鋰電世界  客觀地講，我們說電動自行車產業或已步入“鋰動時代”，但更多只是象征性意義上的一種說法。因為目前鋰電池成本仍相對偏高，而由于成本的原因，則給“鋰電車”的推廣普及帶來相當難度；或因此而導致目前“鋰電車”的普及率仍較低，而且要遠低于現大量使用的“鉛酸電池”之車型產品。

    那么，如何定義電動自行車產業“鋰動時代”的真正到來，筆者以為，最為簡單之衡量標準或可以是：“鋰電車”之普及率(市場占有率)，是否達到或超過50%以上。而據此定義及其衡量標準，則電動自行車產業若要真正跨入“鋰動時代”，或仍有一個時間過程。但筆者以為，這個過程或相對很短，理由在于：就現有技術及其實施條件，我們不僅已具備“高效節能型鋰電車”之商品化開發、以及規模化量產實施條件；而且，對于“經濟型鋰電車”的推廣普及條件即消費者的實際需求，也更為成熟；或只是我們尚未意識到而已。就此展開如下相關問題之討論。

    就如何加快我國電動自行車產業“鋰電化”轉型升級，我們可能更多的關注于，如何來降低鋰電池本身的成本(造價)，繼而可以降低“鋰電車”造價和有利于提升其普及率。但筆者以為，對于電動自行車行業而言，我們或更應該側重于：通過技術手段來優化整車設計，更有效提升驅動電機(驅動系統)功效，繼而降低其功耗，則可以減少電池能量消耗及其電池容量配置。而這樣，不僅能有效降低“鋰電池”成本和有利于提高“鋰電車”普及率；而且，更為重要的是：即便是將來電池技術有所突破，而“提升電機功效、減少能源消耗”之改進思路，將始終不會失去其技術上的先進性。

    當然，對于“低成本、高性能”電池產品之研究與開發，乃今后發展方向，這一點毋庸置疑。因為它更關系到諸多相關產業之技術進步與未來發展，而不僅限于電動自行車行業及其相關產品。但就現階段而言，我們若過于期待或依賴于電池技術在短期內有所突破，則將使電動自行車技術進步及行業發展停滯不前。理由很簡單：對于“儲能技術”的不斷研究與改進、以及新一代電池的開發，乃多年來世界范圍內所研究和亟待解決的技術難題；其難度或更體現于，即便是實驗室研究獲得突破，但要真正轉化和開發出“性價比”相對較高的經濟實用型產品，或仍需要相當長的時間過程，短期內或難以投入商品化實際應用。

    因此，就現階段而言，我們或可以運用現已成熟應用的現有技術，對現有產品進行綜合優化設計，來更有效降低整車產品實施成本，繼而大幅提高其“性價比”。這不僅有助于“鋰電車”的普及率、或可在短期內獲得較大幅度的提升；并且，或許是一條更有效和“隨及就可以方便做到的”解決途徑。尤其對于推動和加快電動自行車產業，在短期內實現產品之全面“鋰電化”轉型升級，以至整個行業整體跨入“鋰動時代”，或將會產生更為顯著的實效。為能充分地說明這一點，現結合電動自行車技術發展現狀，并就如何更有效降低“鋰電車”實施成本及其優選技術解決方案，具體探討如下：

    1.技術現狀

    就現有電動自行車產品及其驅動方式而言，普及率最高的乃低速輪轂電機。而經過多年來的不斷改進，目前低速輪轂電機技術已相當成熟；但正因為如此，欲進一步提高其功效，則優化改進空間已不大。原因在于：其一，由于輪轂電機受到車輪轂特定結構和軸向尺寸的限制，不利于電機結構的進一步優化設計；其二，由于輪轂電機其轉速要與車輪轉速相匹配，則電機轉速相對較低；而低轉速電機同比與高轉速電機工作效率相對較低，則致使其功效的進一步提升將受到限制。

    據上所述，或者可以說，在新材料、新工藝以及新的技術方法尚未出現(或尚未成熟應用)之前，欲通過進一步優化輪轂電機之本體結構設計、來大幅提升其功效，則將受到現有技術與實施條件的制約。據此而言，就目前技術條件，希望于輪轂電機技術有重大突破，即：通過提升其功效來降低電池能量消耗，繼而減少“鋰電池”容量配置及其成本，顯然是不現實的。

