新能源汽車動力總成系統(tǒng)測試平臺概述

成哲

李斯特技術(shù)中心（天津）有限公司 天津市 300462

1 引言

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電機與動力電池的動力組合會逐步從內(nèi)燃機協(xié)同工作的混動模式發(fā)展為完全替代傳統(tǒng)燃油動力系統(tǒng)的純電動模式，目前電機與動力電池的各項技術(shù)均進入了快速發(fā)展期。動力電池作為傳統(tǒng)燃料的替代能量源，歷經(jīng)前后三代的發(fā)展，各項性能已經(jīng)得到了很大的提升，當然對于它的性能、安全還有穩(wěn)定性要求還在不斷提高。

動力電池與電機作為新能源汽車的動力總成構(gòu)成部件，對于其的性能和安全測試作為開發(fā)階段最后的把關(guān)環(huán)節(jié)，同時也作為標準法規(guī)的要求，都顯得尤為重要。對于電池和其配套的電機，各機構(gòu)均有都有了較為完備的臺架測試設(shè)備和測試方法來滿足性能測試要求。

2 動力電池測試平臺

2.1 動力電池臺架構(gòu)成

目前，市面上的電池測試臺架在物理層面上一般由測試間，公用設(shè)備間和操作間組成。一般測試間中包含多個環(huán)境溫度倉，并集成有多個安全系統(tǒng)，包含排煙系統(tǒng)，氣體感應(yīng)系統(tǒng)，火警檢測系統(tǒng)，火警安防系統(tǒng)。需要特別說明的是，動力電池的性能變化對于溫度具有高度的敏感性，所以電池的測試間一般是環(huán)境倉，可以根據(jù)測試需求調(diào)節(jié)溫度和濕度來達到測試需求。

2.2 動力電池測試設(shè)備

目前市面上有多種動力電池的測試設(shè)備，工作原理與性能相近，這里以AVLEstorage 設(shè)備系統(tǒng)為例進行說明，該系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場景不同有多個功率版本。AVL-Estorage測試系統(tǒng)可以和臺架聯(lián)合起來作多個用途：

第一，作為電機的直流電供給源設(shè)備和逆變器系統(tǒng)；

第二，用于測試電機和逆變器系統(tǒng)；

第三，用于測試電池，燃料電池和超級電容器；

AVL-Estorage能量單元是一個可以作為電機直流能量源和逆變器系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以被擴展為一個可以模擬車輛中能量存儲單元真實行為的模擬系統(tǒng)，同時還可以完全作為一個電池測試系統(tǒng)的解決方案。

在運行期間，AVL-Estorage作為源和匯（對應(yīng)著電池的放電和充電）之間的過渡是自動實現(xiàn)的。這個控制模式僅僅會影響AVLEstorage的直流輸出負荷。當電流大于零時（或者說電流是正值時），AVL-Estorage是作為源，也就是提供能量的的；電流小于零時（或者說電流是負值時），AVL-Estorage是作為匯，也就是用來吸收能量的。

AVL-Estorage測試系統(tǒng)可以有三種工作模式，可以根據(jù)測試需求進行切換和選定，三種模式包括：

第一，電壓調(diào)節(jié)：電壓的調(diào)節(jié)會跟隨一個動態(tài)預(yù)設(shè)的電壓目標值，在工作過程中，電流會根據(jù)連接的消耗負載源的變化而進行變化；

第二，電流調(diào)節(jié)：電流的調(diào)節(jié)會跟隨一個動態(tài)預(yù)設(shè)的電流目標值。在工作工程中，電壓會根據(jù)連接的消耗負載源的變化而進行變化；

第三，功率調(diào)節(jié)：通過電流的調(diào)節(jié)來使瞬時的功率（電壓和電流的乘積）跟隨一個動態(tài)設(shè)定的目標值。

2.3 動力電池的性能測試內(nèi)容

采用上述測試設(shè)備，可以開展對于動力電池的性能測試，主要包含如下測試項目：

第一，靜態(tài)容量測試：恒電流放電直到達到截止電壓；

第二，功率測試：恒功率放電或者混動功率脈沖放電；

第三，自身放電測試：在30攝氏度的恒溫條件下預(yù)估天數(shù)的放電（由化學性能估算），直到放電量損失達到5%以上；

第四，冷沖擊測試：在-30攝氏度的條件下，在每次間隔10s的條件下，用周期為2s的三個7kw脈沖進行測試；

第五，熱性能試驗：在-30到52℃的條件下，重復進行上述試驗1到試驗4；

第六，能量效率試驗：充電平衡脈沖配置來計算能量效率1 0 0次（3KW/3s,27KW/52s,-3.2KW/2s,-18KW/33s）；

第七，電池壽命測試（Life test）：包括持續(xù)充電循環(huán)周期生命測試，消耗充電循環(huán)深度測試，聯(lián)合循環(huán)測試以及生命周期測試四個部分。

3 電機測試平臺

3.1 電機測試臺架布局和結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段的新能源車輛上配備的電機，有用于混動車輛的電機，例如功率較小的BSG/ISG,其功率一般在10KW～40KW之間，轉(zhuǎn)速低于8000rpm，也有直接作為全部動力源在軸系進行輸出的電機，其功率一般子啊120kW之上，最高轉(zhuǎn)速會高于15000rpm。

電機作為直接的動力輸出源或者動力輸出的一部分，測試臺架的搭建形式與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機臺架相類似，特殊部分有兩個方面：

