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标题: 爬坡的误区！ [打印本页]

作者: Zengxd 时间: 2013-7-12 20:22
标题: 爬坡的误区！
本帖最后由 Zengxd 于 2013-7-13 16:22 编辑

在各大论坛里电动自行车的爬坡都是很热门的问题，纵观所有的帖子，可以说没有一个能够深入洞悉问题的关键所在，即使是关于电动自行车的书籍和专著，对于爬坡问题也可谓是错误连连，其大多数观点可以说都是错误的！衍生到产业界，则更是众多的英雄好汉折戟沉沙，上海千鹤齿轮DDL-03、铁鹰电机、骑将电机、达圣电机、上海智御AST自动同步换挡、双动力双绕组、同心轮毂、祥龙爬坡王......等等不一而足，现在就可以下结论：这些最后都终将被淘汰，其原因是什么呢？

作者: Zengxd 时间: 2013-7-12 20:52
第一个误区是关于坡度的问题，有的说30度，有的说45度，这纯属对于坡度一知半解，实在不可相信。坡度通常有2种表示方法，一种是直接以角度，另一种以百分比。

先说百分比，就是水平走过100米距离，垂直提升多少米高度，例如5%的坡度，就是指水平走过100米，垂直升高5米。百分比其实求反正切就可以得到角度了，同样5%的坡度，换算成角度就是Arctg0.05=2.8624度。

按照国家道路的相关规范，不管是高速公路，1级公路，还是最差的乡村公路，只要有章可循，路的坡度不会超过10%，也就是5.71度，地下停车库坡道要求可以放宽，但是也不能超过15%，也就是8.53度。

对于毫无章法的自然界而言，也就是越野汽车可能行驶的地方，迄今为止最NB的越野车也就爬坡100%即45度。绝大多数越野车，其爬坡不超过57.735%也就是30度！这绝不仅仅是扭矩问题，还有更重要的附着力问题，以及接近角离去角等等相关的问题！

作者: Zengxd 时间: 2013-7-12 21:06
如果路面和轮胎是齿轮齿条，设计出能爬90度的坡也不是什么难事，建筑上的施工升降机就是典型的例子。除此以外，我们就要回归到实际中来，电动自行车爬坡5度就足够了，不是设计制造不出来，而是超过此角度毫无意义，尤其是对于大批量生产的产品就更是如此了。为了一个一辈子也用不到的功能，花好几倍的价钱，只有极个别人会如此，而绝对不可能适用于绝大多数的消费者！

下面就以5度来说事，继续深入进行分析。

作者: Zengxd 时间: 2013-7-12 21:57
本帖最后由 Zengxd 于 2013-7-14 09:11 编辑

很多人分析电动车的爬坡能力时，喜欢讨论扭矩，这就进入了另外一个误区！

假设我们有一个非常理想的无级变速器CVT装到电动自行车上，或者说有一个齿轮换挡有级变速器也行，骑行这样的电动车，仍然会众口一词，说电动车爬坡能力不行！为什么呢？

假设平路上骑行速度26公里每小时，遇到一个坡度时，换挡增加扭矩一倍，同时速度降低一半，这时速度为13公里每小时，你会觉得爬坡能力行吗？再遇到一个更大的坡度，再换档增加扭矩一倍，同时速度再降低一半到6.5公里每小时，请问你会觉得爬坡能力行吗？

可以断言，没有人会说这车爬坡能力很强，其实这都实现了没有爬不过去的坡了呀，仍然说爬坡不行，这就说明扭矩不是万能的！

其实我们更需要的是不减速的爬坡！既要扭矩很大，还要速度不明显降低，也就是说功率要大大增加才行，这就是问题的关键所在。开过卡车的人都知道，如果满载在高速公路上稍微遇到一个坡，就要降档增加扭矩，将是一件很疼苦的事，绝对要大骂车的爬坡能力太差，同样地，卡车在开上长长的引桥上桥的时候，扭矩是足够的——————甚至还可以再降几个档，可是没人会认为卡车的爬坡能力很强！

由此可见，车的功率很重要，换言之，扭矩、转速、功率这三个物理量，必须确定其中的任意两个，才能来讨论爬坡能力，仅以一个物理量论英雄会走入死胡同！

卡车爬坡不行，就是因为功率储备不够，轿车爬坡强劲就是因为功率富裕很多！同样的道理，加速性能也是要以富余功率为基础，轿车因为要达到迅猛的加速性能，从而要配备很大的功率，以至于爬坡都不需要考核了，或者说轿车具有远远超过实际需要的爬坡能力！使得不需要降档都可以爬升不小的坡度，甚至还能坡道加速超车，似乎有用不完的功率（能量），当然就觉得爬坡力强了！轿车的大功率还带来另外一个附加指标匪夷所思，那就是最高车速，动不动就是200多公里每小时，其实一辈子也用不上这个速度。

