关于电动助力车系统配置问题的探讨

沈阳蓄电池研究所 谢爽

0 绪论

电动助力车的问世，对号称自行车王国的中国普通百姓来说，无疑是一件值得庆幸的事情。电动助力车作为一类新型的交通工具，具有轻便快捷、安全省力、无噪声无污染以及利于环保等特点，越来越受到人们的青睐和喜爱。因此电动助力车是目前中国普通百姓代步工具的首选。电动助力车的轻便快捷、安全省力，给使用者带来了诸多方便，但在使用过程中经常会出现一些不尽如人意的问题，如蓄电池早期容量损失，在有限的充放电循环次数内，放电容量明显下降。其特征是电池根本充不足电甚至充不进去电，行车无力，续驶里程明显缩短。造成蓄电池早期容量损失，放电容量明显下降的原因是多方面的。一是蓄电池制造过程中自身存在的某些问题；二是使用者使用方法正确与否的问题；再就是系统问题，即系统各相关部件的质量水平与配置是否合理。

电动助力车主要由蓄电池（动力源）、电动机、充电器、控制器及车体组成。其中蓄电池起着提供起动的作用，如同发动机在机动车中的作用一样重要，是电动助力车的核心和心脏。电动助力车运行中蓄电池的性能如何，与整车系统各相关部件的质量水平同配置是否合理密切相关。因此系统各相关部件的质量水平与配置是否合理将直接影响和限制电动助力车的运行质量。

1 关于充电器

电动助力车业的飞速发展，加剧了业内竞争。电动助力车的大量上市、种类的多样，导致了电动助力车大幅降价的局面。电动助力车的快速发展同时带动了相关企业的快速发展。一些充电器的生产单位为急于搭乘电动助力车业飞速发展的快班车，在受利益驱动及电动助力车大幅降价因素的影响，千方百计降低充电器制造成本，采用质次价廉的元器件，粗制滥造，急功近利，组装生产充电器，致使市场上的充电器种类五花八门、质量良莠不齐。

充电器作为蓄电池放电后补充电能的重要工具，其技术性能和质量水平至关重要。现行充电器大多采用“恒流、恒压、浮充”三阶段的充电方式。第一阶段:以某一限定的电流充电，当达到某一最高限定的电压值时转入第二阶段充电（实际上在达到最高限定的恒压值之前电流就已经开始衰减）。同时在达到最高限定的电压值时蓄电池就已接近（可充入实际放电量的99%）或等同于蓄电池的实际放电量，其后的恒压充电阶段电流会在很短的时间内衰减到很小，可充入的电量非常有限。由上述充电器的充电过程可见, 充电器应具备如下特性和功能:

首先，恒流充电阶段充入的电量已经接近实际放电量（99%或以上）甚至等同于蓄电池的实际放电量；其次，充电电流在达到充电器最高恒压值之前已经衰减，并在达最高恒压值时的很短时间内电压迅速下降，电流随之降低。充电器的这一特性是以满足蓄电池在充足电的前提下，最大限度的防止蓄电池过充造成过多的失水。

基于上述的充电过程，充电器必须满足如下的技术功能和质量水平:

（1）技术功能:蓄电池经放电后，可在有效时间内充足电，并在充足电的前提下，避免过充，防止蓄电池失水过多，缩短电池使用寿命；

（2）质量水平:充电器的标称输出电流和输出电压与实际输出必须一致，标称输出能够反应出实际输出。

所谓充足电，即是为避免蓄电池充电不足现象的发生，防止蓄电池由于充电不足引发的极板硫酸盐化现象，从而导致容量早期衰减，寿命提前终止的事故，影响电动助力车的运行质量和正常使用。

所谓过充电，即蓄电池的充电已经完成，如果再继续充电，蓄电池势必产生较高的温度和过多的失水，如果不能有效控制，将会加速板栅腐蚀，活性物质软化，同时蓄电池容易发生热失控事故，失水过多将会造成蓄电池容量明显下降，寿命终止事故；过充电除了损坏电池外，还不可避免地造成大量电能的浪费。因此，充电器的质量水平对电动助力车性能至关重要。

笔者曾遭遇过电动助力车蓄电池充电不足的经历，用户反映“6-DZM-10”蓄电池，仅使用3个月，电池就不行了。蓄电池充不足电甚至充不进去电，续驶很短里程电池就没电了。

