尹亮 呂滔

摘要： 長(zhǎng)期以來，電動(dòng)車的效率和功率成為“說不清”的問題，無論是有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的敘述，還是商品的樣本、銘牌標(biāo)注；無論是專業(yè)人員還是銷售、采購(gòu)人員，電動(dòng)自行車電機(jī)的效率和功率始終沒有一個(gè)公認(rèn)和明確的定義。所以討論電動(dòng)自行車電機(jī)的效率和功率問題是十分必要的。雖然沒有資料可查，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)來大略測(cè)定市場(chǎng)上售賣的電動(dòng)車的效率還是可行的。此次試驗(yàn)分四個(gè)方面，外部機(jī)械摩擦損耗、內(nèi)部機(jī)械摩擦損耗、電動(dòng)機(jī)熱損耗、電路熱損耗。

Abstract： For a long time， the efficiency and power of electric bicycles has been a problem of "inexactness". There is no recognized and unambiguous definition of the power and efficiency of electric bicycle. So it is necessary to discuss the efficiency and power of the electric bicycle motor. Although there is no information to be investigated， it is still feasible to roughly determine the efficiency of electric bicycle on the market based on experience and experiment. The test is divided into four aspects： external mechanical friction loss， internal mechanical friction loss， motor heat loss， circuit heat loss.

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)車；蓄電池；熱損耗

Key words： electric vehicle；battery；heat loss

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0147-02

1 項(xiàng)目選題思路及目的

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)與環(huán)境污染已經(jīng)成為人類所面臨的嚴(yán)峻問題，為了解決化石能源的不足，降低環(huán)境污染，電動(dòng)車已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，盡管電動(dòng)車技術(shù)非常成熟，但是其行程短、速度低等問題也非常明顯，而造成行程短的原因除了電池技術(shù)的停滯不前，熱損耗和機(jī)械損耗也是一大問題。本次實(shí)驗(yàn)就是利用電動(dòng)車來測(cè)試電動(dòng)車蓄電池的能量損耗問題，找出能夠優(yōu)化的部分并提出建議，使之能耗更小、效率更高、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性更高。

2 實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案、步驟及計(jì)算

2.1 總的測(cè)試方案

①測(cè)試電動(dòng)機(jī)及電路的能量損耗；

②測(cè)試外部機(jī)械摩擦損失；

③測(cè)試內(nèi)部機(jī)械摩擦損失；

④計(jì)算電機(jī)熱損耗；

⑤計(jì)算電路熱損耗；

⑥總的損耗及比較以上四種損耗所占比例。

2.2 電動(dòng)車各項(xiàng)參數(shù)

①蓄電池64V/20AH/500W（額定放電電流為7.8125A）；

②電動(dòng)機(jī)64V/500W，電阻為0.25Ω；

③凈重（空重）54.3kg。

2.3 電動(dòng)機(jī)輸出能量及電路消耗能量計(jì)算

①對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象稱重，稱得該電動(dòng)車重54.3kg，騎行者體重71.2kg，總重125.5kg；

②在水泥平地上以最大速度勻速前進(jìn)時(shí)為36km/h（實(shí)測(cè)速度，非電動(dòng)車自帶碼表速度，自帶碼表速度為50km/h），換算為10m/s，在水泥路面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)取0.035；行駛至電量用完，總行駛里程79km，時(shí)間2h50min（2.83h，10200s），計(jì)算放電電流為7.07A；

③載重時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出能量為W出=UIt=4.62×106J；

④蓄電池輸出能量W=Pt=5.1×106J；

⑤電動(dòng)機(jī)及電路損失的能量為W損=W-W出=4.8×105J；

⑥能量損耗為η損=W損/W×100%=9.4%。

2.4 外部機(jī)械摩擦損失測(cè)定及計(jì)算

①測(cè)得載重時(shí)（125.5kg）輪胎寬度為5cm，與地面接觸面積20cm2，在水泥路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)μ1取0.02；

②電動(dòng)車行駛時(shí)滾動(dòng)摩擦力f1=μ1mg/R，g取9.81，R為車輪半徑（cm），得f1=1.61N；

③測(cè)得電動(dòng)車最大行駛距離79km（7.9×104m），時(shí)間為2.5h（9000s），外部摩擦損耗W1=f1L=1.27×105J；

④外部摩擦損失為η1=W1/W×100%=2.5%。

2.5 內(nèi)部機(jī)械摩擦損失測(cè)定及計(jì)算

①內(nèi)部機(jī)械摩擦損失主要是車輪與軸的機(jī)械摩擦損失；

②量得電動(dòng)車輪胎直徑D1為30.5cm，軸直徑D2為2.5cm，D1：D2=12.2；

③查資料得車輪與軸（鋼與鋼在有潤(rùn)滑的情況下）的摩擦系數(shù)為μ2為0.05；

④此次試驗(yàn)電動(dòng)車行駛距離L為79km，車輪與軸的摩擦距離為l，L：l=D1：D2，算得l為6.47km；

⑤內(nèi)部熱損耗W2=μ2mgl =3.98×105J；

⑥內(nèi)部機(jī)械摩擦損耗率為η2=W2/W×100%=7.8%。

2.6 計(jì)算電動(dòng)機(jī)損耗功率

①電動(dòng)機(jī)輸入功率為500W，額定電壓為64V，計(jì)算額定電流為7.8125A，而前面計(jì)算電動(dòng)機(jī)電流為7.07A，這是行駛時(shí)的平均放電電流，所以應(yīng)按照此電流計(jì)算；

