雙檔位電動機車傳動系統設計與分析

前言
目前市售電動機車超過九成為單一檔位之傳動系統，原因除了單檔位傳動設計容易且成本較低之外，馬達在低轉可直接輸出峰值扭力，並且動力轉速區段廣，因此該類型傳動系統為目前之主流。相關實例如：國內電動機車市佔率最高的領導廠商睿能公司，其於2015年推出第一代Gogoro，現已有S1、S2、Viva等多個車系，2019年國內市佔率已到16%，年銷售近16萬輛。S1、S2皆採用水冷永磁同步馬達，搭配減速齒輪分別以皮帶及鍊條傳動，有效降低簧下重量；入門的Viva則採用輪轂馬達降低成本。另外，一家美國電動機車廠推出高性能電動機車Zero，自2009年推出至今已經超過10年，頂級版之車型加速性高，時速由0至100公里只需3.3秒，續航里程約220公里，其雖具有傳統摩托車造型，但減去離合器拉桿與打檔桿，馬達輸出動力不經齒輪而直接由皮帶傳遞至驅動輪(Clutchless Direct Drive)。
電動機車相較傳統內燃機引擎機車而言，可變速之傳動系統並非必須，故電動車車廠僅需配置單檔位之傳動模組，即可應對多數操作之工況需求。然而，此方式最大缺點為高轉速域的不足，例如一些論壇對於市售電動機車的評論往往在於極速無法滿足顧客的預期，其主要原因就是為了增加車輛起步扭力，而將減速齒比加大，但如此一來便使得車輛在高速情況時，馬達的極轉速受限造成車輛極速無法向上推升。這也就是單一檔位系統無法同時兼顧起步高扭力及極速高轉速的需求，相關文獻也對於兩速系統在電動車輛上的應用做了些討論[1-3]。因此，本研究將針對電動機車探討應用兩速系統之可能性與效益，以及設計方法與分析結果做深入的討論說明。
市售電動機車比較
欲研究電動機車變速系統，需先暸解電動機車市場現況，找出合適做為雙檔位變速系統設計分析的目標車型。國內目前有投入生產電動二輪載具的主要業者共17家，其中大部分是以電動自行車為主。而在本研究中，發展可變速傳動系統之主要目的為提升車輛性能表現，即提高起步扭力同時增加車輛極速，因此，著重高性能之車型將是本研究討論的重點，故將選用較大功率馬達之車型進行分析，使性能效果更為明顯。因此，本研究參考現有市售電動機車之規格，列出三種車型進行模擬分析比較，如表1所示。
車輛動力性能分析
本研究以兩種模式進行車輛性能之模擬分析：穩態模式及暫態模式。穩態模式即是以車輛速度為橫軸，輪端扭力為縱軸，判斷該車輛的動力性能表現。暫態模式則是以時間為橫軸，車速為縱軸，分析車輛隨時間加速的狀況。透過此兩種模式之分析，可模擬各型車輛之動力表現，亦可針對減速齒比、換檔時機等主要參數進行調變分析，比較各型車輛應用單速系統或雙速系統對於車輛動力性能的影響。
為簡化模擬所需之馬達性能曲線，本研究透過簡易計算，將馬達之動力性能曲線分為等扭力區段及等功率區段，推算馬達對應的轉速及扭力關係，計算式如下：

                  (1)   (2)

其中P為功率、rpm為轉速、T為扭力、V為車速、R為減速齒比。模擬所選用之三種車型規格如表2，而馬達之動力曲線由該表中之動力參數帶入(1)、(2)式中取得。另外，車輛所受阻力的計算需考慮：空氣阻力、輪胎滾動阻力和坡度造成的重力分量。將各別車輛之動力參數、車輛參數以及阻力參數等編寫入模擬程式中計算，即可求得該車輛之動力特性。
依以上三種車型之車輛參數，藉由穩態模擬可得知原車既有的性能表現。另外，透過調變適當的傳動減速比，即可得知雙檔位傳動系統之性能表現。理論上加大速比可提升起步扭力，加速度亦隨之提升，然而在穩態模擬的結果確實如此，但實際情況必須考慮車輪滑差，過大的速比反而造成輪胎打滑，動力無法完整傳遞至地面，加速性反而衰減。因此，該兩檔位之速比(一檔及二檔)設定的依據為：一檔、藉由暫態分析找出車輛加速性最佳的速比設定值，以圖1分析Type 3車型之模擬結果為例，發現速比大於10時，滑差將大幅上升，超過滑差在20%到25%具有輸出最大驅動力的範圍。因此驅動力、加速度出現波動，速度曲線反而下移，轉速提高且降低效率。其餘車型也如此方式進行分析，比較在不同速比之下

圖1 Type 3車型一檔速比對應加速性之表現