轮式电动车辆测试系统平台研究

丁建新，樊江滨，陈 潇，刘金婧

(中国北方车辆研究所，北京100072)

目前，环境和能源的可持续发展问题是推动电动车辆(EV)发展的主要动力.据统计，为了确保军队的合理部署，美国陆军每年燃油的70%用在246 000辆地面运输、后勤车辆上.为了提高燃油经济性、减小后勤保障消耗、降低车重从而转化为战斗力，陆军必须对其车队(包括运输、后勤保障、侦察等军事车辆)进行改造[1]，如美国的AHED8×8先进混合动力车辆、南非CVED8×8战车电驱动演示车、法国EDD6×6混合动力演示车以及英国、瑞士研制的6×6混合动力演示车，等等.与此同时，人们对环保、节能、清洁能源等方面的日趋关注促进了民用电动汽车的发展，如美国通用公司、福特公司、克莱斯勒公司、法国雪铁龙公司、雷诺公司、德国奔驰公司、日本丰田公司相继推出了自己的电动车，有些已经批量生产.

当今的先进技术车辆(ATVs)是以混合动力电力机组、再生式制动、先进电传动电机和电池以及燃料电池发动机为特色的.鉴于环境和调整的压力，促使购买者采用这种车辆，这样就导致了冒着高风险做出采购没有性能历史文件记录车辆的决定，这将不利于电动车辆的发展.利用电动车辆整车测试平台，使用多种方法多方面地对电动车辆进行全面测试，获得精确的车辆性能信息已成为工程师研究电动车技术和购买者的共同需求.

1 电动车辆整车测试平台

电动车辆整车测试平台主要由7部分组成，即电动车辆整车测试系统、遥测系统、动力蓄电池测试系统、电磁兼容测试系统、质量质心测试系统、环境试验系统以及安全性测试系统(如淋雨防水测试系统等).整车测试系统是其核心部分，其他部分是必备的试验基础测试，各部分之间通过遥测系统进行数据通讯，由测控中心工作站统一进行多任务管理(见图1).测试监测分析由现场实时监测和后台数据处理系统2部分组成.该平台可以进行整车基本性能测试、整车可靠性能测试、整车能量测试、整车安全性测试、整车电磁兼容性测试、整车高低温环境测试以及动力电池测试.电动车辆整车测试平台实现了编队路况测试的多任务编队管理，这在很大程度上降低了环境条件的制约因素.

图1 电动车辆整车测试平台

2 电动车辆整车测试系统

该系统由数据采集系统(包括前端各类传感器)、实时监测系统和实时分析仪组成.其主要功能是进行基本性能测试、可靠性能测试、能量测试、安全性测试、编队路况测试的数据采集及分析.

2.1 系统能量测试

EV车辆动力源为动力电池组.动力电池组的155～400 V高压直流电经过控制器、逆变器等电子装置，转换成三相交流电来驱动电机，同时提供给空调系统使用(可使续驶里程减少近30%).高压直流电通过DC/DC转化器，产生12 V或24 V的低压电[2]，提供各电器辅助系统用电.在电能输送和转化过程中，存在着各种电能损失(见图2)，而且通过逆变器后转化成的交流电存在着电能品质、功率因素、电流电压的稳定性以及三相电的频率、电流和电压的波形和谐波等问题，这些问题直接影响EV车的动力性、经济性.

轮式电动车辆整车测试系统采用安装于动力电池组、辅助系统、驱动电机系统和制动系统的不同环节的各类电压、电流、温度、转速传感器以及测速仪，在EV车的各类行驶工况下，对电池组冲放电时的电流、电压、放电深度、再生制动的反馈电流、电能质量、功率、电量进行实时测试分析;采用实时监测系统进行多通道在线检测电压和电流的波形分析;采用实时分析仪进行电压、电流和功率谐波、谐波失真总量、各次谐波的相位角、瞬变电压和波形失真的检测分析.总之，本测试系统通过采用动力电池组的输出电压和电流传感器及扭矩和转速传感器，对随着车辆行驶工况的变化而引起的电动机输出功率、扭矩和转速的变化进行实时测试，从而确定不同工况引起的电流、电压、剩余电量和续驶里程的改变，这些试验数据是电动车辆的电池组、驱动电机及控制策略设计的基础.

