电动汽车动力部件测试系统的研究与开发

阳鹏

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

电动汽车动力部件测试系统的研究与开发

阳鹏

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

分析电动汽车关键动力部件台架测试的需求；论证测试系统开发方案的合理性；分析测试系统的组成原理及功能，提出一种能兼顾电动汽车驱动电机、控制器、电池三大关键动力部件的测试方案；依据方案开发出的开放式测试系统，可以完成汽车驱动电机型式试验、驱动电机带控制器性能及耐久试验、动力电池性能及耐久试验。

电动汽车；动力部件；测试系统

0 引言

近几年来，新能源汽车产业蓬勃发展，汽车行业中电动汽车的研发测试受到广泛关注，对其核心部件的台架测试尤为关键。动力电池、驱动电机及电机控制器组成的动力总成系统是电动汽车的核心，其性能对整个电动汽车的性能起到至关重要的作用。配置电动汽车关键动力部件测试设备，对于各科研机构及零部件厂家提升技术研发和创新能力具有积极的作用。而国外的此类设备价格非常昂贵，是一般零部件生产厂家无法承受的。所以根据当前国内现阶段电动汽车小批量、多品种的生产现状，研发出适合国内相关研究机构及零部件厂家需求的电动汽车关键动力部件测试系统，对于国内电动汽车产业的发展具有十分重要的意义。文中提出一种能兼顾电动汽车驱动电机、控制器、电池三大关键动力部件的开放式测试系统方案，可以按照相关国家标准[1-5]完成汽车驱动电机型式试验、驱动电机带控制器性能及耐久试验、动力电池性能及耐久试验。

1 系统原理及结构简介

系统由交流试验电源、动力电池模拟电源、交流电力测功机、扭矩传感器、转速传感器、测功机控制器、测量控制系统以及监控系统组成。此系统的交流电源模块、直流电源模块、测功驱动变频模块共直流母线结构，共用整流回馈模块。如图1所示，此方案试验系统效率高，柜内直流侧的能量内部循环，可以大大降低大功率试验对整流回馈模块和电网容量的要求，避免了巨大的能量消耗和对设备外电网的冲击。

图1 直流母线能量流向图

测试交流驱动电机时，系统连接结构如图2所示,此时可按照GB/T 1032-2012《三相异步电动机试验方法》和GB/T 22669-2008《三相永磁同步电动机试验方法》标准来完成汽车驱动电机的空载试验、负载热试验、负载效率试验等测试项目。驱动电机带控制器测试时，系统连接结构如图3所示,此时可按照GB/T 18488.2-2015《电动汽车用驱动电机系统 第2部分：试验方法》和GB/T 29307-2012《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》标准来完成驱动电机系统的温升试验、输入输出特性及效率试验、关键特征参数、耐久试验等测试项目。

图2 交流电机试验系统结构原理图

图3 电机带控制器试验系统结构原理图

测试动力电池包时，系统连接结构如图4所示,此时可按照GB/T 31467.1-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第1部分 高功率应用测试规程》和GB/T 31467.2-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第2部分 高能量应用测试规程》标准来完动力电池包的容量和能量试验、功率和内阻试验、能量效率试验等测试项目。

图4 电池测试系统结构原理图

2 交流调频调压试验电源的设计

当前普通交流电机的型式试验电源主要是发电机组或调压变压器，体积笨重、使用成本高、频率调节不方便。利用现有的大功率交流调频调压技术，设计合适匹配的正弦波滤波器，得到满足电机试验标准要求的交流试验电源，来满足试件小批量、多品种、参数变化范围大的特点，是适合电动汽车交流电机试验的最好的方案选择。此系统的交流调频调压电源单元由直流母线系统供电。可工作于V/F分离控制模式、频率控制模式。工作于V/F分离控制模式时，电压、频率可以分别给定；工作于频率模式时，当设置好电机的额定参数后，给定频率按照电机的V/F曲线来控制电机运行。交流试验电源单元采用工业以太网络通信控制,结构原理如图5所示。

图5 交流调频调压电源原理图

3 双向动力电池模拟电源的设计

3.1 电池模拟电源系统方案选择

传统的直流电源为整流变压器加可控硅整流电路，它不能回馈，电压纹波大，无法满足动力电池的动态模拟功能。基于新型的IGBT技术，通过脉宽调制技术实现的双向动态直流开关电源，可以代替动力电池给电机控制器供电，还可以实时将电机控制器制动回馈的能量回馈到动力母线上，完全可以实现动力电池的模拟功能。一般从交流电网的交流电压到可以动态调节的直流电压，需经过两级变换模块即：AC/DC(AFE)整流回馈模块，双向DC/DC电源模块。国外的动力电池模拟电源厂家的产品均采用此结构。此方案结构复杂、成本很高。而此系统共直流母线结构，利用公共的AFE，只开发双向DC/DC电源模块来实现动力电池的模拟功能，简化了结构、降低了成本、减小了开发难度，是可行的选择。

3.2 电池模拟电源系统硬件组成及工作方式

因为此系统交流供电电源为AC500V,交流变频柜内直流母线电压额定值为DC707V,而试件电机控制器最高工作电压及动力电池电压均低于此值。所以只需要正向电动状态降压、反向回馈状态升压即可。用典型的Buck/Boost型电路结构(如图6所示)可满足要求。此电路结构相对简单、元件较少、易于开发。此电源系统结构采用非隔离式Buck/Boost型双向DC/DC变换结构。是在单向直流变换器的基础上,通过为电路中的IGBT开关元件并联反向二极管从而实现能量的双向流动[6]。系统采用DSP芯片全数字控制，基本数字采样为4路信号，分别是近端电感电流、近端输入电压、远端输出电压、远端输出电流。由DSP芯片软件实现PID控制以及PWM信号的生成，最后经由隔离驱动器件控制IGBT开关管工作。

