//Logo Image
作者:徐業良(2010-08-07);推薦:徐業良(2010-08-07)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2010年九月號,史丹福專欄。

為何電動車只有一個檔位呢?

我不常接到讀友的來函,寫了十多年史丹福專欄加起來可能收不到十封,寫專欄常常像在寫部落格一樣,從來不知道到底有沒有人在看,只是自顧自地跟想像中的讀友們對話。不過有時候在網路上找汽車科技資料,常會看到自己的文章被轉貼在其他網站,被讀友們認真引用、討論,大家似乎對史丹福專欄的專業性都有正面肯定,也覺得頗為安慰。

七月初時,一位署名「大游」的讀友寄了一個email給我:

==================================

Dear徐博士您好,

打擾了~~

針對電動車潮化,小弟一直有個小小疑問:為何電動車只有一個檔位呢?難道它不能像內燃機一樣給個變速箱嗎?

長期拜讀博士文章,希望老師有空幫忙解惑地拉~~

謝謝您^^

==================================

大游先生是第二次寫email給我,算是讀友中的「異類」。我覺得這是個很好的問題,但我沒有直接回覆這封email(大游先生可能覺得我很大牌),主要是因為自己對電動車馬達控制方面的問題不夠專業,不敢亂回答(而且email回答賺不到稿費),還特別把這個問題請教了咱們元智大學機械系另外一位史丹福大學博士吳教授。人稱馬蓋先的Wu Sir很熱心地向我解釋了一大堆道理,最重要的重點是,

「電動車不需要變速箱,因為電動車的馬達控制器就有電子變速箱的功能囉!」

史丹福專欄常常談到汽車替代能源的話題,倒是從來沒有討論過電動車馬達驅動的基本原理(和我自己對這個領域不夠專業很有關係)。這個月有馬蓋先Wu Sir的加持,我也認真地整理一下相關資料,把這個問題解釋給大游先生和其他想像中的讀友們聽。

內燃機引擎車-汽油或柴油引擎-發展了一百多年,電動車的設計也很小心地循著內燃機引擎車的軌跡前進。大部分的電動車外型還是直接從內燃機引擎車轉變而來,從外觀看起來您很難判斷這是一部電動車(也許唯一的線索是內燃機引擎車比較嘈雜,電動車運轉起來幾乎沒有聲音),不過一打開「引擎蓋」,您就可以看到電動車和內燃機引擎車完完全全不同。內燃機引擎車的動力系統是一大堆「管路」組成,進氣岐管、引擎油路、冷卻水、廢氣排放管等等,傳遞空氣、汽油、水、引擎廢氣等等各種不同的物質;電動車的動力系統則是一大堆「線路」所組成,包括電動馬達、馬達控制器和電瓶,彼此之間傳送電能或電子訊號。此外原本由引擎皮帶驅動的水幫浦、動力方向盤、冷氣壓縮機等等,在電動車中也都直接改由個別小型電動馬達驅動,甚至原本由引擎水箱水加熱的暖氣也改成了電熱器。汽車的油箱在電動車上當然改成了一大排幾十顆電池,由充電器對電池供電,可以用家庭的電源插頭直接“plug-in”充電,也可以是大容量充電專用的感應式充電版,儀表版上的油量表也換成了電瓶電量的偵測表。

電動車操作方式也儘量設計得和傳統內燃機引擎車相同(以免駕駛人忘了如何開車),坐進車內,插上鑰匙「點火」(其實只是把開關打開),排檔桿打到D檔,踩「油門」、打方向盤,就像開傳統內燃機引擎車一樣直接上路了。說到排檔桿,大部分電動車還是有一個「偽裝」的排檔桿,駕駛人還是像開自動排檔車一樣選擇前進、後退檔,但實際上這個排檔桿也只是一個電動開關,發送訊號給馬達控制器,控制馬達正反轉。

Mmmm,漸漸要進入主題了,馬達控制器有什麼功能?

傳統內燃機引擎車駕駛人踩油門踏板時,基本上直接控制油門開度,簡單地說,油門開度大、油氣進得多些、引擎轉速提高、動力也跟著增加。在電動車上電動馬達轉速和動力的控制,則是交由馬達控制器來處理。

如何控制馬達呢?概念上就像是控制您家中的電風扇,開關ON馬達就開始轉動,開關OFF馬達就停止。但是要控制不同的馬達轉速怎麼辦?簡單,電風扇不是也有三段開關控制不同的風速,電動車馬達也這樣控制就好了…

您當然知道我在講冷笑話。不過電動車馬達的轉速和動力控制,的確可以從電風扇馬達的控制去想像。電風扇的三段開關基本上是在調整馬達電流的大小,電流越大馬達轉速就越快,但是這樣的控制方式用在電動車上實在不太方便(也不甚精確)。電動車的馬達控制是用另一種方式,學術點兒的名稱叫做「脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)」。

PWM的想法一點兒也不難,您現在就可以用電風扇作個小實驗:按下開關先把電風扇打開,再按下開關把電風扇關閉,扇葉轉動還沒完全停止前再按下開關通電,扇葉還來不及全速運轉前又按下開關斷電。如此反覆開、關、開、關,手腳要快一些,保持扇葉一直沒完全停止,也沒全速轉動,供電的時間長一些,扇葉就轉得快一些,供電時間短一些,扇葉就轉得慢一些…