通过后台处理软件进行三相电压不平衡度、频率、功率以及各工况的能量分析，从而确定该车辆的能量传递及损耗情况.图3是利用整车测试系统在城市平坦公路模式下的在线试验结果，显示出了不同里程下的能量消耗情况.从图3中可以发现动力电池组在车辆行驶130 km以后，电压下降明显，对车辆的动力性产生很大影响.

图2 EV能量传递和能量损耗

图3 城市平坦公路模式的在线试验结果

三相异步感应电动机有3种制动运转状态:反馈制动、反接制动、能耗制动.在各种电动车辆(EV、FCEV、HEV)中，一般是利用反馈制动回收能量，这在节能上有着重要意义，是内燃机汽车上不能实现的.在反馈制动时，感应电动机被车辆带动，并将惯性能量的少部分转换为转子铜耗，而惯性能量的大部分是通过气隙进入定子，在除去定子铜耗与铁耗后，将电能反馈到电流变换器后转换为直流电，储存到电池组中.这部分能量的回收可以提高约20%的能量利用效率，一般只能延长续驶里程.目前，国家关于电动汽车的各项标准都没有对此提出具体要求，通过本测试系统可以及时发现能量使用问题，为EV车的深入研究提供可靠依据，同时也是EV车之间评判优良的一个标准.

图4为某型电动车辆编队行驶试验后，电池能量输出与输入的变化情况统计量，负值表示滑行和反馈制动回收的能量[3].

图4 某行驶模式下的制动能量回收

2.2 系统安全性测试

电动车辆使用中的高压直流电流，会产生高压漏电、电池组发生意外(如碰撞、挤压、短路等)等故障，会给人员带来生命危险.EV车辆必须配备故障自检系统和故障报警系统.通过安全性测试，动力电池组及各单元之间的结构设计，应能满足在行驶工况快速变化情况下的颠簸、振动、应力应变要求.不同的动力电池在使用过程中的发热程度不同，其使用环境应满足电池组的使用温度要求，否则会大大降低电池的使用性能和寿命.在常态及清洗、暴雨、涉水情况下，绝缘电阻应满足安全性方面的试验指标.电动车辆整车测试系统通过设置的温度、应变、振动等传感器，能够进行多点、多任务测试，如电池组的多点温度场、应变场、振动、电机的温度以及整车各系统之间的绝缘电阻和电位均衡性，等等.根据GB/T 18384.1《电动汽车安全要求第1部分车载储能装置》、GB/T 18384.3《电动汽车安全要求第3部分人员触电防护》，某EV车在常态、涉水、暴雨情况下的动力系统和车辆电底盘的绝缘电阻分别为17.4 kΩ/V、15.9 kΩ/V、16.3 kΩ/V，满足了车辆的安全性要求.

2.3 系统基本性能及可靠性测试

对于购买者来说，车辆的基本性能(起动、加速性、爬坡、操纵稳定性等)和可靠性是最为关心的问题.根据GB/T 18385《电动汽车动力性能试验方法》、GB/T 18388《电动汽车 定型试验规程》对某电动车辆进行测试，结果见图5.试验过程中，续驶里程为285 km，在最高车速测试时，同时对能量使用情况进行了检测，发现虽然最高车速满足设计要求，但在进行4次试验后车辆电能消耗量约占总电量的37.5%，说明该车在此工况下能量消耗过大.

图5 某EV车的动力性

目前，汽车产品定型的可靠性试验一般是在试验场中进行组合路面的可靠性试车，这对于电动车辆来说具有一定的局限性.电动车辆根据其使用环境对其测试的要求有所不同，如民用电动车辆大部分在城市道路进行，如在北京来说，立交桥遍布且经常拥堵，造成频繁起步、加速、停车，因此，对其传动系统(特别是电机)的考核更为重要.对于军用车辆来说越野路面要占比例大一些，因此制定科学的电动车辆可靠性试验规程显得尤为重要.

2.4 多辆车编队测试

所谓编队车辆路况测试就是根据EV车的不同使用区域的道路交通状况和道路等级，选择出典型封闭循环线路(包括平路、坡路、不同车流量、不同起步、停车等道路状况)，对不同型号、品牌的车辆进行编队测试，并获取能量利用、平均时速、续驶里程、维修保养等方面的统计信息.编队中的试验车辆，处于一个更真实的环境中，与试验(场)室中不同，会出现许多意料之外的情况，这才真正是对车辆性能的最佳考核.

