电动自行车综合效率研究

尹亮 吕滔

摘要： 长期以来，电动车的效率和功率成为“说不清”的问题，无论是有关标准的叙述，还是商品的样本、铭牌标注；无论是专业人员还是销售、采购人员，电动自行车电机的效率和功率始终没有一个公认和明确的定义。所以讨论电动自行车电机的效率和功率问题是十分必要的。虽然没有资料可查，但是根据经验和实验来大略测定市场上售卖的电动车的效率还是可行的。此次试验分四个方面，外部机械摩擦损耗、内部机械摩擦损耗、电动机热损耗、电路热损耗。

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.

关键词： 电动车；蓄电池；热损耗

Key words： electric vehicle；battery；heat loss

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）01-0147-02

1 项目选题思路及目的

随着经济社会的迅速发展，能源危机与环境污染已经成为人类所面临的严峻问题，为了解决化石能源的不足，降低环境污染，电动车已经走进千家万户，尽管电动车技术非常成熟，但是其行程短、速度低等问题也非常明显，而造成行程短的原因除了电池技术的停滞不前，热损耗和机械损耗也是一大问题。本次实验就是利用电动车来测试电动车蓄电池的能量损耗问题，找出能够优化的部分并提出建议，使之能耗更小、效率更高、经济性和实用性更高。

2 实验的实施方案、步骤及计算

2.1 总的测试方案

①测试电动机及电路的能量损耗；

②测试外部机械摩擦损失；

③测试内部机械摩擦损失；

④计算电机热损耗；

⑤计算电路热损耗；

⑥总的损耗及比较以上四种损耗所占比例。

2.2 电动车各项参数

①蓄电池64V/20AH/500W（额定放电电流为7.8125A）；

②电动机64V/500W，电阻为0.25Ω；

③净重（空重）54.3kg。

2.3 电动机输出能量及电路消耗能量计算

①对实验对象称重，称得该电动车重54.3kg，骑行者体重71.2kg，总重125.5kg；

②在水泥平地上以最大速度匀速前进时为36km/h（实测速度，非电动车自带码表速度，自带码表速度为50km/h），换算为10m/s，在水泥路面的滚动摩擦系数取0.035；行驶至电量用完，总行驶里程79km，时间2h50min（2.83h，10200s），计算放电电流为7.07A；

③载重时电动机输出能量为W出=UIt=4.62×106J；

④蓄电池输出能量W=Pt=5.1×106J；

⑤电动机及电路损失的能量为W损=W-W出=4.8×105J；

⑥能量损耗为η损=W损/W×100%=9.4%。

2.4 外部机械摩擦损失测定及计算

①测得载重时（125.5kg）轮胎宽度为5cm，与地面接触面积20cm2，在水泥路面的滚动阻力系数μ1取0.02；

②电动车行驶时滚动摩擦力f1=μ1mg/R，g取9.81，R为车轮半径（cm），得f1=1.61N；

③测得电动车最大行驶距离79km（7.9×104m），时间为2.5h（9000s），外部摩擦损耗W1=f1L=1.27×105J；

④外部摩擦损失为η1=W1/W×100%=2.5%。

2.5 内部机械摩擦损失测定及计算

①内部机械摩擦损失主要是车轮与轴的机械摩擦损失；

②量得电动车轮胎直径D1为30.5cm，轴直径D2为2.5cm，D1：D2=12.2；

③查资料得车轮与轴（钢与钢在有润滑的情况下）的摩擦系数为μ2为0.05；

④此次试验电动车行驶距离L为79km，车轮与轴的摩擦距离为l，L：l=D1：D2，算得l为6.47km；

⑤内部热损耗W2=μ2mgl =3.98×105J；

⑥内部机械摩擦损耗率为η2=W2/W×100%=7.8%。

2.6 计算电动机损耗功率

①电动机输入功率为500W，额定电压为64V，计算额定电流为7.8125A，而前面计算电动机电流为7.07A，这是行驶时的平均放电电流，所以应按照此电流计算；

②电动机电阻为0.25Ω，热功率P3=I2R=12.5W；

③电动机热损失W3为P3t=1.28×105J；

④热功率损耗为η3=W3/W×100%=2.5%。

2.7 计算电路热损耗

①电动机及电路消耗能量为4.8*105J，电动机热损耗为1.28×105J，故而电路损耗的能量为W4=W损-W3=3.52×105J；

②电路热损耗为η4=W4/W×100%=6.9%。

2.8 总的损耗及各项损耗的比较

电动车总的损耗为η=η1+η2+η3+η4=19.7%，总损耗能量为1×106J。这其中以外部机械摩擦损耗和电路损耗为主，各占7.8%和6.9%，而内部机械摩擦损耗和电动机热损耗均为2.5%，所占比例相对较小。

在这四种损耗中，外部机械摩擦损耗占39.6%，电路损耗占35%，内部机械摩擦损耗和电动机热损耗各占12.7%。

3 结论及分析

根据试验结果，目前市场上售卖的电动车的能量损耗以外部机械摩擦损耗和电路损耗为主，占总的能量损失的74.6%，占蓄电池总输出能量的14.5%，假如这部分能量损耗降低到占总输出能量的5%，那么电动车的总效率就能在此基础上提高近10%，一方面提高了电动车的经济性，另一方面也提高了其实用性。

首先分析电机热损耗，一般来说，电机的电阻可以忽略不计，但是根据试验结果表明，仅仅电动机绕组铜丝0.25Ω的电阻就能产生2.5%的能量损失；然后分析电路中的热损耗，根据计算，电路中损失了6.9%的能量，计算得电路中存在0.69Ω的电阻。

这两部分从某方面来说除非材料技术革新、降低导电材料的电阻，否则很难再提高效率，电动机部分一方面要保证电动机的功率，另一方面要降低绕组的电阻，从目前的技术来看是比较艰难的；而电路部分，可以通过优化电路结构来降低电阻，电阻率ρ=Rs/L，其中R为电阻，s为导线横截面积，L为导线长度，因为线路主要是铜丝，铜的电阻率为1.75×10-8Ωm，电动车线路导线横截面积约为0.1mm2，换算为1×10-7m2，计算得L为3.94m，其实完全可以在线路上进行优化，一方面可以增大导线的横截面积，另一方面可以减短导线长度，导线铜的总的用量基本保持不变，基本不用增加成本，却能极大降低导线的电阻，降低了导线的电阻，线路上的热损耗就能极大地降低了，通过优化电路结构来降低热损耗是可行的。

而机械摩擦损耗可以通过材料来减少，查资料可知滚动轴承在润滑的情况下摩擦系数为0.05-0.1，而橡胶与水泥地面的滚动阻力系数为0.01-0.02，但是因为轮胎需要一定的抓力，否则就容易出事故，所以轮胎与地面的摩擦系数不能再减少，只能在尽量减低滚动轴承的摩擦系数。

综上所述，目前能改进的只有线路部分和滚动轴承，经过改进的线路，降低大约一半的电阻，能提高电动车2%-3%的效率，而在不远的将来，随着材料技术的进步，这个效率还会继续提高。

当然，蓄电池本身也很重要，现在，各种新型蓄电池的概念相继提出，比如镁电池，据悉这种电池比锂电池成本降低96%，而续航时间更久，再比如澳大利亚开发的石墨烯电池，不仅环保、便宜，而且耐用性极其久。

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