機器法測試電動自行車百公里電耗的研究

閆 杰 梁澄波 畢凱軍 徐蓓蓓

（深圳出入境檢驗檢疫局 廣東深圳 518067）

1 前言

近年來，電動自行車以其操作簡單、行駛安全、舒適輕快、耗能少、有益環保、價格適宜、使用和存放方便等優點，越來越受到廣大消費者的喜愛。經過10年的高速增長，中國的電動自行車已經成為一項大產業，每年銷售3 500萬輛，超700個電動自行車品牌，目前的保有量已超過2億輛，僅中國的電動自行車產業鏈價值就達300億美元[1]。從能耗角度看，電動自行車只有摩托車的八分之一，小轎車的十二分之一；從占有空間看，一輛電動自行車只有一般私家車的二十分之一，是非常有效的節能交通工具。但自行車制造技術的優劣會在充電器、電機、電池及行車控制等方面對能耗造成較大差異，因此電動自行車的能耗是衡量其質量的一項重要指標，需要有效的測試方法進行測量。本研究對國標GB17761-1999《電動自行車通用技術條件》中關于續行里程及百公里電耗的測試方法進行探討，通過研究出科學、客觀、合理的方法對電動車能耗進行科學測試、評估，解決檢驗過程中遇到的難題，希望借此推動電動車節能技術。

2 測試基本原理

在電動自行車行駛過程中，由電池驅動電機提供的驅動力和行駛阻力共同決定電動車的行駛狀態和動力性能。全面分析行駛阻力包含如下幾個方面：滾動摩擦阻力Ff、空氣阻力Few、坡度阻力Fθ、加速助力Fa。在路試時，不要求爬坡及加減速行駛，因此Fθ、Fa不作考慮。在試驗臺上模擬電動車的運行實質是模擬其運行的阻力，讓在路試和機器上的試驗具有相同的動力學特性，使機器平臺試驗替代道路試驗。

目前機動車阻力模擬一般使用轉輪法，即將電動自行車固定在測試臺上，驅動輪連續將動力消耗在與其接觸的運動部件上，以實現運動轉化（圖1）。

設轉輪的轉動慣量為I′，半徑為r′，附加阻力矩為T′，w是由行駛阻力做功。在摩擦阻力足夠大，驅動輪和轉輪之間無相對滑動的情況下，由驅動輪和轉輪的平衡條件分別得出以下等式[2]：

整理后得到：

其中公式（1）Tt為滾動摩擦阻力矩，公式（2）Fx2′r′為車輪及轉輪的速度變化所需的附加力矩，它可通過磁粉制動器及伺服馬達進行加載及自動控制。機器法進行電動車續行里程及百公里電耗測試等項目測試的關鍵在于行駛阻力的模擬，其既要和實際情況盡量相符，又要有良好的操作性，還要有利于推廣。

圖1 轉輪檢測系統受力情況

3 行駛阻力模擬

不同行駛速度下，行駛速度和行駛阻力有一個對應關系，為了獲得這個數據，可以采用真空度法、滑行法[3]、功率平衡法[4]等。

滑行法是將汽車或摩托車加速到一定速度后空擋滑行，根據速度從V+ΔV減速到V-ΔV時的時間計算出車速V時的阻力，此時發動機不做功，行駛中機械能的變化是由行駛阻力做功產生，由功能定律可以推導出：

式中Pv為瞬時功率，m為車輛各部分質量，Ii為車輪轉動慣量，r為轉鼓半徑。測試時在測試平臺上設定某速度下的阻力值就可以模擬真實道路時的路面行駛狀況。該方法能夠直接計算出道路的行駛阻力，測試結果的重復性好，且消除了駕駛員的影響。它適合用于測試汽車及摩托車在恒定速度下的油耗等，變速情況下的模擬則需要測出各種速度下的阻力值。

功率平衡法也可以測試出滾動摩擦阻力及風阻，是較新的一種測量方法，其測試精度較高、方便，在汽車測試方面得到實際應用。

電動自行車測試時可以參照汽車及摩托車測試的類似方法進行阻力模擬，將路面行駛采集的數據輸入計算機，建立速度與阻力的關系數據庫，采用插值法獲取各個速度下的阻力調節量的大小。通過計算機自動控制磁粉制動器阻力矩的大小，進而對行駛路面進行模擬。

4 續行里程、百公里電耗測試項目在實驗臺上的模擬

在國標GB17761-1999中能耗相關的檢測條款為6.1.4續行里程試驗及6.1.6百公里電耗試驗，在試驗臺上實際只是進行續行里程試驗，完成續行里程試驗后加上對電池充足電后的電量就可以換算出百公里電耗指標。