图6 DC/DC动力电池模拟电源模块原理图

动力电池模拟电源将汽车电机及控制器系统发电能量回馈到设备的动力母线上，电动状态和发电状态是根据负载运行状态实现自动连续切换的，满足了车用电机驱动系统的四象限运行工况。系统由双向DC/DC模块、输出滤波单元组成，如图6所示。此系统电池模拟电源采用工业以太网络通信控制。

3.3 动力电池模拟电源变负载验证测试

电动汽车在匀速或加速行驶时电机工作在电动状态，在下坡或刹车时处于发电状态。图7中的波形图是模拟电动汽车突然刹车之后又突然加速的过程。可以看出电流从+150 A迅速变化为-250 A，再迅速变化为+250 A的过程。电机经历了从电动到发电再到电动的急速变化过程。整个过程对DC/DC模拟电源的输出电压影响很小，证明了DC/DC电池模拟电源的动态响应性很好。

图7 变负载时电源电压、电流波形

4 电力测功机台架设计

4.1 结构组成及原理

此系统测功电机采用高速交流异步电动机，测功电机由交流变频器直接驱动，可以在转速和扭矩两种控制方式下工作，变频器采用四象限运行变频器。电力测功机台架主要由测功电机、测速编码器(装在测功机末端)、扭矩传感器(防护罩内)、支撑机构(轴承箱)、底座、防护罩、联轴器(防护罩和夹具内)、堵转装置、安全防护感应开关等组成，其整体外形如图8所示。

图8 机械台架结构

4.2 道路工况负载模拟功能

为模拟电动汽车在道路上的真实行驶状况，可通过对测功机的负载转矩进行控制，进而实现对车辆行驶负载的模拟，同时可以根据实际道路情况编制驾驶循环进行动态控制。测试平台采用电惯量模拟，即通过交流电力测功机来实现道路负载模拟。

电动汽车在道路行驶过程中所受阻力主要有：滚动阻力Ff、空气阻力Fw、爬坡阻力Fi和加速阻力Fj。

式中[7]：m为整车质量(kg)；g为重力加速度(m/s2)；α为坡道角；CD为空气阻力系数；A为汽车迎风面积；u为车速(km/h)；D为汽车旋转质量换算系数；f为滚动阻力系统，可通过整车在底盘测功机上试验获得。

电动汽车驱动力应与所受的阻力相平衡，所以：

式中：R为车轮滚动半径(m)；n为电机转速(r/min)；i为减速器速比；Tm为电动车电机输出转矩。

测功机台架上扭矩传感器通过联轴器、支撑轴承箱等连接试件电机，这些旋转部件旋转时会有滑动阻力及风摩阻力。

所以测功电机加载给定扭矩为：

T0=Tm+Tf

式中：Tf为测功机台架等效损耗力矩，通过测功电机空载滑行测定。

5 计算机测控系统设计

测量控制部分是整个试验系统的核心，测量及控制部分的构建采用图形化编程软件LabVIEW来实现。测量控制通信主网络采用工业以太网，传输速度快、抗干扰能力强、性能稳定可靠。控制软件具有手动测试、自动测试、标定控制等多种控制模式。主要功能模块有：启动程序模块、电机参数设定模块、试件端变频器控制模块、测功机变频器控制模块、直流电源控制模块、功率分析仪通信模块、辅助水冷却系统控制模块、试验数据采集记录模块、用户管理系统及身份验证模块、试验数据处理及报表生成模块、系统参数设定模块。

图9给出了试验控制的主界面图，在试验界面上可以很方便直观地操作各执行元件，监控各传感器的数据；图10为某款电机及控制器系统电动效率MAP图，是试验数据处理模块根据测试数据自动生成绘制的，充分说明了此系统的测控软件界面的友好性和开放性、数据处理模块的方便性和科学性。

图9 试验控制界面

图10 电机及控制器系统效率MAP图

6 结束语

此测试系统经过长时间的运行考核，系统运行稳定可靠，验证了系统设计是合理的、充分的。此系统的成功开发以及在电动汽车动力部件厂家的成功应用，解决了使用厂家试验资源短缺的问题，为各厂家提供了方便快捷的产品质量测试评价手段，提供了产品设计改进的依据，缩短了产品开发周期，提高了产品质量，有效提升了产品在国际、国内市场上的竞争力，对于促进国内电动汽车产业的发展具有十分重要的意义，有很高的推广价值。

[1]全国汽车标准化技术委员会. 电动汽车用驱动电机系统 第1部分：技术条件：GB/T 18488.1-2015[S].北京:中国标准出版社,2015.

[2]全国汽车标准化技术委员会. 电动汽车用驱动电机系统 第2部分：试验方法：GB/T 18488.1-2015[S].北京:中国标准出版社,2015.

[3]全国汽车标准化技术委员会. 电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法：GB/T 29307-2012[S].北京:中国标准出版社,2013.

[4]全国旋转电机标准化技术委员会.三相异步电动机试验方法：GB/T 1032-2012 [S].北京:中国标准出版社,2012.

[5]全国旋转电机标准化技术委员会. 三相永磁同步电动机试验方法：GB/T 22669-2008[S].北京:中国标准出版社,2009.

[6]查鸿山, 宗志坚, 蒋念东. 电动汽车动力测试平台设计及试验研究[C]//国际节能与新能源汽车创新发展论坛,2009.

[7]张方华. 双向DC-DC变换器的研究[D]. 南京:南京航空航天大学,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

阳鹏(1982—)，男，大学本科，工程师，研究方向为汽车试验设备研究与开发。E-mail:yangpeng@caeri.com.cn。