好吧,這個實驗真的有點蠢,燒壞您的電風扇不要怪我。不過電動車馬達控制,PWM脈波寬度調變,確實就是類似這種開開關關的方式。

電動車的「油門」踏板連接到一對可變電阻,駕駛人踩下油門踏板時改變電阻值的大小,馬達控制器便可以由電阻值讀到油門踏板踩踏的深度,進而用前面提到「開開關關」PWM的方式控制由電瓶輸送給馬達的電力。舉例來說,如果您的油門踏板踩下一半,馬達控制器便會送出控制訊號,讓馬達一半的時間供電,一半的時間沒有供電;如果您的油門只踩了四分之一,那就四分之一的時間供電,四分之三的時間沒有供電。

油門踏板為什麼要接到「一對」可變電阻?主要是安全的理由,馬達控制器必須同時讀到兩個可變電阻的訊號,比對無誤後才動作,如果其中一個可變電阻故障(例如剛好卡在「油門全開」的位置),馬達控制器比對兩個可變電阻訊號不一致,便會停止動作,避免車子發生暴衝危險。

您還是不瞭解「開開關關」的PWM控制方式?再仔細畫一個圖解釋給您聽。下圖中高電位的部分是馬達動作時間,就是馬達有供電的「工作循環(Duty Cycle)」,低電位的部分則是馬達沒有供電的停止時間,兩者時間的總和就是一個週期。如果駕駛人油門踏板踩得淺,馬達控制輸出高電位脈波寬度較窄(通電時間比例低),「平均電流」較低,馬達轉速和動力輸出就較低;相反的如果駕駛人油門踏板踩得深,馬達控制器輸出高電位脈波寬度較寬(通電時間比例高),「平均電流」較高,馬達轉速和動力輸出也就提高。

電動車馬達控制器這個供電的脈波(開關之間的切換)速度很快,每秒在15,000次以上(比電風扇實驗快得多),快速切換得到的效果是電動馬達以「平均電流」的轉速平順運轉(不會像電風扇實驗扇葉轉動忽快忽慢)。此外這個脈波造成馬達機械振動的頻率非常高,幾乎快要超過人耳聽覺範圍,這也是電動車馬達運轉很安靜的原因。

OK,您應該對電動車馬達控制器的功能有些概念了。不過我好像還是沒有回答這個問題,為何電動車只有一個檔位呢?

再抄一句馬蓋先Wu Sir的話給您:

“內燃機需要變速箱是因為引擎輸出的最大扭矩決定於引擎的轉速,所以需要一個變速箱以依據車輪的轉速以及隨操作狀況而異的扭力需求等兩個條件,來調整引擎的轉速。

電動車嗎,馬達控制器就是電子變速箱,性能優秀的馬達控制器可以在任何的轉速之下讓馬達輸出最大扭力!這是電子驅動馬達的一大特點,也是內燃機引擎根本做不到的事啦!”

的確,內燃機引擎規格中,最大馬力、最大扭力數字後面一定要帶個引擎轉速,引擎在某個轉速便輸出固定扭力,扭力不夠用時,便得用變速箱以機械的方式來放大扭力。電動馬達的扭力輸出和輸入電流大小有關,馬達控制器的核心微處理機接收各方感測訊息後,執行複雜的軟體程式,來控制輸入電動馬達電流的大小,從而控制馬達輸出扭力。

用說的不夠清楚,再用三個基本公式解釋一下電動車馬達扭力和輸入電動馬達電流之間的關係。

公式一:能量轉換效率=輸出機械能功率∕輸入電能功率

能量轉換效率代表有多少比例的輸入電能可以被轉換成馬達轉動的機械能輸出。上個月的史丹福專欄才又談了一次功率的問題,複習一下,馬達功率的單位是瓦(W)或千瓦(kW)1馬力等於746瓦。小於10W的小馬達效率比較差,只有30%~60%,電動車用數十千瓦的高功率馬達,能量轉換效率則高得多,一般都在70%以上。

公式二:輸入電能功率=電壓×電流

這個公式裡電壓的單位是伏特(V),電流的單位是安培(A)。電動車馬達電源來自電瓶,因此電壓通常是固定的,前面提到馬達控制器利用「開開關關」的PWM方式控制馬達輸入平均電流大小,輸入平均電流越高,電能功率也越高。

公式三:輸出機械能功率=扭力×轉速×0.1047

這個公式裡扭力的單位是牛頓米,轉速的單位是rpm“0.1047”是單位換算的係數。公式三中可以看出,同樣的功率之下,轉速越低、馬達輸出扭力越高。當然電動馬達的扭力不可能是無限大,所以您會看到電動車馬達規格中有一個馬達轉速為零時的「靜止扭矩(stall torque)」數字,可以看做是這個馬達的最大扭矩。

假設有一個完美的馬達,公式一中的能量轉換效率是100%,也就是所有輸入電能完全轉換成為輸出機械能,我們還可以把公式一、二、三合成公式四:

公式四:電壓×電流=扭力×轉速×0.1047

公式四就很清楚說明電動車馬達扭力和輸入電流的關係了。總的來說,電動車馬達的控制器便是由駕駛人踩踏油門踏板的深度,再考慮當時駕駛狀況轉速、扭力的需求,以及其他汽車預設特性等條件,馬達控制器執行複雜的程式軟體,調整「開開關關」PWM的脈波寬度,控制輸入電動馬達的平均電流,最後電動車馬達輸出適當地扭力和轉速。

為何電動車只有一個檔位?談到這裡這個問題似乎有點兒不太對,電動車馬達控制器電子變速箱的功能,可遠遠比內燃機引擎車手排或自排少少幾個檔位要精密、聰明許多呢!

感謝讀友大游先生為這個月的史丹福專欄提供了很棒的題目,感謝系上另一位史丹福博士Wu Sir提供了很好的解答。