關(guān)于電動(dòng)助力車(chē)系統(tǒng)配置問(wèn)題的探討

沈陽(yáng)蓄電池研究所 謝爽

0 緒論

電動(dòng)助力車(chē)的問(wèn)世，對(duì)號(hào)稱(chēng)自行車(chē)王國(guó)的中國(guó)普通百姓來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一件值得慶幸的事情。電動(dòng)助力車(chē)作為一類(lèi)新型的交通工具，具有輕便快捷、安全省力、無(wú)噪聲無(wú)污染以及利于環(huán)保等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞和喜愛(ài)。因此電動(dòng)助力車(chē)是目前中國(guó)普通百姓代步工具的首選。電動(dòng)助力車(chē)的輕便快捷、安全省力，給使用者帶來(lái)了諸多方便，但在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些不盡如人意的問(wèn)題，如蓄電池早期容量損失，在有限的充放電循環(huán)次數(shù)內(nèi)，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(jìn)去電，行車(chē)無(wú)力，續(xù)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(guò)程中自身存在的某些問(wèn)題；二是使用者使用方法正確與否的問(wèn)題；再就是系統(tǒng)問(wèn)題，即系統(tǒng)各相關(guān)部件的質(zhì)量水平與配置是否合理。

電動(dòng)助力車(chē)主要由蓄電池（動(dòng)力源）、電動(dòng)機(jī)、充電器、控制器及車(chē)體組成。其中蓄電池起著提供起動(dòng)的作用，如同發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)動(dòng)車(chē)中的作用一樣重要，是電動(dòng)助力車(chē)的核心和心臟。電動(dòng)助力車(chē)運(yùn)行中蓄電池的性能如何，與整車(chē)系統(tǒng)各相關(guān)部件的質(zhì)量水平同配置是否合理密切相關(guān)。因此系統(tǒng)各相關(guān)部件的質(zhì)量水平與配置是否合理將直接影響和限制電動(dòng)助力車(chē)的運(yùn)行質(zhì)量。

1 關(guān)于充電器

電動(dòng)助力車(chē)業(yè)的飛速發(fā)展，加劇了業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)。電動(dòng)助力車(chē)的大量上市、種類(lèi)的多樣，導(dǎo)致了電動(dòng)助力車(chē)大幅降價(jià)的局面。電動(dòng)助力車(chē)的快速發(fā)展同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)企業(yè)的快速發(fā)展。一些充電器的生產(chǎn)單位為急于搭乘電動(dòng)助力車(chē)業(yè)飛速發(fā)展的快班車(chē)，在受利益驅(qū)動(dòng)及電動(dòng)助力車(chē)大幅降價(jià)因素的影響，千方百計(jì)降低充電器制造成本，采用質(zhì)次價(jià)廉的元器件，粗制濫造，急功近利，組裝生產(chǎn)充電器，致使市場(chǎng)上的充電器種類(lèi)五花八門(mén)、質(zhì)量良莠不齊。

充電器作為蓄電池放電后補(bǔ)充電能的重要工具，其技術(shù)性能和質(zhì)量水平至關(guān)重要?，F(xiàn)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(dāng)達(dá)到某一最高限定的電壓值時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段充電（實(shí)際上在達(dá)到最高限定的恒壓值之前電流就已經(jīng)開(kāi)始衰減）。同時(shí)在達(dá)到最高限定的電壓值時(shí)蓄電池就已接近（可充入實(shí)際放電量的99%）或等同于蓄電池的實(shí)際放電量，其后的恒壓充電階段電流會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)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(guò)程可見(jiàn), 充電器應(yīng)具備如下特性和功能:

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

基于上述的充電過(guò)程，充電器必須滿(mǎn)足如下的技術(shù)功能和質(zhì)量水平:

（1）技術(shù)功能:蓄電池經(jīng)放電后，可在有效時(shí)間內(nèi)充足電，并在充足電的前提下，避免過(guò)充，防止蓄電池失水過(guò)多，縮短電池使用壽命；

（2）質(zhì)量水平:充電器的標(biāo)稱(chēng)輸出電流和輸出電壓與實(shí)際輸出必須一致，標(biāo)稱(chēng)輸出能夠反應(yīng)出實(shí)際輸出。

所謂充足電，即是為避免蓄電池充電不足現(xiàn)象的發(fā)生，防止蓄電池由于充電不足引發(fā)的極板硫酸鹽化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致容量早期衰減，壽命提前終止的事故，影響電動(dòng)助力車(chē)的運(yùn)行質(zhì)量和正常使用。