    2.改進思路及其優選方案

    2.1電動自行車技術發展及其演變過程之探析

    所周知，早期的電動自行車，是由自行車增設電力驅動系統演變而來，而傳動裝置仍采用的是鏈傳動方式。比如，較典型的車型為外置式(中置式)驅動電機，經鏈傳動裝置來帶動車輪轉動。但它的不足之處就在于，鏈傳動裝置的耐用性能及工作可靠性欠佳；也就是我們通常形象地說，容易“掉鏈子”。因此，客觀地講，自輪轂電機誕生以來，省去了鏈傳動裝置，其工作可靠性明顯改善。它對于大幅提高電動自行車產品之普及率，以至推動電動自行車產業在近十年來獲得迅猛發展，乃功不可沒。

    可是，由于輪轂電機其固有結構特征的制約，致使其技術上發展或存在局限性。因此，更宏觀地講，輪轂電機驅動方式，或將成為電動自行車技術發展進程中之現階段“制約瓶頸”。那么，我們仍固守于現有輪轂電機驅動方式，并依賴于電池技術上的突破，這將會使我們的改進思路或也存在局限性。

    2.2設計理念與改進思路之探討

    那么，就如上所述之“制約瓶頸”，我們如何來通過技術手段加以突破呢？筆者以為，電動自行車乃一種普及型低速交通代步工具，或仍應該堅持其“簡約化”設計理念，并將更有效提升驅動系統功效、即減少其功耗放在首位。更具體的說，就是：“在滿足所需驅動扭矩之前提下，如何使所需驅動功率趨于更小，繼而使能源消耗亦趨于更少”。這一點或應該作為“電動自行車技術改進”之始終不變的研究課題(主題)。即便是如何強調個性化設計，但也應該是在此基礎上作出的優化設計。而堅持這一改進思路，或反而會使我們解決問題之途徑變得更簡單，改進方案更簡約和更便于實施。

    具體而言，目前多采用的低速輪轂電機，其致命性缺陷或在于：即便是將其優化改進做到極致，而就現有技術條件則很難實現其功效的倍增。而與之相比，外置式(中置式)驅動電機，由于不受車輪轂特定結構的限制，更利于驅動電機的“高能效”優化設計。故，它與低速輪轂電機相比，其技術優勢或更體現于：運用現有技術條件稍加改進，便能獲得“功效”的倍增、以至更大幅度之提升(優化改進方案及其實施例之后具體給出)，這對于有效降低“鋰電車”造價(即：減少電池容量配置及鋰電池成本)，或將會產生更為顯著的實效。

    顯然，與輪轂電機相比，外置式(中置式)電機之顯著優點則在于，它更便于實現功效的進一步提升，改進空間仍較大；而不足之處和有待解決之技術問題，或只需將鏈傳動裝置做些相應的、更趨合理的優化設計而已，以適應和滿足產品“運行工況”等相關技術要求便可。那么，這就使得問題之最終有效解決變得簡單多了。具體優化及改進方案推介如下，供參考。

    3.改進措施及其參考實施例推介

    就鏈傳動裝置優化設計而言，我們或可以借鑒于已成熟應用的現有類似產品、來作出相應的改進便可，比如：現有機動摩托車所采用的鏈傳動方式。而該傳動方式之所以延用至今，就在于它不僅能夠適宜產品“運行工況”等相關技術要求，而且構成也相對簡約、便于實施和較為經濟。但它與早期電動自行車所采用的鏈傳動方式有所不同，區別及其效果在于：其后輪轂部位設有一“緩沖部”；因此，當車輛起步或提速時(即：傳動裝置加載瞬間)，能起到有效地緩沖作用，從而使傳動系統各部件相互間的瞬間受力強度大大減輕，繼而使其工作可靠性及耐用性能顯著改善，使用壽命則相應延長。

