機(jī)器法測(cè)試電動(dòng)自行車(chē)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(yàn)檢疫局 廣東深圳 518067）

1 前言

近年來(lái)，電動(dòng)自行車(chē)以其操作簡(jiǎn)單、行駛安全、舒適輕快、耗能少、有益環(huán)保、價(jià)格適宜、使用和存放方便等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。經(jīng)過(guò)10年的高速增長(zhǎng)，中國(guó)的電動(dòng)自行車(chē)已經(jīng)成為一項(xiàng)大產(chǎn)業(yè)，每年銷(xiāo)售3 500萬(wàn)輛，超700個(gè)電動(dòng)自行車(chē)品牌，目前的保有量已超過(guò)2億輛，僅中國(guó)的電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值就達(dá)300億美元[1]。從能耗角度看，電動(dòng)自行車(chē)只有摩托車(chē)的八分之一，小轎車(chē)的十二分之一；從占有空間看，一輛電動(dòng)自行車(chē)只有一般私家車(chē)的二十分之一，是非常有效的節(jié)能交通工具。但自行車(chē)制造技術(shù)的優(yōu)劣會(huì)在充電器、電機(jī)、電池及行車(chē)控制等方面對(duì)能耗造成較大差異，因此電動(dòng)自行車(chē)的能耗是衡量其質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，需要有效的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)量。本研究對(duì)國(guó)標(biāo)GB17761-1999《電動(dòng)自行車(chē)通用技術(shù)條件》中關(guān)于續(xù)行里程及百公里電耗的測(cè)試方法進(jìn)行探討，通過(guò)研究出科學(xué)、客觀、合理的方法對(duì)電動(dòng)車(chē)能耗進(jìn)行科學(xué)測(cè)試、評(píng)估，解決檢驗(yàn)過(guò)程中遇到的難題，希望借此推動(dòng)電動(dòng)車(chē)節(jié)能技術(shù)。

2 測(cè)試基本原理

在電動(dòng)自行車(chē)行駛過(guò)程中，由電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力共同決定電動(dòng)車(chē)的行駛狀態(tài)和動(dòng)力性能。全面分析行駛阻力包含如下幾個(gè)方面：滾動(dòng)摩擦阻力Ff、空氣阻力Few、坡度阻力Fθ、加速助力Fa。在路試時(shí)，不要求爬坡及加減速行駛，因此Fθ、Fa不作考慮。在試驗(yàn)臺(tái)上模擬電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行實(shí)質(zhì)是模擬其運(yùn)行的阻力，讓在路試和機(jī)器上的試驗(yàn)具有相同的動(dòng)力學(xué)特性，使機(jī)器平臺(tái)試驗(yàn)替代道路試驗(yàn)。

目前機(jī)動(dòng)車(chē)阻力模擬一般使用轉(zhuǎn)輪法，即將電動(dòng)自行車(chē)固定在測(cè)試臺(tái)上，驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)將動(dòng)力消耗在與其接觸的運(yùn)動(dòng)部件上，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化（圖1）。

設(shè)轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I′，半徑為r′，附加阻力矩為T(mén)′，w是由行駛阻力做功。在摩擦阻力足夠大，驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)輪之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)的情況下，由驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)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(dòng)摩擦阻力矩，公式（2）Fx2′r′為車(chē)輪及轉(zhuǎn)輪的速度變化所需的附加力矩，它可通過(guò)磁粉制動(dòng)器及伺服馬達(dá)進(jìn)行加載及自動(dòng)控制。機(jī)器法進(jìn)行電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)行里程及百公里電耗測(cè)試等項(xiàng)目測(cè)試的關(guān)鍵在于行駛阻力的模擬，其既要和實(shí)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(zhuǎn)輪檢測(cè)系統(tǒng)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(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，為了獲得這個(gè)數(shù)據(jù)，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(chē)或摩托車(chē)加速到一定速度后空擋滑行，根據(jù)速度從V+ΔV減速到V-ΔV時(shí)的時(shí)間計(jì)算出車(chē)速V時(shí)的阻力，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不做功，行駛中機(jī)械能的變化是由行駛阻力做功產(chǎn)生，由功能定律可以推導(dǎo)出：