也就是说，加速能力，爬坡能力，最高车速这三者均与功率直接相关，不同的车型有不同的侧重点，而且还需要变速系统的恰当配合。

作者: Zengxd 时间: 2013-7-12 22:32
本帖最后由 Zengxd 于 2013-7-12 22:35 编辑

既然功率如此重要，我们来看看电动自行车需要多少功率。

假设车轮为16吋，26公里每小时折合到7.22米每秒，一人一车重量为1200N，两人一车为2000N，不算滚动阻力，不算空气阻力。

则在爬坡5度时，一人一车需要的扭矩为21Nm，全速爬坡净功率755W，同样计算两人一车需要扭矩为35Nm，全速爬坡净功率1259W。

可以断言，超过35牛米的电机，意义不大，但是如果功率小于755W，扭矩即使大到110牛米，骑行者也不会感到爬坡强劲有力，这与有无换挡装置完全无关。

现在电瓶，功率管按照250W或者350W进行配置，想通过驱动电机和传动变速系统来提升爬坡能力，可以说是毫无任何效果的，这就是开篇提到的各路英雄好汉折戟沉沙的物理根源，换言之，能量转化与守恒这条最基本的规律构成了真正的限制。

现在的无齿轮轮毂电机，额定扭矩设计在9牛米，过载转矩达到27牛米，就已经完全满足要求了，无论用什么齿轮或者是换挡机构都是多余的，都不能得到更好的效果！当然在电机过载时效率大幅度降低，电流大大增加了，齿轮机构也许可以解决这些问题，但是随之而来的噪声、成本、可靠性问题将使得仅有的那点优势化为乌有，绝对是得不偿失！

或者换个角度，你愿意用齿轮箱增加150元成本来提高效率，我也可以用这150元加到电机上，使得电机额定扭矩为15牛米，过载扭矩仍然为27牛米，此时爬坡机电转换效率也会大大提高，而噪声、可靠性却远远好于齿轮系统。

作者: Zengxd 时间: 2013-7-12 22:51
上面计算的功率是按照即将颁布的新标准来确定电动自行车速度的，事实上，不超过标准的车都很难卖出去，因此假设电动自行车的最高速度达到40公里每小时，并不过分。在这种情况下，所需的爬坡功率还要大幅度提高，作为一个合理的估计，可以说如果功率不到2000W，电动自行车的爬坡能力就不要宣传。扭矩再大都是无关疼痒的，因此，首先要解决的问题还是电池。

作者: Zengxd 时间: 2013-7-13 10:44
本帖最后由 Zengxd 于 2013-7-13 11:16 编辑

需要2000W这么大的功率，这正是摩托车的功率，因此，要想用两三百瓦的电气系统达到2000W的效果，这是完全没有可能性的！

一下子要达到这么大的功率，显然是要增加很多成本的，因此可行的措施只能是逐步提高，路线图如下：

参考计算：按照总重1200N，爬5度坡，速度7.22米每秒，需要净功率755W，净扭矩21.12牛米；

第一步：按照总重2000N，爬3度坡，速度7.22米每秒，需要净功率755W，净扭矩21.14牛米；

第二步：按照总重2000N，爬3度坡，速度10米每秒，需要净功率1046W，净扭矩21.14牛米；

第三步：按照总重2000N，爬5度坡，速度10米每秒，需要净功率1743W，净扭矩35.2牛米；

以上按照16吋轮胎计算扭矩，其他轮胎仅影响扭矩，不影响功率。

作者: Zengxd 时间: 2013-7-13 11:49
由此可见，现在的无齿轮轮毂电机，考虑到正常的过载扭矩和电源系统的过载功率，几乎就已经满足路线图第一步的要求了，而且爬坡终归只是电驱动系统短暂的、峰值的工作状态，仅占总运行时间极少的一部分而已。因此，目前需要做的仅仅是增加一些转换效率，增加一些安全系数，增加一些可靠性。

结论很明确，追求驱动系统的更大扭矩，事实上对于电动自行车的爬坡能力没有什么帮助，甚至可以说毫无帮助也不为过！

那么，大扭矩就真的毫无用处吗？换挡系统真的完全没必要吗？学过《汽车动力学》的人都知道，在恒功率的条件下，换挡系统或者CVT的作用是能够在加速过程中用足系统的功率，或者换句话说，在功率受限的前提下，能够得到最迅捷的加速，也就是最短的加速时间。这就是电气变档或者机械变档的作用，假设是固定传动比的齿轮减速，那么连这点作用也是没有的！

作者: 钳工 时间: 2013-7-13 12:13
嘿嘿，受益非浅！总听人动不动就说能爬几十度坡，原来都是吹牛。修建公路要根据公路的技术等级来定，高速公路最大（纵坡）坡度是5%，一、二、三、四级分别为6%、7%、8%、9%。

作者: Zengxd 时间: 2013-7-13 13:25
本帖最后由 Zengxd 于 2013-7-13 13:40 编辑

钳工发表于 2013-7-13 12:13
嘿嘿，受益非浅！总听人动不动就说能爬几十度坡，原来都是吹牛。修建公路要根据公路的技术等级来定，高 ...