    據上所述可見，電動自行車選擇上述鏈傳動方式，不僅是適宜的，而且“性價比”或更高。簡單地說，鏈傳動方式通常用于低速傳動系統，而電動自行車速度要遠低于機動摩托車，則鏈傳動裝置其傳動速度更低；因此，其工作可靠性、耐用性能更高，使用壽命更長。但就進一步優化產品設計和降低實施成本而言，或仍有較大改進空間。

    比如，一種采用中置驅動方式、名稱為《高能效電動自行車之驅動及傳動裝置》的專利申請(專利號：ZL201220615106.9；授權公告日：2013年4月24日)，提供了一種更為經濟實用的解決方案。該方案是將裝于后輪轂部位的“緩沖部”，作了進一步優化改進，并采用了“帶有緩沖部件的聯軸器”方式，即可方便安裝于中置電機之轉軸上，其改進效果在于：

    〈1〉將“緩沖部”前移中置，可簡化后輪轂部位設計，則整車構成更為簡約，綜合實施成本進一步降低。

    〈2〉將“緩沖部”改為聯軸器形式，其本體結構更為緊湊、體積減小、用材量減少，實施成本低廉；不僅更便于加工，而且可選用鋼質材料制作，結構強度及耐用性能相應提高，使用壽命延長，則綜合性價比更高。

    〈3〉將“緩沖部”改為聯軸器形式，最明顯優點還在于：它與“中置電機”轉軸及鏈輪之間，均可采用螺紋連接方式或鍵槽等連接方式，則結構設計更為簡約，簡便易實施和方便裝配等等。

    綜上所述可見，上述鏈傳動裝置及其中置電機驅動方式，乃較佳驅動及傳動方式之一。其可行性在于：不僅僅是經過實際應用驗證其技術上已相當成熟；而且，上述優化方案及其改進措施，均采用的是現已成熟應用之常用技術手段與方法，則實施難度大大降低。不僅如此，更為重要的是：它同比與低速輪轂電機驅動方式，將能實現其功效的倍增、以至更大幅度之提升，繼而可大幅減少電池的容量配置，即可有效降低“鋰電車”實施成本。這才是問題獲得最終有效解決之關鍵所在。就此我們作如下進一步探討。

    4.關于“高轉速”中置電機與“低轉速”輪轂電機之“功效”對比

    4.1相關參數概念與“高能效”中置電機優化設計原理概述

    為節省本文篇幅和便于理解，我們結合如下相關參數概念一并討論：

    〈1〉關于“單位功率質(重)量”之概念，即：P(功率)/Q(質量)。簡單地說，當P/Q比值愈大，則表明電機在獲得相同功率輸出時，電機的質(重)量與體積愈小，用材量即原材料成本愈少；反之亦然。據此而言，中置電機同比與輪轂電機，由于不受車輪轂特定結構限制，而更利于其結構(磁路)優化設計，則體積、質(重)量可相應減小；而據相關研究也表明，二者同比，中置電機通常可減少約30%的體積、重量及原材料成本。

    〈2〉關于電機之“功率、轉矩、轉速、效率”等相關參數概念及其解釋：公知的，電機之轉矩與轉速成反比(轉矩=功率/轉速)，額定功率相同的電機，極數越少，轉速就越高，同時轉矩越小；而另一方面，額定功率相同的電機，額定轉速愈高，電機的體積、質(重)量和成本將愈小；再一方面，在一定轉速范圍內，高轉速電機同比與低轉速電機其效率更高。因此，通常在能夠滿足負載“運行工況”等相關技術要求時，以及減速機構構成相對簡約、傳動效率相對較高(功率損耗較小)之情況下，一般會選擇高轉速電機實施“減速增矩”傳動方式；這樣，更經濟(即：原動機重量、體積較小，電機造價即價格相對較低等)。

    基于上述公知的相關參數概念及其解釋，我們或可以得出這樣的結論：額定功率相同的高轉速電機同比與低轉速電機，若要獲得(達到)與低轉速電機相同的輸出轉矩，則高轉速電機的質(重)量、也應與低轉速電機的質(重)量相同(或大致相當)。或者是說，我們或可以相應增加高轉速電機其質(重)量(如：增大鐵芯截面、增加繞組匝數)，則可以增大其輸出轉矩，并可獲得與低轉速電機相同的轉矩。但這里需要特別說明的是：二者“功率及轉矩”均相同，但高轉速電機同比與低轉速電機其“質(重)量”并未有明顯增加，即：二者“質(重)量”是相同的(或大致相當)。而上述：通過增加高轉速電機“質(重)量”來增大其“轉矩”，只是針對于“高轉速電機本身”而言，這一點需要特別明確乃確定的(應該準確理解)。

