關于電動助力車系統配置問題的探討

沈陽蓄電池研究所 謝爽

0 緒論

電動助力車的問世，對號稱自行車王國的中國普通百姓來說，無疑是一件值得慶幸的事情。電動助力車作為一類新型的交通工具，具有輕便快捷、安全省力、無噪聲無污染以及利于環保等特點，越來越受到人們的青睞和喜愛。因此電動助力車是目前中國普通百姓代步工具的首選。電動助力車的輕便快捷、安全省力，給使用者帶來了諸多方便，但在使用過程中經常會出現一些不盡如人意的問題，如蓄電池早期容量損失，在有限的充放電循環次數內，放電容量明顯下降。其特征是電池根本充不足電甚至充不進去電，行車無力，續駛里程明顯縮短。造成蓄電池早期容量損失，放電容量明顯下降的原因是多方面的。一是蓄電池制造過程中自身存在的某些問題；二是使用者使用方法正確與否的問題；再就是系統問題，即系統各相關部件的質量水平與配置是否合理。

電動助力車主要由蓄電池（動力源）、電動機、充電器、控制器及車體組成。其中蓄電池起著提供起動的作用，如同發動機在機動車中的作用一樣重要，是電動助力車的核心和心臟。電動助力車運行中蓄電池的性能如何，與整車系統各相關部件的質量水平同配置是否合理密切相關。因此系統各相關部件的質量水平與配置是否合理將直接影響和限制電動助力車的運行質量。

1 關于充電器

電動助力車業的飛速發展，加劇了業內競爭。電動助力車的大量上市、種類的多樣，導致了電動助力車大幅降價的局面。電動助力車的快速發展同時帶動了相關企業的快速發展。一些充電器的生產單位為急于搭乘電動助力車業飛速發展的快班車，在受利益驅動及電動助力車大幅降價因素的影響，千方百計降低充電器制造成本，采用質次價廉的元器件，粗制濫造，急功近利，組裝生產充電器，致使市場上的充電器種類五花八門、質量良莠不齊。

充電器作為蓄電池放電后補充電能的重要工具，其技術性能和質量水平至關重要。現行充電器大多采用“恒流、恒壓、浮充”三階段的充電方式。第一階段:以某一限定的電流充電，當達到某一最高限定的電壓值時轉入第二階段充電（實際上在達到最高限定的恒壓值之前電流就已經開始衰減）。同時在達到最高限定的電壓值時蓄電池就已接近（可充入實際放電量的99%）或等同于蓄電池的實際放電量，其后的恒壓充電階段電流會在很短的時間內衰減到很小，可充入的電量非常有限。由上述充電器的充電過程可見, 充電器應具備如下特性和功能:

首先，恒流充電階段充入的電量已經接近實際放電量（99%或以上）甚至等同于蓄電池的實際放電量；其次，充電電流在達到充電器最高恒壓值之前已經衰減，并在達最高恒壓值時的很短時間內電壓迅速下降，電流隨之降低。充電器的這一特性是以滿足蓄電池在充足電的前提下，最大限度的防止蓄電池過充造成過多的失水。

基于上述的充電過程，充電器必須滿足如下的技術功能和質量水平:

（1）技術功能:蓄電池經放電后，可在有效時間內充足電，并在充足電的前提下，避免過充，防止蓄電池失水過多，縮短電池使用壽命；

（2）質量水平:充電器的標稱輸出電流和輸出電壓與實際輸出必須一致，標稱輸出能夠反應出實際輸出。

所謂充足電，即是為避免蓄電池充電不足現象的發生，防止蓄電池由于充電不足引發的極板硫酸鹽化現象，從而導致容量早期衰減，壽命提前終止的事故，影響電動助力車的運行質量和正常使用。

所謂過充電，即蓄電池的充電已經完成，如果再繼續充電，蓄電池勢必產生較高的溫度和過多的失水，如果不能有效控制，將會加速板柵腐蝕，活性物質軟化，同時蓄電池容易發生熱失控事故，失水過多將會造成蓄電池容量明顯下降，壽命終止事故；過充電除了損壞電池外，還不可避免地造成大量電能的浪費。因此，充電器的質量水平對電動助力車性能至關重要。

筆者曾遭遇過電動助力車蓄電池充電不足的經歷，用戶反映“6-DZM-10”蓄電池，僅使用3個月，電池就不行了。蓄電池充不足電甚至充不進去電，續駛很短里程電池就沒電了。

我們首先以恒流限壓的方式對電池補充電，電流0.5A，在很短時間內，電池端電壓即達14.80V（接近充電器的設定值），此時電流衰減到很小，可充入電量微乎其微。為進一步分析、判定蓄電池出現這種狀態的原因，采用不斷提高恒壓值的辦法對電池充電，電流稍有提高，但不明顯，可見極板硫酸鹽化已相當嚴重。開路放置24小時后，測定電池端電壓均低于蓄電池在充足電狀態下的正常值。隨后做20h率容量放電，電流0.50A，終電壓10.50V，結果僅放電50min，電池端電壓即達10.50V。

