邱正 潘諝譞 李何良 徐振良

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 201114）

一種基于電動自行車整車的電機(jī)功率測試方法

邱正 潘諝譞 李何良 徐振良

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 201114）

An Motor Power Test Method Based on E-bike

傳統(tǒng)的電動自行車電機(jī)功率測試需要將電機(jī)輪拆卸下來安裝在測功機(jī)上進(jìn)行測試。此文主要提出一種基于電動自行車整車的電機(jī)功率測試方法，適用于電機(jī)不易單獨(dú)測試的情況。通過對比試驗證明該方法具有較高的準(zhǔn)確性。

電動自行車；電機(jī)功率；滾筒

1 引言

我國電動自行車電機(jī)大都采用輪轂式電機(jī)，其安裝在后輪中心，輸出功率直接驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動。傳統(tǒng)的電動自行車電機(jī)功率測試方法需要將輪轂式電機(jī)輪拆卸下來安裝在測功機(jī)上，通過轉(zhuǎn)把調(diào)節(jié)控制器在全電模式下驅(qū)動電機(jī)輪運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行測試，然而這種測試方法不適用于電機(jī)不易單獨(dú)測試的情況，如：

（1） 中置式電機(jī)：中置式電機(jī)一般安裝在電動自行車中軸附近，通過鏈傳動驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)動，部分電機(jī)與中軸結(jié)構(gòu)一體化，不易拆卸。

（2） 智能型電動自行車電機(jī)：智能型電動自行車屬于人力和電力混合驅(qū)動的電動自行車，不采用全電動驅(qū)動模式，而是通過傳感器感知人在中軸處產(chǎn)生的腳蹬力矩大小來控制電機(jī)的輸出相應(yīng)助力比功率。

本文提出一種基于電動自行車整車的電機(jī)功率測試方法，并搭建測試平臺，使電動自行車在整車運(yùn)行狀態(tài)下測試其電機(jī)輸出功率，該平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電動自行車電機(jī)功率測試平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2 測試平臺結(jié)構(gòu)

電動自行車運(yùn)行時，電機(jī)輸出功率傳遞給驅(qū)動輪 （后輪） 運(yùn)轉(zhuǎn)，后輪對滾筒產(chǎn)生切向力，滾筒由于附著作用給后輪反作用力，該反作用力與切向力大小相等，方向相反，即為驅(qū)動電動自行車前進(jìn)的驅(qū)動力。驅(qū)動力由力傳感器測得，制動器模擬負(fù)載大小，伺服電機(jī)模擬人力騎行。力值、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器采集的信號通過采集卡傳遞給上位機(jī)，經(jīng)LabView讀取計算并實時顯示電機(jī)輸出功率曲線。

前輪夾緊結(jié)構(gòu)：為保證電動自行車運(yùn)行時測試結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，采用對非驅(qū)動輪 （前輪） 固定方式實現(xiàn)整車定位。

中軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)：中軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和伺服電機(jī)組成。通過伺服電機(jī)變頻調(diào)速的方式控制輸入功率，由同軸相連的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量。中軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要適用于智能型電動自行車電機(jī)腳踏啟動、腳停斷電的特點(diǎn)，在測試過程中模擬人力騎行狀態(tài)。

載荷結(jié)構(gòu)：在電動自行車鞍座處施加一定負(fù)載，將后輪壓緊在滾筒上，使后輪在轉(zhuǎn)動過程中與滾筒無滑動摩擦。

懸掛結(jié)構(gòu)：上述前輪夾緊結(jié)構(gòu)、中軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)和載荷結(jié)構(gòu)通過鋼片懸掛在整體框架上。整車在運(yùn)行時后輪所受驅(qū)動力作用于懸掛結(jié)構(gòu)，該力值通過與懸掛結(jié)構(gòu)連接的力傳感器測得。

后輪測功結(jié)構(gòu)：后輪測功結(jié)構(gòu)將滾筒、轉(zhuǎn)速傳感器、磁粉制動器依次排列固定在測試平臺上，相鄰組件之間通過聯(lián)軸器相連接。滾筒由高強(qiáng)度鋁合金鑄造后進(jìn)行機(jī)加工而成，表面進(jìn)行滾花和氮化處理，可避免滑拖現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速傳感器用于測量滾筒轉(zhuǎn)速。磁粉制動器是為電動自行車提供必要的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，模擬和控制道路行駛過程中所受的阻力大小，通過調(diào)節(jié)阻力矩大小測得電機(jī)相應(yīng)輸出功率。

3 測試方法

3.1 電機(jī)功率

根據(jù) 《GB17761-1999電動自行車通用技術(shù)條件》 中“電動機(jī)功率試驗”規(guī)定，測試電動自行車電機(jī)功率時，需將電動機(jī)接上額定直流電壓，加載到其額定轉(zhuǎn)矩，讀得其額定連續(xù)功率。

