去買呢?

再來玩玩動動腦,汽車音響店有嗎?
很抱歉,汽車音響都是使用端子線座直接鎖付,沒人在用接頭的。

    其實在大功率的世界,以端子直接鎖付是最便宜、最方便、最安全也最有效率的方式。但畢竟並不是每個人都能進行整車充電,事實上大多數的人會需要能將電池取下帶會家裡充電。

再想想看,還有什麼器材是使用到DC直流電大電流,又須能經常將電池組取下來充電的?

航模!那些在天空穿來梭去、速度驚人的遙控飛機

所以里柯目前所使用的接頭,就是能耐120A連續大電流航模部品XT-150

    XT-150唯一不便的地方,是需以的方式來製作線組,對於初學者來,確實是有一定的門欄,且有製作失敗或不確實的風險。況且"航模"畢竟不等於大功率電動機車,也許在耐流能力上的通用理論行得通,但卻忽略了其他的安全性設計,像是防呆更安全便利的拆接方式等,而且XT-150接頭外鞘設計得很小,畢竟他原本就是為了體積也相對小許多的航模而設計的。

    那還有沒有其他的選擇呢?當然有!其實像是電動堆高機電動高爾夫球車電動清潔車電動升降機等也都是DC大電流直流系統,有些使用端子直接鎖付,也有些使用了一種專門為此而設計出來的大電流接頭安德森安能接頭
 

    與XT-150擺在一起比一比,是不是有很明顯的質量差距?
安德森接頭的外殼除了給人一種安全感之外,同時也有防呆的設計,端子採用壓接的製作方式,所以線組製作上的技術門欄很低,只要"壓接確實"即可輕鬆製作,唯一的缺點是它的單價要比XT-150貴上十幾倍

 安德森的特工壓著相當深,但價格亦不斐。

    因為XT-150在搭配航模的8AWG線材時,在里柯的實際使用經驗上,100A以內是不曾發熱而僅有微,所以里柯是建議若有燒基礎的朋友,不妨可以選擇XT-150CP破表;而若想求簡單又更安全的人,則安德森實為業界公認首驅一指的不二選擇!

DC NFB(直流式無熔絲開關)
    無熔絲開關,在水電工口中不累軋,有DC直流式AC交流式之分。AC交流式NFB就是翻開家裡頭的配電箱,那些上面有開關可扳動的小黑盒子NFB的作用旨在保護其後端的系統,使之不因過電流而燒損,結構通常是一個彈片,當電流過大的時候,彈片會發熱,因為熱漲冷縮的關係,當彈片達到設計耐流上限的相對發熱度時,就把開關給彈到OFF的位置斷電。所以當電流達到設計耐流的上限時,並不是馬上會跳開,必須要先等彈片,也就是在前幾篇時有提到過的"跳脫曲線"。也有些NFB裡面的彈片做得比較敏感,一點點超流的度就會造成彈片彈開,但這樣的設計也代表它容易因為受到敲擊震動等因素而意外的跳開,所以並不適合用在震動頻繁、道路品質又差的機車行車環境上面。

現在來考考大家。若是要保護的後端系統僅能安全的持續耐電流100A,請問應選擇多少ANFB來保護它呢?

50A太小!別忘了你是要設計大功率!50A不如別設計,錢還是省下來帶家人去吃麥當勞吧,麥當勞都是為你!

70A有觀念!預留個30%作為緩衝空間。

100ANFB並不是一到保護上限就會馬上跳開的,使用剛好100A有可能達不到保護的效果!

120A砍掉重練!請從第一章開始再從頭讀一遍!

    下圖是歐式開關”,流式直流式的都有,體積較一般家用的黑色NFB為小,採夾線式設計,以螺絲緊迫夾片的方式將線芯夾住固定。這種歐式開關也是目前許多電動機車採用的無熔絲開關,但里柯個人是對這種NFB持有一點保留的態度。

    不同於家裡的配電箱,行車的環境須面對頻繁的振動水氣粉塵,所以一般還是建議使用端子配以螺帽來鎖付,並選擇彈片勿太敏感的NFB;因歐式開關是採夾線式固定線芯,所以不妨可先用銅管做成端子套進線芯後、再壓扁銅管後夾進歐式開關。

    照慣例,里柯還是先往有相同條件需求的既有市場上動腦筋,這次簡單了,當然是汽車音響!所以目前里柯所使用的DC NFB是這一種:

    規格有70A100A140A180A200A五種,並分過電流斷開式可手動斷開式兩種。重量輕、體積小,採M6法蘭螺帽搭配端子式鎖付,接面皆經鍍金處理,同時耐震、防塵、抗水氣。因為此品本屬汽車音響改裝部品,而汽車又是使用DC12V的系統,所以里柯曾刻意過電流使用,去驗證這種NFB是否能確實發揮跳開的作用,答案是肯定的!

    NFB之外,難道保險絲不可以嗎?倒也不是不行,但是使用保險絲,一旦發生熔斷就沒了,如果車上又沒有備用品,那就註定是要顧路了,所以還是有其不便之處。

分配梭
    一種可將大電流線材一分為多電源分配座,全鍍金處理,壓線式鎖付,當需要分出數組用線時使用(例如多組電池組線欲匯接到同一條車體端線),對應的線徑規格與可用的形式很多。這東西里柯也是逛汽車音響材料時發現的,還沒正式使用過。

其他非大電流小零件:

扭力華司
    配合螺帽使用,可預加扭力防止螺帽因震動而鬆。像里柯的電池樁頭正負極端子鎖付處、NFB端子鎖付處與控制器上端子鎖付處等都有使用,因為這些地方若是鬆後果都不堪設想。






法蘭螺帽

    一種有凸設計的螺帽,凸上有止滑花紋,用以防止螺帽鬆,但拆裝時可能會傷到接觸面,所以較適合使用於固定性要求較高、但較少拆卸的地方。

墊片
    墊片除能增加螺絲的接觸面積之外,也能補公差的間隙(對岸的東西常有公差)


2 則留言:

  1. 作者您好~
    想詢問文章中提到端子的部分,關於「截面積 1mm平方 = 10A,所以1mm厚 、3cm寬的C110純銅片即約可承受300A的持續電流。」這個估算值有參考出處嗎?? 或是是如何估算的?? 請賜教謝謝!

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    1. 這只是個概念估值唷。
      實際上最需要注意的還是發熱的問題───在通過大電流的導體上阻值最大的節點上要特別注意發熱(不至使材質本身或周邊零組件熔損),如果是電線,最好能控制在手能握得住的溫度以內。

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