所謂過(guò)充電，即蓄電池的充電已經(jīng)完成，如果再繼續(xù)充電，蓄電池勢(shì)必產(chǎn)生較高的溫度和過(guò)多的失水，如果不能有效控制，將會(huì)加速板柵腐蝕，活性物質(zhì)軟化，同時(shí)蓄電池容易發(fā)生熱失控事故，失水過(guò)多將會(huì)造成蓄電池容量明顯下降，壽命終止事故；過(guò)充電除了損壞電池外，還不可避免地造成大量電能的浪費(fèi)。因此，充電器的質(zhì)量水平對(duì)電動(dòng)助力車(chē)性能至關(guān)重要。

筆者曾遭遇過(guò)電動(dòng)助力車(chē)蓄電池充電不足的經(jīng)歷，用戶(hù)反映“6-DZM-10”蓄電池，僅使用3個(gè)月，電池就不行了。蓄電池充不足電甚至充不進(jìn)去電，續(xù)駛很短里程電池就沒(méi)電了。

我們首先以恒流限壓的方式對(duì)電池補(bǔ)充電，電流0.5A，在很短時(shí)間內(nèi)，電池端電壓即達(dá)14.80V（接近充電器的設(shè)定值），此時(shí)電流衰減到很小，可充入電量微乎其微。為進(jìn)一步分析、判定蓄電池出現(xiàn)這種狀態(tài)的原因，采用不斷提高恒壓值的辦法對(duì)電池充電，電流稍有提高，但不明顯，可見(jiàn)極板硫酸鹽化已相當(dāng)嚴(yán)重。開(kāi)路放置24小時(shí)后，測(cè)定電池端電壓均低于蓄電池在充足電狀態(tài)下的正常值。隨后做20h率容量放電，電流0.50A，終電壓10.50V，結(jié)果僅放電50min，電池端電壓即達(dá)10.50V。

我們根據(jù)整組蓄電池（3只）充足電后開(kāi)路電壓均低于正常值的這種特征（并不同于通常個(gè)別落后電池原因而導(dǎo)致的落后現(xiàn)象），同時(shí)根據(jù)蓄電池在充、放電過(guò)程中所表現(xiàn)出的特性，可初步判定造成蓄電池充不進(jìn)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(guān)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(guī)則的白色斑塊或斑點(diǎn)，負(fù)極板呈淺灰色，表面上無(wú)明顯的白色斑塊和斑點(diǎn)。經(jīng)烘干后化驗(yàn):正極板pbo2為61%；負(fù)極板的絨狀鉛為76%）造成的，是蓄電池長(zhǎng)期充電不足所致。經(jīng)分析認(rèn)為很有可能是由于充電器的原因所導(dǎo)致。

經(jīng)對(duì)用戶(hù)充電器的充電性能的全過(guò)程測(cè)定，發(fā)現(xiàn)充電器實(shí)際達(dá)到的恒壓值偏低，最高為42.60V。該充電器上標(biāo)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(shí)際只能達(dá)到14.2V/只。

以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)告誡我們，蓄電池之所以充不足電和導(dǎo)致容量明顯衰減的現(xiàn)象，完全是由充電器的實(shí)際輸出恒壓值偏低造成的。從而可見(jiàn)充電器的標(biāo)稱(chēng)輸出和實(shí)際輸出是否一致、可信至關(guān)重要，即標(biāo)稱(chēng)輸出能否反映出充電器的實(shí)際輸出。

該用戶(hù)使用推薦的充電器后，電動(dòng)助力車(chē)運(yùn)行10個(gè)月時(shí)（后來(lái)因北方冬季太冷未繼續(xù)使用），未曾出現(xiàn)因蓄電池原因引發(fā)的電動(dòng)助力車(chē)的運(yùn)行質(zhì)量問(wèn)題。

