基金项目：湖南省自然科学基金杰出青年项目资助，项目编号:01jzy2102
收稿日期)6)作者简介宫唤春())，男，天津人，硕士，研究方向为电动汽车控制技术与试验分析。
宫唤春，徐胜云，徐海磊
(北京化工大学
北方学院，河北燕郊
065201)
摘要：根据电动汽车运行的特点，分析了电动汽车动力测试平台的性能要求，构建了基于变频控制交流电力测功机的电动汽车动力测试平台。在该测试平台上对国内外多台电动汽车驱动电机的动力特性进行了测试，对多组电动汽车用动力锂离子电池组进行了放电测试。试验结果表明，该试验平台具有较高的测试准确性。
关键词：动力测试；电机；锂离子动力电池组；放电特性
中图分类号:U476.3
文献标识码:B
Ana l ysis on electr ic veh icle dyna m ic character istics m ea sure p la tform design and exp er im en t
G O NG H uan -chun,XU Sheng -yun ,XU H a i-lei
(N o rth C o llege o f B eiji ng Un i v ersit y Che m ical and Technolo gy ,
H eb ei Y anjiao 065201Ch in a )
Ab stract :Acc ord i ng to t he characteristics of el ectri c ve -h icle op erati on ,
t h i s paper analyzes the perf or mance re -qu ire m ents of el ectric veh icle dyna m ic test p l atf or m,struct u res electri c veh icl e dyna m i c test p latf or m based on the co mmun icat i on
fr equency electric dyna m o m eter .
Through t h i s test p latf or m m ak i ng the dyna m i c character -i st i cs test of do mestic and f orei
gn many el ectric cars d ri v -i ng motor and d isc har ge test of several groups of electric veh icles dyna m ic lith i um -ion batteries.The exp erm i en t
resu lts sho w that the experm i ent p latf or m has h i gher test accuracy .
K ey word s :dyna m ic tes;t motor ;dyna m ic lith i um -i on batteries ;d isc har ge c haracteristi cs
引言
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
[1]
。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平台的测试:(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。因此，为了完整的测试电动汽车牵引电机和动力电池组的性能，满足电动汽车动力系统全部功率范围内精确加载测试及动力电池组放电性能测试的需要，本文建立了电动汽车专用动力测试平台。
1电动汽车动力测试平台性能分析
1.1电机动态工作特性
电动汽车在行驶过程中所受阻力主要有
[2]
：滚动
阻力F f 、空气阻力F w 、爬坡阻力F i 和加速阻力F j :
E F =F f +F w +F i +F j =GfcosA+
C D A 21.15u 2a +GsinA+D m du a
d t
(1)………式中:C D )空气阻力系数;A)迎风面积;G)车重;f)滚动阻力系数;a )坡度;m )汽车质量;D )旋转质量换算系数。
电机输出驱动力F t 应该与电动汽车所受阻力相平衡:
F t =E F
(2)
……………………………………电动汽车行驶时速度经常处于变化之中，由式(1)可知，由于du a /d t 的变化决定了高动态的加速阻力，因此要求电动汽车动力测试平台实现负载的模拟，具有高动态特性的加载功能。
)
):2010028
:197918
1.2
电机高效率特性
考虑电机及电机控制器效率损失时，动力电池组输出功率和电机输出功率之间的关系可表述为:
U @I @G m =
T @n
9550
(3)……………………………式中:U)动力电池组电压;I)动力电池组输出电流;G c )电机控制器效率;G m )电机效率;T)电机输出扭矩;n )电机转速。
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。电动汽车驱动电机理想工作特性曲线如图1所示。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
[3]
。
图1电动汽车驱动电机理想特性曲线
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[4]
。
1.3动力电池组放电特性
锂离子电池
[5]
应是电动汽车应用中最具潜力的