我们首先以恒流限压的方式对电池补充电，电流0.5A，在很短时间内，电池端电压即达14.80V（接近充电器的设定值），此时电流衰减到很小，可充入电量微乎其微。为进一步分析、判定蓄电池出现这种状态的原因，采用不断提高恒压值的办法对电池充电，电流稍有提高，但不明显，可见极板硫酸盐化已相当严重。开路放置24小时后，测定电池端电压均低于蓄电池在充足电状态下的正常值。随后做20h率容量放电，电流0.50A，终电压10.50V，结果仅放电50min，电池端电压即达10.50V。

我们根据整组蓄电池（3只）充足电后开路电压均低于正常值的这种特征（并不同于通常个别落后电池原因而导致的落后现象），同时根据蓄电池在充、放电过程中所表现出的特性，可初步判定造成蓄电池充不进去电及放电容量明显减少，很可能是蓄电池的硫酸盐化（为更直观确切的判定，解剖蓄电池，正极板呈浅黄色，表面上分布有不规则的白色斑块或斑点，负极板呈浅灰色，表面上无明显的白色斑块和斑点。经烘干后化验:正极板pbo2为61%；负极板的绒状铅为76%）造成的，是蓄电池长期充电不足所致。经分析认为很有可能是由于充电器的原因所导致。

经对用户充电器的充电性能的全过程测定，发现充电器实际达到的恒压值偏低，最高为42.60V。该充电器上标明额定输出电压为43.2～44.4V/组,即平均每只电池为14.4～14.8V/只，而实际只能达到14.2V/只。

以上实测数据告诫我们，蓄电池之所以充不足电和导致容量明显衰减的现象，完全是由充电器的实际输出恒压值偏低造成的。从而可见充电器的标称输出和实际输出是否一致、可信至关重要，即标称输出能否反映出充电器的实际输出。

该用户使用推荐的充电器后，电动助力车运行10个月时（后来因北方冬季太冷未继续使用），未曾出现因蓄电池原因引发的电动助力车的运行质量问题。

电动助力车蓄电池由于内部空间小，电解液量有限，采用的电解液密度较高（1.340～1.350g/cm3），因此蓄电池的端电压亦高，如果充电器输出电压设置低或者实际输出低于额定值，蓄电池确实存在充不足电的问题。同时各制造厂采用板栅的合金材质、工艺配方、制作工艺的不同，使蓄电池在性能上会有较大差异，因此应根据蓄电池各自的不同情况，有针对性地合理选择与蓄电池匹配的充电器。曾做过这样的实际测试:用同一台充电器对不同生产厂家的蓄电池充电，在放电容量（实际容量）完全相同的状态下，在相同的充电时间内，有的蓄电池可以充足电，而有的蓄电池充不足电，还有过充电现象。蓄电池充电不足和可能过充电的问题引起了蓄电池生产厂家的高度重视，为解决这一问题，一些蓄电池制造厂根据蓄电池的特性与充电器制造厂在取得大量试验数据基础上联合研制充电器，尽可能地实现充电器与蓄电池的合理匹配，把由于充电系统造成蓄电池容量下降和使用寿命缩短的几率降低到最低限度，以提高蓄电池的运行质量和使用寿命。因此一组本身性能良好的蓄电池，如果配用的充电器总是充电不足或者总是过充电，则电池组在行车过程中绝不可能显现出其优良的放电特性和长久的寿命。所以一个性能好的电池组务必配用一个性能良好的充电器，这是十分重要和十分关键的。

2 关于电动机

电动机的作用是将蓄电池由化学能转化为电能再转化为机械能的过程，从而驱动车轮转动。其输入功率要和蓄电池输出的电能相匹配。这样才可以有效地防止蓄电池因功率过大而遭到早期损坏而失效。一般情况下，36V系统的电动助力车电动机功率为180W和250W，蓄电池的正常工作电流为5～6A。但随着电动助力车业的快速发展，为追求车速和提高承载力，36V系统的电动机功率已增加到250～280W，蓄电池的工作电流增加到7.0～8.0A，超出了标准规定的2h率放电范围。在这种条件下，蓄电池输出电流增大，耗电严重，电动助力车续驶里程不能达标。如果长此下去，不久即会出现蓄电池因负荷增大、经常处于深度放电状态而引发的蓄电池容量迅速衰退失去功效的严重后果，往往导致使用者误认为是蓄电池出了问题，是蓄电池质量不好造成的。

笔者曾经和电动助力车生产厂的工程技术人员探讨过电动机效率特性方面的有关问题,在自然环境好的条件下（路面平坦、无风或风力小），电动机效率可达约70%，或者更高。如果自然环境较差（风大逆风、爬坡、超载），有些电动机的效率特性严重恶化，效率大大降低，仅为约45%，这时蓄电池输出电流急剧增大，可达约11～12A，这样对蓄电池的损坏程度会更严重。如果经常在这种状态下工作，蓄电池出现容量早衰、失去功效是必然的。