5%对应2.86度
6%对应3.43度
7%对应4.00度
8%对应4.57度（好像这是乡村公路最大限制坡度？

）
9%对应5.14度

因此2000N爬5度坡，已经是极限了，更高的要求只能自己改装，对于成万上亿生产的产品来说，没有人愿意制造那种不实用的玩艺的————根本就卖不掉！

作者: Zengxd 时间: 2013-7-13 21:20
本帖最后由 Zengxd 于 2013-7-13 21:24 编辑

目前的无齿轮驱动轮毂电机，在爬坡时是通过增加电流来实现的，由于电流增加时铜耗增加，因此，电机无法维持原来的转速，也就是说电源多供给的功率（能量）没有全部转化为有效功，这就是所谓的机械特性变软，在这种情况下，其实速度并没有降低多少，可是骑行者仍抱怨爬坡能力不行！

假设电动自行车采用CVT变速或者多档变速器，在恒功率的前提下，机械特性将是一条双曲线，其软度远比上述无齿轮的要软的多，骑行者必将更加无法忍受这样的爬坡能力！

有变挡时机械特性更加软，这是因为其驱动功率不变造成的，或者说此时，电机电流、电池电流、开关管电流均不会增加，很显然，这种工作状态对于电池和开关管是大有好处的，可惜人们更需要的却不是这条，而是希望有更大的功率以便尽可能维持速度不变！

所以，既要马儿跑又要马儿不吃草，天底下没有这样的好事！

作者: Zengxd 时间: 2013-7-14 10:12
如果要给现在的无齿轮电动自行车加装一个变速箱的话，我的加装方案绝不是加一个减速箱，而是恰恰相反，加一个增速箱！

这样的话，在平路时可以换挡到“超速档”，充分利用驱动系统的功率，实现更高的行驶速度！因为根据实际测试，在平路无风时，时速20公里每小时电机功率仅需110W左右，也就是说系统功率250W没有全部用上，假设没有电子限速电机设计成最高速度20公里每小时，则电机电流可以最小化，在这种情况下继续超速会受限于电机反电势（反电势超过电池电压就不能驱动），因此就无法利用多余的功率，此时增速箱就派上了大用场，换挡到超速档可以使得速度提高到40公里每小时，当然此时可能需要功率350W，多出部分就是靠功率超载来实现。

按照上述方案其实反而可以提高电动自行车的爬坡能力，是不是有点不可思议呢？

作者: gaoxe 时间: 2013-7-14 10:49

能量守衡？

作者: cgmax 时间: 2013-7-15 19:56
哪现在市场上哪个电机爬坡能力最好？

作者: 波波摸电车 时间: 2013-7-17 22:47
标题: RE: 爬坡的误区！

Zengxd 发表于 2013-7-12 21:06
如果路面和轮胎是齿轮齿条，设计出能爬90度的坡也不是什么难事，建筑上的施工升降机就是典型的例子。除此以 ...

5度？你这度是什么单位，我可否把它看作角度45度？

作者: 地面高清天线 时间: 2013-7-19 19:15
这边有45度的波，学习了楼主谢谢

作者: Zengxd 时间: 2013-7-20 11:51
坡度图

[attach]59872[/attach]

作者: 科技无限 时间: 2013-7-21 17:08
为角度人们讨论的不是一次两次了

作者: a8645120 时间: 2013-8-2 16:40
我也觉得还是大功率电机爽，变档什么的都不是个事，我用过达圣电机。虽力量大但上坡慢，2KW扭力型电机才是最加选择。速度也合适。

作者: 四川办事处 时间: 2013-8-2 18:12
目前有两个方案来增速，一个是弱磁区提前换相，但速度没有增加多少，扭力却下降太多，得不偿失。二是动态电压变化，那就是ECPU，从48V切96V了，呵呵

作者: yujingli 时间: 2013-8-2 21:25

cgmax 发表于 2013-7-15 19:56
哪现在市场上哪个电机爬坡能力最好？

爬坡就有有齿的，电机效果好，和汽车变速像一样的，现在出了4档的差速电机，3轮车用效果不错

作者: lishibo2006521 时间: 2013-8-4 07:03
都像战斗机
功率杠杠的

作者: Zengxd 时间: 2013-8-6 12:24
大功率才是真正的爬坡性能好！

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