里柯答客問 I

    最近里柯收到了一位讀者的來信，表示對一些電動車的問題一直存有疑問，里柯覺得這些問題也有可能是很多人心中的疑惑，所以決定以新開文章的方式來回應這些問題，"一次打十個"。

[Form: 洪先生]
Hello, 我是你的讀者,對一些電動車的問題一直存有疑問,希望向您請教.
謝謝

Q1：每個電機的額定功率,是否只有一個最佳的轉速搭配一個扭力,控制器上只有一個電壓與電流值? 低於或高於額定功率時,電機的效率大約打多少折扣?有換算的經驗公式嗎?

[里柯如是說]:
    以輪毂式電機來說，每間廠家甚至每顆手工繞線所生產出來的電機都並非能夠完全一樣，更何況相同的額定功率之下，電機還可以將線圈繞成高扭力低轉速、與低扭力高轉速兩種截然不同的繞線法。所以如欲得到輪毂式電機的高效使用，就需先以測功機測得該電機的高效區(電能轉換效率高於80%以上的區域)，然後再慢慢調試出能夠盡量符合大部分行駛情況下所能涵蓋到的各項控制相關參數。

來實際看一顆13"5000W均衡型的輪毂式電機在測功機上所測得的數據圖型：

上圖中綠色的線就是該電機的效率曲線，可以很明顯的看出高效區是介於900RPM到1200RPM之間，約80~110Km/h，而600~900RPM則只有67%~80%的能量轉換效率，300RPM以下的起步加速階段則更是低於50%，但此階段的扭力卻是處於高峰的，見上圖中紅色曲線。

※絕大部分輪毂式電機，若想得到較好的能量使用效率，最好的方法就是─盡快將轉速提昇至高段。

    輪毂電機沒有段位變速的直接驅動方式，雖構造與作用原理簡單，但對於能量的轉換效率也有其瓶頸，這也是何以對岸以外的眾多國內外廠家紛紛選擇發展可搭配變速機構的電動機─以期在較廣的行駛速域下能夠擁有相對較好的能量利用效率。但以目前來說，輪毂式電機仍然是在優化二輪電能動力平台上相對技術門欄較低的簡單選擇。

    其實對於一般的玩家，即使沒有廠家所提供的電機數據圖形與測功機，只要利用平常固定的上下班通勤路線、透過連續記錄電耗的方式去加以分析，依然可以慢慢的調試出趨近於高效區的控制參數。


[↑里柯的部分電耗記路分析表]


Q2：因為電池種類不同,電力殘量怎麼估算？如果每家車廠都估計的不準,大概目前各車廠的估計準確大概在什麼水準?

[里柯如是說]:
    一般現行較普遍的做法是以電池組的電壓值來做為有效剩餘電量的判斷依據，而很不幸的是鐵鋰電池近似死魚般、頭尾卻又暴走的獨特充放電曲線特性幾乎可說是完全不適用此方法，只好排除在外。故以下僅以鋰離子電池來做進一步的說明。

    首先，電池組應該要視所搭配使用的電能動力平台性能配置而下去設計，從電芯的選用、相應的串併連數量(電壓與容量)與電池的組裝工藝(使用的連結材料、連結方法與結構配置&散熱...)等都有不少的細節要注意。光是電芯的部分，就由於電池的種類與型號繁多，每種電池的電性都不盡相同，造成電池組的"有效使用容量"也大不相同。大致上，電池可分為以儲能為目的的"容量型"與以能支持高倍率充放電的"動力型"兩大類，通常的容量型電池在面對負載時壓降比較大，需在低放電倍率下才能有機會放出大部分的能量，所以較適合用在低放電倍率需求的平台上。

    簡單來說，電池組的整體組裝工藝與使用平台的放電配置決定了電池組的壓降表現(當使用平台有負載時)，所以電池組的"有效容量"不能只單看規格書上的充放電曲線，因為平台的負載大小隨時在改變。就以下圖這款方型硬殼鋰離子電芯的放電曲線來舉例：

上圖中，可以看出這個電芯的有效容量放電測試是以10A(0.38C)的穩定放電倍率下去測得的結果，但實際上基於對電芯的過放電保護，一般會建議放到曲線要開始急墜前(對照上表為3.3V，但在其他不同的電池則不一定是這個值)截止放電，且通常在曲線要進入急墜區後事實上也沒剩下多少電量了，實在沒必要冒著過放電的風險去擠出那最後一丁點的能量。

3.3V對照各電池組電壓的串聯數總電壓分別是：

14串48V(實際最高58.8V)：46.2V
17串60V(實際最高71.4V)：56.1V
21串72V(實際最高88.2V)：69.3V

也就是說當電能動力平台上所搭載的電池組是上圖例中的電芯時，其總電壓值建議不宜低於以上三個數值。

    但"10安培"對於大功率的電能動力平台來說，有時候連能否讓電動機起轉都是個問題。雖然沒有該電芯其他的放電倍率曲線可供進一步的參考，但若由上圖中的"起始負載壓降"來判斷，在0.38C的負載下有約1.7%的壓降，也就是1C放電的壓降約為4.473%。

※一般電能動力平台在動力輸出配置與電池組的搭配上，基於有效容量的考量，最大負載壓降應設計能控制在約5~8%之間。

讓我們再來看看"動力型"的Panasonic 18650PF鋰離子電池：

請看2A與10A的放電曲線壓降差異，約為0.3V，這個比較就"很有感"，因為如果將3.5V這個數值對應到2A的放電曲線，那可是已經放了超過1500mAh，但在10A放電曲線下才僅放出了不到600mAh！如果電池組內的保護板或控制器的保護機制是以電壓作為判斷調節電流輸出與切斷以保護電池組的主要依據，這將直接影響到電池組的整體有效使用容量。

2A=0.73C
4A=1.45C
6A=2.18C
8A=2.9C
10A=3.63C

※電池組的放電倍率越高、有效使用容量就會相對越小。

    而這款電芯的末段放電"急墜點"電壓值也比較低，約為2.8V，足足與前例電芯相差了有0.5V，可說雖然同是鋰離子電池，但電性卻是大為迥異，所以事前參考詳細的電池規格書去選用電芯是非常重要的。

    以上可以看出，要得知"電力殘量"並不是件單純與簡單的事，因為"有效容量"是會隨著電池組的負載(放電)大小而改變的，相同容量下有無負載時的電壓值是完全不一樣的(通常里柯會用"30秒回壓"做為一個簡單的判斷，意即利用停等紅燈時觀察電池組30秒無負載的回壓值，靜置太久的虛電壓值亦無太大的參考價值)。雖然現在的控制器可以做到隨著電池組的電壓變化而即時的調整電流輸出的大小，藉此得以讓電池組多"擠"出點有效容量，但實際上當電池組小於一定的電流輸出時，電能動力載具的性能也將大打折扣，而變得有些不切實際。