电动自行车电动机功率实验室比对研究

2015-08-19叶震涛国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心江苏无锡214101

新能源科技 2015年11期

叶震涛，邹艳，李香（国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心，江苏无锡 214101）

电动自行车电动机功率实验室比对研究

叶震涛，邹艳，李香
（国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心，江苏无锡 214101）

文章通过改变电动机功率的测试方法、测试条件、测试设备，对测试结果进行比较分析，分析检测数据产生差别的主要原因有热平衡前后试验、直流电源纹波因数、电动机装夹、测功机性能等，并提出如何将检测误差降到最低的方法。而后通过比对试验，提出电动机功率能力验证的必要性。

电动自行车；电动机；功率；影响；比对

0 引言

实验室比对及能力验证是判断和监控检验机构能力的有效手段，是检验机构通过外部措施补充其内部质量控制方法的技术。目前，电动自行车电机功率能力验证方案在国内尚未研究，在GB17761-1999《电动自行车通用技术条件》中，规定了电动机功率的技术指标，但标准未对试验过程详细规定。我们调查了部分实验室，发现对于该指标的测试细节略有差异。

为了解不同条件下，对电动自行车用电动机测试的差异，我们分别通过改变测试方法、测试条件、测试设备，对测试结果进行比较分析，分析检测数据产生差别的原因，并提出如何将检测误差降到最低的方法。

通过前期的调查、分析和试验，我们发现热平衡前后试验、直流电源纹波因数、电动机装夹、测功机性能等原因是造成检测结果差异的主因。

1　热平衡对检验结果的影响

GB17761-1999《电动自行车通用技术条件》在6.1.7条，对电动机功率（电动机额定输出功率）试验规定是“将电动机接上额定直流电压，加载到其额定转矩，在测功仪上读得其额定连续功率”。该条款内容是依据直流有刷电机制订的，但2004年后，电动自行车用电动机以直流无刷电机为主，并且电动机必须通过控制器才能工作。于是，电动机功率测试将电动机固定在测功机上，连通电动机、控制器、转把，稳压电源与控制器连接，转把开度调整到最大，将输入电压调整到电动自行车的额定工作电压下运行电动机，使用测功机逐渐加大转矩至其额定转矩，测量额定转矩下的转速，通过计算得出输出功率，或由测功机直接读出输出功率。

而欧盟电动车标准EN 15194-2009《自行车-电动助力自行车-EPAC两轮自行车》第4.2.7条规定：“最大额定功率要在电机达到制造商规定的热平衡状态下进行测量。”（注：热平衡是指电机部件的温度变化不超过2K/小时。）

这两份标准的核心区别在于是否热平衡后测试。

根据电机功率平衡公式

电动机总损耗包括空载损耗、铜耗、铁耗、机械损耗等，这些损耗都转变为热量，向周围介质传播，使得电动机各部件温度升高。而电动机绕组的电阻R随温度升高而增大，工作电流下降，磁通量减少；当输出转矩不变的情况下，电动机转速降低，输出功率减小。

为此用同一台48V 350W直流无刷电机进行比对测试，观察温度对电机效率影响的大小。在室温为19.2℃下，通过测功机加载至输出转矩达到额定值，记录十组电机输出功率值，其平均值为331.7W。维持此负载值不变，待2.5小时电机达到热平衡后（温度约上升30K），再次测量十组电动机效率，其平均值为330.3W，较冷态下输出功率降低1.4W，误差达到0.42%。试验验证了输出功率随温度的升高而降低的理论。详细数据见表1。于电动自行车至少可以连续工作1小时，属于连续行驶的车辆；并且3C认证的电动自行车电动机均为连续工作制（S1）。因此，根据实际工况，电动自行车电动机应为连续工作制。而对于连续工作制电动机，需要热平衡后测试相关数据。

表1　冷热态电动机效率对比

2　直流电源纹波因数的影响

直流电源纹波因数是衡量直流电源品质好坏的主要参数。因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。

电动自行车采用蓄电池供电，不存在纹波问题。而在实验室检测时，采用直流稳压电源供电，直流稳压电源的输出电压是通过工频220V交流电源整流滤波得到，由于滤波不彻底，就会有剩余的交流成份，尤其是高频谐波，对控制器的输出PWM脉冲产生影响，从而影响电动机转速。

