纯电动汽车动力系统效率特性试验研究与分析

张振鼎 吴杰灵 樊彬 王洪庆 蔡志涛

中国汽车技术研究中心 天津 300300

纯电动汽车动力系统效率特性试验研究与分析

张振鼎 吴杰灵 樊彬 王洪庆 蔡志涛

中国汽车技术研究中心 天津 300300

以纯电动汽车动力系统能量转化关系为研究对象，提出了一套评价动力系统效率特性的方法和指标，搭建了测试平台，并利用该平台对某款纯电动汽车动力系统的效率特性进行了试验研究与分析。结果表明，该动力系统的实时能量输出效率与电池系统电压的关系拟合公式符合二阶多项式形式，并且与电机系统单点结果吻合度较好；另外，考虑到电池系统充放电能量转化效率的影响，该系统能量转化综合效率为73.0%，效率相对较低。以上试验结果为纯电动汽车动力系统产品匹配选型提供了基础数据支持。

纯电动汽车 动力系统 效率特性 能量输出效率 能量转化综合效率

1 前言

纯电动汽车具有高效、节能、终端零排放等特点，是解决当前能源危机、环境污染以及温室效应的重要途径。但受电池能量密度和动力系统效率的限制，纯电动汽车续驶里程短，充电时间长，制约了纯电动汽车的推广应用。因此，针对纯电动汽车性能的测试评价工作，逐渐引起了大家的关注。

作为电动汽车的关键零部件，电池系统和电机系统不同的匹配方案，将极大地影响纯电动汽车整车的动力性、经济性、舒适性、平顺性和安全性。因此，合理设计和测评动力系统至关重要。目前行业内普遍采用整车及关键零部件分开测评方式，并出台了多项国家行业测试标准[1,2]。然而，一方面电池系统和电机系统层级的单独测评，不能完全体现实车使用状态；另一方面，整车层级测评，其测试成本较高，且延长了产品开发认证周期[3,4]。因此，基于包括电池系统和电机系统在内的动力系统的测试评价，是今后纯电动汽车研发的热点方向。

本文将研究分析现有的动力系统的测试方法和评价指标，以纯电动汽车动力系统能量转化关系为研究对象，提出一套评价动力系统效率特性的方法和指标，搭建基于纯电动汽车动力系统输出特性的测试平台，并利用该平台对某款纯电动汽车动力系统在恒功率放电工况下的效率特性进行试验研究与分析，为纯电动汽车动力系统产品匹配选型提供基础数据支持。纯电动汽车动力系统如图1所示。

图1 纯电动汽车动力系统示意图（红色框中部分）

2 纯电动汽车动力系统效率特性评价方法与指标

2.1 纯电动汽车动力系统效率特性评价方法

目前国内外就如何科学系统地评价纯电动汽车动力系统效率特性尚未形成统一的标准和方法。但是，在动力系统研究过程中，提出了一些测试评价的方法，主要包括计算机模拟仿真、整车行驶试验及系统台架试验等3种方法[5]。

计算机仿真研究广泛应用于纯电动汽车动力系统的开发过程，该方法首先基于仿真分析软件对纯电动汽车动力系统建立模型并进行不同运行工况的仿真，然后基于仿真结果对动力系统结构参数及控制策略进行修正，完成对纯电动汽车动力系统的优化。该方法的执行过程基于仿真分析软件，虽然为研究人员带来操作上的方便，但仿真分析的结果与实际情况存在一定的差距[6]。同时，纯电动汽车动力系统比较复杂，基于仿真分析软件对动力系统建立精确的模型比较困难，模型的模拟结果很难精确地反映出动力系统的各种性能[7]。

