新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目，均需要依托試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展，本章重點(diǎn)圍繞臺(tái)架試驗(yàn)介紹這兩大系統(tǒng)與整車性能強(qiáng)相關(guān)的一些特性參數(shù)試驗(yàn)方法， 如驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)和動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)等。

概 述

我國(guó)新能源汽車已經(jīng)進(jìn)入成長(zhǎng)期，其零部件關(guān)鍵技術(shù)如驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)、動(dòng)力電池技術(shù) 等已經(jīng)處于世界前列。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)高度集成化，功率密度性能顯著提升，成本大幅降低。動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度由 2010 年的 80W·h/kg 提升至 2022 年的 180W·h/kg 以上。同時(shí)， 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)也不斷完善。2005—2022 年，與動(dòng)力電池系統(tǒng)相關(guān)的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)27 項(xiàng)，涉及鋰電池、燃料電池、鋅空氣電池、電池管理系統(tǒng)和電池回收利用等各方面。

依據(jù) GB/T 18488.2—2015《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第 2 部分：試驗(yàn)方法》規(guī)定， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)包括一般性試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、輸入輸出特性試驗(yàn)、安全性試驗(yàn)、環(huán)境適 應(yīng)性試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。其中輸入輸出特性試驗(yàn)測(cè)定的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，直接影 響整車加速性能、爬坡能力、最高車速和能耗等性能，尤為重要。

動(dòng)力電池系統(tǒng)試驗(yàn)包括電性能試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和安全試驗(yàn)，涉及的主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 31484—2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》、GB/T 31486— 2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》和 GB  38031—2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》。電性能中的放電能量影響整車的續(xù)駛里程，放電功率影響整車的動(dòng)力性。新能源汽車在使用過(guò)程中，動(dòng)力電池的額定能量會(huì)持續(xù)衰減，壽命試驗(yàn)可以驗(yàn)證衰減 速率是否滿足要求。當(dāng)前新能源汽車的安全事故多與動(dòng)力電池系統(tǒng)有關(guān)，動(dòng)力電池系統(tǒng)安 全是整車安全的基礎(chǔ)。

 

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車重要的能量轉(zhuǎn)換單元，是實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng) 的關(guān)鍵。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器等。結(jié)合我國(guó)稀土 資源優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)車企普遍采用三相交流永磁同步電機(jī)，由控制器將 動(dòng)力電池直流電逆變成交流電供其輸入。該電驅(qū)系統(tǒng)具有體積小、效率 高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù) GB/T 18488.2—2015，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)分為 6 大類 27 小項(xiàng)。轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)是表征電機(jī)關(guān)鍵特性的重要試驗(yàn)，本節(jié)以此為例進(jìn)行介紹。

一、試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)主要在臺(tái)架上進(jìn)行，典型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架如圖 5-1 所示，主要由測(cè)功機(jī)、動(dòng)力直流電源、電功率分析儀和冷卻系統(tǒng)等組成。其通過(guò)專用計(jì)算機(jī)控制各部件運(yùn)行，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等參數(shù)。

圖 5-1   典型驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

①—母線正極 ②—母線負(fù)極 ③—母線電壓、電流采集 ④—U 相 ⑤—V 相 ⑥—W 相 ⑦—三相線電壓、電流采集 ⑧—轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)采集

測(cè)功機(jī)系統(tǒng)類似一個(gè)閉環(huán)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，包括測(cè)功機(jī)（主要是電機(jī)）、變頻柜、傳 感器、操控系統(tǒng)等，主要功能是為被測(cè)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力或負(fù)載等。動(dòng)力直流電源為被測(cè)驅(qū) 動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)直流電源，根據(jù)試驗(yàn)需求提供可變的電壓和電流。電功率分析儀同步 測(cè)量各相電壓電流信號(hào)，以及測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號(hào)（一般為頻率或電壓信號(hào)）并計(jì)算控 制器的輸入和輸出功率，結(jié)果輸出到臺(tái)架數(shù)采。冷卻系統(tǒng)控制冷卻液循環(huán)的溫度與流量， 冷卻液依次進(jìn)入電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后返回冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻及再循環(huán)。某企業(yè)驅(qū) 動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 5-1。

表 5-1 某企業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架主要技術(shù)參數(shù)

序號(hào)設(shè)備名稱主要技術(shù)參數(shù)1測(cè)功機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：933.5N·m ；額定轉(zhuǎn)矩：280N·m 最大轉(zhuǎn)速：16000r/min ；額定轉(zhuǎn)速：4500r/min 額定功率：132kW2動(dòng)力直流電源峰值功率：200kW ；峰值電流：667A電壓范圍：24 ~ 800V ；電壓精度：≤ 0.1% 量程

序號(hào)設(shè)備名稱主要技術(shù)參數(shù)3電功率分析儀電壓采集范圍：15 ~ 1000V ；精度：0.01% 讀數(shù)電流傳感器采集范圍：0 ~ 600A ；精度：0.01% 讀數(shù)4冷卻系統(tǒng)冷卻能力：20kW ；控制范圍：50 ~ 120℃ ；控制精度：±1℃ 流量范圍：2 ~ 40L/min ；流量精度：±0.5L/min

二、轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)

轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)是測(cè)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)矩下的工作特性是否滿足產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定。一般情況下，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x定測(cè)量點(diǎn)和設(shè)置邊界條件。如峰值 轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)，產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定某電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為 200N·m，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 3000r/min， 持續(xù)工作 30s，試驗(yàn)就是驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能否按照該工作點(diǎn)工作相應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)。再如最高工作轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，試驗(yàn)就是驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能否按產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定最高工作轉(zhuǎn)速持續(xù)工 作 3min。下面以驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率試驗(yàn)為例介紹轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)方法。

