電動汽車動力部件測試系統的研究與開發

陽鵬

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

電動汽車動力部件測試系統的研究與開發

陽鵬

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

分析電動汽車關鍵動力部件臺架測試的需求；論證測試系統開發方案的合理性；分析測試系統的組成原理及功能，提出一種能兼顧電動汽車驅動電機、控制器、電池三大關鍵動力部件的測試方案；依據方案開發出的開放式測試系統，可以完成汽車驅動電機型式試驗、驅動電機帶控制器性能及耐久試驗、動力電池性能及耐久試驗。

電動汽車；動力部件；測試系統

0 引言

近幾年來，新能源汽車產業蓬勃發展，汽車行業中電動汽車的研發測試受到廣泛關注，對其核心部件的臺架測試尤為關鍵。動力電池、驅動電機及電機控制器組成的動力總成系統是電動汽車的核心，其性能對整個電動汽車的性能起到至關重要的作用。配置電動汽車關鍵動力部件測試設備，對于各科研機構及零部件廠家提升技術研發和創新能力具有積極的作用。而國外的此類設備價格非常昂貴，是一般零部件生產廠家無法承受的。所以根據當前國內現階段電動汽車小批量、多品種的生產現狀，研發出適合國內相關研究機構及零部件廠家需求的電動汽車關鍵動力部件測試系統，對于國內電動汽車產業的發展具有十分重要的意義。文中提出一種能兼顧電動汽車驅動電機、控制器、電池三大關鍵動力部件的開放式測試系統方案，可以按照相關國家標準[1-5]完成汽車驅動電機型式試驗、驅動電機帶控制器性能及耐久試驗、動力電池性能及耐久試驗。

1 系統原理及結構簡介

系統由交流試驗電源、動力電池模擬電源、交流電力測功機、扭矩傳感器、轉速傳感器、測功機控制器、測量控制系統以及監控系統組成。此系統的交流電源模塊、直流電源模塊、測功驅動變頻模塊共直流母線結構，共用整流回饋模塊。如圖1所示，此方案試驗系統效率高，柜內直流側的能量內部循環，可以大大降低大功率試驗對整流回饋模塊和電網容量的要求，避免了巨大的能量消耗和對設備外電網的沖擊。

圖1 直流母線能量流向圖

測試交流驅動電機時，系統連接結構如圖2所示,此時可按照GB/T 1032-2012《三相異步電動機試驗方法》和GB/T 22669-2008《三相永磁同步電動機試驗方法》標準來完成汽車驅動電機的空載試驗、負載熱試驗、負載效率試驗等測試項目。驅動電機帶控制器測試時，系統連接結構如圖3所示,此時可按照GB/T 18488.2-2015《電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法》和GB/T 29307-2012《電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法》標準來完成驅動電機系統的溫升試驗、輸入輸出特性及效率試驗、關鍵特征參數、耐久試驗等測試項目。

圖2 交流電機試驗系統結構原理圖

圖3 電機帶控制器試驗系統結構原理圖

測試動力電池包時，系統連接結構如圖4所示,此時可按照GB/T 31467.1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第1部分 高功率應用測試規程》和GB/T 31467.2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分 高能量應用測試規程》標準來完動力電池包的容量和能量試驗、功率和內阻試驗、能量效率試驗等測試項目。

圖4 電池測試系統結構原理圖

2 交流調頻調壓試驗電源的設計

當前普通交流電機的型式試驗電源主要是發電機組或調壓變壓器，體積笨重、使用成本高、頻率調節不方便。利用現有的大功率交流調頻調壓技術，設計合適匹配的正弦波濾波器，得到滿足電機試驗標準要求的交流試驗電源，來滿足試件小批量、多品種、參數變化范圍大的特點，是適合電動汽車交流電機試驗的最好的方案選擇。此系統的交流調頻調壓電源單元由直流母線系統供電。可工作于V/F分離控制模式、頻率控制模式。工作于V/F分離控制模式時，電壓、頻率可以分別給定；工作于頻率模式時，當設置好電機的額定參數后，給定頻率按照電機的V/F曲線來控制電機運行。交流試驗電源單元采用工業以太網絡通信控制,結構原理如圖5所示。