    如上之結論很重要，它對于理解“中置電機”之“高能效”優化設計原理，并用于解釋“中置式高轉速電機”同比與“低轉速輪轂電機”，可獲得“功效(額定扭矩/額定功率)”的提升，乃最為重要之依據。并且，該依據毋庸置疑，因為它不僅符合“質量守恒”定律；而且，嚴格意義上講，乃符合“能量守恒及能量轉換”之基本原理。其充分理由在于：

    電機(電動機)作為將電能轉換為機械能的設備，或可稱之為“能量轉換之載體”。而嚴格的講，該載體的“能量轉換能力”則取決于它的“質(重)量”，即：電機的“鐵芯及繞組的質(重)量”。據此，當電機的“質(重)量”相同，能量轉換能力則相同；那么，更具體的講，也就是說“當電機質(重)量相同時，而輸入功率相同，則輸出轉矩亦相同”。

    可是，在現有電機產品中，為何功率相同的電機，它的轉速越高轉矩就越小呢？對此，也很好理解，因為轉速越高的電機，它的“質(重)量”及體積越小，它的“能量轉換能力”越小；就是說，高轉速電機的體積、“質(重)量”，原本就小于低轉速電機，乃固有特征。而現有電機產品之所以采用該設計方法(模式)，則是因為：有利于優化電機的“功率重量比”，即有助于提高其“性價比”。

    顯然，本文稱之為“高能效”電機之設計方法，不同于現有電機產品所采用的設計模式，其區別或在于：由于是針對于采用車載電源(蓄電池)供電的電機，則更側重于，如何來更有效提升電機的功效(以減少能源消耗)；具體的講，就是通過增加電機的“質(重)量比”，來提高其“能效比(額定扭矩/額定功率)”。但仍需要強調的是：改進后的“高能效”中置電機(高轉速電機)，它同比與現有產品之“低轉速輪轂電機”，其質(重)量、體積以及“原材料(鐵芯、繞組)成本”并未有明顯增加(或大致相當)；并且，二者的功率、轉矩均相同，但“轉速”是不同的。

    4.2關于“高能效”電機之具體優化方案及改進措施

    在現有產品(中置電機)之基礎上，我們能否在不增加電機額定功率之前提下，來增加其額定轉矩呢？據前述“高能效”電機優化設計原理可知，通過增加電機“質(重)量”，便能相應增加其轉矩。據此，我們就可將現有產品，很方便的改制成“高能效”電機，即：選擇同一系列而不同規格的現有產品稍加改進便可。具體改制方法說明如下：

    以額定功率350W的中置電機為例，我們可選用功率(規格)稍大一檔或更大一檔的“同一系列”現有產品，將電機繞組(線圈)參數作相應的調整重新繞制便可。其改進設計原理與實際效果在于：與原有功率為350W的中置電機相比，電機規格即“質(重)量”增大后，不僅鐵芯(磁路)截面相應增加，而且線圈繞制空間也相應增大，繞組匝數亦可相應增加。比如，將鐵芯截面增大一倍(鐵芯長度即磁路長度相當)、繞組匝數也增加一倍(適當增大線徑)；那么，同樣的電流(功率)輸入，即可產生兩倍的“磁通量”，便可獲得功效(轉矩)的倍增。更直觀地講，也就是說，“改進后”的電機，額定功率仍為350W，但它的額定轉矩則為“改進前”的兩倍，即相當于現有產品同一系列700W電機的轉矩。

    上述解決方案之可實施性及其顯著優點更在于：由于采用現有產品進行改制，則無需改變現有產品的原有結構(磁路)設計，簡單實用，實施成本低廉。因此，就經濟性與實用性而言，乃可作為“優選技術解決方案”之一。

