一种基于电动自行车整车的电机功率测试方法

邱正 潘諝譞 李何良 徐振良

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

一种基于电动自行车整车的电机功率测试方法

邱正 潘諝譞 李何良 徐振良

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

An Motor Power Test Method Based on E-bike

传统的电动自行车电机功率测试需要将电机轮拆卸下来安装在测功机上进行测试。此文主要提出一种基于电动自行车整车的电机功率测试方法，适用于电机不易单独测试的情况。通过对比试验证明该方法具有较高的准确性。

电动自行车；电机功率；滚筒

1 引言

我国电动自行车电机大都采用轮毂式电机，其安装在后轮中心，输出功率直接驱动后轮转动。传统的电动自行车电机功率测试方法需要将轮毂式电机轮拆卸下来安装在测功机上，通过转把调节控制器在全电模式下驱动电机轮运转进行测试，然而这种测试方法不适用于电机不易单独测试的情况，如：

（1） 中置式电机：中置式电机一般安装在电动自行车中轴附近，通过链传动驱动后轮转动，部分电机与中轴结构一体化，不易拆卸。

（2） 智能型电动自行车电机：智能型电动自行车属于人力和电力混合驱动的电动自行车，不采用全电动驱动模式，而是通过传感器感知人在中轴处产生的脚蹬力矩大小来控制电机的输出相应助力比功率。

本文提出一种基于电动自行车整车的电机功率测试方法，并搭建测试平台，使电动自行车在整车运行状态下测试其电机输出功率，该平台结构示意图如图1所示。

图1 电动自行车电机功率测试平台结构示意图

2 测试平台结构

电动自行车运行时，电机输出功率传递给驱动轮 （后轮） 运转，后轮对滚筒产生切向力，滚筒由于附着作用给后轮反作用力，该反作用力与切向力大小相等，方向相反，即为驱动电动自行车前进的驱动力。驱动力由力传感器测得，制动器模拟负载大小，伺服电机模拟人力骑行。力值、转矩和转速传感器采集的信号通过采集卡传递给上位机，经LabView读取计算并实时显示电机输出功率曲线。

前轮夹紧结构：为保证电动自行车运行时测试结果的稳定性和可靠性，采用对非驱动轮 （前轮） 固定方式实现整车定位。

中轴驱动结构：中轴驱动结构由转矩转速传感器和伺服电机组成。通过伺服电机变频调速的方式控制输入功率，由同轴相连的转矩转速传感器测量。中轴驱动结构主要适用于智能型电动自行车电机脚踏启动、脚停断电的特点，在测试过程中模拟人力骑行状态。

载荷结构：在电动自行车鞍座处施加一定负载，将后轮压紧在滚筒上，使后轮在转动过程中与滚筒无滑动摩擦。

悬挂结构：上述前轮夹紧结构、中轴驱动结构和载荷结构通过钢片悬挂在整体框架上。整车在运行时后轮所受驱动力作用于悬挂结构，该力值通过与悬挂结构连接的力传感器测得。

后轮测功结构：后轮测功结构将滚筒、转速传感器、磁粉制动器依次排列固定在测试平台上，相邻组件之间通过联轴器相连接。滚筒由高强度铝合金铸造后进行机加工而成，表面进行滚花和氮化处理，可避免滑拖现象。转速传感器用于测量滚筒转速。磁粉制动器是为电动自行车提供必要的负载转矩，模拟和控制道路行驶过程中所受的阻力大小，通过调节阻力矩大小测得电机相应输出功率。

3 测试方法

3.1 电机功率

根据 《GB17761-1999电动自行车通用技术条件》 中“电动机功率试验”规定，测试电动自行车电机功率时，需将电动机接上额定直流电压，加载到其额定转矩，读得其额定连续功率。

在测试平台额定转矩为：

电机输出功率为：

智能型电动自行车中轴输入功率为：

智能型电动自行车电机输出功率为：

其中，T：额定转矩 （Nm）；F：驱动力 （N）； R1：车轮半径 （m）；R2：滚筒半径 （m）；v：车轮与滚筒线速度 （m/s）；n：滚筒转速 （rpm）；T1：中轴输入转矩 （Nm）；n1：中轴转速 （rpm）；Pout：电机输出功率 （W）；Pin：中轴输入功率 （W）；P'out：智能型电动自行车电机输出功率（W）。

3.2 系统阻力

在实际运行状态下，该平台测得的电机输出功率，不含系统阻力所消耗的功率，即轮胎与滚筒的滚动阻力和传动结构阻力作用所损失的功率。

滚动阻力：当弹性轮胎在硬质的滚筒上转动时，由于轮胎变形将产生弹性迟滞损失，这部分功率转换为热能损失。为了减少轮胎变形引起的误差，在测试前要求将轮胎气压充至标准气压。

传动阻力：在后轮带动滚筒旋转过程中，由于轴承和联轴器等转动部件之间摩擦力的存在将消耗电动自行车部分驱动功率。

因此，在计算电机输出功率时，系统阻力所消耗的功率必须计入，故后轮实际所受的驱动力为：

其中，F：后轮实际所受的驱动力 （N）；Ft：通过力传感器测得的驱动力 （N）；Floss：系统阻力 （N）。

电动自行车用电动机属于低速电机，功率要求不大于240W，其额定转矩范围一般在 （3～10）Nm，在这范围内电机转速变化不大，故系统阻力受车速变化影响小，可认为一定值。

系统阻力采用滑行法测得，即将电动自行车达到一定速度后，切断动力输出，记录车轮和滚筒在无任何驱动功率下减速的ω-t数据。当车速从ωa1减速至ωa2，根据动能守恒定理，可得数学模型：

S：车轮和测功结构所有转动部件在车速从ωa1减速至ωa2过程中相当于平动的距离；

I：车轮和测功结构所有转动部件总转动惯量的当量质量。

由于上式中I值无法直接测量，故在滑行试验时，加载一恒定阻力F’，使车速从ωb1减速至ωb2，可得数学模型：

S1：车轮和测功结构所有转动部件在车速从ωb1减速至ωb2过程中相当于平动的距离。故系统阻力为：

4 对比试验

在该电机功率测试平台上加载不同负载转矩，电机输出功率曲线如图2所示。

图2 电动自行车电机在不用负载转矩下的输出功率图

为测试该平台的准确性，采用传统电机分别在平台上进行整车电机输出功率测试及在传统测功仪上测试，记录电机在不同负载转矩输出功率数据，采用最小二乘法拟合P-T曲线。上述两种方法经系统阻力修正前后的功率曲线如图3所示。经计算，修正系统阻力后2种方法误差在±2%以内。

图3 2种方法电机输出功率曲线对比图

5 结语

由于国标 《GB17761-1999电动自行车通用技术条件》 制定测时间较久，所以其电机功率测试方法主要适用于传统轮毂式电机。但随着近年来电动自行车产业的快速发展，电动自行车的结构设计趋于多元化，电机形式也趋于多样化，特别是进出口市场需求的提升和人们健康骑行概念的推广，智能型电动自行车越来越受到国内生产厂家和消费者的青睐，在国内市场上逐渐推广。经试验表明，本文提出的电动自行车电机功率测试平台具有较高的测量准确性且测试方便，适用于各种电机形式的电动自行车电机功率测试，且能更好地反应电机在整车运行状态下的输出功率情况。

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