试验采用两台不同纹波峰值电压的直流稳压电源进行，其中：1号电源的纹波峰值电压为100mV（对应纹波因数为0.12%），2号电源的纹波峰值电压为250mV（对应纹波因数为0.30%）。由于电源纹波对电动机效率测试结果与温度无关，测试选择在冷态下进行。用这两台电源分别给48V 700W电动机的控制系统供电，测功机加载到15.06N.m时，得到由1号电源供电的电动机输出功率为700.0W，2号电源供电的电动机输出功率为697.8W，输出功率相差2.2W，误差达到0.31%。可见，不同品质的供电电源对电动机效率测量精度有一定影响。

在实际试验过程中，无法消除纹波对电动机效率的影响，应尽量采用纹波因数小的直流稳压电源，保证测量精度。

图1 电动机装夹图

3　电动机装夹的影响

由于电动机上没有专门用于检验的定位装置，需要通过人为调节。通常测功机的一端通过顶尖定位在电动机输出轴的工艺孔上，另一端通过U型定位槽定位在电动机输出轴的螺纹端（见图1）。如果装夹不当，测功机测量中心与电动机中心线产生偏差，会引起电动机的附加振动，导致检测数据波动。

以同一台36V 240W的无刷直流电动机为例，设计模式一：在电动机与测功机中心精确对中，模式二：电动机与测功机中心线稍有偏离；这两种情况下测量，测试数据见表2。

表2　电动机对中对输出功率的影响

试验结果显示，模式一电动机输出功率波动几乎可以忽略不计；而模式二波动率达到0.2%，而且两者之间平均输出功率也有差异。由此可以看到，由于电动机与测功机对中不当，会导致测量误差的加大。这中测量误差属于人为因素造成，可以通过提高试验人员技术水平、加强试验人员操作技能的培训方法，来降低甚至消除误差。

4　测功机性能的影响

电动自行车用电动机属于低速电机，低速电机的突出问题是低速时转矩脉动大，导致电动机输出功率呈周期性变化。转矩脉动是由齿槽转矩脉动和换相转矩脉动组成，其中定子铁芯上的开口槽和齿是转矩脉动的主要原因；而相绕组电感的存在，使电动机换相时相电流上升、下降速率不一致产生了换相转矩脉动。电动机企业都在想方设法解决这些脉动，但无法根除；如目前控制器以方波控制电动机换相，无法解决这些脉动。

为更清楚捕捉住转矩的变化，客观反映电动机的真实运行情况，采用高灵敏度的测功机，按每秒实时采集100次电动机参数。试验采用了某48V 250W电动机，采用10Nm转矩进行测试，选取其中在1.1秒内采集的110个连续数据，数据显示输出功率在263.9～268. 6W之间波动。其波动率见图2。

图2 某电动机110个连续数据的偏差

从数据可知，电动机的实时输出功率实际是呈周期性波动的，最大的电压差达到4.7W，这将导致测量不确定度变大。实际在检测过程中，为能测得较为精确的输出功率，宜采用取平均值方法；目前检验机构配备的测功机，则是通过采集一定时间内数据的有效值，内置算法得到电动机各参数，能有效减少电动机周期型波动对数据的影响，这时输出功率的波动率相对比较稳定。当然程序的优劣也会影响到输出功率，为此在选择测功机时，除考虑精度外，还应进行低速性能的比对，保证检测结果的正确。

另外应关注测功机的量程，电动机测功机的转矩低于满量程的20%时，测量精度无法保证。作为日常检测，为保证检测精度，还需监视转矩零点飘移值，避免转矩零点飘移值超过允许范围，造成检测误差。

5　比对情况

在以往的试验中，我们发现即使相同的人员使用同一测试工具，测试结果也不尽相同，存在细微的差别。为此拟定比对计划，制订了电动自行车的电动机功率项目实验室比对作业指导书，完善了相关试验方法；定制了稳定性较好的专用电动机、匹配控制器。并选择了6家不同地区的电动自行车检验机构，在同一的试验方法下进行比对。试验数据见表3。

表3　电动机效率实验室比对试验数据

根据数据可以看出，即使在统一试验方法后，在不同的实验室中，同一台电动机同一负载下测试得到的电动机功率并不相同，最大差值达到8.8W，误差在±2.0%。这与测试方法、测试条件、测试设备息息相关相关。只有将相关因素有效的控制，才能保证检测结果的准确与可靠。我们应该从检测各环节加以控制，提高检验工作质量，确保检验数据准确无误。