第三章 现世
让大家久等了。对于广大KCer来说,直到这一章,文章才真正开始。
V3.0 登上巨人的肩膀
截至目前为止,已经有北京晚报,解放日报,法制晚报,中央五台,天津卫视这五家新闻媒体采访我并进行了相关报导和节目制作,他们无一例外都问了同一个问题:
你造电车需要这么多的知识,一定看了很多书吧?成绩一定很好吧?老师一定帮了你很多吧?
当我回答完这个问题的时候,他们无一例外都惊讶了,沉默了,无语了
因为我告诉他们,我大学一共挂了15门课,主动放弃3门选修课的考试,所有课程里分数最高的是四个体育。我还告诉他们,建造风暴之灵所需的全部知识,跟我的大学课程没有半点关系,我的毕设导师给不了半点帮助,这一切都是我用半年时间在电动车及相关论坛上潜水看帖子学来的。
所以,在上面这5家新闻媒体的报导中,无一例外的都没有半点关于知识来源的内容。
我承认,在回答这个问题的时候,我感觉很爽,非常爽,无与伦比的爽。
好了,跑了好几百字的题,现在该回归正轨,看看我泡了半年的坛子,究竟学了些神马。
关于风暴之灵的设计流程,最开始确定的部件,有三样:
电机(无刷动力组件),电池(电源充放电组件),传动(变速及控制组件)。
风暴之灵作为主打高速节能设计的电车,首要考虑的就是效率。
先来说说电机吧。现在的电动车,所用电机基本都是无刷电机,与三相交流电动机没有本质上的区别。要想驱动它,需要将电池提供的直流电转换成三相交流。于是我们就需要一个电流转换器,即无刷控制器。它的主要功能就是维持无刷电机的正常运转与转速调节,一些高级的控制器还带有诸如三档调速,定速巡航,倒车以及报警等多项辅助功能。为了使电机发挥更好的效果,最好使用同一厂家生产的电机和控制器,控制器的功率需要比电机大一档。比如选用600瓦电机,就应配合800瓦的控制器。原因在于电机的抗过载能力要明显高于控制器,所以必须提高控制器功率来使两者平衡,这样既可以充分发挥电机功率,又能显著降低控制器爆管风险。
而无刷电机呢,又分为内转子和外转子两种。外转子,顾名思义,就是转子在外面,电机轴心不转,外壳转。目前市面上绝大多数电动车都选用外转子无刷,将电机与后轮融为一体变成轮毂电机,也就是俗称的大饼电机。这样做的好处是,结构简单便于维护成本低廉。缺点嘛,就是低速重载效率极为低下,且很难配合变速系统。而内转子无刷呢,看起来跟小时候玩的四驱车马达没什么大区别,一个金属壳子里面伸出来一根轴,只是比四驱车马达大个几百倍而已。这种电机一般用于电三轮或电动汽车,因为通常安装于车身中部,所以俗称中置电机。优点多多,高效率高过载高输出,强大的散热和兼容性,使其拥有外转子无法比拟的强大性能。缺点嘛,这还用说么,这么好一东西,干嘛不用呢,不就是因为贵嘛。不过,对于风暴之灵这种追求高性能的车子来说,多花一百多块钱完全不叫事儿~
方向确定,那么如何获得一个性能优异的电机呢?
