CN106441925A - 电动汽车动力系统测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种电动汽车动力系统测试装置。该电动汽车动力系统测试装置，包括测功机，其特征是：所述测功机与变频器相连接，测功机与扭矩仪相连接，扭矩仪连接有测试电机，测试电机与电机控制器相连接，电机控制器与直流电源或动力电池组相连接，直流电源与能量回馈装置相连接。本发明的有益效果是：能够实时跟踪监测系统的负载变化情况，可以模仿驱动电机或汽车在行驶中的负载特性，能够比较全面的测试动力系统的各种特性指标，还能够对动力电池组进行比较全面的放电性能测试；具有测量精度高、自动化程度高以及扩展性强等优点。

Description

电动汽车动力系统测试装置

（一）技术领域

本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种电动汽车动力系统测试装置。

（二）背景技术

电动汽车动力性能优化的关键是设计适合的动力驱动系统，即实现动力电池组、电机和电机控制器的优化匹配。虽然普通工业电机的测试技术已经非常成熟，但不能够直接用于电动汽车动力系统的试验和测试：（1）电动汽车牵引电机不同于普通的工业电机，其工作状况比较复杂，其性能参数变化范围大；（2）电动汽车对电机及控制器效率要求较高，并要求具有能量反馈；（3）在普通电机测试平台上无法进行电动汽车动力电池组的测试。

目前国内外针对电动汽车整车及关键零部件的测试评价开展了大量的研究工作，也制定了很多测试标准，但是在增程式电动汽车能量消耗、排放测试以及电动汽车电磁兼容特性测试、整车噪声特性测试、蓄电池系统的寿命测试、动力总成测试、增程器测试、燃料电池发动机测试、车载充电机测试等方面还有待完善，以便更好地推进电动汽车产业的发展。

在取得成绩和重大技术突破的同时，对于电动汽车动力系统的测试，还存在一些不足，目前主要有两种方式。方式一：采取单一部件的测试方式，对动力电池、电机、控制器等单独进行测试，如电池测试仪、电池充放电测试仪、测功机、电机测试电源等。这种测试方法，只能对单一的部件进行测试与检验，自动化程度低，且不能对电动汽车的动力系统进行整体性的测试、评价，不能为电动汽车动力系统的整体优化配置提供支持与参考。方式二：直接对整车进行室外道路试验。这种测试方法的优点是可以模拟电动汽车使用的实际情况，对动力系统进行最直接的测试。但这种测试方法一般应用于电动汽车设计的后期阶段，对电动汽车整车进行评价，而对于电动汽车的核心动力系统进行前期测试并不适用。同时基于整车的室外道路试验，由于受条件限制，也不能携带必需的仪器设备等，无法进行充足的数据采集与分析，为动力系统的优化设计提供技术指导与支持。以上两种方式都具有不足与局限性，这也是当前我国电动汽车产业的薄弱环节。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种测量精度高、测试效率高、降低劳动强度、稳定可靠、自动化程度高、扩展性强的电动汽车动力系统测试装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种电动汽车动力系统测试装置，包括测功机，其特征是：所述测功机与变频器相连接，测功机与扭矩仪相连接，扭矩仪连接有测试电机，测试电机与电机控制器相连接，电机控制器与直流电源或动力电池组相连接，直流电源与能量回馈装置相连接。

所述变频器连接有功率表。

所述动力电池组通过电池管理系统与计算机测试装置进行无线通讯连接，功率表通过扭矩仪与计算机测试装置进行无线通讯连接，变频器、电机控制器和功率表分别与计算机测试装置进行无线通讯连接。

所述变频器、电机控制器、直流电源和能量回馈装置分别与交流电源相连接。

本发明的有益效果是：能够实时跟踪监测系统的负载变化情况，可以模仿驱动电机或汽车在行驶中的负载特性，能够比较全面的测试动力系统的各种特性指标，还能够对动力电池组进行比较全面的放电性能测试。能够测量掌握电动汽车在动态工况中的动力系统负荷和性能参数，对电动汽车生产企业调整改善牵引电机动力系统具有重要的作用。可以对多台国内外电机及多组锂离子动力电池组进行测试，稳定可靠，提高了测试效率并减轻了测试劳动强度，具有较高的推广应用价值。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明的原理结构框图；