1、試驗(yàn)準(zhǔn)備

檢查被測(cè)樣品。外觀完好，無(wú)銹蝕，緊固件連接牢固。分別測(cè)量電機(jī)定子繞組對(duì)殼體的絕緣電阻和電機(jī)控制器對(duì)殼體的絕緣電阻。

搭建試驗(yàn)臺(tái)架。按圖 5-1 所示搭建好試驗(yàn)臺(tái)架，調(diào)試傳感器及設(shè)備。設(shè)置冷卻系統(tǒng)進(jìn)水口溫度和流量。為保證測(cè)量的精度，控制器輸入端的電流、電壓測(cè)量點(diǎn)應(yīng)靠近控制器接 線端子處；驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩測(cè)量點(diǎn)應(yīng)直接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸端。

2、試驗(yàn)執(zhí)行

選取測(cè)試點(diǎn)，包括選取電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試點(diǎn)和轉(zhuǎn)矩測(cè)試點(diǎn)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率試驗(yàn)， 測(cè)試點(diǎn)越多，測(cè)試結(jié)果越準(zhǔn)確，一般按以下規(guī)則選取測(cè)試點(diǎn)：轉(zhuǎn)速點(diǎn)的選取要求在驅(qū)動(dòng)電 機(jī)系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不少于 10 個(gè)，最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)不大于最高工作轉(zhuǎn)速的 10%，相鄰轉(zhuǎn)速點(diǎn)間隔不大于最高工作轉(zhuǎn)速的 10%，還應(yīng)包括額定工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)、最高工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)、持續(xù)功率對(duì)應(yīng)的最低工作轉(zhuǎn)速點(diǎn)等；轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的選取要求每個(gè)中低轉(zhuǎn)速點(diǎn)不少于 10 個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，每個(gè)高速轉(zhuǎn)速點(diǎn)不少于 5 個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，還應(yīng)包括持續(xù)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、峰值轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、持續(xù)功率曲線上的點(diǎn)、峰值功率曲線上的點(diǎn)等。

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓設(shè)定為額定電壓。用計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)按照選 定的測(cè)試點(diǎn)依此測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)穩(wěn)定工作5s，記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓、電流， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相電壓、相電流、頻率和電功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和機(jī)械功率。

試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)防止被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)過(guò)熱而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，必要時(shí)，試驗(yàn)可以分段測(cè)量。

3、試驗(yàn)分析及處理

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率指標(biāo)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器效率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率、高效工作區(qū)等。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器效率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器效率分為電動(dòng)狀態(tài)控制器效率和饋電狀態(tài)控制器效率，其值為驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器輸出功率和輸入功率的比值，按式（5-1）計(jì)算。

4、高效工作區(qū)

按照效率計(jì)算的方法計(jì)算出所有測(cè)試點(diǎn)的效率，使用常用的數(shù)據(jù)處理軟件（如 Mat- lab、Python 等）生成 MAP 圖，計(jì)算出效率不低于 80% 工作區(qū)與總工作區(qū)的比值，該值應(yīng)不低于產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定。

5、最高效率

選擇所有測(cè)試點(diǎn)中效率最高值即為最高效率。

三、其他試驗(yàn)簡(jiǎn)述

1、工作電壓范圍試驗(yàn)

一般情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的輸入電壓只有在額定電壓以上，才能確保輸出的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率能達(dá)到規(guī)定的峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率等，當(dāng)輸入電壓降低到一定范圍，其輸出 的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率會(huì)降低甚至無(wú)法工作。

試驗(yàn)時(shí)，將電機(jī)控制器的直流母線電壓分別設(shè)定為最高工作電壓和最低工作電壓。在不同工作電壓下，測(cè)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大輸出轉(zhuǎn)矩及功率，檢查轉(zhuǎn)矩、功率輸出是否能符合產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定，并繪制轉(zhuǎn)矩、功率 - 轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖 5-2 所示。

圖 5-2   某電機(jī)最高、最低電壓下轉(zhuǎn)矩、功率 - 轉(zhuǎn)速特性曲線

2、持續(xù)轉(zhuǎn)矩、功率試驗(yàn)

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓設(shè)定為額定電壓，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)工作于產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定的持續(xù)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)記錄參照效率試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī) 系統(tǒng)應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間正常工作，一般時(shí)長(zhǎng)為 2h。

按照試驗(yàn)獲得的持續(xù)轉(zhuǎn)矩和相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，利用式（5-5）即可計(jì)算獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)在相應(yīng)工作點(diǎn)的持續(xù)功率。

式中  Pm——驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸端的持續(xù)功率（kW）。

3、峰值轉(zhuǎn)矩、功率試驗(yàn)

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓設(shè)定為額定電壓，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)工作于產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定的峰值轉(zhuǎn)矩及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)記錄參照效率試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系 統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)應(yīng)能正常工作，一般時(shí)長(zhǎng)為 1min。

按照試驗(yàn)獲得的峰值轉(zhuǎn)矩和相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，利用式（5-5）即可計(jì)算獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在相應(yīng)工作點(diǎn)的峰值功率。

4、最高工作轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器直流母線電壓設(shè)定為額定電壓，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)工作于產(chǎn)品技術(shù)文件規(guī)定的最高工作轉(zhuǎn)速，并施加規(guī)定的負(fù)載。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能維持該狀態(tài)工作時(shí)長(zhǎng)不 低于 3min。

注：本文節(jié)選自工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材《新能源汽車試驗(yàn)學(xué)》，本書(shū)可作為高等院校車輛工程、新能源汽車、交通工程及相關(guān)專業(yè)的教材，也可供有關(guān)研究人員、工程技術(shù)人員和管理人員參考。

本書(shū)由機(jī)械工業(yè)出版社出版，本文經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

作者：張代勝