要说优异,无非就是两点:高效率,高输出。
为了获得一台高效强劲的电机,我们首先要介绍一下电机的几个主要规格和性能指标:
1.RV值。RV值是电机的转速参数,指的是每提升1V电压,电机每秒转速所增加的数量。在空载时,电机的转速与输入电压呈正比例关系。如某电机RV值为20,当我们输入10V电压时,其转速为200r/min;而当我们输入20V电压时,电机的转速是400r/min。同一台电机,可根据绕组排列及转子宽度的不同,获得不同的RV值。根据RV值的高低,电机可分为速度型和扭矩型两种。如下列出电动车常用的两种电机的特性比较:
扭矩型 速度型
RV值: 低 高
额定转速: 1200-1700r/min 2300-3200r/min
最大转速: 6000r/min 6000r/min
额定扭矩: 高 低
最大扭矩: 5倍额定 3倍额定
抗过载能力: 强 弱
功率密度: 低 高
最大效率: 持平 持平
最佳效率区间: 较宽 较窄
绕组数量: 较多 较少
极限功率: 较大 较小
综合比较各项指标,扭矩型电机拥有更宽的高效率区间以及更强的动力输出。所以,当电机机架确定后,我们应定制尽可能低的KV值。
2.功率。电机的功率分为输出功率和消耗功率,在电动车电机的功率标称中,所标注功率为输出功率。输出功率又分为额定功率和最大功率。通常来说,电机只会标注额定功率,而不会标注最大功率。但是在电动车日常骑行中,电机并非一直以额定功率运行,而是在一个相当大的范围里,分布于额定功率30%-300%的区间内运行。对此,电动车用的无刷电机都留有相当大的功率余量,可使电机在短时间内以超过额定数倍的功率运行。电动机在某一瞬间真正的功率,取决于电动车所受到的阻力。阻力越大,电机输出功率也就越大,我们就需要提供更多的电能。那么,假如电能足够多,是不是电机的功率可以无穷大呢?答案当然是否定的。这就变成了一个新的指标:最大功率。电机的功率,是转速与输出力矩的乘积。决定一台电机最大输出力矩的因素,是磁钢磁场强度和有效面积。磁场强度越高,有效面积越大,极限输出力矩也就越大。而当磁钢确定时,我们提高输入功率,电流达到某一限度后,虽然电流依然在增大,但是输出力矩不再增大,此时电机进入磁饱和状态,多余的电流无法转换成动能,只能变成热能白白浪费掉,甚至会烧毁电机。所以,我们需要对电流进行控制,使其始范围始终处于磁饱和电流之下。而另一个决定因素:电机的转速,当电机RV值确定后,电机的转速,基本与电池电压呈正比例关系。当输出力矩恒定时,电机转速越高,输出功率也就会越大。那么是不是我们不断提高电压,电机的功率就能不断提升呢?答案也是否定的。对于内转子无刷电机,它会有一个转速极限,其决定因素是转子的强度。当转速过高时,转子会在惯性的作用下解体,造成电机损坏。所以,我们也需要对转速进行控制,使其范围始终处于解体阈值之下。对于本项目所选电机,这一数值通常为额定转速的2倍。
3.扭矩。电机的扭矩,同样有额定扭矩和最大扭矩两个数值。额定扭矩,就是当电机以额定功率和转速工作时,电机所输出的扭矩。最大扭矩,则是电机在极端工况下所能输出的极限扭矩。对于本项目所选电机,最大扭矩通常为额定扭矩的5倍。但是,扭矩也不是一个固定的值。电机的输出扭矩,由行驶阻力直接决定,阻力越大,扭矩输出也就会越大。对于最大扭矩,决定其数值的则是磁钢规格和铁芯磁饱和强度。磁钢标号越高,铁芯磁饱和强度越高,扭矩也就越大。
4.效率。电机的效率,指的是当电机工作在额定功率和转速环境下,将电能转化为机械能的能力。也是我们所要研究的重点内容。对于内转子无刷电机,影响效率的有如下因素:
绕组铜损,即电流通过绕组时因绕组电阻带来的发热损耗,与绕组电流呈1次方关系。
漏磁损耗,即电机磁场回路中因气隙造成的磁场损失产生的损耗,与绕组电流呈1次方关系。
转子风耗,即在电机内部因转子旋转带来的空气阻力损耗,与转速呈3次方关系。
轴承损耗,即在电机内部因轴承摩擦带来的摩擦阻力损耗,与转速呈1.x次方关系。
铁芯涡流损耗,即因交变电流在电机铁芯内形成的涡流发热损耗,与转速呈1.x次方关系。
铁芯磁滞损耗,即电机铁芯在通电磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗,与转速呈1.7-1.8次方关系。
线圈交流损耗,即电机绕组在通电产生旋转磁场时发射电磁波产生的损耗,与转速呈平方根关系。
根据以上四项进行综合分析,提升电机功率密度的可行性设计方案为:
1.降低RV值:提高输入电压,增加绕组圈数,使转子厚度与磁钢相同
2.提高磁饱和电流:使用高标号的磁钢和硅钢片
3.提高转速:提升转子强度和绕组绝缘等级
4.加强散热:降低热阻,增大有效散热面积并安装强制风冷
提升电机效率的可行性方案设计为:
1.降低铜损:在保持安匝数恒定的条件下,使用高压低电流代替低压高电流
2.降低铁损:使用高内阻低厚度的硅钢片制作定子铁心
3.降低漏磁:使用瓦片磁钢代替平板磁钢,减小电机气隙,提升磁耦合系数
4.降低摩擦:使用陶瓷轴承代替普通的钢制轴承,降低摩擦阻力
5.三相平衡:使三相绕组圈数相等,可同时降低铜损和铁损
6.提升磁场:增加槽满率,可降低铜损并提升磁耦合系数
看到这里,估计有不少人已经头大了。尼玛这么多东西,要命呢这是?!
