纯电动汽车动力系统试验台的设计及试验研究

秦东晨，李建杰，王婷婷，程 雷

（郑州大学机械工程学院，河南 郑州 450001）

1 引言

在面对能源危机和环境污染双重压力下，电动汽车已经成为当前汽车工业发展的趋势，各国的汽车厂商也都把电动汽车作为研发的重点。动力系统试验台试验是通过模拟不同的标准工况获得试验数据，为汽车研发人员提供评价动力系统以及技术改进的依据，从而大大降低研发过程中的成本和风险[1]。为了满足不同需求，国内外学者们研究开发了不同模式的汽车动力系统试验台，如文献[2]开发了包含动力电池系统在内的电动汽车动力试验台，可对动力系统进行能量流的模拟。文献[3]提出模块化电动汽车测控系统思想，并设计了测控上位机，完成动力系统试验台硬件搭建。由于试验台可以跟随模拟实际的道路行驶状况，动力负载的变化趋势与实际道路状况基本一致，所以搭建满足要求的动力系统试验台对纯电动汽车的研发具有重要的意义。根据纯电动汽车标准工况的测试原理，将动力系统试验台进行功能模块划分，开发测控系统并集成搭建了纯电动汽车动力系统试验台。选择NEDC标准工况进行试验台的加载试验[4-5]，对试验过程中试验台输出的转速、扭矩以及动力电池系统所输出的实时电压、电流、SOC等数据进行分析，初步验证了所搭建试验台的动力性能、经济性能。

2 试验台总体方案分析与设计

参照当前市场上的纯电动汽车的参数，所搭建试验台的设计参数，如表1所示。

表1 试验台设计参数Tab.1 Design Parameters of Test Bench

根据纯电动汽车的标准工况测试原理，把纯电动动力系统试验台主要划分为主控制系统、被测驱动电机系统和负载系统、动力电池系统四大模块[6]，如图1所示。

图1 试验台拓扑图Fig.1 Topology of Test Bench

2.1 主控制系统

为了实现对试验台的功能操作和实时监控，基于工控机开发了操控系统上位机的实时监控与显示界面，如图2所示。

图2 上位机监控与显示界面Fig.2 Monitoring and Display Interface of Master Computer

同时，基于STM32开发了下位机，如图3所示。下位机把传感器监测的被测电机转速、负载电机扭矩信号实时反馈给主控机分析处理，以实现电机按照预先设定的行驶工况运行。当发现被测电机转速和负载电机转矩命令不同步时，主控系统能够通过下位机采集反馈的转速、扭矩信号，根据行驶工况实时调整所对应电机转速和变频负载电机的加载扭矩。

图3 基于STM32开发的下位机Fig.3 The Slave Computer Based on STM32

2.2 被测驱动电机系统

纯电动汽车动力驱动系统的电机要具备高的功率密度、宽的转速范围、大的启动转矩等功能以及质量轻、效率高、稳定性好等特点。当前纯电动汽车电机系统中较为常用的是直流电机、感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等几类，其中永磁同步电机以其功率密度大、峰值效率及负荷效率高等优点，在现有市场上日益受到青睐。因此动力系统试验台的驱动电机采用永磁同步电机。

根据表1中设定的最高车速Vmax，加速时间t，最大爬坡度imax这三项主要动力性能指标进行电机参数的选型计算后，确定使用某厂商生产的30kW永磁同步电机，具体参数，如表2所示。性能参数校核后满足设计要求[7]。

表2 被测电机主要技术参数Tab.2 Main Technical Parameters of Motor

2.3 负载系统

当前，国内外在纯电动汽车动力系统试验台上常采用的模拟负载设备方案主要有测功机方案、磁粉制动器方案及变频电机加载方案三种。所搭建的纯电动汽车动力系统试验台的负载模拟采取变频器控制负载电机的方案，暂不考虑汽车行驶惯量模拟部分，其中负载电机采用的是额定功率45kW的三相异步变频电机。

2.4 动力电池系统

试验台的目的是通过台架试验完成纯电动汽车动力系统的相关测试，为后续研发提供参考依据，因此对于续驶里程没有绝对的要求。在确保充分完成试验工况的条件下，综合计算后，选用当前电动汽车市场使用较多的磷酸铁锂电池，并跟某公司合作共同设计完成额定容量为66Ah的动力电池系统，主要技术参数，如表3所示。

表3 动力电池技术参数Tab.3 Technical Parameters of Power Battery

2.5 数据采集与通讯

数据采集与通讯主要通过控制局域网（CAN）总线网络实现各部件之间的信息交互，CAN 总线是一种能够有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。测控平台通过CAN 通讯网络能够实时监测电机的转速、负载电机的扭矩等工作参数，并和采集到的动力电池系统温度、电压、电流、SOC 等状态信息一起实时地显示在工作界面上[8-9]。试验台的CAN 总线网络拓扑结构，如图4所示。其中，转速/扭矩传感器型号为HCNJ-101扭矩传感器，可在试验中实时准确地测量被测电机的转速和负载电机的扭矩；CAN 通讯分析仪采用CANalyst-II CAN 通讯模块，具有防浪涌电流、抗共模干扰的特点，通道数为双通道且隔离，隔离电压2500V DC。

图4 网络拓扑结构Fig.4 Network Topology Structure

将各模块系统设计完成后，集成搭建了纯电动汽车动力系统试验台，试验台实物，如图5所示。

图5 试验台实物图Fig.5 Scene Diagram of the Test Bench

3 试验台测试原理与试验验证

3.1 测试原理

在动力系统试验台上做汽车行驶工况跟随性试验时，根据汽车行驶动力学理论将实验工况和车辆参数换算成工况所对应的被测电机“转速-时间”数据和负载电机所对应工况的“扭矩-时间”数据。具体换算过程如下。

