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