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(jī)與動力電池的動力組合會逐步從內(nèi)燃機(jī)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(jī)與動力電池的各項技術(shù)均進(jìn)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(dāng)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求，都顯得尤為重要。對于電池和其配套的電機(jī)，各機(jī)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(dá)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(kuò)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(yùn)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(fù)荷。當(dāng)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(fù)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(jìn)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(biāo)值，在工作過程中，電流會根據(jù)連接的消耗負(fù)載源的變化而進(jìn)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(biāo)值。在工作工程中，電壓會根據(jù)連接的消耗負(fù)載源的變化而進(jìn)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(biāo)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(dá)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(xué)性能估算），直到放電量損失達(dá)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(jìn)行測試；

第五，熱性能試驗：在-30到52℃的條件下，重復(fù)進(jìn)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(jī)測試平臺

3.1 電機(jī)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(jī)，有用于混動車輛的電機(jī)，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(jìn)行輸出的電機(jī)，其功率一般子啊120kW之上，最高轉(zhuǎn)速會高于15000rpm。

電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)開展測試。

第二，相對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)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(jī)的開發(fā)，需要準(zhǔn)確測量電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)是評價電機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)。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(jī)選型及機(jī)械結(jié)構(gòu)搭配

前面已經(jīng)提到過，電機(jī)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(jī)配套方案也有相應(yīng)的區(qū)別，常見的測功機(jī)選型法案有兩種，一般以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速需求進(jìn)行劃分，當(dāng)測試需求的最高轉(zhuǎn)速低于15000rpm時，選用單測功機(jī)，當(dāng)測試需求的最高轉(zhuǎn)速高于15000rpm時選用測功機(jī)加變速箱的方案。無論選用那種方案，優(yōu)缺點(diǎn)都較為突出。

選用單測功機(jī)方案時，優(yōu)點(diǎn)較為明顯在于成本更低，更小的體積和更低的養(yǎng)護(hù)成本。缺點(diǎn)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(jī)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(fēng)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(jī)加變速箱的方案的時候，其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行臺架升級的時候能夠節(jié)省投資。電機(jī)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(jī)就會過時。通過集成進(jìn)去的變速箱，客戶可以在不更換測功機(jī)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(dá)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(jī)有不同的測試需求，所有的需求都可以通過一個標(biāo)準(zhǔn)的測功機(jī)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(dāng)然這種測功機(jī)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(jī)的測試一般都是靜態(tài)工況測試。

第二，在測功機(jī)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(jī)臺架中應(yīng)用，由于實際的車輛在運(yùn)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(jī)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(fù)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(dǎo)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(zhǔn)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(jìn)行計算選擇。

4 結(jié)語

隨著各國排放法規(guī)的不斷嚴(yán)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(jìn)和功能豐富的測試平臺上開展進(jìn)行，上述的動力電池測試平臺和電機(jī)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。