新能源汽車性能檢測實驗臺開發與研究

關鍵詞：驅動電機；動力電池；性能檢測

0引言

隨著汽車電動化、智能化、網聯化和新能源汽車的保有量的增加，對新能源汽驅動電機及動力電池的性能測試和能量回收系統的參數測試顯得越來越重要[1]。驅動電機及動力電池的性能測試和能量回收系統的參數測試一直是新能源汽車維修行業的一個難點，傳統的檢測設備難以測量出其驅動電機的實際驅動工作時的電流、扭矩、功率以及其能量回收時的電流、扭矩、功率、轉速、負荷等機械特性參數以及動力電池的電壓、電流等電力性能指標[2]。因為動力電池的容量和回收性能的好壞直接影響到新能源汽車的行駛里程、駕駛體驗[3]。檢測新能源汽車在不同工況下表征電機功率與轉矩曲線、電機轉速與負荷曲線、能量回收與制動時間曲線、單體動力電池充放電曲線等，可用于職業本科教學和新能源汽車動力性、經濟性和穩定性的科學研究。

1新能源汽車性能測試試驗臺整體設計

本研究用汽車底盤電動測功機模擬起步、加速、上坡、下坡和制動工況，實現主要性能測試和能量回收，以數據采集系統監測電池內阻、溫度、SOC和電壓等參數，永磁同步電機扭矩、轉速、溫度、電壓、電流和功率等參數及能量回收性能參數[4]。

1.1新能源汽車性能測試實驗臺的組成

新能源汽車性能測試實驗臺（圖1）包括動力驅動系統、能量回收系統、路面模擬系統、動力電池系統、整車綜合系統。

能量回收系統包括電子控制單元ECU、雙向逆變電機、動力電池，還包括驅動系統、能量回收測試系統和動力電池系統分別連接數據采集系統，數據采集系統通過CAN通訊設備連接上位機系統[5]。該測試系統通過上位機控制數據采集系統，由數據采集系統的DA模塊向電子控制單元ECU發送模擬的路況信號、負荷信號、以及對雙向逆變電機進行驅動控制。通過上位機數據處理系統，實時展示能量回收與行駛路況及其他相關因素的內在關系，定性定量的展示各參數間的線性關系。

1.2能量回收系統控制模塊的功能特點

運行部分中的能量回收系統控制模塊，是整個新能源汽車性能測試與能量回收教學實驗臺開發的核心。系統核心結構整體設計示意圖如圖2、圖3所示。

能量回收系統控制模塊是通過CAN總線通訊系統來監測電機轉速、扭矩、回收的電壓、電流及功率等，并通過監測到的相關參數決定對能量回收系統回收能量的大小。它將扭矩傳感器、動力電池電壓、電流、電機轉速傳感器統一起來，并通過CAN通訊來實現系統功能。車輛在低速行駛或停車制動時，由于道路交通情況的復雜，需要時常駐車制動，在能量回收時就需要較大的啟動阻力；車輛在高速行駛時，為了保證車輛的行駛平穩，這就需要較小的行駛阻力，從而獲得更大的能量回收效能。

2新能源汽車性能測試實驗臺檢測原理

針對新能源汽車驅動電機及動力電池的相關性能參數檢測和能量回收系統，研發了教學實驗臺，服務于新能源汽車實訓項目教學，解決相關關鍵技術。通過本文的研發，避免檢測過程中由于操作者的不確定性對測試參數的影響，也歸避由實車測試而帶來的不便利性。

該系統能模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動工況，自主開發自動化裝置對新能源汽車進行加載和驅動；實驗臺安裝了傳感器和數據采集、分析系統，可實時獲取被測車輛數據；根據教學和實驗項目需求，對要分析的數據進行采集、分析，并以曲線形式呈現出來，本實驗臺可對新能源汽車動力電池系統、能量回收系統、電機系統進行測試和分析。

根據GB/T18386—2005《電動汽車能量消耗率和續駛里程實驗方法》，開發了以計算機控制系統為核心的新能源汽車性能測試和能量回收系統教學實驗臺，根據新能源汽車性能測試和能量回收系統的結構和測試條件的要求，控制永磁同步電機系統的輸入和輸出端加載，用模擬負載制動器產生的制動力模擬新能源汽車能量回收系統在測試過程中受到的驅動阻力。用USB5936多功能數據采集卡采集來自各傳感器的測試數據，同時利用USB2850上的一個模擬量輸出通道來控制模擬負載。基于上位機系統用于讀取驅動系統和加載系統的編碼器信息，用于測試扭矩、角度、轉速、電壓、電流、負荷及功率等主要信息。

