[转帖]电动自行车对蓄电池的要求 （摘自红豆网站）

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电动自行车对蓄电池的要求

  作者：倪 捷     [蓄电池-中国]
  1  前言
        进入21世纪，现代科技对人类的生活品质将发生更为重大的影响.在交通方面，国内外许多科学家都一致认为”交通系统信息化—GPS在交通运行的广泛应用”和“交通工具清洁化—电动车辆及混合动力车辆的发展”这两大课题，已成为改变人类生活方式的重大契机。
        可喜的是，世纪之交，在中国已悄然兴起了一股”电动白行车热”，许多企业家和广大消费者都对此投入很多的热情，中国是一个自行车王国，中国民众拥有的最普遍的交通工具是白行车，当城市在扩大，城镇和城市逐步相连的今天，自行车已显出其力不从心的特点(自行车的适用交通半径约为5km)，那么，自行车往何处去，是成为高污染的燃油助力车吗?前几年，燃油助力车确实满足了城市扩大的需要，但它却不可避免地为许多过渡发展的燃油助力车的城市带来了灾难性的后果，城市空气质量严重恶化，每到上下班时间，人流量大的交通路段烟雾弥漫，严重影响人民健康，特别是燃烧不完全的助力车尾气含有大量的致癌物质，另一方面，已经十分稀缺的不可再生资源——石油，被如此毫无节制而有害地消耗也确实令人心疼，鉴于此，许多明智的地方政府、人大、政协以及众多仍然骑着自行车而不得不吸人大量废气的群众，乃至许多每天执勤在交通岗亭的警察都对发展燃油助力车极为反感，呼吁出台一系列旨在限制和淘汰这种高污染高能耗的个人机动交通工具。
        自行车应该向电动自行车发展就是在这种背景下在中国民间形成了广泛共识。虽然我国交通立法尚有严重滞后现象，大多数城市尚无法规允许电动自行车上牌证，导致许多顾客由于害怕无法上牌而不去购买(这也是一种政策滞后而抑制消费的典型表现)。但是，各企业及行业领导仍然以不懈的努力推动着电动自行车的发展，国标《电动自行车通用安全技术条件》
已于1999年10月1月颁布实施，这标志着产品的技术立法已经确立。有关行业正在积极讨论起草电动车各核心部件的国家标准。
        电动自行车的生产企业也从90年代初的2～3个，发展到目前的数十个，电动自行车的国内销量预计在2000年可达到30万辆以上，如果国家交通行政法规出台了，保守估计，电动自行车的年销量将会以2～3倍的速度发展，必成破竹之势!
        蓄电池作为电动自行车的储能部件，由此而蕴育着巨大的产业机遇，然而，挑战与机遇往往是并存的，日前，电动自行车要被消费者所认同，最重要的因素仍然是蓄电池质量因素，因为，蓄电池的服役时间将直接影响消费者的使用成本，笔者曾著文“解决电动车用蓄电池问题的系统方法” (《蓄电池》，1999年第3期)，该文阐述了解决电动车蓄电池问题的6种因素，其中最为重要的是三大因素：A)蓄电池制造品质；B)驱动系统技术指示；C)充电方式和充电器设计。本文则以其中A和B之间的关系不重点展开讨论，供有志于发展电动自行车专用蓄电池的厂家参考。
2  电动自行车运行模式
        讨论电动自行车在行驶过程中的力学模型，就是讨论其使用环境的问题，作为一种交通工具，制造者无法规定其使用，只能由消费者自行决定。1994年日本雅马哈公司首先推出款式新颖、设计独特的电动自行车，称之为PAS(动力助力系统)。这种PAS就是设计者为了照顾到电池现状而进行的一种人为地限制消费者使用的典型车型。当时速小于15 km范围内，传感一控制系统测量人力脚踏力矩并根据人力出力的大小严格按1：1的比例输出电功率，当时速大于15 km以后，电功率输出比例呈线性递减，日本自行车协会将雅马哈的这种  设计作为进入日本市场的技术准人条件制造进口技术壁垒(非关税壁垒)，PAS型电动车是日本市场上惟一可以销售使用的电动车，然而，PAS型电动车在海外却经历了失败的历程，雅马哈、本田等著名公司在美国、欧洲推广销售PAS电动车记录并不像设计者想象的那样好，在中国则更没有市场，我们公司也在1997年初学习PAS，与上海凤凰自行车公司联手推出类似PAS的电动自行车(国内称之为智能型)，市场反映极为冷淡，在上海市场只销售出300辆，后来绝大多数用户又要求拆除这种严格限制其使用状态的装置，重新改成完全由手动调整、控制出力的控制系统，这说明，电动自行车也和其他机动交通工具一样，人们之所以愿意花钱采购他，就是希望自主操作，并可以适应各种路面情况，如上坡、加速、启动等等，因此，电动自行车的电力驱动系统设计指标必须符合电动自行车运行的总力学模型要求。
    设电动车电机的总输出功率为P，则
