本節(jié)以某小型純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)為例，介紹驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率試驗(yàn)和動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)。

一、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率試驗(yàn)

根據(jù)該小型純電動(dòng)汽車的加速性能、爬坡性能和最高車速等技術(shù)指標(biāo)要求，開發(fā)一款與之匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)見表 5-6，需開展驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的效率試驗(yàn)，并判斷是否滿足以下要求：

1）額定電壓下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高效率不低于 93%，系統(tǒng)最高效率不低于 91%。

2）額定電壓下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高效區(qū)（效率＞ 80%）占比不低于 80%。

表 5-6 某電機(jī)系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)規(guī)格電機(jī)型式永磁同步交流感應(yīng)電機(jī)額定功率20kW峰值功率50kW峰值轉(zhuǎn)矩215N·m最高轉(zhuǎn)速7500r/min額定電壓DC 353V最低 / 最高電壓DC 245V/412V

1、試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）樣品及環(huán)境條件檢查

按表 5-7 中的要求做好檢查并記錄，檢查結(jié)果必須滿足技術(shù)要求。

表 5-7 試驗(yàn)前檢查記錄

序號(hào)檢查項(xiàng)目技術(shù)要求檢查結(jié)果1外觀完好、無銹蝕合格2緊固件連接牢固合格3電機(jī)三相線和低壓絕緣DC 1000V ≥ 200MΩ合格4環(huán)境溫度18 ~ 28℃合格5相對(duì)濕度45% ~ 75%合格6氣壓86 ~ 106kPa合格

（2）臺(tái)架搭建

臺(tái)架試驗(yàn)步驟一般為：制作工裝→安裝測(cè)試電機(jī)及傳感器→連接水循環(huán)，高、低壓線路，功率分析儀→ CAN 通信配置及臺(tái)架調(diào)試。

設(shè)置冷卻系統(tǒng)參數(shù)，控制器入口冷卻液溫度為 65℃ ±2℃，冷卻液流量為 8L/min。冷卻系統(tǒng)一般根據(jù)測(cè)試對(duì)象的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行選型適配。按照冷卻機(jī)組→電機(jī)控制器→被測(cè)電機(jī)→冷卻機(jī)組循環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)冷卻液流量和溫度的控制，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)提供冷卻。

2、試驗(yàn)執(zhí)行

選擇測(cè)試點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為 7500r/min，因此可將最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)選定為 500r/ min，轉(zhuǎn)速點(diǎn)間隔也選定為 500r/min，共計(jì) 15 個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。峰值轉(zhuǎn)矩 215N·m，按 10N·m 間隔一個(gè)點(diǎn)，低轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng) 22 個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)；隨著驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，最大轉(zhuǎn)矩逐漸降低，7500r/min 對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩約為 65N·m，按 10N·m 間隔一個(gè)點(diǎn)，高轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為 7 個(gè)。總計(jì) 210 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，具體分布見表 5-8。

表 5-8 測(cè)試點(diǎn)分布

轉(zhuǎn)速 /（r/min）5001000150020002500300035004000對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù) / 個(gè)2222222220161412轉(zhuǎn)速 /（r/min）4500500055006000650070007500—對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù) / 個(gè)111098877—

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的直流母線電壓設(shè)置在額定工作電壓 353V，按選定的測(cè)試點(diǎn)依次測(cè)試，記錄穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)。

3、試驗(yàn)分析及處理

將試驗(yàn)結(jié)果按表 5-9 中的要求記錄完整。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，控制器母線電壓、電流，控制器輸入、輸出功率可通過計(jì)算機(jī)直 接讀取。電機(jī)輸出功率的計(jì)算見式（5-5），控制器效率、電機(jī)效率和系統(tǒng)效率的計(jì)算分別見式（5-1）、式（5-2）和式（5-3）。

表 5-9 電機(jī)轉(zhuǎn)矩 - 轉(zhuǎn)速特性測(cè)試數(shù)據(jù)（節(jié)選）

試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試記錄完成后，將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率數(shù)值導(dǎo)入常用的數(shù)據(jù)處理軟件（如MATLAB、Python 等）生成 MAP 圖，如圖 5-11 ~ 圖 5-13 所示。通過 MAP 圖得出電機(jī)的最高效率為 93.45%，高效區(qū)占比 86.8%，系統(tǒng)最高效率 91.13%，均滿足技術(shù)要求。

圖 5-11   電機(jī)效率 MAP 圖

注：最高效率 93.45%，高效區(qū)占比 86.8%。

圖 5-12   控制器效率 MAP 圖

注：最高效率 97.61%，高效區(qū)占比 99.79%。

圖 5-13   系統(tǒng)效率 MAP 圖

注：最高效率 91.13%，高效區(qū)占比 71.98%。

二、動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)

根據(jù)該小型純電動(dòng)汽車 250km 續(xù)駛里程要求以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，開發(fā)一款與之相匹配的動(dòng)力電池系統(tǒng)，該動(dòng)力電池系統(tǒng)基本參數(shù)見表 5-10 ；現(xiàn)開展動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)， 試驗(yàn)項(xiàng)目為容量、能量以及功率試驗(yàn)，并判斷是否滿足以下要求：

1）該動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)際容量、能量符合整車?yán)m(xù)駛里程要求。

2）該動(dòng)力電池系統(tǒng)不同溫度下，20%SOC，滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率運(yùn)行  10s。

表 5-10 動(dòng)力電池系統(tǒng)基本參數(shù)

序號(hào)項(xiàng)目項(xiàng)目信息1成組方式5P106S2額定容量75A·h3額定能量25.4kW·h4功率要求25℃、0℃、?20℃，10s20%SOC 放電功率≥ 50kW5電壓范圍265.0 ~ 386.9V