附图2为本发明的直流电源的原理框图；

附图3为本发明的变频电源的原理框图；

附图4为本发明的能量回馈装置原理框图。

（五）具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括测功机，测功机与变频器相连接，测功机与扭矩仪相连接，扭矩仪连接有测试电机，测试电机与电机控制器相连接，电机控制器与直流电源或动力电池组相连接，直流电源与能量回馈装置相连接。变频器连接有功率表。动力电池组通过电池管理系统与计算机测试装置进行无线通讯连接，功率表通过扭矩仪与计算机测试装置进行无线通讯连接，变频器、电机控制器和功率表分别与计算机测试装置进行无线通讯连接。变频器、电机控制器、直流电源和能量回馈装置分别与交流电源相连接。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，电动汽车驱动电机在转速调节方面,既要适应城市道路慢速行驶的需要, 又要满足高速公路快速行驶的特点；在转矩输出方面, 为保证电动汽车启动和低速爬坡性能要求, 应具有零速或低速大扭矩输出能力。同时要求驱动电机具有相对较宽的高速恒功率区, 满足电动汽车连续高速行驶和加速性能的要求。电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件, 要使电动汽车有良好的使用性能, 驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。

测试平台要准确的检测动力电池组、电机控制器、电机等各个环节的相关参数,准确评价动力系统各个环节的效率, 寻找电机高效工作区, 期望电动汽车在运行时尽可能工作在高效区。能量反馈是电动汽车测试平台不可或缺的基本配置, 电动汽车能量反馈系统能充分发挥电动汽车的优点, 将汽车制动时的部分动能转化为电能反充到动力电池组, 从而有效利用电池电能, 增加电动汽车的续驶里程。

影响电池放电性能因素有很多, 如放电倍率、电压、温度、内阻等, 电动汽车动力测试平台另外一个很重要的功能是测试动力电池组充放电性能。目前对动力电池组的放电测试一般通过大功率电热丝发热放电方式实现, 放电过程难于控制。通过大功率电热丝散热放电不仅不安全, 而且造成能量的浪费, 通过本文测试平台不仅可以设定放电参数,而且能将电池能量回馈电网。在测试平台上改变电机输出功率, 即改变电机输出转速和转矩,动力电池组输出功率将随之变化, 通过反馈控制就可以实现动力电池组以不同放电倍率放电。在电动汽车动力测试平台上通过模拟加载设定放电条件, 可以定性的研究不同放电条件对动力电池组放电性能的影响。为进一步分析电池组库仑容量( AH)和荷电状态(SOC)提供依据, 更加准确的预测电动汽车续驶里程和电池组循环寿命, 为动力电池组选型及动力匹配提供依据。

电动汽车工况的广泛性, 决定了其试验的复杂性。按照国家测试标准, 不仅要测试电机转速、转矩、电压、电流、功率、效率、温升、响应特性、工况转换特性, 而且还要考虑测试动力电池组放电性能, 如放电电流、电压、温升等各个方面的参数。如果仅仅依靠电动汽车行驶过程中的车载试验, 是无法完成所有上述参数测试的。目前, 国内的电机测试平台一般不是针对电动汽车驱动电机设计的, 而且自动化程度不高, 无法满足电机驱动系统动力电池组测试的要求。因此, 结合计算机通信技术与仪器技术开发电动汽车动力测试平台, 根据车辆对电驱动系统的不同要求定制测试功能, 依靠软件的强大数据处理能力,不仅可解决现有测试仪器采样速度低、存储容量小、显示功能单调、非正弦电参量测量误差大、数据分析处理能力欠缺等问题。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，变频电源主要技术指标：

输入电源：380V±10%,50Hz/60 Hz,三相四线/三相三线；

输出容量: 0.5KVA-600KVA；

输出电压：AC 0V-520.0V；

输出频率：0 Hz-400 Hz；

相位差：120°±2°；

负载稳压率：0.5%；

频率稳定率：0.01%；

效率：≥95%。

直流电源主要技术指标：

输入电源：380V±10%,50Hz/60 Hz,三相四线/三相三线； 输出电压：DC 0-1000V； 输出电流：DC 0-1000A； 输出电压稳定度：＜1%； 源电压调整率：≤0.1%； 负载调整率：≤0.5%； 纹波电压：≤1%； 效率：≥95%。 能量回馈装置主要技术指标：

输入电源：DC 0-1000V；

回馈功率：0-600KW；

无功补偿：0-100KVA；

滤波范围：3-50次谐波；

效率：≥95%。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，直流电源技术方案：市电(380V 50HZ)经整流滤波后变为约540V的直流电压，经K1～K4功率开关管有序工作后，变为脉冲信号加至高频变压器的初级，脉冲的高度始终为540V。当K1、K4开通时,540V高压电流经K1正向流入主变压器初级，经K4流出，在变压器初级形成一个正向脉冲，同理，当K2、K3开通时,540V高压电流经K3反向流入主变压器初级，经K2流出，在变压器初级形成一个反向脉冲。这样，在变压器次级就形成一系列正反向脉冲，经整流滤波后形成直流电压。当输出电压Uo较高时，脉冲宽度就宽，当输出电压Uo较低时，脉冲宽度就窄，因此开关管实际上是一个控制脉冲宽窄的装置。电源通过调节脉冲宽度，来调整输出直流电压，达到调压、稳压的目的。

