新能源汽车动力总成系统测试平台概述

成哲

李斯特技术中心（天津）有限公司 天津市 300462

1 引言

随着新能源汽车行业的快速发展，电机与动力电池的动力组合会逐步从内燃机协同工作的混动模式发展为完全替代传统燃油动力系统的纯电动模式，目前电机与动力电池的各项技术均进入了快速发展期。动力电池作为传统燃料的替代能量源，历经前后三代的发展，各项性能已经得到了很大的提升，当然对于它的性能、安全还有稳定性要求还在不断提高。

动力电池与电机作为新能源汽车的动力总成构成部件，对于其的性能和安全测试作为开发阶段最后的把关环节，同时也作为标准法规的要求，都显得尤为重要。对于电池和其配套的电机，各机构均有都有了较为完备的台架测试设备和测试方法来满足性能测试要求。

2 动力电池测试平台

2.1 动力电池台架构成

目前，市面上的电池测试台架在物理层面上一般由测试间，公用设备间和操作间组成。一般测试间中包含多个环境温度仓，并集成有多个安全系统，包含排烟系统，气体感应系统，火警检测系统，火警安防系统。需要特别说明的是，动力电池的性能变化对于温度具有高度的敏感性，所以电池的测试间一般是环境仓，可以根据测试需求调节温度和湿度来达到测试需求。

2.2 动力电池测试设备

目前市面上有多种动力电池的测试设备，工作原理与性能相近，这里以AVLEstorage 设备系统为例进行说明，该系统根据应用场景不同有多个功率版本。AVL-Estorage测试系统可以和台架联合起来作多个用途：

第一，作为电机的直流电供给源设备和逆变器系统；

第二，用于测试电机和逆变器系统；

第三，用于测试电池，燃料电池和超级电容器；

AVL-Estorage能量单元是一个可以作为电机直流能量源和逆变器系统的基础系统。这个系统可以被扩展为一个可以模拟车辆中能量存储单元真实行为的模拟系统，同时还可以完全作为一个电池测试系统的解决方案。

在运行期间，AVL-Estorage作为源和汇（对应着电池的放电和充电）之间的过渡是自动实现的。这个控制模式仅仅会影响AVLEstorage的直流输出负荷。当电流大于零时（或者说电流是正值时），AVL-Estorage是作为源，也就是提供能量的的；电流小于零时（或者说电流是负值时），AVL-Estorage是作为汇，也就是用来吸收能量的。

AVL-Estorage测试系统可以有三种工作模式，可以根据测试需求进行切换和选定，三种模式包括：

第一，电压调节：电压的调节会跟随一个动态预设的电压目标值，在工作过程中，电流会根据连接的消耗负载源的变化而进行变化；

第二，电流调节：电流的调节会跟随一个动态预设的电流目标值。在工作工程中，电压会根据连接的消耗负载源的变化而进行变化；

第三，功率调节：通过电流的调节来使瞬时的功率（电压和电流的乘积）跟随一个动态设定的目标值。

2.3 动力电池的性能测试内容

采用上述测试设备，可以开展对于动力电池的性能测试，主要包含如下测试项目：

第一，静态容量测试：恒电流放电直到达到截止电压；

第二，功率测试：恒功率放电或者混动功率脉冲放电；

第三，自身放电测试：在30摄氏度的恒温条件下预估天数的放电（由化学性能估算），直到放电量损失达到5%以上；

第四，冷冲击测试：在-30摄氏度的条件下，在每次间隔10s的条件下，用周期为2s的三个7kw脉冲进行测试；

第五，热性能试验：在-30到52℃的条件下，重复进行上述试验1到试验4；

第六，能量效率试验：充电平衡脉冲配置来计算能量效率1 0 0次（3KW/3s,27KW/52s,-3.2KW/2s,-18KW/33s）；

第七，电池寿命测试（Life test）：包括持续充电循环周期生命测试，消耗充电循环深度测试，联合循环测试以及生命周期测试四个部分。

3 电机测试平台

3.1 电机测试台架布局和结构

现阶段的新能源车辆上配备的电机，有用于混动车辆的电机，例如功率较小的BSG/ISG,其功率一般在10KW～40KW之间，转速低于8000rpm，也有直接作为全部动力源在轴系进行输出的电机，其功率一般子啊120kW之上，最高转速会高于15000rpm。

