机器法测试电动自行车百公里电耗的研究

闫 杰 梁澄波 毕凯军 徐蓓蓓

（深圳出入境检验检疫局 广东深圳 518067）

1 前言

近年来，电动自行车以其操作简单、行驶安全、舒适轻快、耗能少、有益环保、价格适宜、使用和存放方便等优点，越来越受到广大消费者的喜爱。经过10年的高速增长，中国的电动自行车已经成为一项大产业，每年销售3 500万辆，超700个电动自行车品牌，目前的保有量已超过2亿辆，仅中国的电动自行车产业链价值就达300亿美元[1]。从能耗角度看，电动自行车只有摩托车的八分之一，小轿车的十二分之一；从占有空间看，一辆电动自行车只有一般私家车的二十分之一，是非常有效的节能交通工具。但自行车制造技术的优劣会在充电器、电机、电池及行车控制等方面对能耗造成较大差异，因此电动自行车的能耗是衡量其质量的一项重要指标，需要有效的测试方法进行测量。本研究对国标GB17761-1999《电动自行车通用技术条件》中关于续行里程及百公里电耗的测试方法进行探讨，通过研究出科学、客观、合理的方法对电动车能耗进行科学测试、评估，解决检验过程中遇到的难题，希望借此推动电动车节能技术。

2 测试基本原理

在电动自行车行驶过程中，由电池驱动电机提供的驱动力和行驶阻力共同决定电动车的行驶状态和动力性能。全面分析行驶阻力包含如下几个方面：滚动摩擦阻力Ff、空气阻力Few、坡度阻力Fθ、加速助力Fa。在路试时，不要求爬坡及加减速行驶，因此Fθ、Fa不作考虑。在试验台上模拟电动车的运行实质是模拟其运行的阻力，让在路试和机器上的试验具有相同的动力学特性，使机器平台试验替代道路试验。

目前机动车阻力模拟一般使用转轮法，即将电动自行车固定在测试台上，驱动轮连续将动力消耗在与其接触的运动部件上，以实现运动转化（图1）。

设转轮的转动惯量为I′，半径为r′，附加阻力矩为T′，w是由行驶阻力做功。在摩擦阻力足够大，驱动轮和转轮之间无相对滑动的情况下，由驱动轮和转轮的平衡条件分别得出以下等式[2]：

整理后得到：

其中公式（1）Tt为滚动摩擦阻力矩，公式（2）Fx2′r′为车轮及转轮的速度变化所需的附加力矩，它可通过磁粉制动器及伺服马达进行加载及自动控制。机器法进行电动车续行里程及百公里电耗测试等项目测试的关键在于行驶阻力的模拟，其既要和实际情况尽量相符，又要有良好的操作性，还要有利于推广。

图1 转轮检测系统受力情况

3 行驶阻力模拟

不同行驶速度下，行驶速度和行驶阻力有一个对应关系，为了获得这个数据，可以采用真空度法、滑行法[3]、功率平衡法[4]等。

滑行法是将汽车或摩托车加速到一定速度后空挡滑行，根据速度从V+ΔV减速到V-ΔV时的时间计算出车速V时的阻力，此时发动机不做功，行驶中机械能的变化是由行驶阻力做功产生，由功能定律可以推导出：

式中Pv为瞬时功率，m为车辆各部分质量，Ii为车轮转动惯量，r为转鼓半径。测试时在测试平台上设定某速度下的阻力值就可以模拟真实道路时的路面行驶状况。该方法能够直接计算出道路的行驶阻力，测试结果的重复性好，且消除了驾驶员的影响。它适合用于测试汽车及摩托车在恒定速度下的油耗等，变速情况下的模拟则需要测出各种速度下的阻力值。

功率平衡法也可以测试出滚动摩擦阻力及风阻，是较新的一种测量方法，其测试精度较高、方便，在汽车测试方面得到实际应用。

电动自行车测试时可以参照汽车及摩托车测试的类似方法进行阻力模拟，将路面行驶采集的数据输入计算机，建立速度与阻力的关系数据库，采用插值法获取各个速度下的阻力调节量的大小。通过计算机自动控制磁粉制动器阻力矩的大小，进而对行驶路面进行模拟。

4 续行里程、百公里电耗测试项目在实验台上的模拟

在国标GB17761-1999中能耗相关的检测条款为6.1.4续行里程试验及6.1.6百公里电耗试验，在试验台上实际只是进行续行里程试验，完成续行里程试验后加上对电池充足电后的电量就可以换算出百公里电耗指标。