我們根據整組蓄電池（3只）充足電后開路電壓均低于正常值的這種特征（并不同于通常個別落后電池原因而導致的落后現象），同時根據蓄電池在充、放電過程中所表現出的特性，可初步判定造成蓄電池充不進去電及放電容量明顯減少，很可能是蓄電池的硫酸鹽化（為更直觀確切的判定，解剖蓄電池，正極板呈淺黃色，表面上分布有不規則的白色斑塊或斑點，負極板呈淺灰色，表面上無明顯的白色斑塊和斑點。經烘干后化驗:正極板pbo2為61%；負極板的絨狀鉛為76%）造成的，是蓄電池長期充電不足所致。經分析認為很有可能是由于充電器的原因所導致。

經對用戶充電器的充電性能的全過程測定，發現充電器實際達到的恒壓值偏低，最高為42.60V。該充電器上標明額定輸出電壓為43.2～44.4V/組,即平均每只電池為14.4～14.8V/只，而實際只能達到14.2V/只。

以上實測數據告誡我們，蓄電池之所以充不足電和導致容量明顯衰減的現象，完全是由充電器的實際輸出恒壓值偏低造成的。從而可見充電器的標稱輸出和實際輸出是否一致、可信至關重要，即標稱輸出能否反映出充電器的實際輸出。

該用戶使用推薦的充電器后，電動助力車運行10個月時（后來因北方冬季太冷未繼續使用），未曾出現因蓄電池原因引發的電動助力車的運行質量問題。

電動助力車蓄電池由于內部空間小，電解液量有限，采用的電解液密度較高（1.340～1.350g/cm3），因此蓄電池的端電壓亦高，如果充電器輸出電壓設置低或者實際輸出低于額定值，蓄電池確實存在充不足電的問題。同時各制造廠采用板柵的合金材質、工藝配方、制作工藝的不同，使蓄電池在性能上會有較大差異，因此應根據蓄電池各自的不同情況，有針對性地合理選擇與蓄電池匹配的充電器。曾做過這樣的實際測試:用同一臺充電器對不同生產廠家的蓄電池充電，在放電容量（實際容量）完全相同的狀態下，在相同的充電時間內，有的蓄電池可以充足電，而有的蓄電池充不足電，還有過充電現象。蓄電池充電不足和可能過充電的問題引起了蓄電池生產廠家的高度重視，為解決這一問題，一些蓄電池制造廠根據蓄電池的特性與充電器制造廠在取得大量試驗數據基礎上聯合研制充電器，盡可能地實現充電器與蓄電池的合理匹配，把由于充電系統造成蓄電池容量下降和使用壽命縮短的幾率降低到最低限度，以提高蓄電池的運行質量和使用壽命。因此一組本身性能良好的蓄電池，如果配用的充電器總是充電不足或者總是過充電，則電池組在行車過程中絕不可能顯現出其優良的放電特性和長久的壽命。所以一個性能好的電池組務必配用一個性能良好的充電器，這是十分重要和十分關鍵的。

2 關于電動機

電動機的作用是將蓄電池由化學能轉化為電能再轉化為機械能的過程，從而驅動車輪轉動。其輸入功率要和蓄電池輸出的電能相匹配。這樣才可以有效地防止蓄電池因功率過大而遭到早期損壞而失效。一般情況下，36V系統的電動助力車電動機功率為180W和250W，蓄電池的正常工作電流為5～6A。但隨著電動助力車業的快速發展，為追求車速和提高承載力，36V系統的電動機功率已增加到250～280W，蓄電池的工作電流增加到7.0～8.0A，超出了標準規定的2h率放電范圍。在這種條件下，蓄電池輸出電流增大，耗電嚴重，電動助力車續駛里程不能達標。如果長此下去，不久即會出現蓄電池因負荷增大、經常處于深度放電狀態而引發的蓄電池容量迅速衰退失去功效的嚴重后果，往往導致使用者誤認為是蓄電池出了問題，是蓄電池質量不好造成的。

筆者曾經和電動助力車生產廠的工程技術人員探討過電動機效率特性方面的有關問題,在自然環境好的條件下（路面平坦、無風或風力小），電動機效率可達約70%，或者更高。如果自然環境較差（風大逆風、爬坡、超載），有些電動機的效率特性嚴重惡化，效率大大降低，僅為約45%，這時蓄電池輸出電流急劇增大，可達約11～12A，這樣對蓄電池的損壞程度會更嚴重。如果經常在這種狀態下工作，蓄電池出現容量早衰、失去功效是必然的。