式中Pv為瞬時(shí)功率，m為車(chē)輛各部分質(zhì)量，Ii為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r為轉(zhuǎn)鼓半徑。測(cè)試時(shí)在測(cè)試平臺(tái)上設(shè)定某速度下的阻力值就可以模擬真實(shí)道路時(shí)的路面行駛狀況。該方法能夠直接計(jì)算出道路的行駛阻力，測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性好，且消除了駕駛員的影響。它適合用于測(cè)試汽車(chē)及摩托車(chē)在恒定速度下的油耗等，變速情況下的模擬則需要測(cè)出各種速度下的阻力值。

功率平衡法也可以測(cè)試出滾動(dòng)摩擦阻力及風(fēng)阻，是較新的一種測(cè)量方法，其測(cè)試精度較高、方便，在汽車(chē)測(cè)試方面得到實(shí)際應(yīng)用。

電動(dòng)自行車(chē)測(cè)試時(shí)可以參照汽車(chē)及摩托車(chē)測(cè)試的類(lèi)似方法進(jìn)行阻力模擬，將路面行駛采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，建立速度與阻力的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，采用插值法獲取各個(gè)速度下的阻力調(diào)節(jié)量的大小。通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制磁粉制動(dòng)器阻力矩的大小，進(jìn)而對(duì)行駛路面進(jìn)行模擬。

4 續(xù)行里程、百公里電耗測(cè)試項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的模擬

在國(guó)標(biāo)GB17761-1999中能耗相關(guān)的檢測(cè)條款為6.1.4續(xù)行里程試驗(yàn)及6.1.6百公里電耗試驗(yàn)，在試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)際只是進(jìn)行續(xù)行里程試驗(yàn)，完成續(xù)行里程試驗(yàn)后加上對(duì)電池充足電后的電量就可以換算出百公里電耗指標(biāo)。

續(xù)行里程的試驗(yàn)條件為：

（1）騎行者質(zhì)量：75 kg；

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度為-5℃～30℃，風(fēng)速≤3 m/s；

（3）試驗(yàn)路面：平坦的瀝青或混凝土路面；

（4）對(duì)蓄電池充足電，以最高車(chē)速騎行到欠壓保護(hù)裝置做出反應(yīng)為止，記錄騎行里程。

模擬路面行駛時(shí)的阻力需要得出充足電情況下的最高車(chē)速。模擬在此速度下的行駛狀況，最高車(chē)速的試驗(yàn)步驟在GB17761-1999的6.1.1.2有明確規(guī)定，試驗(yàn)距離為100 m；如果具備條件，還可以同時(shí)測(cè)出往返共200 m電動(dòng)車(chē)的能耗 （電機(jī)消耗功率）。而阻力正確的設(shè)置則應(yīng)能保證在開(kāi)始試驗(yàn)達(dá)到相同最高車(chē)速的同時(shí)能耗水平（電機(jī)消耗功率）也和路試時(shí)相同。

電池供電的一般特點(diǎn)是電池在大部分的放電過(guò)程中電壓保持相對(duì)穩(wěn)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(jìn)行，電池的電壓及最大電流的提供能力才會(huì)逐漸下降。而由于電動(dòng)自行車(chē)都設(shè)有欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電壓下降到一定程度時(shí)會(huì)強(qiáng)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(tài)，測(cè)試過(guò)程一直保持在初始狀態(tài)就行，這樣為簡(jiǎn)化測(cè)試提供了可能。

在設(shè)定電動(dòng)自行車(chē)行駛阻力時(shí)，首先將鞍座壓力設(shè)為750 N，胎壓按說(shuō)明書(shū)加充，運(yùn)行1 min讓系統(tǒng)預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)在調(diào)速裝置全開(kāi)的情況下車(chē)速會(huì)高于路試時(shí)的最高車(chē)速；再由磁粉制動(dòng)器施加額外的阻力，調(diào)節(jié)到正好達(dá)到路試時(shí)的最高車(chē)速及相應(yīng)的電動(dòng)車(chē)功率輸出，保持以上狀態(tài)不變直至試驗(yàn)結(jié)束。

