动力系统选型计算书 —— 干杯一号

文档状态：首版草案（2026-08-11）适用于：从零自建车架与动力（路 B）说明：本计算书给出电机 / 电池 / 电调 / 减速的选型依据。所有数字都可复核、可调整。

0. ⚠️ 最大前提：安全优先

给 3 岁孩子造载人电动车，以下红线不可妥协：

电池必须是有认证的锂电池组 + 配套 BMS 保护板，禁止用散装电芯自行组装（火灾风险）。
电池回路必须串接保险丝/断路器，短路即断电。
电机功率和车速必须匹配孩子年龄。你选择维持 25km/h 上限，这是 8 岁+ 儿童的水平。给 3 岁孩子，我们通过档位软件限制强制更低（见 §5），硬件按上限预留即可。
刹车系统必须有机械可靠性，不能只依赖电子制动。
整车电气采用低压 24V，但仍需防短路、防倾翻、接线绝缘。

1. 计算前提（输入参数）

参数	符号	取值	说明
车身重量	m_车身	25 kg	钢管/铝架，不含电池
电池重量	m_电池	≈ 5 kg	24V 电池
孩子体重	m_孩子	15 kg	3 岁孩子典型
满载总重	m	45 kg	25+5+15
车轮直径	D	14 寸 ≈ 0.356 m	半径 r ≈ 0.178 m
重力加速度	g	9.8 m/s²
最大设计车速	v_max	25 km/h = 6.94 m/s	四档（硬件上限）
最大坡度	θ	5%（sinθ≈0.05）	缓坡
滚动阻力系数	μr	0.015	硬质路面
空气阻力系数×面积	Cd·A	≈ 0.4 m²	儿童车近似
传动系统效率	η	0.8	链/齿减速
电池电压	V	24 V

2. 需求阻力计算

2.1 滚动阻力（始终存在）

Fr = μr × m × g = 0.015 × 45 × 9.8 = 6.6 N

2.2 坡度阻力（上坡时）

Fg = m × g × sinθ = 45 × 9.8 × 0.05 = 22.1 N

2.3 空气阻力（高速时）

Fd = 0.5 × ρ × Cd·A × v²
   = 0.5 × 1.2 × 0.4 × 6.94² ≈ 11.6 N   (25 km/h)

3. 所需电机功率

功率 = 力 × 速度 ÷ 效率

3.1 平路巡航（25 km/h）

P_平路 = (Fr + Fd) × v / η
      = (6.6 + 11.6) × 6.94 / 0.8
      ≈ 158 W

3.2 上坡（5%，按 10 km/h = 2.78 m/s 爬坡）

P_上坡 = (Fr + Fg) × v / η
      = (6.6 + 22.1) × 2.78 / 0.8
      ≈ 100 W

3.3 结论 —— 电机功率

持续额定功率 ≥ 160 W（平路巡航）
考虑起步加速峰值，选 额定 ≥ 200 W，峰值 ≥ 250 W 的电机

建议选型：24V 直流减速电机，额定 200~250 W，峰值 ≥ 250 W。

4. 减速比与电机转速

4.1 车轮最高转速

车轮线速度 25 km/h → 轮转速：

n_轮 = v / (2πr) = 6.94 / (2 × 3.14 × 0.178)
    = 6.2 rps = 372 RPM

4.2 电机转速与减速比

常见 24V 直流电机额定 3000~4000 RPM。取电机 3700 RPM：

减速比 i = 3700 / 372 ≈ 10

建议：减速比约 10:1（可用齿轮箱电机，或链条/皮带减速）

5. 扭矩验证（能否起步）

5.1 起步/爬坡所需车轮扭矩

T_轮 = F₁×r / η
F₁(满载上坡起步) ≈ Fr + Fg + 启动余量
                ≈ 6.6 + 22.1 + 15 ≈ 43.7 N
T_轮 = 43.7 × 0.178 / 0.8 ≈ 9.7 N·m

5.2 折算到电机轴扭矩

T_电机 = T_轮 / i = 9.7 / 10 ≈ 0.97 N·m

200W、3700RPM 电机的额定扭矩约 0.5 N·m，峰值约 1.0~~1.2 N·m。 **结论：减速比 10:1 + 200~~250W 电机，起步/爬坡正好覆盖，略有余量。** 建议减速比取 11~12:1 以增裕度。

6. 电池容量（续航 1 小时）

6.1 平均电流估算

平均行驶功率按峰值巡航的 40~60%（加减速、走走停停）：

P_avg ≈ 100 W
I_avg = P_avg / V = 100 / 24 ≈ 4.2 A

6.2 容量

续航 1h → 4.2 Ah
加 1.3 安全系数 → ≈ 5.5 Ah

建议：24V ≥ 10 Ah（留足余量，实际续航约 1.5~2 小时）。常见 24V 12Ah。

7. 电调（ESC）选型

必须双向（支持倒车 R 档）
电流 ≥ 电机峰值电流。200W/24V 峰值约 10~12A，选 ≥ 15A 连续、≥ 25A 峰值
输入 24V，输出到电机
常见：双向有刷电调（如电调能输出反转），或带反转功能的电机驱动板

8. 采购清单（可直接下单）

项目	规格	参考价	备注
直流减速电机	24V，200~250W，减速比约 11:1，有刷	¥150-300	含齿轮箱
双向电调	24V，≥15A 连续 / ≥25A 峰值，双向	¥60-120	支持倒车
锂电池组	24V ≥ 10Ah，带 BMS	¥200-400	必须带保护板
锂电池充电器	24V 匹配	¥50-100
保险丝/断路器	串接电池正极，≥20A	¥10-20	短路保护
DC-DC 降压	24V→5V/3A	¥15-30	给树莓派/Arduino
舵机（转向）	大扭矩金属齿轮	¥30-80	见转向补充说明
轮速传感器	霍尔/编码器	¥10-30	后续速度闭环

9. ⚠️ 转向系统重要说明（当前痛点）

当前固件只有 TURN（转向灯）命令，没有 STEER（转向执行）命令。真车转向需要：

新增 STEER 协议命令（大脑→小脑下发方向盘角度）
舵机/转向电机控制落地（hal_mega.cpp 中 PIN_STEER = D10 目前是 analogWrite 占位，需改 Servo 库输出）
物理转向机构（舵机驱动前轮转向拉杆）

这部分是固件 + 机械双缺口，是我下一步要帮你补的软件部分。

10. 分阶段建议（结合你"从零搭"决定）

阶段	内容	目的
S1 桌面静态验证	电机/电调/电池单独接好，Arduino 直连控制，不坐人	先证明动力和控制安全可靠
S2 无载试车	空车 (无人) 低速跑	验证机械传动、刹车
S3 低速载人	一档≤10km/h 试坐	逐步增大信心
S4 全档位	逐步开放 2/3/4 档	确认孩子可驾驭

⚠️ 强烈建议先不要直接上 25km/h。 第一阶段只开放一档(10km/h)，确认一切稳妥后再逐步放开。

本计算书基于估算参数，实际购买前应根据最终选定的电机/电池型号回代复核。任何数字调整请在括号内注明原因。

FilesExpand file tree

powertrain_sizing.md

Latest commit

History