本實驗臺可實現的功能如下：

（1）根據實驗電機、電池和控制器提供可供的交直流電源。

（2）測量動力電機的轉矩、轉速等機械特性參數。

（3）測量動力電機和電池的電壓、電流等電力性能指標。

（4）模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動工況。

（5）可進行職業本科汽車專業教學實訓項目：新能源汽車動力性能檢測、能量回收性能檢測及新能源汽車故障診斷與排除。

3新能源汽車性能測試實驗臺的設計

新能源汽車性能測試實驗臺由下位機測試部分、上位機控制部分兩部分組成（圖4）。下位機測試部分包含測試滾筒、電機、聯軸器、半軸、差速器等，上位機控制部分包含數據采集和驅動控制模塊，上位機控制模塊通過多路PCI串口通信卡、PCI-CAN雙通道通信卡來驅動下位機。滾筒測試裝置主要包括以下五個部份：滾筒組、電動機、聯軸器、底座、線束及接插件。

系統滾筒裝置模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動工況，測試條件固定、操作簡單、可重復性好、安全可靠以及數據采集方便。

3.1新能源汽車性能測試實驗臺控制策略

滾筒組與被測車輛驅動輪接觸，承受傳遞驅動力和制動力，模擬汽車行駛時的各種工況。滾筒組由左右兩對主動和從動滾筒構成，兩者平行且固定在框架上。兩個主滾筒中間固定一個額定功率為22kW新能源汽車原車電動機，該電動機兩端用聯軸器分別與兩個主滾筒相連，從而保證兩個主滾筒轉速相同，防止測試時汽車跑偏。

主滾筒可以由電動機驅動，從而可以測試汽車的性能，也可以由汽車驅動輪驅動，主滾筒通過聯軸器驅動電動機，此時電動機相當于一個發電機，從而實現能量回收功能。

3.2實驗臺架的加工制作

新能源汽車性能測試和能量回收系統教學實驗臺樣機如圖5所示，整體尺寸為（4600×2500×350）mm；實驗臺配有電控箱，放置PLC控制器、工控機、高性能嵌入式控制系統等。通過自主開發的滾筒組來模擬新能源汽車不同工況，自行開發研制了新能源汽車性能檢測和能量回收系統。

實驗臺安裝了傳感器和數據采集、分析系統，可實時獲取被測車輛數據；根據教學和實驗項目需求，對要分析的數據進行采集、分析，并以曲線形式呈現出來。本實驗臺可對新能源汽車動力電池系統、能量回收系統、電機系統進行測試和分析，以達到檢驗能量回收效果。

系統可以模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動工況，自主開發自動化裝置對新能源汽車進行加載和驅動；實驗臺安裝了傳感器和數據采集、分析系統，可實時獲取被測車輛數據；根據教學和實驗項目需求，對要分析的數據進行采集、分析，并以曲線形式呈現出來。本實驗臺可對新能源汽車動力電池系統、能量回收系統、電機系統進行測試和分析。

3.3新能源汽車性能測試實驗臺面板設計

對新能源汽車性能測試試驗臺面板進行了自主設計（圖6）。軟件主體使用PLC開發，能在目前常見的Windows操作系統中運行。操作界面包含新能源汽車性能測試和能量回收原理圖認知、實驗操作設置以及數據采集等幾大模塊；汽車性能測試和能量回收原理圖認知模塊主要介紹實訓臺結構、原理和功能，配圖文；實驗操作設置模塊包含：通道設置、電壓值范圍、結束時間、結束電壓、結束電流及結束容量等；數據采集模塊讀取ECU充電電流等信號，并根據需要自動生成充電電流特性曲線。面板功能完整、美觀，便于操作。

3.4實驗臺的技術要求

（1）系統組成：由運行部分、電氣控制部分兩部分組成。運行部分包含滾筒組、聯軸器和電動機等，電氣控制部分包含數據采集和驅動控制模塊。

（2）系統采用原車電動機總成，使用實車測試，利用滾筒組模擬實現汽車不同的運行工況，通過配套的軟件可以展示能量回收特性曲線或性能曲線，軟件主體使用PLC開發，能在目前常見的Windows操作系統中運行。

（3）操作界面包含新能源汽車性能測試和能量回收原理圖認知、實驗操作設置、數據采集等幾大模塊。汽車性能測試和能量回收原理圖認知模塊，主要介紹實訓臺結構、原理和功能，配圖文；實驗操作設置模塊，包含通道設置、電壓值范圍、結束時間、結束電壓、結束電流和結束容量等；數據采集模塊讀取ECU充電電流等信號，并根據需要自動生成充電電流特性曲線。

（4）在滿足功能需求的基礎上，界面盡量美觀、便于操作、實用性強。

4結束語

本實驗裝置可以方便、直觀地了解新能源汽車性能測試和能量回收的工作原理。客觀、真實地展現出來新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動工況，自主開發自動化裝置對新能源汽車進行加載和驅動；安裝了傳感器和數據采集、分析系統，可實時獲取被測車輛數據；本實驗臺可對新能源汽車動力電池系統、能量回收系統、電機系統進行測試和分析。為新能源汽車性能測試和能量回收系統的研究及教學提供了較好的支持。