续行里程的试验条件为：

（1）骑行者质量：75 kg；

（2）实验环境：温度为-5℃～30℃，风速≤3 m/s；

（3）试验路面：平坦的沥青或混凝土路面；

（4）对蓄电池充足电，以最高车速骑行到欠压保护装置做出反应为止，记录骑行里程。

模拟路面行驶时的阻力需要得出充足电情况下的最高车速。模拟在此速度下的行驶状况，最高车速的试验步骤在GB17761-1999的6.1.1.2有明确规定，试验距离为100 m；如果具备条件，还可以同时测出往返共200 m电动车的能耗 （电机消耗功率）。而阻力正确的设置则应能保证在开始试验达到相同最高车速的同时能耗水平（电机消耗功率）也和路试时相同。

电池供电的一般特点是电池在大部分的放电过程中电压保持相对稳定，电流的输出能力基本能够保持在较高的水平；随着放电的进行，电池的电压及最大电流的提供能力才会逐渐下降。而由于电动自行车都设有欠压保护电路，当电压下降到一定程度时会强行终止电流的输出，因此电池可以近似看作是工作在恒压的状态，测试过程一直保持在初始状态就行，这样为简化测试提供了可能。

在设定电动自行车行驶阻力时，首先将鞍座压力设为750 N，胎压按说明书加充，运行1 min让系统预运转，这时在调速装置全开的情况下车速会高于路试时的最高车速；再由磁粉制动器施加额外的阻力，调节到正好达到路试时的最高车速及相应的电动车功率输出，保持以上状态不变直至试验结束。

在座压力设为750 N时，轮胎在运转时的形变产生了滚动摩擦阻力，在试验台上由加压装置进行模拟。由于滚轮系统本身运转的机械损耗，在只考虑模拟实际行驶时的滚动摩擦及风阻的情况下，磁粉制动器只模拟了一部分的风阻。同时由于风阻与速度有关，在电动自行车实际行驶时随着速度的减小风阻会减小，因此如果这部分固定设置，则对测试影响的大小需要进行评估。

图2 降压导致车速下降后不同阻力组合对能耗的影响

图2所示的试验截图是在用稳压电源代替电池进行试验的情况。由于稳压电源能方便快捷地调整电压，可以模拟电动车充满电以最高车速行驶和行驶接近欠压保护时的运行情况。如果设定的阻力在这两种情况下有较好的一致性，说明在整个行驶过程中，两种阻力组合对电动自行车消耗的能耗基本相同。图2中记录曲线的第一次突变表示测试电压突然由39 V降到34 V，电压降低后电流变化不大，行驶速度下降16%。注意曲线上的第二次突变，表示在39 V电压行驶时等效的阻力组合用到34 V时，前后的速度和电流在先调磁粉制动器，后调鞍座压力后又趋于一致，表明在车速较低且速度下降不大的情况下，磁粉制动器设置的力矩可以在一定范围内变化，关键是初始阻力组合的设置要准确，其对测试结果有决定性影响。

5 试验装置及测试情况

改造后的试验台见图3，主要部件有：台架（包括夹具）、滚轮、鞍座加压装置、刹车模拟装置、计算机自动控制柜、磁粉刹车（加载）装置（图4），使用LabView软件进行编程。

图3 改造后的试验台

图4 磁粉加载器

图5为一款以铅酸蓄电池为动力的电动车在测试接近结束时的曲线。电池充满电时的电压为55V，最高车速为11.4km/h，测试结束前速度降为9.2 km/h，欠压保护电压为41.5 V，运行时间为5.7 h，骑行总距离62 km，电池消耗总电量为643.6 W·h，对电池充满电消耗的电能为791.2 W·h得出百公里电耗为 1.28 kW·h。

图5 一款电动车在测试接近结束时的曲线

6 总结

在测试平台上对同一辆车在鞍座压力为750 N的情况下多次测量，重复性很好，相互偏差＜4%。经过总结，要想获得良好的重复性，初始设置的准确度非常重要，特别是在接近最高车速时，要注意此时的工作电流或消耗功率。往往速度的小幅变化会带来消耗功率的明显变化，该功率值直接影响到整个测试数据的准确性，在确定最高车速时能够同时测量功率，就能更准确设置磁粉刹车装置的阻力矩，当然也就增加了测试的复杂性。

从实践工作来讲，采用机器法代替路试法测量电动车的百公里电耗确有必要，既可以减少天气及

人员操作不一致的影响，又有利于统一操作，减少不同设备间测量的偏差。期待尽快出台机器法测试的具体标准，让机器法发挥其规范测试的优势，推动电动自行车在节能减排方面发挥更大的作用。

[1]董丽雯.外国人如何看待中国的电动自行车问题[J].中国自行车，2016，（12）：68-69.

[2]王小伟，潘双夏.电动自行车行驶阻力分析与模拟应用[J].机械，2002，（29）：108-110.

[3]方茂东.道路行驶阻力的滑行法测量及其在底盘测功机上的设定[J]. 汽车技术，1996，（2）：22-27.

[4]周锋，尹权，许爱民，等.功率平衡法测试汽车的滚动阻力系数[J]. 华南理工大学学报， 1999，27（7）：73-75.