一種基于電動自行車整車的電機功率測試方法

邱正 潘諝譞 李何良 徐振良

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

一種基于電動自行車整車的電機功率測試方法

邱正 潘諝譞 李何良 徐振良

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

An Motor Power Test Method Based on E-bike

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

電動自行車；電機功率；滾筒

1 引言

我國電動自行車電機大都采用輪轂式電機，其安裝在后輪中心，輸出功率直接驅動后輪轉動。傳統的電動自行車電機功率測試方法需要將輪轂式電機輪拆卸下來安裝在測功機上，通過轉把調節控制器在全電模式下驅動電機輪運轉進行測試，然而這種測試方法不適用于電機不易單獨測試的情況，如：

（1） 中置式電機：中置式電機一般安裝在電動自行車中軸附近，通過鏈傳動驅動后輪轉動，部分電機與中軸結構一體化，不易拆卸。

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

本文提出一種基于電動自行車整車的電機功率測試方法，并搭建測試平臺，使電動自行車在整車運行狀態下測試其電機輸出功率，該平臺結構示意圖如圖1所示。

圖1 電動自行車電機功率測試平臺結構示意圖

2 測試平臺結構

電動自行車運行時，電機輸出功率傳遞給驅動輪 （后輪） 運轉，后輪對滾筒產生切向力，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，即為驅動電動自行車前進的驅動力。驅動力由力傳感器測得，制動器模擬負載大小，伺服電機模擬人力騎行。力值、轉矩和轉速傳感器采集的信號通過采集卡傳遞給上位機，經LabView讀取計算并實時顯示電機輸出功率曲線。

前輪夾緊結構：為保證電動自行車運行時測試結果的穩定性和可靠性，采用對非驅動輪 （前輪） 固定方式實現整車定位。

中軸驅動結構：中軸驅動結構由轉矩轉速傳感器和伺服電機組成。通過伺服電機變頻調速的方式控制輸入功率，由同軸相連的轉矩轉速傳感器測量。中軸驅動結構主要適用于智能型電動自行車電機腳踏啟動、腳停斷電的特點，在測試過程中模擬人力騎行狀態。

載荷結構：在電動自行車鞍座處施加一定負載，將后輪壓緊在滾筒上，使后輪在轉動過程中與滾筒無滑動摩擦。

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

后輪測功結構：后輪測功結構將滾筒、轉速傳感器、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軸器相連接。滾筒由高強度鋁合金鑄造后進行機加工而成，表面進行滾花和氮化處理，可避免滑拖現象。轉速傳感器用于測量滾筒轉速。磁粉制動器是為電動自行車提供必要的負載轉矩，模擬和控制道路行駛過程中所受的阻力大小，通過調節阻力矩大小測得電機相應輸出功率。

3 測試方法

3.1 電機功率

根據 《GB17761-1999電動自行車通用技術條件》 中“電動機功率試驗”規定，測試電動自行車電機功率時，需將電動機接上額定直流電壓，加載到其額定轉矩，讀得其額定連續功率。

在測試平臺額定轉矩為：

電機輸出功率為：

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輸出功率為：

其中，T：額定轉矩 （Nm）；F：驅動力 （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：滾筒轉速 （rpm）；T1：中軸輸入轉矩 （Nm）；n1：中軸轉速 （rpm）；Pout：電機輸出功率 （W）；Pin：中軸輸入功率 （W）；P'out：智能型電動自行車電機輸出功率（W）。

3.2 系統阻力

在實際運行狀態下，該平臺測得的電機輸出功率，不含系統阻力所消耗的功率，即輪胎與滾筒的滾動阻力和傳動結構阻力作用所損失的功率。

滾動阻力：當彈性輪胎在硬質的滾筒上轉動時，由于輪胎變形將產生彈性遲滯損失，這部分功率轉換為熱能損失。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準氣壓。

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

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

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

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

系統阻力采用滑行法測得，即將電動自行車達到一定速度后，切斷動力輸出，記錄車輪和滾筒在無任何驅動功率下減速的ω-t數據。當車速從ωa1減速至ωa2，根據動能守恒定理，可得數學模型：

S：車輪和測功結構所有轉動部件在車速從ωa1減速至ωa2過程中相當于平動的距離；

I：車輪和測功結構所有轉動部件總轉動慣量的當量質量。

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，可得數學模型：

S1：車輪和測功結構所有轉動部件在車速從ωb1減速至ωb2過程中相當于平動的距離。故系統阻力為：

4 對比試驗

在該電機功率測試平臺上加載不同負載轉矩，電機輸出功率曲線如圖2所示。

圖2 電動自行車電機在不用負載轉矩下的輸出功率圖

為測試該平臺的準確性，采用傳統電機分別在平臺上進行整車電機輸出功率測試及在傳統測功儀上測試，記錄電機在不同負載轉矩輸出功率數據，采用最小二乘法擬合P-T曲線。上述兩種方法經系統阻力修正前后的功率曲線如圖3所示。經計算，修正系統阻力后2種方法誤差在±2%以內。

圖3 2種方法電機輸出功率曲線對比圖

5 結語

由于國標 《GB17761-1999電動自行車通用技術條件》 制定測時間較久，所以其電機功率測試方法主要適用于傳統輪轂式電機。但隨著近年來電動自行車產業的快速發展，電動自行車的結構設計趨于多元化，電機形式也趨于多樣化，特別是進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生產廠家和消費者的青睞，在國內市場上逐漸推廣。經試驗表明，本文提出的電動自行車電機功率測試平臺具有較高的測量準確性且測試方便，適用于各種電機形式的電動自行車電機功率測試，且能更好地反應電機在整車運行狀態下的輸出功率情況。

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