电机作为直接的动力输出源或者动力输出的一部分，测试台架的搭建形式与传统的内燃机台架相类似，特殊部分有两个方面：

第一，在整个测试过程中环境温度对于电机的工作状态有着至关重要的影响，并且试验过程中会针对温度因素和环境因素这两个方面的影响对电机开展测试。

第二，相对于传统发动机台架外围测量仪器设备和边界条件控制设备会减少，但特别要增加的是功率分析仪，尤其对于汽车高效电机的开发，需要准确测量电机的功率、效率以及变流器的谐波。之所以要用到功率分析仪，很大一部分原因来源于空载时的功率测量，空载情况下功率因数很小，而此时输入功率一般就是设备的基本损耗来源，而低功率因数下的电机工作状态是评价电机的重要技术指标。此外，功率分析仪能够同时测量整流器前后的直流电功率和交流电功率，这样就可以实时计算出整流器的效率。

3.2 测功机选型及机械结构搭配

前面已经提到过，电机由于用途不同相应的功率大小也不同，与之相对应的测功机配套方案也有相应的区别，常见的测功机选型法案有两种，一般以测量电机的转速需求进行划分，当测试需求的最高转速低于15000rpm时，选用单测功机，当测试需求的最高转速高于15000rpm时选用测功机加变速箱的方案。无论选用那种方案，优缺点都较为突出。

选用单测功机方案时，优点较为明显在于成本更低，更小的体积和更低的养护成本。缺点包含以下几个方面：

第一，在接近需要15000rpm转速区间，高动态的测功机需要特殊冷却方法；

第二，灵活性较低，几乎没有升级的可行性，对于后期高于15000rpm的测试需求，升级成本和风险均会很高；

第三，由于滚子的波动，对于在低转速区间和接近15000rpm的高转速区间控制精度不是很高；

选用测功机加变速箱的方案的时候，其优点在于：

第一，通过使用经过验证的部件，能够满足高于15000rpm的测量需求；

第二，在进行台架升级的时候能够节省投资。电机的测试市场变化非常快，同一个客户可能在非常短的时间内，最初选择的电机就会过时。通过集成进去的变速箱，客户可以在不更换测功机和电柜的前提下，就可以通过升级变速箱或者采用不同传动比，即可达到低扭高速或者低速高扭的工作状态；

第三，好的灵活性和好的性能表现。市场上不同类型的电机有不同的测试需求，所有的需求都可以通过一个标准的测功机加一个传动比优化的行星齿轮变速箱的低成本方案实现。

当然这种测功机加变速箱的方案也有不好的一面：

第一，在动态测试的过程中，变速箱的行星齿轮会有齿隙，不过目前大多数电机的测试一般都是静态工况测试。

第二，在测功机低转速输出但变速箱高转速输出的情况下，输出转速的控制会比较差，这是由于行星齿轮变速箱的多个齿轮多组系数造成的，不过这可以通过采用非行星齿轮变速箱实现，也就是采用两个速度输出轴（一根低速输出轴加一根高速输出轴）。

3.3 电池模拟器

上述已经提到电池测试设备的另一项重要功能即是作为电池模拟器在电机台架中应用，由于实际的车辆在运行过程中动力的充放电状态会随着剩余电量，工作温度和工作电流几大因素的影响时刻发生变化，所以在实际使用过程中需要采用电池模拟器来根据要求模拟电池工作来为电机提供能量。对于高配版本的模拟器设备其一般含有电池模型模块，由于电池模型的存在，我们能够集成额外的电池模型和通过CAN模拟一个BMS系统。电池模型可以根据需求分为理想模型，基本模型和高级模型。

在最为简化的理想模型中，一个电池可以被视为一个有理想内阻R0的理想电压源U0。在这样的电池模型中，电池电压会随着电流负荷的增大而增大，这是因为电池内阻两端的电压降增大导致的，但这样基本的模型对于电压变化的过程的模拟不够准确。

为了模拟出理想的电池电压的变化，设备需要采用高级电池模型。在高级电池模型中，为了模拟出电池在电流变化时实际压降的缓慢变化过程，可以用两级电容器并联电阻的方法来实现，对于电容容抗和电阻阻抗的选择可以参照阻抗迈谱进行计算选择。

4 结语

随着各国排放法规的不断严苛和对于禁售传统燃油车法令的相继出台，各车企对于新能源车辆动力系统的研究投入会不断加大，相应的研究测试和验证测试作为动力开发系统过程中的必经一环，需要在先进和功能丰富的测试平台上开展进行，上述的动力电池测试平台和电机测试平台在功能上已经比较成熟，但相信其也会随着新能源技术的革新变得更加完善。