    P＝F驱V………………………………………………（1)
    其中F驱为驱动力，V为行驶速度。
    按牛顿力学定律：
    F驱—F阻＝m·a  ……………………………………(2)
其中F阻为行进阻力，m为电动车自重和载重之和，a为加速度，而F阻又可分成3个部
分：
    F阻＝F1＋F2＋F3  …………………………………(3)
其中F1表示风阻力，根据空气动力学原理，F1与气流状态、行驶速度以及风阻面积有关，当行驶速度加快或顶风骑行时，F1迅速增加；F2表示路面磨阻力，这与载重量、路面平滑系数、轮胎气压状态有关，如果质量较大，路面粗糙，或轮胎气不足，F2将迅速增加；F3表示在路面有坡度状态下出现的重力分量，当坡度为，则F3＝与坡度角则F3＝Mg·sina上坡时，F3表现为阻力状态，下坡时F3则呈动力状态，显然，F3与坡度角φ与载重量有关。
        如果再将加速力m·a，看成一种阻力，则可称之为F4，显然，F4与载重量与加速度有关，这种阻力往往起动表现得十分明显。将式(2)转化为力的平衡式为：
        F阻＝F1＋F2＋F3＋F4  ……………………………(4)
        一般电动自行车的适用载荷为50～125kg，最大爬坡度数≤6°，行驶速度为20 km／h，加速时间为3～5 s，按照这样的要求，电动自行车电机应能提供，最大驱动力大约在8kg左右，最大输出功率约为400W。若此时电机效率为75％，36V系统的电池最大输出电流约为15A 24V系统要达到以上要求，电池最大输出电流约为22A。
        75kg载荷行驶于平坦路面时，输出功率大约为100W，风阻及磨擦阻力大约为18N 36V电池组的工作电流4 A，24 V电池组的工作电流为6A，432 W·h的新电池组充电一次续行里程可达50 km以上。若容量衰退30％，仍可行驶35 km，已基本可以满足中国城市居民的上下班需求。
3  电动自行车电机性能与蓄电池的关系
        前面讨论了电动自行车运行的力模型，他表明电动自行车作为一种交通工具，在行驶过程中会遇到各种复杂情况，在不采用PAS系统的条件下，驱动系统要适应客观存在的各种复杂情况就一定要具备较高的指标体系。例如，较强的超载能力，较平坦的效率特性曲线和机械特性曲线，否则后果是十分严重的。笔者在进行售后服务调查中，发现某些企业的售后服务人员反映的一个“奇怪”的现象，出现了“蓄电池早期容量不足”投诉的个别顾客，给他换了新电池。不久又重复出现这种投诉，以至于在半年内免费换了3～4次蓄电池，造成使用者和经营者心理恐慌。而同一批量的蓄电池在其他顾客使用时却没有发现这种情况。依笔者分析，如果出现这种情况无非有3个原因：A)确定出现了蓄电池质量累次均差的小概率事件；B)使用者使用条件恶劣或非常不注意按说明书操作；C)电驱动系统性能已经恶化。在超载能力差或效率特性差的情况下，如果一旦出现1～2次恶性使用，永磁体就会出现退磁(表现为空载转速增加，空载时出现调频啸叫声)，效率特性全面恶化，导致电池电流急剧增加，放电时间急剧减少，而使续行里程不足，顾客认为是蓄电池容量已经衰退。
        因此，在讨论适合电动车使用的蓄电池这个问题之前，必须先讨论适合蓄电池正常工作的电动车驱动系统，也就是说，在蓄电池正常工作的电动车企业供货之前，应全面了解他所配用的驱动系统的指标，否则就不会取得良好的合作效果。
        目前，国内大多数电动车生产企业均采用盘式永磁直流电机，选用的磁性材料多为稀土永磁材料钕铁硼，这是目前磁性能最高的永磁材料，室温下剩余磁感应强度可高达1.47 T，磁感应矫顽力可达992ka／m(12.4 kOe)，最大磁能积高达397.9kJ／m3(50 mgOe)，而且钕在稀土中的含量十分丰富，制造成本也较低，因此，他自1983年问世以来在工业和民用的永磁电机中迅速得到推广应用。但是，钕铁硼也有其不足之处，一是居里温度较低，导致高温时失效概率大；二是温度系数较高，剩余磁感应强度的温度系数可达－0.13％K－1，内禀矫顽力的温度系数可达－(0.6—0.7)％K-1，因而，高温下磁损失较大；三是含有大量的铁和钕，容易锈蚀也是他的一大弱点，必须对其进行严格的表面处理。
        盘式永磁电机的转子大致有两类，一是印制绕组转子，这种转子最初是采用与印制电路相同的方法(化学刻蚀法)来制造，由此而得名。目前，由于经济性的考虑，大都采用由铜板冲制然后焊接制造而成，其电枢片最多不能超过8层，每层之间用高粘结强度的耐热绝缘材料隔开，实际上可以称之为冲压绕组电机；二是线绕模塑封转子，其工艺分为3个步骤：绕组元件成型，与换向器焊接成型，灌注模塑封成型。