在測試平臺額定轉(zhuǎn)矩為：

電機(jī)輸出功率為：

智能型電動自行車中軸輸入功率為：

智能型電動自行車電機(jī)輸出功率為：

其中，T：額定轉(zhuǎn)矩 （Nm）；F：驅(qū)動力 （N）； R1：車輪半徑 （m）；R2：滾筒半徑 （m）；v：車輪與滾筒線速度 （m/s）；n：滾筒轉(zhuǎn)速 （rpm）；T1：中軸輸入轉(zhuǎn)矩 （Nm）；n1：中軸轉(zhuǎn)速 （rpm）；Pout：電機(jī)輸出功率 （W）；Pin：中軸輸入功率 （W）；P'out：智能型電動自行車電機(jī)輸出功率（W）。

3.2 系統(tǒng)阻力

在實際運(yùn)行狀態(tài)下，該平臺測得的電機(jī)輸出功率，不含系統(tǒng)阻力所消耗的功率，即輪胎與滾筒的滾動阻力和傳動結(jié)構(gòu)阻力作用所損失的功率。

滾動阻力：當(dāng)彈性輪胎在硬質(zhì)的滾筒上轉(zhuǎn)動時，由于輪胎變形將產(chǎn)生彈性遲滯損失，這部分功率轉(zhuǎn)換為熱能損失。為了減少輪胎變形引起的誤差，在測試前要求將輪胎氣壓充至標(biāo)準(zhǔn)氣壓。

傳動阻力：在后輪帶動滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，由于軸承和聯(lián)軸器等轉(zhuǎn)動部件之間摩擦力的存在將消耗電動自行車部分驅(qū)動功率。

因此，在計算電機(jī)輸出功率時，系統(tǒng)阻力所消耗的功率必須計入，故后輪實際所受的驅(qū)動力為：

其中，F(xiàn)：后輪實際所受的驅(qū)動力 （N）；Ft：通過力傳感器測得的驅(qū)動力 （N）；Floss：系統(tǒng)阻力 （N）。

電動自行車用電動機(jī)屬于低速電機(jī)，功率要求不大于240W，其額定轉(zhuǎn)矩范圍一般在 （3～10）Nm，在這范圍內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大，故系統(tǒng)阻力受車速變化影響小，可認(rèn)為一定值。

系統(tǒng)阻力采用滑行法測得，即將電動自行車達(dá)到一定速度后，切斷動力輸出，記錄車輪和滾筒在無任何驅(qū)動功率下減速的ω-t數(shù)據(jù)。當(dāng)車速從ωa1減速至ωa2，根據(jù)動能守恒定理，可得數(shù)學(xué)模型：

S：車輪和測功結(jié)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動部件在車速從ωa1減速至ωa2過程中相當(dāng)于平動的距離；

I：車輪和測功結(jié)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動部件總轉(zhuǎn)動慣量的當(dāng)量質(zhì)量。

由于上式中I值無法直接測量，故在滑行試驗時，加載一恒定阻力F’，使車速從ωb1減速至ωb2，可得數(shù)學(xué)模型：

S1：車輪和測功結(jié)構(gòu)所有轉(zhuǎn)動部件在車速從ωb1減速至ωb2過程中相當(dāng)于平動的距離。故系統(tǒng)阻力為：

4 對比試驗

在該電機(jī)功率測試平臺上加載不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)輸出功率曲線如圖2所示。

圖2 電動自行車電機(jī)在不用負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的輸出功率圖

為測試該平臺的準(zhǔn)確性，采用傳統(tǒng)電機(jī)分別在平臺上進(jìn)行整車電機(jī)輸出功率測試及在傳統(tǒng)測功儀上測試，記錄電機(jī)在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出功率數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合P-T曲線。上述兩種方法經(jīng)系統(tǒng)阻力修正前后的功率曲線如圖3所示。經(jīng)計算，修正系統(tǒng)阻力后2種方法誤差在±2%以內(nèi)。

圖3 2種方法電機(jī)輸出功率曲線對比圖

5 結(jié)語

由于國標(biāo) 《GB17761-1999電動自行車通用技術(shù)條件》 制定測時間較久，所以其電機(jī)功率測試方法主要適用于傳統(tǒng)輪轂式電機(jī)。但隨著近年來電動自行車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動自行車的結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于多元化，電機(jī)形式也趨于多樣化，特別是進(jìn)出口市場需求的提升和人們健康騎行概念的推廣，智能型電動自行車越來越受到國內(nèi)生產(chǎn)廠家和消費(fèi)者的青睞，在國內(nèi)市場上逐漸推廣。經(jīng)試驗表明，本文提出的電動自行車電機(jī)功率測試平臺具有較高的測量準(zhǔn)確性且測試方便，適用于各種電機(jī)形式的電動自行車電機(jī)功率測試，且能更好地反應(yīng)電機(jī)在整車運(yùn)行狀態(tài)下的輸出功率情況。

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