新能源汽车性能检测实验台开发与研究

关键词：驱动电机；动力电池；性能检测

0引言

随着汽车电动化、智能化、网联化和新能源汽车的保有量的增加，对新能源汽驱动电机及动力电池的性能测试和能量回收系统的参数测试显得越来越重要[1]。驱动电机及动力电池的性能测试和能量回收系统的参数测试一直是新能源汽车维修行业的一个难点，传统的检测设备难以测量出其驱动电机的实际驱动工作时的电流、扭矩、功率以及其能量回收时的电流、扭矩、功率、转速、负荷等机械特性参数以及动力电池的电压、电流等电力性能指标[2]。因为动力电池的容量和回收性能的好坏直接影响到新能源汽车的行驶里程、驾驶体验[3]。检测新能源汽车在不同工况下表征电机功率与转矩曲线、电机转速与负荷曲线、能量回收与制动时间曲线、单体动力电池充放电曲线等，可用于职业本科教学和新能源汽车动力性、经济性和稳定性的科学研究。

1新能源汽车性能测试试验台整体设计

本研究用汽车底盘电动测功机模拟起步、加速、上坡、下坡和制动工况，实现主要性能测试和能量回收，以数据采集系统监测电池内阻、温度、SOC和电压等参数，永磁同步电机扭矩、转速、温度、电压、电流和功率等参数及能量回收性能参数[4]。

1.1新能源汽车性能测试实验台的组成

新能源汽车性能测试实验台（图1）包括动力驱动系统、能量回收系统、路面模拟系统、动力电池系统、整车综合系统。

能量回收系统包括电子控制单元ECU、双向逆变电机、动力电池，还包括驱动系统、能量回收测试系统和动力电池系统分别连接数据采集系统，数据采集系统通过CAN通讯设备连接上位机系统[5]。该测试系统通过上位机控制数据采集系统，由数据采集系统的DA模块向电子控制单元ECU发送模拟的路况信号、负荷信号、以及对双向逆变电机进行驱动控制。通过上位机数据处理系统，实时展示能量回收与行驶路况及其他相关因素的内在关系，定性定量的展示各参数间的线性关系。

1.2能量回收系统控制模块的功能特点

运行部分中的能量回收系统控制模块，是整个新能源汽车性能测试与能量回收教学实验台开发的核心。系统核心结构整体设计示意图如图2、图3所示。

能量回收系统控制模块是通过CAN总线通讯系统来监测电机转速、扭矩、回收的电压、电流及功率等，并通过监测到的相关参数决定对能量回收系统回收能量的大小。它将扭矩传感器、动力电池电压、电流、电机转速传感器统一起来，并通过CAN通讯来实现系统功能。车辆在低速行驶或停车制动时，由于道路交通情况的复杂，需要时常驻车制动，在能量回收时就需要较大的启动阻力；车辆在高速行驶时，为了保证车辆的行驶平稳，这就需要较小的行驶阻力，从而获得更大的能量回收效能。

2新能源汽车性能测试实验台检测原理

针对新能源汽车驱动电机及动力电池的相关性能参数检测和能量回收系统，研发了教学实验台，服务于新能源汽车实训项目教学，解决相关关键技术。通过本文的研发，避免检测过程中由于操作者的不确定性对测试参数的影响，也归避由实车测试而带来的不便利性。

该系统能模拟新能源汽车的起步、加速、上坡、下坡和制动工况，自主开发自动化装置对新能源汽车进行加载和驱动；实验台安装了传感器和数据采集、分析系统，可实时获取被测车辆数据；根据教学和实验项目需求，对要分析的数据进行采集、分析，并以曲线形式呈现出来，本实验台可对新能源汽车动力电池系统、能量回收系统、电机系统进行测试和分析。

根据GB/T18386—2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程实验方法》，开发了以计算机控制系统为核心的新能源汽车性能测试和能量回收系统教学实验台，根据新能源汽车性能测试和能量回收系统的结构和测试条件的要求，控制永磁同步电机系统的输入和输出端加载，用模拟负载制动器产生的制动力模拟新能源汽车能量回收系统在测试过程中受到的驱动阻力。用USB5936多功能数据采集卡采集来自各传感器的测试数据，同时利用USB2850上的一个模拟量输出通道来控制模拟负载。基于上位机系统用于读取驱动系统和加载系统的编码器信息，用于测试扭矩、角度、转速、电压、电流、负荷及功率等主要信息。