電動(dòng)助力車(chē)蓄電池由于內(nèi)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(shè)置低或者實(shí)際輸出低于額定值，蓄電池確實(shí)存在充不足電的問(wèn)題。同時(shí)各制造廠(chǎng)采用板柵的合金材質(zhì)、工藝配方、制作工藝的不同，使蓄電池在性能上會(huì)有較大差異，因此應(yīng)根據(jù)蓄電池各自的不同情況，有針對(duì)性地合理選擇與蓄電池匹配的充電器。曾做過(guò)這樣的實(shí)際測(cè)試:用同一臺(tái)充電器對(duì)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的蓄電池充電，在放電容量（實(shí)際容量）完全相同的狀態(tài)下，在相同的充電時(shí)間內(nèi)，有的蓄電池可以充足電，而有的蓄電池充不足電，還有過(guò)充電現(xiàn)象。蓄電池充電不足和可能過(guò)充電的問(wèn)題引起了蓄電池生產(chǎn)廠(chǎng)家的高度重視，為解決這一問(wèn)題，一些蓄電池制造廠(chǎng)根據(jù)蓄電池的特性與充電器制造廠(chǎng)在取得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上聯(lián)合研制充電器，盡可能地實(shí)現(xiàn)充電器與蓄電池的合理匹配，把由于充電系統(tǒng)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(yùn)行質(zhì)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(guò)充電，則電池組在行車(chē)過(guò)程中絕不可能顯現(xiàn)出其優(yōu)良的放電特性和長(zhǎng)久的壽命。所以一個(gè)性能好的電池組務(wù)必配用一個(gè)性能良好的充電器，這是十分重要和十分關(guān)鍵的。

2 關(guān)于電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的作用是將蓄電池由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，從而驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guò)大而遭到早期損壞而失效。一般情況下，36V系統(tǒng)的電動(dòng)助力車(chē)電動(dòng)機(jī)功率為180W和250W，蓄電池的正常工作電流為5～6A。但隨著電動(dòng)助力車(chē)業(yè)的快速發(fā)展，為追求車(chē)速和提高承載力，36V系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yán)重，電動(dòng)助力車(chē)?yán)m(xù)駛里程不能達(dá)標(biāo)。如果長(zhǎng)此下去，不久即會(huì)出現(xiàn)蓄電池因負(fù)荷增大、經(jīng)常處于深度放電狀態(tài)而引發(fā)的蓄電池容量迅速衰退失去功效的嚴(yán)重后果，往往導(dǎo)致使用者誤認(rèn)為是蓄電池出了問(wèn)題，是蓄電池質(zhì)量不好造成的。

筆者曾經(jīng)和電動(dòng)助力車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)的工程技術(shù)人員探討過(guò)電動(dòng)機(jī)效率特性方面的有關(guān)問(wèn)題,在自然環(huán)境好的條件下（路面平坦、無(wú)風(fēng)或風(fēng)力?。?，電動(dòng)機(jī)效率可達(dá)約70%，或者更高。如果自然環(huán)境較差（風(fēng)大逆風(fēng)、爬坡、超載），有些電動(dòng)機(jī)的效率特性嚴(yán)重惡化，效率大大降低，僅為約45%，這時(shí)蓄電池輸出電流急劇增大，可達(dá)約11～12A，這樣對(duì)蓄電池的損壞程度會(huì)更嚴(yán)重。如果經(jīng)常在這種狀態(tài)下工作，蓄電池出現(xiàn)容量早衰、失去功效是必然的。

通常新車(chē)使用一段時(shí)間后電機(jī)的功率效率降低也會(huì)引起電池工作電流的增大。另外電機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)惡化，在超載能力差或效率特性差的情況下，如果一旦出現(xiàn)1—2次惡性使用，電機(jī)的永磁體就會(huì)出現(xiàn)退磁，效率特性全面惡化，導(dǎo)致電池工作電流急劇增加，放電時(shí)間急劇減少而使續(xù)行里程不足，從而使用戶(hù)誤認(rèn)為蓄電池容量已經(jīng)衰退。

因此電動(dòng)機(jī)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(tài)的重要方面，可直接影響到電動(dòng)助力車(chē)的運(yùn)行質(zhì)量，是不容忽視和必須認(rèn)真對(duì)待的。

3 關(guān)于控制器

控制器具有三大功能，一是速度調(diào)節(jié)，二是過(guò)電流控制，三是欠電壓保護(hù)。速度調(diào)節(jié)即通過(guò)控制器控制蓄電池輸出電流的大小以調(diào)節(jié)車(chē)速。過(guò)電流控制即通過(guò)控制器，一方面是限制電動(dòng)機(jī)的最大輸入功率超過(guò)極限值，防止發(fā)生意外燒毀電機(jī)；另一方面是對(duì)蓄電池最大輸出電流的限制，防止電流過(guò)大損壞蓄電池。

