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淺談應用於電動機車之馬達動力系統

摘要"

本文主要以電動機車為主題,探討其動力馬達相關技術,從馬達選用、設計流程、系統控制策略等理論談起,到失效模式分析與功能安全在車用系統開發上的必要性,從理論與實務應用等面向來論述整個電動機車之動力系統開發流程。

關鍵詞:馬達、電動機車、動力系統、系統驗證

前言

隨著世界各國從2016年起,陸續訂出禁燃油車之時程表,顯示以電動載具將逐步取代高污染的燃油系統,各大車廠亦積極開始投入電動載具的相關研究。而具低價、機動性高及方便停車等特性的機車一直是台灣最盛行的交通載具,在台灣平均每 10 人就有 9 人擁有一台機車,因其先天體積上的限制,及引擎先天設計上的瓶頸,導致使用機車時所排出的廢氣污染量高居不下。若參考台灣最新的車輛排放標準[1],可發現其在相同的行駛里程數下,其廢氣排放可能和汽車差不多。故利用電動車輛取代燃油引擎載具才能加速改善台灣的空氣品質。
過去電動機車無法普遍的原因,主要礙於關鍵技術如電池跟動力系統尚未突破,導致電動機車的續航力不足、加速性與爬坡力欠佳。然而,時至今日,電池與電機之技術發展已勝過往,台灣電動機車產業亦逐步上揚。Gogoro於2015年以全新品牌之姿在當年CES展上正式發表其電動機車產品,以優異的產品造型成功吸引消費者目光,並同時推出異於傳統充電思維的換電能源網路[2]解決續航力不足的疑慮,隨即在電動機車市場上造成轟動,兩年多來,該品牌電動機車銷售總額已超過過去十年的總和,市占率甚至高於部分引擎車廠。而Gogoro真正讓消費者買單的因素是其優越的馬達動力系統設計[3],如圖1所示,Gogoro採用直通式內導流氣道水冷系統,此設計下,馬達運作時外殼只維持比室溫略高的溫度,並輕易達到高轉矩的輸出,整車性能輸出等同於125cc的引擎機車。
電動機車的動力系統依騎乘基本需求而訂。鑒於此,本文將論述其馬達選用原則與設計流程,系統控制策略等理論,並談及可靠度設計於動力系統研發的必要性。

動力馬達設計

目前電動機車所使用的動力馬達,主要有直流有刷馬達、感應馬達及永磁無刷馬達等三種。感應馬達的構造簡單、價位低,相對的啟動扭力較小、功率密度低是其缺點,又感應馬達為交流馬達,在電池驅動的電動機車,需外加轉換電路才產生交流電,此為應用上的問題。直流馬達控制容易但其電刷磨耗與換向火花等問題,仍使有刷馬達應用受到限制。永磁無刷馬達與有刷直流馬達的主要差異,在於換向機制的不同,永磁無刷馬達必須採用電子式換向,透過晶片韌體控制驅動器電路的切換時序及頻率[4],圖2是一永磁無刷馬達之系統架構方塊圖,其涵蓋控制晶片、驅動硬體電路、感測元件及馬達本體。綜觀而言,永磁無刷馬達應是電動機車理想的動力來源。

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