本实验台可实现的功能如下：

（1）根据实验电机、电池和控制器提供可供的交直流电源。

（2）测量动力电机的转矩、转速等机械特性参数。

（3）测量动力电机和电池的电压、电流等电力性能指标。

（4）模拟新能源汽车的起步、加速、上坡、下坡和制动工况。

（5）可进行职业本科汽车专业教学实训项目：新能源汽车动力性能检测、能量回收性能检测及新能源汽车故障诊断与排除。

3新能源汽车性能测试实验台的设计

新能源汽车性能测试实验台由下位机测试部分、上位机控制部分两部分组成（图4）。下位机测试部分包含测试滚筒、电机、联轴器、半轴、差速器等，上位机控制部分包含数据采集和驱动控制模块，上位机控制模块通过多路PCI串口通信卡、PCI-CAN双通道通信卡来驱动下位机。滚筒测试装置主要包括以下五个部份：滚筒组、电动机、联轴器、底座、线束及接插件。

系统滚筒装置模拟新能源汽车的起步、加速、上坡、下坡和制动工况，测试条件固定、操作简单、可重复性好、安全可靠以及数据采集方便。

3.1新能源汽车性能测试实验台控制策略

滚筒组与被测车辆驱动轮接触，承受传递驱动力和制动力，模拟汽车行驶时的各种工况。滚筒组由左右两对主动和从动滚筒构成，两者平行且固定在框架上。两个主滚筒中间固定一个额定功率为22kW新能源汽车原车电动机，该电动机两端用联轴器分别与两个主滚筒相连，从而保证两个主滚筒转速相同，防止测试时汽车跑偏。

主滚筒可以由电动机驱动，从而可以测试汽车的性能，也可以由汽车驱动轮驱动，主滚筒通过联轴器驱动电动机，此时电动机相当于一个发电机，从而实现能量回收功能。

3.2实验台架的加工制作

新能源汽车性能测试和能量回收系统教学实验台样机如图5所示，整体尺寸为（4600×2500×350）mm；实验台配有电控箱，放置PLC控制器、工控机、高性能嵌入式控制系统等。通过自主开发的滚筒组来模拟新能源汽车不同工况，自行开发研制了新能源汽车性能检测和能量回收系统。

实验台安装了传感器和数据采集、分析系统，可实时获取被测车辆数据；根据教学和实验项目需求，对要分析的数据进行采集、分析，并以曲线形式呈现出来。本实验台可对新能源汽车动力电池系统、能量回收系统、电机系统进行测试和分析，以达到检验能量回收效果。

系统可以模拟新能源汽车的起步、加速、上坡、下坡和制动工况，自主开发自动化装置对新能源汽车进行加载和驱动；实验台安装了传感器和数据采集、分析系统，可实时获取被测车辆数据；根据教学和实验项目需求，对要分析的数据进行采集、分析，并以曲线形式呈现出来。本实验台可对新能源汽车动力电池系统、能量回收系统、电机系统进行测试和分析。

3.3新能源汽车性能测试实验台面板设计

对新能源汽车性能测试试验台面板进行了自主设计（图6）。软件主体使用PLC开发，能在目前常见的Windows操作系统中运行。操作界面包含新能源汽车性能测试和能量回收原理图认知、实验操作设置以及数据采集等几大模块；汽车性能测试和能量回收原理图认知模块主要介绍实训台结构、原理和功能，配图文；实验操作设置模块包含：通道设置、电压值范围、结束时间、结束电压、结束电流及结束容量等；数据采集模块读取ECU充电电流等信号，并根据需要自动生成充电电流特性曲线。面板功能完整、美观，便于操作。

3.4实验台的技术要求

（1）系统组成：由运行部分、电气控制部分两部分组成。运行部分包含滚筒组、联轴器和电动机等，电气控制部分包含数据采集和驱动控制模块。

（2）系统采用原车电动机总成，使用实车测试，利用滚筒组模拟实现汽车不同的运行工况，通过配套的软件可以展示能量回收特性曲线或性能曲线，软件主体使用PLC开发，能在目前常见的Windows操作系统中运行。

（3）操作界面包含新能源汽车性能测试和能量回收原理图认知、实验操作设置、数据采集等几大模块。汽车性能测试和能量回收原理图认知模块，主要介绍实训台结构、原理和功能，配图文；实验操作设置模块，包含通道设置、电压值范围、结束时间、结束电压、结束电流和结束容量等；数据采集模块读取ECU充电电流等信号，并根据需要自动生成充电电流特性曲线。

（4）在满足功能需求的基础上，界面尽量美观、便于操作、实用性强。

4结束语

本实验装置可以方便、直观地了解新能源汽车性能测试和能量回收的工作原理。客观、真实地展现出来新能源汽车的起步、加速、上坡、下坡和制动工况，自主开发自动化装置对新能源汽车进行加载和驱动；安装了传感器和数据采集、分析系统，可实时获取被测车辆数据；本实验台可对新能源汽车动力电池系统、能量回收系统、电机系统进行测试和分析。为新能源汽车性能测试和能量回收系统的研究及教学提供了较好的支持。