續行里程的試驗條件為：

（1）騎行者質量：75 kg；

（2）實驗環境：溫度為-5℃～30℃，風速≤3 m/s；

（3）試驗路面：平坦的瀝青或混凝土路面；

（4）對蓄電池充足電，以最高車速騎行到欠壓保護裝置做出反應為止，記錄騎行里程。

模擬路面行駛時的阻力需要得出充足電情況下的最高車速。模擬在此速度下的行駛狀況，最高車速的試驗步驟在GB17761-1999的6.1.1.2有明確規定，試驗距離為100 m；如果具備條件，還可以同時測出往返共200 m電動車的能耗 （電機消耗功率）。而阻力正確的設置則應能保證在開始試驗達到相同最高車速的同時能耗水平（電機消耗功率）也和路試時相同。

電池供電的一般特點是電池在大部分的放電過程中電壓保持相對穩定，電流的輸出能力基本能夠保持在較高的水平；隨著放電的進行，電池的電壓及最大電流的提供能力才會逐漸下降。而由于電動自行車都設有欠壓保護電路，當電壓下降到一定程度時會強行終止電流的輸出，因此電池可以近似看作是工作在恒壓的狀態，測試過程一直保持在初始狀態就行，這樣為簡化測試提供了可能。

在設定電動自行車行駛阻力時，首先將鞍座壓力設為750 N，胎壓按說明書加充，運行1 min讓系統預運轉，這時在調速裝置全開的情況下車速會高于路試時的最高車速；再由磁粉制動器施加額外的阻力，調節到正好達到路試時的最高車速及相應的電動車功率輸出，保持以上狀態不變直至試驗結束。

在座壓力設為750 N時，輪胎在運轉時的形變產生了滾動摩擦阻力，在試驗臺上由加壓裝置進行模擬。由于滾輪系統本身運轉的機械損耗，在只考慮模擬實際行駛時的滾動摩擦及風阻的情況下，磁粉制動器只模擬了一部分的風阻。同時由于風阻與速度有關，在電動自行車實際行駛時隨著速度的減小風阻會減小，因此如果這部分固定設置，則對測試影響的大小需要進行評估。

圖2 降壓導致車速下降后不同阻力組合對能耗的影響

圖2所示的試驗截圖是在用穩壓電源代替電池進行試驗的情況。由于穩壓電源能方便快捷地調整電壓，可以模擬電動車充滿電以最高車速行駛和行駛接近欠壓保護時的運行情況。如果設定的阻力在這兩種情況下有較好的一致性，說明在整個行駛過程中，兩種阻力組合對電動自行車消耗的能耗基本相同。圖2中記錄曲線的第一次突變表示測試電壓突然由39 V降到34 V，電壓降低后電流變化不大，行駛速度下降16%。注意曲線上的第二次突變，表示在39 V電壓行駛時等效的阻力組合用到34 V時，前后的速度和電流在先調磁粉制動器，后調鞍座壓力后又趨于一致，表明在車速較低且速度下降不大的情況下，磁粉制動器設置的力矩可以在一定范圍內變化，關鍵是初始阻力組合的設置要準確，其對測試結果有決定性影響。

5 試驗裝置及測試情況

改造后的試驗臺見圖3，主要部件有：臺架（包括夾具）、滾輪、鞍座加壓裝置、剎車模擬裝置、計算機自動控制柜、磁粉剎車（加載）裝置（圖4），使用LabView軟件進行編程。

圖3 改造后的試驗臺

圖4 磁粉加載器

圖5為一款以鉛酸蓄電池為動力的電動車在測試接近結束時的曲線。電池充滿電時的電壓為55V，最高車速為11.4km/h，測試結束前速度降為9.2 km/h，欠壓保護電壓為41.5 V，運行時間為5.7 h，騎行總距離62 km，電池消耗總電量為643.6 W·h，對電池充滿電消耗的電能為791.2 W·h得出百公里電耗為 1.28 kW·h。

圖5 一款電動車在測試接近結束時的曲線

6 總結

在測試平臺上對同一輛車在鞍座壓力為750 N的情況下多次測量，重復性很好，相互偏差＜4%。經過總結，要想獲得良好的重復性，初始設置的準確度非常重要，特別是在接近最高車速時，要注意此時的工作電流或消耗功率。往往速度的小幅變化會帶來消耗功率的明顯變化，該功率值直接影響到整個測試數據的準確性，在確定最高車速時能夠同時測量功率，就能更準確設置磁粉剎車裝置的阻力矩，當然也就增加了測試的復雜性。

從實踐工作來講，采用機器法代替路試法測量電動車的百公里電耗確有必要，既可以減少天氣及

人員操作不一致的影響，又有利于統一操作，減少不同設備間測量的偏差。期待盡快出臺機器法測試的具體標準，讓機器法發揮其規范測試的優勢，推動電動自行車在節能減排方面發揮更大的作用。

[1]董麗雯.外國人如何看待中國的電動自行車問題[J].中國自行車，2016，（12）：68-69.

[2]王小偉，潘雙夏.電動自行車行駛阻力分析與模擬應用[J].機械，2002，（29）：108-110.

[3]方茂東.道路行駛阻力的滑行法測量及其在底盤測功機上的設定[J]. 汽車技術，1996，（2）：22-27.

[4]周鋒，尹權，許愛民，等.功率平衡法測試汽車的滾動阻力系數[J]. 華南理工大學學報， 1999，27（7）：73-75.