    不僅如此，上述改進方案及其實施例，或給我們帶來一些啟示，或將使我們解決問題之思路發生改變。即：通過合理適當增加電機的“質(重)量比”，則線圈繞制空間相應增大，我們就可以選擇適當的線徑來較大幅度的增加繞組匝數，即可在保持安匝數(IN)不變之前提下，便可相應減少(小)所需驅動電流，即可使電機額定功率大幅減小。而這對于采用電池(車載電源)驅動的車輛而言，在滿足所需驅動扭矩之前提下，驅動電機額定功率(所需驅動功率)的大幅減小，使得電池能量(能源)消耗亦大幅減少，則電池的容量配置及其成本大幅減少。由此可見，采用上述“高能效”中置電機作為電動自行車的驅動電機，不僅可大幅降低“鋰電車”實施成本，而且，同比與現有輪轂電機驅動方式，其節能效果(即：能源消耗大幅減少)更為顯著。

    4.3實施例對比及其“功效”的簡約計算

    為能較為直觀地闡明其優化改進效果，我們下面采用舉例的方式，將“高能效”中置電機與低速輪轂電機之“功效”作一對比，具體如下：

    比如，一只額定功率為350W的“高能效”中置電機，其轉速是“功率同樣為350W輪轂電機”的2倍，但同時二者的質(重)量也相同(或大致相當)；那么，據前述“高能效”電機優化設計原理及其相關結論，則中置電機可獲得與輪轂電機相同轉矩。這樣，我們就可以選用“傳動比(減速比)”為2的鏈傳動裝置，即可獲得“功效(扭矩)”的倍增。也就是說，“高能效”中置電機的最終輸出轉矩(即：經鏈傳動裝置施加給車輪的扭矩)，則相當于(或等效于)700W輪轂電機的輸出扭矩。反之，若要獲得與350W輪轂電機相同的輸出轉矩(扭矩)，則只需選用175W的“高能效”中置電機便可。

    當然，上述“功效”之對比，尚未考慮鏈傳動裝置的功率損耗，而實際“功效”之提升幅度則會有所降低。但這一問題之解決就更為簡單了，我們只需要選用轉速更高一點的“高能效”中置電機，并相應增大鏈傳動裝置的傳動比(減速比)便可。具體解決方法(方案)及其“功效”簡約計算如下：

    公知的，鏈傳動裝置的傳動效率通常為η＝0.9，為留有一定余量，效率可取η＝0.89。那么，我們選擇轉速比(即：減速比)為2.3，則結果為：0.89(傳動效率)×2.3(減速比)≥2(功效)。

    5.技術改進效果綜述

    據如上所述之改進方案及其實施例對比，我們還可以得出這樣的結論：“高能效”中置電機同比與現有“低速輪轂電機”，當二者質(重)量相同(或大致相當)，則“功效”之提升幅度，將取決于中置電機轉速與車輪轉速的“轉速比”和減速傳動裝置的“傳動效率”。據此而言，采用“高能效”電機及其中置驅動方式，同比與輪轂電機直驅方式，其“功效”乃具有更大的提升空間。

    具體而言，按車速≦26公里計，則低速輪轂電機轉速(即：車輪轉速)通常為400r/min左右，而用于減速傳動之中置電機、其轉速至少可達3000r/min以上，則二者間的“轉速比”較大(即：“減速比”至少可達8左右)。那么，即便是減速傳動裝置存在一定的功率損耗，但只要減速傳動裝置的功率損耗、所占總的功率消耗之比例很小，且遠小于驅動電機之“功效”的提升幅度，則改進效果將是尤為顯著的。比如，按“轉速比(減速比)”為8計，減速傳動裝置的“傳動效率”且為η＝0.85(就現有技術條件乃可以方便做到的)；那么，我們選用額定轉速為3200r/min的“高能效”中置電機，則至少可將“功效”提升6倍以上，其技術效果更在于：

    “功效”提升6倍，則實用效果即相當于電池的“比容量”提高了6倍，或等效于電池的容量配置增加了6倍。反之，若與現有產品(低速輪轂電機驅動方式)同比，則可相應減少(節省)“鋰電池”5/6的容量配置。