纯电动汽车行驶测试是基于传统燃油汽车的研究方法发展而来的，主要包括底盘测功机测试和道路试验场测试。该方法根据纯电动汽车在实际行驶中的表现以检验动力系统在安全性、动力性方面的性能。但是，行驶测试是在露天的道路上或汽车试验场中进行，受温度、风速等外界环境因素影响较大，故该方法的可控性及重复性较差，在测试的过程中需要投入大量的人力、物力和财力；同时纯电动汽车在道路行驶测试中动力系统的电机转速、电机转矩、电压、电流、温升、动力蓄电池剩余容量等各详细参数无法方便准确地测得[8,9]。

系统台架试验是在室内对纯电动汽车动力系统进行测试，可以实现对动力系统简单工况的模拟和性能的测试[10]。该方法对不同运行工况的纯电动汽车动力系统的系统参数进行数据采集、存储，实现动力系统各性能参数的获取。该方法可以对纯电动汽车动力系统各组成部分进行实时有效的性能测试，为研究人员分析和评价动力系统控制策略优劣提供依据，故该方法在纯电动汽车动力系统研究中具有不可代替的作用。国内一些研究机构、高校和企业已经陆续开发了纯电动汽车动力系统的室内测试平台[11,12]。

综上所述，本文选择动力系统台架试验方法，开展纯电动汽车动力系统输出特性测试平台的搭建工作，并进行进一步的效率特性试验研究和分析。

2.2 纯电动汽车动力系统效率特性评价指标

本文将以纯电动汽车动力系统中不同能量间的转化关系作为研究对象，提出3种评价动力系统效率特性的指标。

2.2.1 动力系统能量吸收效率

动力系统在充电过程中，电能转化成化学能存储在电池系统中，在放电过程中，化学能又转化为电能供电机系统使用。因此，其存在一定的能量转化效率，对动力系统的能量输出起着重要作用，即能量吸收效率ηbattery，定义为电池系统充放电过程中的放电能量占充电能量的百分比。

式中，Edischarge为 电池系统放电能量， kWh；Echarge为电池系统充电能量， kWh ；Udischarge为电池系统放电过程中的电压， V；Idischarge为 电池系统放电过程中的电流， A；Ucharge为 电池系统充电过程中的电压， V； Icharge为 电池系统充电过程中的电流， A。

2.2.2 动力系统能量输出效率

电池系统的电能通过电气连接给电机系统供电，然后电机系统将电能转化为机械能，该部分主要评价动力系统中电机系统的能量转化效率，即动力系统能量输出效率 ηmotor，定义为驱动过程中输出机械能量与输入电能量的百分比。

式中，Emechanic为 电机系统输出机械能量，kWh； T为电机系统输出扭矩，Nm；为电机系统输出转速，r/min。

2.2.3 动力系统能量转化综合效率

动力系统中电池系统吸收的能量最终以电机系统输出的能量来体现，其能量转化综合效率定义为驱动过程中电机系统输出能量占电池系统充电能量的百分比。能量转化综合效率考虑了充电能量由电池系统传输至电机系统，并作为机械能量输出全过程中所有的影响因素，反映纯电动汽车动力系统实际的能量转化传递情况。

3 纯电动汽车动力系统输出特性测试平台搭建

依据提出的动力系统效率特性评价指标，为研究纯电动汽车动力系统的输出特性，评价动力系统的匹配效果，验证动力系统各控制单元的有效性，需要开发建立由电源系统、被测动力系统、数据采集控制系统、测功机系统和辅助系统构成的纯电动汽车动力系统输出特性测试平台。

图2 动力系统输出特性测试平台

搭建的动力系统输出特性测试平台如图2所示。由于测试平台集成的各设备分别采用CAN总线、485总线或232总线等不同的通信方式，为实现测试平台数据的集中采集及对测试平台各设备的远程控制，需要开发以单片机为核心、并且基于CAN总线的信息采集及通信方式转换信息单元，将各设备通信方式统一转化为CAN总线通信方式，构建测试平台CAN总线通信网络硬件平台，如图3所示。