变频电源技术方案：经过AC→DC→AC变换的变频电源有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。变频电源，以DSP处理器为核心，以SPWM方式制作,用主动元件IGBT模块设计， 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热，过欠压等保护功能，以保证电源可靠运行。

能量回馈装置技术方案：

能量回馈装置采用的是电压型逆变主电路，该主电路可以实现能量回馈、谐波抑制和无功补偿的控制，将能量回馈与无功补偿、有源滤波控制相结合，构成并网发电、无功补偿和有源滤波的一体化控制系统，这样不仅可以有效地进行并网发电、提高供电质量、减少功率损耗，还可以节省相应设备的投资。在能量回馈的过程中，为使能量回馈最大化。采用了最大功率点跟踪的方法，使能量快速回馈电网。在谐波抑制中，谐波电流检测电路检测出电网上的谐波，在通过A／D转换器将信号送给DSP控制器，DSP经过一定的算法，信号输出，经过驱动电路产生具有一定占空比的PWM信号，控制逆变器开关管的丌通断。输出谐波电流，此谐波电流与负载谐波电流大小一样，幅值一样，相位差相差180度，达到谐波补偿作用。使负载输出电流输出基波。同时从谐波理论和既有的实践看，只要通过软件设定可以实时调整并网电流的瞬时值，从而迅速改变并网电流的瞬时波形以实现对电网的谐波对抗。这样，并网发电系统从原理上说，既可用于向电网提供有功功率，也可进行无功补偿和用作抑制谐波的有源电力滤波器(APF-ActivePower Filter)。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，系统初始化模块主要完成测试系统的配置,如电机控制模式、峰值电压电流等, 确保测试平台运行在安全的环境下。电机测试模块是软件系统的核心部分, 分为静态手动测试、静态自动测试、动态自动测试。静态手动测试除了可以进行电机常规项目测试外, 主要用于电机的转速转矩峰值包络线测试。动态测试功能主要是进行常见工况模拟实验, 如爬坡、循环工况等, 转速转矩值预先在数据库中设定, 无需手动调节。电池测试模块用于动力电池组放电性能测试, 可以实现恒定倍率连续放电或脉冲放电试验, 也可编程实现一定工况的模拟放电。数据处理模块完成对实验数据的后处理, 自动生成电机不同测试项目的报表和曲线, 自动生成动力电池组放电曲线和报表。

虚拟仪器是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物，是在通用计算机平台上，用户利用一些基本硬件和软件编程技术，根据需求定义和设计的具有测量功能的仪器系统。

虚拟仪器利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板(软件)完成对仪器的控制，从而将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，并通过软件实现对数据的存储、显示以及分析处理。虚拟仪器改变了传统仪器的使用方式，极大的提高了仪器的功能和使用效率，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，用户可以根据自己的需要自由构建成专有仪器系统。可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了一个新的纪元。它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统。

电动汽车动力系统测试平台软件的编写采用了当前开发虚拟仪器最流行的图形化编程语言LabVIEW。利用功能强大的LabVIEW编写相关的程序。测试软件主要由数据采集分析和设备控制两大模块组成，数据采集分析模块负责接受硬件控制器传来的数据并可对数据进行实时的分析与存储：设备控制模块则负责向硬件控制器发送指令；数据传输方式采用USB串口通信方式。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，根据电动汽车技术的特点及动力电池、驱动电机测试规范的要求，测试系统应具有以下主要功能：驱动电机的外特性测试；驱动电机及其控制器的效率测试；堵转特性测试;；常温0 ℃～100 ℃范围内各温度值的热冲击试验；温升试验；最大制动功率测定；动力系统硬件在环仿真测试；转矩响应测试；驱动电机动态性能测试；电池3小时率容量；电池高倍率放电；电池荷电保持能力；电池循环耐久能力；电池快速充电能力；电池峰值功率等，根据测试需求,还应增加相应测试功能。

基于虚拟仪器的系统集成方案，从实现的角度将系统分为4个层次:应用层、控制层、通信层和物理层。

应用层：应用层即在上位控制机上应用LabVIEW 软件开发的应用软件。充分利用虚拟仪器技术的特点,提供了实验人员与整个测试系统友好方便的交互方式,体现了系统的总体输入和输出。