在座壓力設(shè)為750 N時(shí)，輪胎在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的形變產(chǎn)生了滾動(dòng)摩擦阻力，在試驗(yàn)臺(tái)上由加壓裝置進(jìn)行模擬。由于滾輪系統(tǒng)本身運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械損耗，在只考慮模擬實(shí)際行駛時(shí)的滾動(dòng)摩擦及風(fēng)阻的情況下，磁粉制動(dòng)器只模擬了一部分的風(fēng)阻。同時(shí)由于風(fēng)阻與速度有關(guān)，在電動(dòng)自行車(chē)實(shí)際行駛時(shí)隨著速度的減小風(fēng)阻會(huì)減小，因此如果這部分固定設(shè)置，則對(duì)測(cè)試影響的大小需要進(jìn)行評(píng)估。

圖2 降壓導(dǎo)致車(chē)速下降后不同阻力組合對(duì)能耗的影響

圖2所示的試驗(yàn)截圖是在用穩(wěn)壓電源代替電池進(jìn)行試驗(yàn)的情況。由于穩(wěn)壓電源能方便快捷地調(diào)整電壓，可以模擬電動(dòng)車(chē)充滿電以最高車(chē)速行駛和行駛接近欠壓保護(hù)時(shí)的運(yùn)行情況。如果設(shè)定的阻力在這兩種情況下有較好的一致性，說(shuō)明在整個(gè)行駛過(guò)程中，兩種阻力組合對(duì)電動(dòng)自行車(chē)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(cè)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(shí)等效的阻力組合用到34 V時(shí)，前后的速度和電流在先調(diào)磁粉制動(dòng)器，后調(diào)鞍座壓力后又趨于一致，表明在車(chē)速較低且速度下降不大的情況下，磁粉制動(dòng)器設(shè)置的力矩可以在一定范圍內(nèi)變化，關(guān)鍵是初始阻力組合的設(shè)置要準(zhǔn)確，其對(duì)測(cè)試結(jié)果有決定性影響。

5 試驗(yàn)裝置及測(cè)試情況

改造后的試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖3，主要部件有：臺(tái)架（包括夾具）、滾輪、鞍座加壓裝置、剎車(chē)模擬裝置、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制柜、磁粉剎車(chē)（加載）裝置（圖4），使用LabView軟件進(jìn)行編程。

圖3 改造后的試驗(yàn)臺(tái)

圖4 磁粉加載器

圖5為一款以鉛酸蓄電池為動(dòng)力的電動(dòng)車(chē)在測(cè)試接近結(jié)束時(shí)的曲線。電池充滿電時(shí)的電壓為55V，最高車(chē)速為11.4km/h，測(cè)試結(jié)束前速度降為9.2 km/h，欠壓保護(hù)電壓為41.5 V，運(yùn)行時(shí)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(duì)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(dòng)車(chē)在測(cè)試接近結(jié)束時(shí)的曲線

6 總結(jié)

在測(cè)試平臺(tái)上對(duì)同一輛車(chē)在鞍座壓力為750 N的情況下多次測(cè)量，重復(fù)性很好，相互偏差＜4%。經(jīng)過(guò)總結(jié)，要想獲得良好的重復(fù)性，初始設(shè)置的準(zhǔn)確度非常重要，特別是在接近最高車(chē)速時(shí)，要注意此時(shí)的工作電流或消耗功率。往往速度的小幅變化會(huì)帶來(lái)消耗功率的明顯變化，該功率值直接影響到整個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在確定最高車(chē)速時(shí)能夠同時(shí)測(cè)量功率，就能更準(zhǔn)確設(shè)置磁粉剎車(chē)裝置的阻力矩，當(dāng)然也就增加了測(cè)試的復(fù)雜性。

從實(shí)踐工作來(lái)講，采用機(jī)器法代替路試法測(cè)量電動(dòng)車(chē)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(tǒng)一操作，減少不同設(shè)備間測(cè)量的偏差。期待盡快出臺(tái)機(jī)器法測(cè)試的具體標(biāo)準(zhǔn)，讓機(jī)器法發(fā)揮其規(guī)范測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)在節(jié)能減排方面發(fā)揮更大的作用。

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