（1）转速换算

式中：n—换算后的电机转速；V—车速；其余参数，如表1所示。

（2）扭矩换算

考虑具体试验环境及一般道路环境坡度较小，可取cosα=1，sinα≈tanα=1。

则式（3）整理可得：

式中：Fe—汽车行驶阻力；Ff、Fi、Fw、Fj—滚动阻力、爬坡阻力、空气阻力和加速阻力；g—重力加速度；ηT—换算后的负载扭矩；其余参数，如表1所示。

根据式（1）和式（4）可以得到试验需要的“转速-时间”和“扭矩-时间”数据。由于所搭建的试验台没有设置减速器或变速箱，而是将动力系统的被测电机、转速/扭矩传感器、负载电机三者是通过梅花弹性联轴器进行连接，如图6所示。因此需将加载扭矩等比例缩小并把负扭矩修改为零，最后将得到的转速、扭矩加载数据输入到操控系统中，主控计算机程序读取数据后，打开电池低、高压并启动试验台动力系统，把“转速-时间”指令发送给电机控制器，并把同步时间对应的“扭矩-时间”指令发送给变频器。电机控制器控制被测电机按照预定的转速-时间参数进行运转，同时变频器控制负载电机依照设定的扭矩-时间参数曲线进行扭矩加载，两者在时间上保持实时同步性。

图6 转速/扭矩传感器Fig.6 Speed and Torque Sensor

转速传感器监测被测电机的转速，扭矩传感器监测负载电机的扭矩，并把这些信号实时反馈给主控机，以实现电机按照预先设定的行驶工况运行。当被测电机转速和负载电机扭矩命令不同步时，下位机的数据采集系统通过实时的跟踪监测把转速/扭矩传感器采集的信息反馈给主控计算机，并根据行驶工况调整所对应电机转速和变频负载电机的加载扭矩。动力电池系统为试验台的动力系统提供能量，并通过电池管理系统（BMS）监测读取电池箱的参数变化。试验过程中实时采集的电机转速、扭矩，电池的电压、电流、SOC等数据通过CAN分析仪和下位机的串口通讯上传至主控计算机并保存，主控计算机通过开发的控制软件实时监控和显示电池系统、电机系统和负载系统的参数变化，从而实现在试验台上模拟汽车标准工况下的行驶状态，并能够计算得到相应标准工况下的动力性能、经济性能及续航里程等数据。

3.2 试验验证

本动力系统试验台的设计目的是在室内试验台架上完成对纯电动汽车行驶工况加载试验，以实现对纯电动汽车动力性能、经济性能、续驶里程等各项指标的分析。选择以NEDC循环工况为依据，初步验证试验台动力性能的可靠性。在进行NEDC标准工况的加载试验时，由于试验台没有设置变速器和车辆惯性模拟装置，需把通过NEDC工况数据换算后的加载扭矩等比例缩小并把负扭矩修改为零后得到最终的加载扭矩-时间参数。NEDC标准工况加载试验结果，如图7所示。

图7 试验结果Fig.7 Test Result

由图7（a）、图7（b）分析可知：在NEDC 工况加载试验过程中，电机实际转速与目标转速的实时偏差在（-5～5）%之间。在匀速行驶工况阶段误差较小，接近于0；在工况突然改变时，因惯性的存在，电机急停或急加速、减速时存在一定的时间延迟，导致误差较大。

由图7（c）、图7（d）分析可知：在NEDC工况加载试验过程中，负载电机目标扭矩与实际扭矩的实时偏差在（-3～5）%之间。负偏差较小原因在于加载时舍掉了负数扭矩（负扭矩改为零），误差较大处也普遍出现在工况突变情况下，与电机转速误差原因一致。

根据图7的试验结果可知试验台能够较好的实现预设转速与扭矩的加载，所搭建试验台的动力性能可靠。

同时，基于所搭建的试验台NEDC标准工况加载试验，对试验过程中试验台的动力电池系统所输出的电压、电流、SOC等数据进行分析，进一步验证所搭建试验台的经济性能。试验台进行NEDC 标准工况加载试验时动力电池的输出数据，如图8 所示。图8（a）是试验台进行NEDC标准工况加载试验时动力电池的电流变化曲线，图8（b）是动力电池的电压和SOC变化曲线。试验开始时电压为318.3V，此时电池SOC为0.93，循环结束后电压降为315.6V，此时SOC为0.86。整个试验过程中电流未出现负值（即没有能量回收）与加载时去掉负扭矩符合；SOC值成阶梯形下降原因是电池管理系统监测数值时仅保留两位小数；因设定试验负载电机功率不大，所以耗电量较少。

图8 动力电池输出数据Fig.8 Output Data of Power Battery

经计算可得，试验台进行NEDC标准工况加载试验时，整个NEDC工况能量消耗为1435.84W·h，所行驶路程为8.35km，与按加载工况算出的理论行驶路程8.40km 相差0.05km，偏差率为0.6%，可估算百公里能耗为17.2kW·h，说明所搭建纯电动汽车动力系统试验台经济性能良好。

4 结论

基于汽车行驶标准工况的测试原理，设计了各个功能模块，集成搭建了纯电动汽车动力系统试验台。以NEDC标准行驶工况进行加载试验验证，结果表明，所搭建的纯电动汽车动力系统试验台能够较好地按预设标准工况进行试验，动力性能可靠，经济性能良好。因此，所搭建的试验台可以为纯电动汽车的研发提供参考依据，同时也能为其他纯电动汽车动力系统试验台的开发提供经验。