1、試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備包括試驗(yàn)對(duì)象檢查、試驗(yàn)臺(tái)架搭建以及試驗(yàn)程序設(shè)定。

（1）試驗(yàn)對(duì)象檢查

試驗(yàn)開始前，完成對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的檢查，確保其基礎(chǔ)功能正常（表 5-11）。

表 5-11 檢查項(xiàng)目及要求

（2）試驗(yàn)臺(tái)架搭建

連接試驗(yàn)對(duì)象的高壓、低壓線束（表 5-12），并將試驗(yàn)對(duì)象置于試驗(yàn)箱內(nèi)。

表 5-12 高壓、低壓線束連接要求

序號(hào)項(xiàng)目要求評(píng)價(jià)1高壓線束螺栓連接力矩大于 20N·m合格2低壓線束連接可靠，無干涉合格

（3）試驗(yàn)程序設(shè)定

設(shè)置程序保護(hù)閾值：總電壓（264 ~ 388V）、單體蓄電池電壓（2.49 ~ 3.66V）、電流（≤ 600A）以及溫度（?20 ~ 55℃），當(dāng)某參數(shù)超出保護(hù)閾值時(shí)，可通過斷開動(dòng)力電池系統(tǒng)繼電器終止試驗(yàn)。

設(shè)置數(shù)據(jù)采樣率：充放電過程 1s 采集一次，靜置過程 3s 采集一次，調(diào)整溫度過程不采集數(shù)據(jù)，只進(jìn)行監(jiān)控；設(shè)置每個(gè)試驗(yàn)用程序的工步，包括充放電電流（或功率）、截止電壓或時(shí)間以及靜置時(shí)間。

2、試驗(yàn)執(zhí)行

開展該動(dòng)力電池系統(tǒng)容量、能量以及功率試驗(yàn)。

（1）容量、能量試驗(yàn)

1）開啟試驗(yàn)箱，設(shè)置溫度 25℃，調(diào)整動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度至 25℃ ±2℃，使用 75A 電流放電至 umin=2.5V（umin 為動(dòng)力電池系統(tǒng)最小單體蓄電池電壓）。

2）靜置 1h；動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度達(dá)到 25℃ ±2℃后，使用 75A 充電至 umax = 3.65V（umax為動(dòng)力電池系統(tǒng)最大單體蓄電池電壓）。

3）靜置 1h ；動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度達(dá)到 25℃ ±2℃后，使用 75A 放電至 umin = 2.5V，此為該動(dòng)力電池系統(tǒng) 25℃下的實(shí)際容量。

4）使用同樣的方式將動(dòng)力電池系統(tǒng)充至滿電，使用試驗(yàn)箱依次將動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度 調(diào)整至 10℃、0℃、?10℃、?20℃，并使用 75A 放電；記錄所有充放電過程的容量、能量。

（2）功率試驗(yàn)

1）使用同樣的方式將動(dòng)力電池系統(tǒng)充至滿電。

2）使用 75A 放電 0.8h，將動(dòng)力電池系統(tǒng)調(diào)整至 20%SOC。

3）將動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度調(diào)整為 25 ℃ ±2 ℃，設(shè)置功率試驗(yàn)程序：預(yù)設(shè)放電功率70kW，放電截止時(shí)間 10s，截止單體蓄電池電壓 2.5V ；開啟恒功率放電，經(jīng) 10s 后，最小單體蓄電池電壓為 2.51V，則認(rèn)為該動(dòng)力電池系統(tǒng)在 25℃、20%SOC、脈沖時(shí)間 10s 的最大可持續(xù)放電功率為 70kW。

4）采用同樣的方式完成 10℃、0℃、?10℃、?20℃下，動(dòng)力電池系統(tǒng) 20%SOC、脈沖時(shí)間 10s 的最大可持續(xù)放電功率試驗(yàn)；記錄不同溫度下的功率，放電過程時(shí)間，起始及終止的總電壓、umax、umin。

3、數(shù)據(jù)分析與處理

（1）容量、能量試驗(yàn)

通過容量、能量試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)力電池系統(tǒng)在不同溫度的放電容量、能量，試驗(yàn)結(jié)果見表 5-13，不同溫度放電容量、能量均合格。

表 5-13 動(dòng)力電池系統(tǒng)不同溫度下的放電容量 / 能量試驗(yàn) 

（2）功率測(cè)試

通過功率試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)力電池系統(tǒng)在不同溫度下，20%SOC、脈沖時(shí)間 10s 的最大可持續(xù)放電功率，試驗(yàn)結(jié)果見表 5-14。

表 5-14 動(dòng)力電池系統(tǒng)不同溫度下 20%SOC 的功率試驗(yàn) 

功率試驗(yàn)結(jié)果反映出動(dòng)力電池系統(tǒng)的最大可持續(xù)放電功率有明顯的隨溫度（一定范圍內(nèi)）降低而降低的趨勢(shì)。該動(dòng)力電池系統(tǒng)在環(huán)境溫度 ?10℃及以上、SOC ≥ 20% 時(shí)，10s 放電的最大可持續(xù)功率均大于 50kW，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)此動(dòng)力電池系統(tǒng)處于 ?20℃（及以下）低溫環(huán)境、SOC ≤ 20% 時(shí)，10s 放電的最大可持續(xù)功率小于電機(jī)峰值功率，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需限功率運(yùn)行。

針對(duì)某動(dòng)力電池系統(tǒng)開展相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1）該動(dòng)力電池系統(tǒng)在不同溫度下的放電容量、能量均滿足設(shè)計(jì)要求。

2）該動(dòng)力電池系統(tǒng)在環(huán)境溫度 ?10℃及以上、SOC ≥ 20% 時(shí)，滿足電機(jī)峰值功率運(yùn)行。

復(fù)習(xí)思考題 

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