电池。影响锂离子电池放电性能因素有很多，如放电倍率、电压、温度、内阻等，目前对锂离子电池尤其是锂离子动力电池组的研究尚在起步阶段。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。如图2所示，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锂离子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(S OC)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。
图2动力电池组放电反馈控制
1.4试验测试参数广泛
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。
2电动汽车动力测试平台设计
2.1测功机的选择
测功机是电动汽车动力测试平台的主要部件，主要有机械摩擦式测功机、水力测功机、电涡流测功机和电力测功机几种类型。电力测功机具有较好的低速加载性能，加载范围更广，响应时间更快，既可以完成稳态负载加载，也可以实现动态转矩的施加，更加
)
)山东交通科技2010年第4期
19
适合电动汽车动力测试平台。负载电机采用直接转矩控制，通过电模拟方式进行行驶阻力的模拟和控制，代替传统的飞轮惯量模拟法，大大缩短了实验准备时间等优点。2.2测试平台硬件结构
系统硬件主要包括：负载电机及其控制变频器、扭矩仪、测试电机及其控制器、直流传动单元、动力电池组、检测系统和控制台等构成。电动汽车动力测试平台结构如图3所示。
控制中心控制全部试验过程，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。
北京电动汽车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，检测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负载电机并网发电，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，发电产生的电通过直流传动单元反馈回电网或者直接对动力电池组充电。直流传动单元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。
图3电动汽车动力测试平台结构
2.3测试平台软件系统
系统软件包括：系统初始化、电机测试、电池测试、数据处理四大模块。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。
图是在测试平台上试验测得某5K W 交流异步电机的峰值转速)转矩包络线。测得电机峰值转
速)转矩峰值包络线后，在此包络线内就可以进行电机其他项目的静态手动测试，也可以通过编程实现静态自动测试。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。
图4电机转速)转矩峰值包络线
3试验测试
利用本文建立的测试平台对多台国内外电机动力性能进行测试。图5是对一台20KW 直流无刷电机进行测试得到的电流跟踪响应曲线，动力电池组为该测试电机控制器提供310V 直流电力情况下，测试电机工作与电动牵引状态，测试平台负载电机工作于发电状态。测试过程中，通过控制台调节电机转速和转矩工作点，测试系统在实时电机及控制器相关参数的同时，也将电池组放电电压计电流保存现在，测试系统可以实时跟踪动力电池组电流输出情况。表1
是一次动力试验过程中测得数据。
图5电流跟踪响应
)
)宫唤春，徐胜云，徐海磊：电动汽车动力测试平台设计及试验分析
47120
表1动力电池组输出与电机输出测试
序号
动力电池组电机输出
电压
(V)
电流
(A)
转矩
(N#m)
转速
(r/m i n)
133622.464.3847 233425.664.61070 333331.564.91192 433039.164.91616 532843.264.91907 632647.164.72118 732451.664.82671 831660.865.32895 932272.665.12366 1031781.565.03524序号
动力电池组电机输出
电压
(V)
电流
(A)
转矩
(N#m)
转速
(r/mi n) 1131498.164.63913 1231398.364.83927 1332298.665.43989 1432090.859.94009 1532283.654.94036 1632576.650.24126 1732869.244.64198 1833162.939.74236 1933618.77.04416 2033811.32.24510
根据表1中的动力电池组输出电压、电流和电机输出扭矩、转速，可以绘制出电流跟踪响应曲线如图5。在测试平台上不仅可以测试电机动力性能，还可以测试动力电池组放电性能，电池组单体电池放电参数采集时间间隔最高可达50m s。测试平台通过电流反馈，实时调整负载电机转速、转矩，实现特定条件下动力电池组的放电性能进行测试。结合电动汽车实际路试数据库，通过电压、电流反馈控制，在测试平台上可以/真实0再现电池包放电过程。
4结语
通过对电动汽车驱动电机工作特性和动力电池组放电性能的分析，建立了基于变频控制交流电力测功机的电动汽车动力测试平台。试验结果表明，该测试平台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电机在电动和发电工况下的各种特性指标，不仅能够进行牵引电机性能测试，还能够在该试验平台上对动力电池组进行比较全面的放电性能测试。在该测试平台上对多台国内外电机及多组锂离子动力电池组进行了测试，系统工作稳定，具有一定的应用价值。
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(上接第12页)
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)
)
山东交通科技2010年第4期
J.20011:41-44.
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