别着急~就算你一个字都没看懂也没关系,因为。。。。当你购买电机的时候,厂家才不管这些呢,他们生产什么,你就得买什么。所以,你唯一能做的事情,就是泡坛子看网友的小白鼠帖子,看他们的经验和推荐以寻找到一家靠谱的厂子。然后,将你的要求告诉客服,交钱跟家等快递,就可以了!
卧槽,那我泡了半年坛子学了这么堆没用的东西岂不是很亏?当然不是。你有这么一台牛X的车子,要是不能说出点什么来,岂不是严重有损逼格?
所以,最后呢这个电机就是下面你看到的这个货了。
电机类型:内转子无刷电机
额定电压:48V
额定功率:800W
额定转速:1200r/min
额定电流:22.5A
最大电流:40A
最大功率:1100W
最大可扩展功率:2000W
输出齿轮齿数:8T
配合链条型号:420
因为结构限制,这台电机最低只能定制1200的转速,但是要想配合变速器,必须将转速控制在900左右。所以,最终使用的时候,搭配了36V800瓦的控制器,电机则缩水成了36V600瓦,转速由1200降低至900,问题解决。
然后是电池组。电池组的选材和设计,其实跟上面那个电机差不多。
根据设计预期,分析风暴之灵的电源输出需求:
1.以30Km/h定速巡航,续航能力达到200km
2.800瓦电机配套控制器的最大限流为40A,电池组短时输出能力不得低于40A
3.要求可以长时间稳定提供50km/h定速巡航的电能消耗
对上述三项要求进行计算,确定电池组的储能:
根据公路车巡航速度与消耗功率的对应曲线,30km/h定速巡航需要137瓦的机械功率,电机和控制器的综合效率约为85%,故维持这一速度需要消耗的电功率为:
137/85%=161瓦。
需要达到200km续航能力,综合计算因制动和起步效率降低带来的额外10%的能量损耗,电池组所需储能为:
200/30*161/90%=1193瓦时
即电池组储能要求设计为不低于1193瓦时。
对上述三项要求进行计算,确定电池组的容量和电压:
目前市场上容量型磷酸铁锂电池的持续放电倍率为1C,短时放电倍率为2C
800瓦电机配套无刷控制器额定电压36V,储能1193瓦时的电池组在组合成36V时其容量为:
1193/36=33.1安时
短时输出能力为:33.1*2=66.2A 大于所需最大电流40A,满足设计要求
根据公路车巡航速度与消耗功率的对应曲线,50km/h定速巡航需要548瓦的机械功率,电机和控制器的综合效率约为85%,故维持这一速度需要消耗的电功率为:
548/85%=645瓦
电池组输出电流需求为:
645/36=17.9A 低于持续输出能力33.1A,满足设计要求
故最终确定电池组参数为:36V32AH容量型磷酸铁锂。采用3.2V16AH电芯以2并12串的形式连接成组。
看起来很专业有木有!!这可是哥的毕业论文啊!每个字都是哥自己写的啊!
但是!我说但是啊。。。。最终决定买哪个电池呢,其实只有一点是需要考虑的:
哪个性价比最高!!!而且我还能买得起!!!
所以呢,上面那些东西就统统都交毕设去凑字数了。而我唯一能做的事儿呢,就是赶在某电池商春节特价免邮费的时候抢购了24块“力神”牌锂电。
关于这个电池的牌子我一定要吐槽下,山寨感十足好么!老是想到赵本山那个蚁力神的广告。不过性能还算凑合,对得起价格,也能满足我的要求,其它的就统统不管了~
于是你们就看到了这货:
最后呢,就是传动组了。现在的这些个电动车啊,为了降低成本,一个个都不管电池的死活,就一个固定的档位,起步完全靠大电流强推,好几倍额定的输入功率,然后效率百分之十几。。。。
要是有了变速器呢,结果就明显不同了。起步的时候降低一半传动比,你就可以少出一半的电流。而极速的时候提升一半传动比,你就能比别的车子快一半。具体的效果,可以想象一下你骑着没变速的大28跟带有20个变速档位的公路车,哪个更爽?
于是就有了下面这个货:SRF5行星齿轮内变速花鼓,拥有5个档位,266%的变速范围。超轻设计,全套只有1100多克。但是也正是因为这个超轻,使得齿轮的承载能力完全顶不住600瓦电机的暴力起步,电流稍微推大点就跳齿,然后现在跑了两千公里估计齿轮已经要寿终正寝了
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