通常新車使用一段時間后電機的功率效率降低也會引起電池工作電流的增大。另外電機電驅動系統惡化，在超載能力差或效率特性差的情況下，如果一旦出現1—2次惡性使用，電機的永磁體就會出現退磁，效率特性全面惡化，導致電池工作電流急劇增加，放電時間急劇減少而使續行里程不足，從而使用戶誤認為蓄電池容量已經衰退。

因此電動機的輸入功率與蓄電池輸出能量的配置是否合理，是影響蓄電池性能狀態的重要方面，可直接影響到電動助力車的運行質量，是不容忽視和必須認真對待的。

3 關于控制器

控制器具有三大功能，一是速度調節，二是過電流控制，三是欠電壓保護。速度調節即通過控制器控制蓄電池輸出電流的大小以調節車速。過電流控制即通過控制器，一方面是限制電動機的最大輸入功率超過極限值，防止發生意外燒毀電機；另一方面是對蓄電池最大輸出電流的限制，防止電流過大損壞蓄電池。

控制器具備的上述保護功能，對蓄電池和電機無疑是十分重要的，但我們也不可忽視這樣的一種情況:電動助力車的行車儀表上有車速顯示和電壓狀態顯示。在電壓狀態顯示儀表上，共分有3個不同的區域段（分別用3種不同顏色:綠色、黃色、紅色）表示蓄電池不同的荷電狀態。綠色區域表示蓄電池有很充足的電量（電壓量程在34～44V/組之間），可以放心的騎行；黃色區域表示蓄電池已經釋放出部分電量（電壓量程在32～34V/組之間），可以繼續騎行，如果方便可以適當的給蓄電池充電補充電量。當將要接近紅色區域（警示區域，電壓量程0～32V/組之間），電壓達32V/組時，即為極限電壓。此時利用車的慣性還能續駛一段路程，但很快供電將要中斷，電動助力車將逐漸減速直至停止行駛。此極限電壓實際上完全是為防止蓄電池可能的過放電，為避免蓄電池的損壞而設定的，因規定蓄電池的終止電壓為10.50V/只，而極限電壓32V/3只＝10.67V/只。設定值高于蓄電池的終止電壓，即為防止蓄電池的過放電，避免損壞蓄電池而設定的。

控制器設定的極限電壓是對電池組(3只或4只，36V/組或48V/組)的電壓限制，電池組中每只電池性能相對均衡時，控制器對蓄電池可起到很好的保護作用。由于電池是成組使用，而電池在制造過程中會受到電化學方面諸多的可控和不可控因素的影響，使得每只電池很難做到性能完全一致，因此，在蓄電池組的運行過程中總會出現單只電池特性滯后的現象，這種滯后如果及時的進行差補，電池組仍能正常的運行，否則電池組就會受到滯后電池的影響逐漸失去功效。當電池組中出現了一只落后電池，會出現電池放電時電池組電壓還高于控制器設定的極限值，而落后電池的電壓已低于電池規定的終止電壓卻還再繼續放電的情況。經過幾次反復，落后電池的損壞將更嚴重，同時還會影響到同組其它性能好的電池。目前大多的電動自行車只有對電池組狀態的顯示，對單只電池狀態無法明示而失去了對滯后電池差補的機會，造成了原本可以繼續良好運行的電池組提前失去功效，這種情況下，控制器的作用就顯得有限了。

還有一種情況應引起我們的注意，在行駛中，當電動助力車接近紅色區域，警示燈（紅燈）亮時，即表明系統已達最低電壓區域（臨界值），蓄電池已接近于容量殆盡狀態，不可以繼續放電，應及時充電以補充電量。很多電池循環放充電的實驗室數據很高，有的都可達到800次循環，但在實車使用中卻有時連300次循環都達不到，這里固然有電池組一致性帶來的問題，但自行車控制系統對電池放電深度的控制也是一個主要的原因，電池如果經常性的處于一種80%以上的放電深度狀態，那么電池的循環放充電次數應會大大下降。有些使用者往往利用斷電后，蓄電池端電壓可在瞬間迅速回升的特性，再用人力助跑方式重新發動電動助力車繼續行駛。如此反復數次，直至蓄電池“筋疲力盡”實在發動不起來了才肯罷休。在這種狀態下，控制器的保護作用就顯得很有限。這種情況本不屬于控制器方面的問題，當屬用戶的使用問題。但這個問題應引起我們足夠的重視，即在這種狀態下如何還能有效的保護蓄電池，是我們應該考慮的問題。

影響電動助力車運行質量的因素是多方面的，在有些情況下發生蓄電池早期容量衰減甚至功能失效的原因是很難界定的，本文僅就電動助力車系統配置方面的有關問題進行探討，不當之處請予以批評指正。