圖5 交流調頻調壓電源原理圖

3 雙向動力電池模擬電源的設計

3.1 電池模擬電源系統方案選擇

傳統的直流電源為整流變壓器加可控硅整流電路，它不能回饋，電壓紋波大，無法滿足動力電池的動態模擬功能。基于新型的IGBT技術，通過脈寬調制技術實現的雙向動態直流開關電源，可以代替動力電池給電機控制器供電，還可以實時將電機控制器制動回饋的能量回饋到動力母線上，完全可以實現動力電池的模擬功能。一般從交流電網的交流電壓到可以動態調節的直流電壓，需經過兩級變換模塊即：AC/DC(AFE)整流回饋模塊，雙向DC/DC電源模塊。國外的動力電池模擬電源廠家的產品均采用此結構。此方案結構復雜、成本很高。而此系統共直流母線結構，利用公共的AFE，只開發雙向DC/DC電源模塊來實現動力電池的模擬功能，簡化了結構、降低了成本、減小了開發難度，是可行的選擇。

3.2 電池模擬電源系統硬件組成及工作方式

因為此系統交流供電電源為AC500V,交流變頻柜內直流母線電壓額定值為DC707V,而試件電機控制器最高工作電壓及動力電池電壓均低于此值。所以只需要正向電動狀態降壓、反向回饋狀態升壓即可。用典型的Buck/Boost型電路結構(如圖6所示)可滿足要求。此電路結構相對簡單、元件較少、易于開發。此電源系統結構采用非隔離式Buck/Boost型雙向DC/DC變換結構。是在單向直流變換器的基礎上,通過為電路中的IGBT開關元件并聯反向二極管從而實現能量的雙向流動[6]。系統采用DSP芯片全數字控制，基本數字采樣為4路信號，分別是近端電感電流、近端輸入電壓、遠端輸出電壓、遠端輸出電流。由DSP芯片軟件實現PID控制以及PWM信號的生成，最后經由隔離驅動器件控制IGBT開關管工作。

圖6 DC/DC動力電池模擬電源模塊原理圖

動力電池模擬電源將汽車電機及控制器系統發電能量回饋到設備的動力母線上，電動狀態和發電狀態是根據負載運行狀態實現自動連續切換的，滿足了車用電機驅動系統的四象限運行工況。系統由雙向DC/DC模塊、輸出濾波單元組成，如圖6所示。此系統電池模擬電源采用工業以太網絡通信控制。

3.3 動力電池模擬電源變負載驗證測試

電動汽車在勻速或加速行駛時電機工作在電動狀態，在下坡或剎車時處于發電狀態。圖7中的波形圖是模擬電動汽車突然剎車之后又突然加速的過程。可以看出電流從+150 A迅速變化為-250 A，再迅速變化為+250 A的過程。電機經歷了從電動到發電再到電動的急速變化過程。整個過程對DC/DC模擬電源的輸出電壓影響很小，證明了DC/DC電池模擬電源的動態響應性很好。

圖7 變負載時電源電壓、電流波形

4 電力測功機臺架設計

4.1 結構組成及原理

此系統測功電機采用高速交流異步電動機，測功電機由交流變頻器直接驅動，可以在轉速和扭矩兩種控制方式下工作，變頻器采用四象限運行變頻器。電力測功機臺架主要由測功電機、測速編碼器(裝在測功機末端)、扭矩傳感器(防護罩內)、支撐機構(軸承箱)、底座、防護罩、聯軸器(防護罩和夾具內)、堵轉裝置、安全防護感應開關等組成，其整體外形如圖8所示。

圖8 機械臺架結構

4.2 道路工況負載模擬功能

為模擬電動汽車在道路上的真實行駛狀況，可通過對測功機的負載轉矩進行控制，進而實現對車輛行駛負載的模擬，同時可以根據實際道路情況編制駕駛循環進行動態控制。測試平臺采用電慣量模擬，即通過交流電力測功機來實現道路負載模擬。

電動汽車在道路行駛過程中所受阻力主要有：滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、爬坡阻力Fi和加速阻力Fj。

式中[7]：m為整車質量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；α為坡道角；CD為空氣阻力系數；A為汽車迎風面積；u為車速(km/h)；D為汽車旋轉質量換算系數；f為滾動阻力系統，可通過整車在底盤測功機上試驗獲得。