电源系统包括电池系统充放电设备和能够模拟电池性能的直流输出电源。其中，电池充放电设备主要用于给电池系统充放电，通过不同的充放电方式，对电池系统本征特性进行测试评价研究；直流输出电源主要用于给电机系统供电，通过改变供电电压，对电机系统本征特性进行测试评价研究。

被测动力系统包括电池系统和电机系统，用于动力系统输出特性的测试评价研究。

数据采集控制系统包括转速/转矩传感器、功率分析仪和工控机等，主要采用CAN总线进行各设备间输入输出数据交互，从而进行各类相关参数的采集和控制。

测功机系统可以按照设定的规律对驱动电机施加阻力，模拟车辆加速及匀速行驶时的负载，也可按设定的规律对驱动电机提供动力，模拟车辆减速、下坡及刹车时车辆的惯性，从而保证被试电机系统处于合适的工作状态。

辅助系统包括冷却系统、可编程电源等，用于动力系统的辅助测试。

4 纯电动汽车动力系统效率特性测试

4.1 测试样品选定

利用搭建的纯电动汽车动力系统输出特性测试平台，对某款纯电动汽车的动力系统效率特性进行试验研究分析，试验样品参数如表1所示。

表1 动力系统试验样品参数

图3 动力系统输出特性平台通信网络结构图

4.2 测试台架搭建

根据纯电动汽车输出特性测试平台硬件连接方案，结合试验对象的自身特性及参数，建立该款动力系统测试平台如图4所示。该平台包括电池系统、电机系统、测功机系统、冷却系统、数据采集分析系统等组成部分，各组成部分通过机械连接方式和电气连接方式连接。

图4 某款纯电动汽车动力系统测试台架

4.3 试验流程确定

根据试验需求，确定的试验流程如下。

流程一：使用电池充放电设备，以恒流恒压充电方式对电池系统进行完全充电，然后以恒功率放电方式对电池系统进行完全放电；

流程二：使用直流输出电源，给电机系统提供恒定的不同工作电压，电机系统工作在额定工作转速状态，并控制电位器以保持输出机械功率不变；

流程三：使用完全充电的电池系统作为供电电源，电机系统工作在额定工作转速状态，并控制电位器以保持输出机械功率不变，直至电池系统持续完全放电至最低工作电压。

在试验过程中采集电池系统直流母线电压和电流、电机系统的转矩和转速，进而得到纯电动汽车动力系统实际的能量转化性能，并分析其变化规律。

4.4 试验结果分析

根据试验流程一，对电池系统进行试验的试验结果曲线如图5所示。

由试验结果可知，该电池系统在恒流恒压充电阶段，总充电容量为201.11 Ah，总充电能量为12.25 kWh。其中，恒流充电阶段的充电容量为179.53 Ah，充电能量为10.84 kWh，恒流阶段充电能量占总充电能量的88.5%；恒压充电阶段的充电容量为21.58 Ah，充电能量为1.41 kWh，恒压阶段充电能量占总充电能量的11.5%。在3.2 kW恒功率放电阶段，该电池系统总放电容量为199.98 Ah，放电能量为11.60 kWh。

图5 电池系统容量能量测试曲线

由此可以计算得到，该动力系统的能量吸收效率为94.7%。

根据试验流程二，将电机转速设定在2 350 r/min，扭矩设定在10 Nm，即保持电机输出功率不变，电机系统输入工作电压分别设定在55 V、60 V、65 V，分析电机系统输出效率随工作电压变化的变化情况，得到的结果如表2、图6所示。

表2 不同工作电压条件下电机系统输出特性参数表

图6 不同工作电压条件下电机系统输出特性曲线

根据试验流程三，对动力系统进行试验的试验结果曲线如图7～9所示。

图7 试验过程中电池系统电压和电流变化曲线

图8 试验过程中电机系统转速和扭矩变化曲线

图9 动力系统输入功率和输出功率变化曲线

对以上数据进行处理分析，得到动力系统实时能量输出效率随电池系统电压的变化关系曲线，进而对该动力系统放电过程中的能量输出效率进行数据拟合（见图10），可以看出实时能量输出效率与电池系统电压的关系拟合公式符合二阶多项式形式，具体如下：