第一，在整個測試過程中環(huán)境溫度對于電機的工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的影響，并且試驗過程中會針對溫度因素和環(huán)境因素這兩個方面的影響對電機開展測試。

第二，相對于傳統(tǒng)發(fā)動機臺架外圍測量儀器設(shè)備和邊界條件控制設(shè)備會減少，但特別要增加的是功率分析儀，尤其對于汽車高效電機的開發(fā)，需要準確測量電機的功率、效率以及變流器的諧波。之所以要用到功率分析儀，很大一部分原因來源于空載時的功率測量，空載情況下功率因數(shù)很小，而此時輸入功率一般就是設(shè)備的基本損耗來源，而低功率因數(shù)下的電機工作狀態(tài)是評價電機的重要技術(shù)指標。此外，功率分析儀能夠同時測量整流器前后的直流電功率和交流電功率，這樣就可以實時計算出整流器的效率。

3.2 測功機選型及機械結(jié)構(gòu)搭配

前面已經(jīng)提到過，電機由于用途不同相應(yīng)的功率大小也不同，與之相對應(yīng)的測功機配套方案也有相應(yīng)的區(qū)別，常見的測功機選型法案有兩種，一般以測量電機的轉(zhuǎn)速需求進行劃分，當測試需求的最高轉(zhuǎn)速低于15000rpm時，選用單測功機，當測試需求的最高轉(zhuǎn)速高于15000rpm時選用測功機加變速箱的方案。無論選用那種方案，優(yōu)缺點都較為突出。

選用單測功機方案時，優(yōu)點較為明顯在于成本更低，更小的體積和更低的養(yǎng)護成本。缺點包含以下幾個方面：

第一，在接近需要15000rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間，高動態(tài)的測功機需要特殊冷卻方法；

第二，靈活性較低，幾乎沒有升級的可行性，對于后期高于15000rpm的測試需求，升級成本和風險均會很高；

第三，由于滾子的波動，對于在低轉(zhuǎn)速區(qū)間和接近15000rpm的高轉(zhuǎn)速區(qū)間控制精度不是很高；

選用測功機加變速箱的方案的時候，其優(yōu)點在于：

第一，通過使用經(jīng)過驗證的部件，能夠滿足高于15000rpm的測量需求；

第二，在進行臺架升級的時候能夠節(jié)省投資。電機的測試市場變化非常快，同一個客戶可能在非常短的時間內(nèi)，最初選擇的電機就會過時。通過集成進去的變速箱，客戶可以在不更換測功機和電柜的前提下，就可以通過升級變速箱或者采用不同傳動比，即可達到低扭高速或者低速高扭的工作狀態(tài)；

第三，好的靈活性和好的性能表現(xiàn)。市場上不同類型的電機有不同的測試需求，所有的需求都可以通過一個標準的測功機加一個傳動比優(yōu)化的行星齒輪變速箱的低成本方案實現(xiàn)。

當然這種測功機加變速箱的方案也有不好的一面：

第一，在動態(tài)測試的過程中，變速箱的行星齒輪會有齒隙，不過目前大多數(shù)電機的測試一般都是靜態(tài)工況測試。

第二，在測功機低轉(zhuǎn)速輸出但變速箱高轉(zhuǎn)速輸出的情況下，輸出轉(zhuǎn)速的控制會比較差，這是由于行星齒輪變速箱的多個齒輪多組系數(shù)造成的，不過這可以通過采用非行星齒輪變速箱實現(xiàn)，也就是采用兩個速度輸出軸（一根低速輸出軸加一根高速輸出軸）。

3.3 電池模擬器

上述已經(jīng)提到電池測試設(shè)備的另一項重要功能即是作為電池模擬器在電機臺架中應(yīng)用，由于實際的車輛在運行過程中動力的充放電狀態(tài)會隨著剩余電量，工作溫度和工作電流幾大因素的影響時刻發(fā)生變化，所以在實際使用過程中需要采用電池模擬器來根據(jù)要求模擬電池工作來為電機提供能量。對于高配版本的模擬器設(shè)備其一般含有電池模型模塊，由于電池模型的存在，我們能夠集成額外的電池模型和通過CAN模擬一個BMS系統(tǒng)。電池模型可以根據(jù)需求分為理想模型，基本模型和高級模型。

在最為簡化的理想模型中，一個電池可以被視為一個有理想內(nèi)阻R0的理想電壓源U0。在這樣的電池模型中，電池電壓會隨著電流負荷的增大而增大，這是因為電池內(nèi)阻兩端的電壓降增大導致的，但這樣基本的模型對于電壓變化的過程的模擬不夠準確。

為了模擬出理想的電池電壓的變化，設(shè)備需要采用高級電池模型。在高級電池模型中，為了模擬出電池在電流變化時實際壓降的緩慢變化過程，可以用兩級電容器并聯(lián)電阻的方法來實現(xiàn)，對于電容容抗和電阻阻抗的選擇可以參照阻抗邁譜進行計算選擇。

4 結(jié)語

隨著各國排放法規(guī)的不斷嚴苛和對于禁售傳統(tǒng)燃油車法令的相繼出臺，各車企對于新能源車輛動力系統(tǒng)的研究投入會不斷加大，相應(yīng)的研究測試和驗證測試作為動力開發(fā)系統(tǒng)過程中的必經(jīng)一環(huán)，需要在先進和功能豐富的測試平臺上開展進行，上述的動力電池測試平臺和電機測試平臺在功能上已經(jīng)比較成熟，但相信其也會隨著新能源技術(shù)的革新變得更加完善。