控制器具備的上述保護(hù)功能，對(duì)蓄電池和電機(jī)無(wú)疑是十分重要的，但我們也不可忽視這樣的一種情況:電動(dòng)助力車(chē)的行車(chē)儀表上有車(chē)速顯示和電壓狀態(tài)顯示。在電壓狀態(tài)顯示儀表上，共分有3個(gè)不同的區(qū)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(tài)。綠色區(qū)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(qū)域表示蓄電池已經(jīng)釋放出部分電量（電壓量程在32～34V/組之間），可以繼續(xù)騎行，如果方便可以適當(dāng)?shù)慕o蓄電池充電補(bǔ)充電量。當(dāng)將要接近紅色區(qū)域（警示區(qū)域，電壓量程0～32V/組之間），電壓達(dá)32V/組時(shí)，即為極限電壓。此時(shí)利用車(chē)的慣性還能續(xù)駛一段路程，但很快供電將要中斷，電動(dòng)助力車(chē)將逐漸減速直至停止行駛。此極限電壓實(shí)際上完全是為防止蓄電池可能的過(guò)放電，為避免蓄電池的損壞而設(shè)定的，因規(guī)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(shè)定值高于蓄電池的終止電壓，即為防止蓄電池的過(guò)放電，避免損壞蓄電池而設(shè)定的。

控制器設(shè)定的極限電壓是對(duì)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(duì)均衡時(shí)，控制器對(duì)蓄電池可起到很好的保護(hù)作用。由于電池是成組使用，而電池在制造過(guò)程中會(huì)受到電化學(xué)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(yùn)行過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)單只電池特性滯后的現(xiàn)象，這種滯后如果及時(shí)的進(jìn)行差補(bǔ)，電池組仍能正常的運(yùn)行，否則電池組就會(huì)受到滯后電池的影響逐漸失去功效。當(dāng)電池組中出現(xiàn)了一只落后電池，會(huì)出現(xiàn)電池放電時(shí)電池組電壓還高于控制器設(shè)定的極限值，而落后電池的電壓已低于電池規(guī)定的終止電壓卻還再繼續(xù)放電的情況。經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)，落后電池的損壞將更嚴(yán)重，同時(shí)還會(huì)影響到同組其它性能好的電池。目前大多的電動(dòng)自行車(chē)只有對(duì)電池組狀態(tài)的顯示，對(duì)單只電池狀態(tài)無(wú)法明示而失去了對(duì)滯后電池差補(bǔ)的機(jī)會(huì)，造成了原本可以繼續(xù)良好運(yùn)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(yīng)引起我們的注意，在行駛中，當(dāng)電動(dòng)助力車(chē)接近紅色區(qū)域，警示燈（紅燈）亮?xí)r，即表明系統(tǒng)已達(dá)最低電壓區(qū)域（臨界值），蓄電池已接近于容量殆盡狀態(tài)，不可以繼續(xù)放電，應(yīng)及時(shí)充電以補(bǔ)充電量。很多電池循環(huán)放充電的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)很高，有的都可達(dá)到800次循環(huán)，但在實(shí)車(chē)使用中卻有時(shí)連300次循環(huán)都達(dá)不到，這里固然有電池組一致性帶來(lái)的問(wèn)題，但自行車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)電池放電深度的控制也是一個(gè)主要的原因，電池如果經(jīng)常性的處于一種80%以上的放電深度狀態(tài)，那么電池的循環(huán)放充電次數(shù)應(yīng)會(huì)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(fā)動(dòng)電動(dòng)助力車(chē)?yán)^續(xù)行駛。如此反復(fù)數(shù)次，直至蓄電池“筋疲力盡”實(shí)在發(fā)動(dòng)不起來(lái)了才肯罷休。在這種狀態(tài)下，控制器的保護(hù)作用就顯得很有限。這種情況本不屬于控制器方面的問(wèn)題，當(dāng)屬用戶(hù)的使用問(wèn)題。但這個(gè)問(wèn)題應(yīng)引起我們足夠的重視，即在這種狀態(tài)下如何還能有效的保護(hù)蓄電池，是我們應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

影響電動(dòng)助力車(chē)運(yùn)行質(zhì)量的因素是多方面的，在有些情況下發(fā)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(dòng)助力車(chē)系統(tǒng)配置方面的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，不當(dāng)之處請(qǐng)予以批評(píng)指正。