通常新车使用一段时间后电机的功率效率降低也会引起电池工作电流的增大。另外电机电驱动系统恶化，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，电机的永磁体就会出现退磁，效率特性全面恶化，导致电池工作电流急剧增加，放电时间急剧减少而使续行里程不足，从而使用户误认为蓄电池容量已经衰退。

因此电动机的输入功率与蓄电池输出能量的配置是否合理，是影响蓄电池性能状态的重要方面，可直接影响到电动助力车的运行质量，是不容忽视和必须认真对待的。

3 关于控制器

控制器具有三大功能，一是速度调节，二是过电流控制，三是欠电压保护。速度调节即通过控制器控制蓄电池输出电流的大小以调节车速。过电流控制即通过控制器，一方面是限制电动机的最大输入功率超过极限值，防止发生意外烧毁电机；另一方面是对蓄电池最大输出电流的限制，防止电流过大损坏蓄电池。

控制器具备的上述保护功能，对蓄电池和电机无疑是十分重要的，但我们也不可忽视这样的一种情况:电动助力车的行车仪表上有车速显示和电压状态显示。在电压状态显示仪表上，共分有3个不同的区域段（分别用3种不同颜色:绿色、黄色、红色）表示蓄电池不同的荷电状态。绿色区域表示蓄电池有很充足的电量（电压量程在34～44V/组之间），可以放心的骑行；黄色区域表示蓄电池已经释放出部分电量（电压量程在32～34V/组之间），可以继续骑行，如果方便可以适当的给蓄电池充电补充电量。当将要接近红色区域（警示区域，电压量程0～32V/组之间），电压达32V/组时，即为极限电压。此时利用车的惯性还能续驶一段路程，但很快供电将要中断，电动助力车将逐渐减速直至停止行驶。此极限电压实际上完全是为防止蓄电池可能的过放电，为避免蓄电池的损坏而设定的，因规定蓄电池的终止电压为10.50V/只，而极限电压32V/3只＝10.67V/只。设定值高于蓄电池的终止电压，即为防止蓄电池的过放电，避免损坏蓄电池而设定的。

控制器设定的极限电压是对电池组(3只或4只，36V/组或48V/组)的电压限制，电池组中每只电池性能相对均衡时，控制器对蓄电池可起到很好的保护作用。由于电池是成组使用，而电池在制造过程中会受到电化学方面诸多的可控和不可控因素的影响，使得每只电池很难做到性能完全一致，因此，在蓄电池组的运行过程中总会出现单只电池特性滞后的现象，这种滞后如果及时的进行差补，电池组仍能正常的运行，否则电池组就会受到滞后电池的影响逐渐失去功效。当电池组中出现了一只落后电池，会出现电池放电时电池组电压还高于控制器设定的极限值，而落后电池的电压已低于电池规定的终止电压却还再继续放电的情况。经过几次反复，落后电池的损坏将更严重，同时还会影响到同组其它性能好的电池。目前大多的电动自行车只有对电池组状态的显示，对单只电池状态无法明示而失去了对滞后电池差补的机会，造成了原本可以继续良好运行的电池组提前失去功效，这种情况下，控制器的作用就显得有限了。

还有一种情况应引起我们的注意，在行驶中，当电动助力车接近红色区域，警示灯（红灯）亮时，即表明系统已达最低电压区域（临界值），蓄电池已接近于容量殆尽状态，不可以继续放电，应及时充电以补充电量。很多电池循环放充电的实验室数据很高，有的都可达到800次循环，但在实车使用中却有时连300次循环都达不到，这里固然有电池组一致性带来的问题，但自行车控制系统对电池放电深度的控制也是一个主要的原因，电池如果经常性的处于一种80%以上的放电深度状态，那么电池的循环放充电次数应会大大下降。有些使用者往往利用断电后，蓄电池端电压可在瞬间迅速回升的特性，再用人力助跑方式重新发动电动助力车继续行驶。如此反复数次，直至蓄电池“筋疲力尽”实在发动不起来了才肯罢休。在这种状态下，控制器的保护作用就显得很有限。这种情况本不属于控制器方面的问题，当属用户的使用问题。但这个问题应引起我们足够的重视，即在这种状态下如何还能有效的保护蓄电池，是我们应该考虑的问题。

影响电动助力车运行质量的因素是多方面的，在有些情况下发生蓄电池早期容量衰减甚至功能失效的原因是很难界定的，本文仅就电动助力车系统配置方面的有关问题进行探讨，不当之处请予以批评指正。