電動汽車驅動力應與所受的阻力相平衡，所以：

式中：R為車輪滾動半徑(m)；n為電機轉速(r/min)；i為減速器速比；Tm為電動車電機輸出轉矩。

測功機臺架上扭矩傳感器通過聯軸器、支撐軸承箱等連接試件電機，這些旋轉部件旋轉時會有滑動阻力及風摩阻力。

所以測功電機加載給定扭矩為：

T0=Tm+Tf

式中：Tf為測功機臺架等效損耗力矩，通過測功電機空載滑行測定。

5 計算機測控系統設計

測量控制部分是整個試驗系統的核心，測量及控制部分的構建采用圖形化編程軟件LabVIEW來實現。測量控制通信主網絡采用工業以太網，傳輸速度快、抗干擾能力強、性能穩定可靠。控制軟件具有手動測試、自動測試、標定控制等多種控制模式。主要功能模塊有：啟動程序模塊、電機參數設定模塊、試件端變頻器控制模塊、測功機變頻器控制模塊、直流電源控制模塊、功率分析儀通信模塊、輔助水冷卻系統控制模塊、試驗數據采集記錄模塊、用戶管理系統及身份驗證模塊、試驗數據處理及報表生成模塊、系統參數設定模塊。

圖9給出了試驗控制的主界面圖，在試驗界面上可以很方便直觀地操作各執行元件，監控各傳感器的數據；圖10為某款電機及控制器系統電動效率MAP圖，是試驗數據處理模塊根據測試數據自動生成繪制的，充分說明了此系統的測控軟件界面的友好性和開放性、數據處理模塊的方便性和科學性。

圖9 試驗控制界面

圖10 電機及控制器系統效率MAP圖

6 結束語

此測試系統經過長時間的運行考核，系統運行穩定可靠，驗證了系統設計是合理的、充分的。此系統的成功開發以及在電動汽車動力部件廠家的成功應用，解決了使用廠家試驗資源短缺的問題，為各廠家提供了方便快捷的產品質量測試評價手段，提供了產品設計改進的依據，縮短了產品開發周期，提高了產品質量，有效提升了產品在國際、國內市場上的競爭力，對于促進國內電動汽車產業的發展具有十分重要的意義，有很高的推廣價值。

[1]全國汽車標準化技術委員會. 電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件：GB/T 18488.1-2015[S].北京:中國標準出版社,2015.

[2]全國汽車標準化技術委員會. 電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法：GB/T 18488.1-2015[S].北京:中國標準出版社,2015.

[3]全國汽車標準化技術委員會. 電動汽車用驅動電機系統可靠性試驗方法：GB/T 29307-2012[S].北京:中國標準出版社,2013.

[4]全國旋轉電機標準化技術委員會.三相異步電動機試驗方法：GB/T 1032-2012 [S].北京:中國標準出版社,2012.

[5]全國旋轉電機標準化技術委員會. 三相永磁同步電動機試驗方法：GB/T 22669-2008[S].北京:中國標準出版社,2009.

[6]查鴻山, 宗志堅, 蔣念東. 電動汽車動力測試平臺設計及試驗研究[C]//國際節能與新能源汽車創新發展論壇,2009.

[7]張方華. 雙向DC-DC變換器的研究[D]. 南京:南京航空航天大學,2004.

[8]YAN B,CHEN X Y.The Engineering RLC Design of WVF Output Sine-wave Filter[J].Electric Machines and Control,2002,6(3):256-260.

ResearchandDevelopmentofPowertrainTestSystemforElectricVehicle

YANG Peng

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd.,Chongqing 401122,China)

The test demands for key power parts in electric vehicle were analyzed. The rationality of the development scheme of the test system was demonstrated. The composition principle and functions of the test system were analyzed. A test program in which motor, motor drive, battery key power components could be taken into account was put forward. Based on the program, an open test system was developed which could be used to complete the car drive motor type test, drive motor with controller performance and durability test, power battery performance and durability test.

Electric vehicle; Key power components; Test system

U469.72

A

1674-1986(2017)09-014-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.003

2017-04-24

陽鵬(1982—)，男，大學本科，工程師，研究方向為汽車試驗設備研究與開發。E-mail:yangpeng@caeri.com.cn。