        两种电枢转子各有优缺点，但就用于电动自行车乃至电动摩托车、适合复杂的使用条件而言，笔者认为印制(冲压)绕组受导体厚度(0.2～0.3mm)的限制导致其电机的热过载能力和机械稳定性都受到限制；而且参数调变又受到了模具限制，另外耐热绝缘材料的性能也会影响其抗热过载能力，种种不利因素。与之相比，线绕转子在制造电动车电机方面的优势更为明显。
        直流永磁电机的稳定运行特性则主要表现为以下5个方面的特性：
        (1)机械特性：当电机端电压恒定时，电机的转速随转矩变化的关系曲线n＝f (U)，称为永磁电机的机械特性，关系曲线越平坦，机械特性越硬；反之称为“软”，电动车辆电机要求具备较“硬”的机械特性曲线，“力矩”电机则反之。
        (2)调节特性：当电磁转矩恒定时，电机转速随电压变化的关系曲线：n＝f(U)，称为电机的调节特性。
        (3)电流转矩特性：当电压为常数时电机工作电流I随负载转矩T变化的关系曲线；I＝f(T)，称为电流转矩特性，其为一上升的直线，上升斜率越小，则表示性能越好。
        (4)效率特性：当电压为常数时，效率与负载转矩T的关系曲线称永磁直流电机的效率曲线η＝f (T)，这是电机最重要的曲线，他能综合反映出电机的性能，对于电动自行车，在受运行力学模型控制的整个转矩区域，均能保持高效率是十分重要的。
        (5)温度敏感性：以上各项特性指标随温度变化的程度称为温度敏感性，这主要取决于磁性材料性能；电动自行车应尽量选择温度系数较小的磁性材料牌号。
        与蓄电池使用条件关系最为密切的电机特性是：(1)，(3)，(4)，(5)，尤其以(4)最为重要。
4  电动自行车对蓄电池的要求   
        如果电动自行车的驱动系统以及控制系统已经设计完成并且具备了良好的指标体系，则整车厂可以开始对其最重要的储能部件蓄电池提出要求。   
事实上，从我公司的市场实践来看，电动自行车对蓄电池的要求并不十分苛刻，毕竟就电动车辆而言，电动自行车是最容易实现商业化的一种，从某种意义上看，他可以称为其他大功率电动车辆(如电动摩托车，电动汽车)的前级产品，我公司今年配套使用上海某厂生产的小型密封免维护电池，6个月内的投诉率仅为0.3％，6月份开始又选择了浙江某厂生产的小型密封可维护电池，到目前为止，基本没有投诉，消费者对蓄电池的满意程度大幅度提高。      
具体而言，制造适应电动自行车使用的蓄电池应重点解决以下问题：
         (1)较高的比能量
        电动自行车属于一种昂贵的民用消费品，一般都具有较为美观的外型，整车品牌厂均在这方面大下功夫，电池盒模具已经定型，采购的蓄电池外型尺寸一般为150mm×98mm×98mm。因此，蓄电池供应商必须在此框架下，做增加容量的文章。提高容量的意义是十分重要的，一来可以增加续行里程，二来可以使电动自行车相对工作在“浅循环”状态，使整车厂和消费者满意，就此而言，我们建议采取多片极板，增加容量的设计路线。   
        (2)良好的循环寿命
        电池厂应在板栅合金的改进、正负极板比例、活性物质及重要添加剂的选择以及选用优秀隔膜和气阀等方面多做基础性研究，尽最大努力提高循环使用寿命，若以“全容量放电方法”试验，即5A放电至终止电压(1.75V／单格)，记录放电时间，当放电时间某规定值(一般为初始容量的70％)，其放电次数要求应能达到200次以上，若以“定容量放电方法”试验，每次均以5 A放电一个时间，一般为初始容量的60％～70％，当末端电压连续两次小于1.75 V／单格，则判为终结，共放电次数应能大于350次。蓄电池若能达到以上两种试验要求，投入至电动自行车使用，共服役时间基本可达到1 a左右，即具备商业化价值。
        (3)良好的工艺一致性
        目前，国内大多数蓄电池制造企业没有投入到电动自行车领域，所生产的小型密封电池一般用于浮充场合，生产工艺控制不严，若转向制造电动自行车专用电池，则应该重新整合工艺，特别应注意工艺细节问题，如涂膏工艺、极板固化工艺、焊接组装工艺等，防止出现个别不良电池混入电池组中，导致整体失效，造成损失。制造电动车专用电池的初期应十分注意精工细作，小批量生产，受控销售，等待工艺稳定后再研究如何提高劳动生产率的问题。
        以上3点，是笔者认为最具重要性的，但也有另外一些因素需要兼顾，例如，较好的放电平台特性，较好的充电接受能力等等。另外，还需要特别强调的是，电池制造厂应十分注意充电方式的研究，应该把这项内容纳入提高电池寿命的核心问题之中。


发布时间:2005-6-9

林冬雨

学习了，多谢楼主！