例如，美国加利福尼亚南部城市的典型试验线路为31.1 km市区道路 (包括50处交通指示灯，海拔高度274～457 m)，59.5 km的高速路(海拔高度213～315 m)，并且统计了有效负荷的最大值和最小值以及车辆辅助设备(如空调)的使用情况.图6给出了不同温度下续驶里程，测试结果表明多辆车编队测试要比试验场(室)测试结果低，气温对车辆的续驶里程有很大影响.图7给出了1天当中的上述车队能量平均使用情况，表明在下午5点时耗能最高，而早上7点耗能最低[4].图8给出了4种品牌EV车的试车编队测试的能量效率、试验室测试的能量效率和充电效率.多辆车测试的平均能量利用率(2.7 km/kWh)比试验室测试平均能量利用率(5.4 km/kWh)低50%，比充电效率得到的平均能量利用率(3.5 km/kWh)低23%.

图6 不同温度下的续驶里程

图7 24小时内平均能量负荷

图8 能量利用效率

行驶工况要求决定了电动车辆所需要的电驱动技术条件、电池容量、电流和电压大小.图9表明美国城市循环工况与高速公路循环工况对扭矩的要求完全不同.

图9 驱动循环对扭矩-转速的要求

2.5 其他部分测试

遥测系统、动力蓄电池测试系统、电磁兼容测试系统、质量质心测试系统、环境试验系统以及安全性测试系统(如淋雨防水测试系统等)是电动车辆整车测试平台的基础辅助测试部分，所有各项测试可以同步或预先进行.动力装置的性能是考核电动车辆的关键指标，通过动力蓄电池测试系统对车载储能装置(电池组)进行性能和安全性测试.电动车辆的电磁兼容性直接影响到车辆的安全性，通过电磁兼容测试系统对整车(或零部件)进行GB/T 18384.2《电动汽车安全要求第2部分功能安全和故障防护》、GB/T 18387《电动车辆的电磁场辐射强度的限值和测量方法 带宽9 kHz～30 MHz》的测试，图10为某电动车辆改进前后的电磁辐射试验结果.虽然改进前后均不能满足GB/T 18387，但可以看出改进是有很大效果的，结合测试结果可以找出有效的改进途径.通过环境测试系统对整车(零部件)的不同环境温度下的工作特性进行测试.整车的质量质心位置的变化直接影响电动车辆的操纵稳定性、制动性、平顺性和抗倾覆能力，通过质量质心测试系统对整车(零部件)三维质量质心以及转动惯量进行测试.电动车辆的安全性是其生命力、竞争力的根本保证，通过安全性测试系统对整车的安全性给出合理评价.

上述各系统之间，通过遥测系统将其有机联系在一起，构成电动车辆整车测试平台.

图10 某电动车辆改进前后的电磁辐射试验结果

3 结束语

现代电动车辆工程的主要问题是要将汽车工程、电气电子工程以及化学工程领域中最新的技术结合到电动车辆的设计中来，探索适合电动车辆的独特的设计方法和制造技术，以实现电动车辆能量的最优化利用.电动车辆整车测试平台就是希望通过对整车多目标、多方位的测试，获取有效测试数据，为最终形成电动车辆独特设计开发、能量优化利用、仿真以及试验技术奠定基础.通过对电动车辆进行全面测试为各方面提供精确的车辆性能信息，从而推动电动车辆技术的深入发展.

由于客观条件所限，本文并未利用电动车辆测试平台进行多车辆编队测试，只是对国外多车编队的试验条件和结果进行了介绍和论述.由于电动车辆的使用特殊性，多车辆编队测试是推进电动车辆广泛开发应用的必然趋势.

[1]Jana M.Paschen.Shared Technology/Shared Cost，the Evaluation of the Allison E P-50 Electric Drive for Military and Commercial Vehicles[C].2003 SAE International 2003-01-1568.

[2]陈清泉.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社，2002.

[3]胡 骅.电动汽车[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4]James E.Francfort.Electric and Hybrid Vehicle Testing[C].2002 SAE International 2002-01-0576.