②電動(dòng)機(jī)電阻為0.25Ω，熱功率P3=I2R=12.5W；

③電動(dòng)機(jī)熱損失W3為P3t=1.28×105J；

④熱功率損耗為η3=W3/W×100%=2.5%。

2.7 計(jì)算電路熱損耗

①電動(dòng)機(jī)及電路消耗能量為4.8*105J，電動(dòng)機(jī)熱損耗為1.28×105J，故而電路損耗的能量為W4=W損-W3=3.52×105J；

②電路熱損耗為η4=W4/W×100%=6.9%。

2.8 總的損耗及各項(xiàng)損耗的比較

電動(dòng)車總的損耗為η=η1+η2+η3+η4=19.7%，總損耗能量為1×106J。這其中以外部機(jī)械摩擦損耗和電路損耗為主，各占7.8%和6.9%，而內(nèi)部機(jī)械摩擦損耗和電動(dòng)機(jī)熱損耗均為2.5%，所占比例相對(duì)較小。

在這四種損耗中，外部機(jī)械摩擦損耗占39.6%，電路損耗占35%，內(nèi)部機(jī)械摩擦損耗和電動(dòng)機(jī)熱損耗各占12.7%。

3 結(jié)論及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，目前市場(chǎng)上售賣的電動(dòng)車的能量損耗以外部機(jī)械摩擦損耗和電路損耗為主，占總的能量損失的74.6%，占蓄電池總輸出能量的14.5%，假如這部分能量損耗降低到占總輸出能量的5%，那么電動(dòng)車的總效率就能在此基礎(chǔ)上提高近10%，一方面提高了電動(dòng)車的經(jīng)濟(jì)性，另一方面也提高了其實(shí)用性。

首先分析電機(jī)熱損耗，一般來說，電機(jī)的電阻可以忽略不計(jì)，但是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，僅僅電動(dòng)機(jī)繞組銅絲0.25Ω的電阻就能產(chǎn)生2.5%的能量損失；然后分析電路中的熱損耗，根據(jù)計(jì)算，電路中損失了6.9%的能量，計(jì)算得電路中存在0.69Ω的電阻。

這兩部分從某方面來說除非材料技術(shù)革新、降低導(dǎo)電材料的電阻，否則很難再提高效率，電動(dòng)機(jī)部分一方面要保證電動(dòng)機(jī)的功率，另一方面要降低繞組的電阻，從目前的技術(shù)來看是比較艱難的；而電路部分，可以通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)來降低電阻，電阻率ρ=Rs/L，其中R為電阻，s為導(dǎo)線橫截面積，L為導(dǎo)線長(zhǎng)度，因?yàn)榫€路主要是銅絲，銅的電阻率為1.75×10-8Ωm，電動(dòng)車線路導(dǎo)線橫截面積約為0.1mm2，換算為1×10-7m2，計(jì)算得L為3.94m，其實(shí)完全可以在線路上進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以增大導(dǎo)線的橫截面積，另一方面可以減短導(dǎo)線長(zhǎng)度，導(dǎo)線銅的總的用量基本保持不變，基本不用增加成本，卻能極大降低導(dǎo)線的電阻，降低了導(dǎo)線的電阻，線路上的熱損耗就能極大地降低了，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)來降低熱損耗是可行的。

而機(jī)械摩擦損耗可以通過材料來減少，查資料可知滾動(dòng)軸承在潤(rùn)滑的情況下摩擦系數(shù)為0.05-0.1，而橡膠與水泥地面的滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.01-0.02，但是因?yàn)檩喬バ枰欢ǖ淖チΓ駝t就容易出事故，所以輪胎與地面的摩擦系數(shù)不能再減少，只能在盡量減低滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)。

綜上所述，目前能改進(jìn)的只有線路部分和滾動(dòng)軸承，經(jīng)過改進(jìn)的線路，降低大約一半的電阻，能提高電動(dòng)車2%-3%的效率，而在不遠(yuǎn)的將來，隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)效率還會(huì)繼續(xù)提高。

當(dāng)然，蓄電池本身也很重要，現(xiàn)在，各種新型蓄電池的概念相繼提出，比如鎂電池，據(jù)悉這種電池比鋰電池成本降低96%，而續(xù)航時(shí)間更久，再比如澳大利亞開發(fā)的石墨烯電池，不僅環(huán)保、便宜，而且耐用性極其久。

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