将此模拟计算结果与之前得到的电机系统单独测试时的不同工作电压状态下的输出效率进行对比分析，可知该拟合公式可以很好地模拟该电机系统输出效率随电压的实时变化规律：在低电压下效率较低，随着电压的升高输出效率逐渐升高，到达一定峰值后，输出效率随着电压的升高又逐渐降低。

图10 动力系统实时能量输出效率随电压变化曲线及拟合对比结果

另外，通过分析可知，动力系统在该运行工况下，测功机转速恒定在2 350 r/min，电机扭矩调节至10 Nm左右并保持输出功率稳定，从电池系统满电态完全放电至电机系统最低工作电压55 V，测试总计运行218 min，因此动力系统总输出机械能量为8.94 kWh；由之前电池系统恒功率放电测试数据，可知电池恒功率放电的总放电能量为11.60 kWh。因此，该运行工况下的动力系统全过程能量输出效率为77.1%。

综上所述，考虑到动力系统能量吸收特性对于动力系统输出特性的影响，由之前电池系统测试数据可知，动力系统能量吸收效率为94.7%，由此可以分析得到，在恒流恒压充电工况和恒功率放电工况叠加的状态下，该动力系统能量转化综合效率ηsystem=73.0%，具体计算公式如下：

可见，该动力系统能量转化综合效率相对较低，有待于进一步通过系统匹配提升其输出效率特性。

5 结语

a.本文选取的动力系统台架试验方法，操作灵活，可以对不同运行工况的系统参数进行实时有效的测试分析，充分反映动力系统特性的各种影响因素，能够弥补软件仿真和整车测试的不足，可以全方位的检测纯电动汽车动力系统的性能，为研究人员调节模型控制参数、制定最佳控制策略提供理论依据和数据支撑。

b.搭建了纯电动汽车动力系统输出特性测试平台，提出了基于能量转化的能量吸收效率、能量输出效率、能量综合转化效率的评价指标，全面系统地分析评价动力系统效率特性的影响因素和不同能量间的转化效率。

c.通过试验研究分析，在恒流恒压充电工况和恒功率放电工况叠加的状态下，该动力系统的能量吸收效率为94.7%，实时能量输出效率与电池系统电压的关系拟合公式符合二阶多项式形式，全过程能量输出效率为77.1%，最终得到该动力系统能量转化综合效率为73.0%，效率相对较低，有待于进一步通过系统匹配提升其输出效率特性。

d.后续工作需要基于该纯电动汽车动力系统输出特性测试平台，进一步研究纯电动汽车动力系统在各种复杂工况条件下的能量驱动特性及能量回馈特性，为纯电动汽车动力系统产品匹配选型提供更多的基础数据支持。

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Experimental Study and Analysis on the Efficiency Characteristics of Power System for Electric Vehicle

ZHANG Zhen-ding et al

With the energy conversion relations of the electric vehicle power system as the research object, this paper presents a set of evaluation methods and indicators for the power system efficiency, and builds a test platform. The efficiency characteristics of a power system for electric vehicle is studied and analyzed. The results show that the relation between the real-time energy output efficiency and the battery voltage follows with second order polynomial form, and the fitting result has good consistency with the motor individual test result; in addition, considering the influence of the battery charge and discharge energy transformation efficiency, the total energy conversion efficiency is 73.0%. The above test results provide basic data support for the matching and selection of the electric vehicle power system.

electric vehicle; power system; efficiency characteristic; energy output efficiency; energy conversion efficiency

U469.72.06

A

1004-0226(2017)03-0082-06

张振鼎，男，1984年生，工程师，主要从事汽车整车、零部件产品的检测及新能源汽车方面的试验研究工作。

2017-01-16