控制层：控制层负责对系统的输入指令进行解释,控制测试系统按照预定要求完成测试任务。控制层从两个级别上实现对系统的控制:第一级是系统级,即上位机采用LabVIEW软件编写的控制程序,目的是实现系统整体的运行控制和通信控制;第二级是组态级,采用PLC实现系统组态及具体的控制策略。

通信层：通信层实现了测试系统各部分之间控制指令和信号数据的高速可靠传输。测试电机、变频电源、直流电源等以及计算机组成一个多节点的USB-CAN通讯总线。采用CAN通信协议作为系统通信层的骨干框架,既提高了系统可靠性和抗干扰能力,又保证了与整车通信协议的一致性。同时,为满足不同测试仪器的要求,系统还提供了对多种通信协议的兼容性,譬如IEEE488 、RS232 以及传统线束等。

物理层：物理层是指执行具体任务的各个组成部件,包括变频电源、直流电源等其他辅助设备。

状态监控：上位机对系统的运行状态进行实时监控,并根据不同的状态采取相应的控制策略或随时接受操作人员的指令输入而采取相应的动作。采取分级的故障管理机制以保证系统安全可靠的运行。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，计算机测试装置控制全部测试过程,有手动控制和自动控制两种控制模式。在手动控制模式下, 可以手动控制电机控制方式(转矩或转速), 并能调节期望转矩或转速到期望值,可以实现恒转速、恒转矩、低速启动等工况模拟。测试动力电池组放电性能时, 控制台控制自动切换到电池组, 测试电机动力来自动力电池组, 测试系统和电池管理系统通过控制台反馈控制, 可以实现电池不同电流、不同输出功率、能量反馈等工况模拟。来自于动力电池组的能量大部分通过测功机和能量回馈装置并网发电, 实现能量回收。在进行能量反馈测试时, 测试电机作为发电机, 发电产生的电通过能量回馈装置反馈回电网或者直接对动力电池组充电。同时能量回馈装置还可以到整个系统进行有源滤波和无功补偿，降低对测试现场电网的谐波污染和现场测试仪器设备的干扰。直流电源通过编程控制可以模拟动力电池组放电特性, 在电动汽车开发初期对其动力进行模拟测试, 提高开发效率。

采用本发明的电动汽车动力系统测试装置，不仅可以对动力系统的部件（如动力电池、控制器、驱动电机）进行测试，而且可以对动力系统整体进行测试，以优化动力系统的总体性能和配置。采用Labview虚拟仪器技术，通过计算机软件实现与测试现场的远程通讯与控制，实现对动力系统测试的数据采集、分析、统计、存储等。先进的电池管理系统，实时有效的对电池的充放电状态、电池容量、电压、内阻、热效应等进行监测与管理，确保测试的可靠性、准确性、安全性。直流电源动态响应快，可模拟电动汽车实际行驶时，电池快速放电的状态；变频电源采用V/F控制、电流矢量控制、转矩控制等多种控制方式，可实现宽频宽压输出及实时迅速的调整，满足电动汽车驱动电机转速及扭矩的控制需求。回馈单元采用先进的瞬时无功理论，不仅可以将驱动电机制动时产生的再生能量回馈至电网，而且可以对整个测试系统进行有源滤波及无功补偿，提高整个测试系统的运行效率和功率因数，减小对测试现场的电网谐波污染。对于提高电动汽车动力系统的安全性、可靠性、经济性，对于提高我国电动汽车的技术水平，促进电动汽车的产业化发展，合理规划我国的能源结构和能源安全，都具有重要的经济意义与社会意义。

Claims (4)

1.一种电动汽车动力系统测试装置，包括测功机，测功机与变频器相连接，测功机与扭矩仪相连接，扭矩仪连接有测试电机，测试电机与电机控制器相连接，电机控制器与直流电源或动力电池组相连接，直流电源与能量回馈装置相连接。

2.根据权利要求1所述的电动汽车动力系统测试装置，其特征是：所述变频器连接有功率表。

3.根据权利要求1所述的电动汽车动力系统测试装置，其特征是：所述动力电池组通过电池管理系统与计算机测试装置进行无线通讯连接，功率表通过扭矩仪与计算机测试装置进行无线通讯连接，变频器、电机控制器和功率表分别与计算机测试装置进行无线通讯连接。

4.根据权利要求1所述的电动汽车动力系统测试装置，其特征是：所述变频器、直流电源和能量回馈装置分别与交流电源相连接。