電動自行車綜合效率研究

尹亮 呂滔

摘要： 長期以來，電動車的效率和功率成為“說不清”的問題，無論是有關標準的敘述，還是商品的樣本、銘牌標注；無論是專業人員還是銷售、采購人員，電動自行車電機的效率和功率始終沒有一個公認和明確的定義。所以討論電動自行車電機的效率和功率問題是十分必要的。雖然沒有資料可查，但是根據經驗和實驗來大略測定市場上售賣的電動車的效率還是可行的。此次試驗分四個方面，外部機械摩擦損耗、內部機械摩擦損耗、電動機熱損耗、電路熱損耗。

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.

關鍵詞： 電動車；蓄電池；熱損耗

Key words： electric vehicle；battery；heat loss

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0147-02

1 項目選題思路及目的

隨著經濟社會的迅速發展，能源危機與環境污染已經成為人類所面臨的嚴峻問題，為了解決化石能源的不足，降低環境污染，電動車已經走進千家萬戶，盡管電動車技術非常成熟，但是其行程短、速度低等問題也非常明顯，而造成行程短的原因除了電池技術的停滯不前，熱損耗和機械損耗也是一大問題。本次實驗就是利用電動車來測試電動車蓄電池的能量損耗問題，找出能夠優化的部分并提出建議，使之能耗更小、效率更高、經濟性和實用性更高。

2 實驗的實施方案、步驟及計算

2.1 總的測試方案

①測試電動機及電路的能量損耗；

②測試外部機械摩擦損失；

③測試內部機械摩擦損失；

④計算電機熱損耗；

⑤計算電路熱損耗；

⑥總的損耗及比較以上四種損耗所占比例。

2.2 電動車各項參數

①蓄電池64V/20AH/500W（額定放電電流為7.8125A）；

②電動機64V/500W，電阻為0.25Ω；

③凈重（空重）54.3kg。

2.3 電動機輸出能量及電路消耗能量計算

①對實驗對象稱重，稱得該電動車重54.3kg，騎行者體重71.2kg，總重125.5kg；

②在水泥平地上以最大速度勻速前進時為36km/h（實測速度，非電動車自帶碼表速度，自帶碼表速度為50km/h），換算為10m/s，在水泥路面的滾動摩擦系數取0.035；行駛至電量用完，總行駛里程79km，時間2h50min（2.83h，10200s），計算放電電流為7.07A；

③載重時電動機輸出能量為W出=UIt=4.62×106J；

④蓄電池輸出能量W=Pt=5.1×106J；

⑤電動機及電路損失的能量為W損=W-W出=4.8×105J；

⑥能量損耗為η損=W損/W×100%=9.4%。

2.4 外部機械摩擦損失測定及計算

①測得載重時（125.5kg）輪胎寬度為5cm，與地面接觸面積20cm2，在水泥路面的滾動阻力系數μ1取0.02；

②電動車行駛時滾動摩擦力f1=μ1mg/R，g取9.81，R為車輪半徑（cm），得f1=1.61N；

③測得電動車最大行駛距離79km（7.9×104m），時間為2.5h（9000s），外部摩擦損耗W1=f1L=1.27×105J；

④外部摩擦損失為η1=W1/W×100%=2.5%。

2.5 內部機械摩擦損失測定及計算

①內部機械摩擦損失主要是車輪與軸的機械摩擦損失；

②量得電動車輪胎直徑D1為30.5cm，軸直徑D2為2.5cm，D1：D2=12.2；

③查資料得車輪與軸（鋼與鋼在有潤滑的情況下）的摩擦系數為μ2為0.05；

④此次試驗電動車行駛距離L為79km，車輪與軸的摩擦距離為l，L：l=D1：D2，算得l為6.47km；

⑤內部熱損耗W2=μ2mgl =3.98×105J；

⑥內部機械摩擦損耗率為η2=W2/W×100%=7.8%。

2.6 計算電動機損耗功率

①電動機輸入功率為500W，額定電壓為64V，計算額定電流為7.8125A，而前面計算電動機電流為7.07A，這是行駛時的平均放電電流，所以應按照此電流計算；

②電動機電阻為0.25Ω，熱功率P3=I2R=12.5W；

③電動機熱損失W3為P3t=1.28×105J；

④熱功率損耗為η3=W3/W×100%=2.5%。

2.7 計算電路熱損耗

①電動機及電路消耗能量為4.8*105J，電動機熱損耗為1.28×105J，故而電路損耗的能量為W4=W損-W3=3.52×105J；

②電路熱損耗為η4=W4/W×100%=6.9%。

2.8 總的損耗及各項損耗的比較

電動車總的損耗為η=η1+η2+η3+η4=19.7%，總損耗能量為1×106J。這其中以外部機械摩擦損耗和電路損耗為主，各占7.8%和6.9%，而內部機械摩擦損耗和電動機熱損耗均為2.5%，所占比例相對較小。

在這四種損耗中，外部機械摩擦損耗占39.6%，電路損耗占35%，內部機械摩擦損耗和電動機熱損耗各占12.7%。

3 結論及分析

根據試驗結果，目前市場上售賣的電動車的能量損耗以外部機械摩擦損耗和電路損耗為主，占總的能量損失的74.6%，占蓄電池總輸出能量的14.5%，假如這部分能量損耗降低到占總輸出能量的5%，那么電動車的總效率就能在此基礎上提高近10%，一方面提高了電動車的經濟性，另一方面也提高了其實用性。

首先分析電機熱損耗，一般來說，電機的電阻可以忽略不計，但是根據試驗結果表明，僅僅電動機繞組銅絲0.25Ω的電阻就能產生2.5%的能量損失；然后分析電路中的熱損耗，根據計算，電路中損失了6.9%的能量，計算得電路中存在0.69Ω的電阻。

這兩部分從某方面來說除非材料技術革新、降低導電材料的電阻，否則很難再提高效率，電動機部分一方面要保證電動機的功率，另一方面要降低繞組的電阻，從目前的技術來看是比較艱難的；而電路部分，可以通過優化電路結構來降低電阻，電阻率ρ=Rs/L，其中R為電阻，s為導線橫截面積，L為導線長度，因為線路主要是銅絲，銅的電阻率為1.75×10-8Ωm，電動車線路導線橫截面積約為0.1mm2，換算為1×10-7m2，計算得L為3.94m，其實完全可以在線路上進行優化，一方面可以增大導線的橫截面積，另一方面可以減短導線長度，導線銅的總的用量基本保持不變，基本不用增加成本，卻能極大降低導線的電阻，降低了導線的電阻，線路上的熱損耗就能極大地降低了，通過優化電路結構來降低熱損耗是可行的。

而機械摩擦損耗可以通過材料來減少，查資料可知滾動軸承在潤滑的情況下摩擦系數為0.05-0.1，而橡膠與水泥地面的滾動阻力系數為0.01-0.02，但是因為輪胎需要一定的抓力，否則就容易出事故，所以輪胎與地面的摩擦系數不能再減少，只能在盡量減低滾動軸承的摩擦系數。

綜上所述，目前能改進的只有線路部分和滾動軸承，經過改進的線路，降低大約一半的電阻，能提高電動車2%-3%的效率，而在不遠的將來，隨著材料技術的進步，這個效率還會繼續提高。

當然，蓄電池本身也很重要，現在，各種新型蓄電池的概念相繼提出，比如鎂電池，據悉這種電池比鋰電池成本降低96%，而續航時間更久，再比如澳大利亞開發的石墨烯電池，不僅環保、便宜，而且耐用性極其久。

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