丁建新，樊江濱，陳 瀟，劉金婧

(中國北方車輛研究所，北京100072)

目前，環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展問題是推動電動車輛(EV)發(fā)展的主要動力.據統計，為了確保軍隊的合理部署，美國陸軍每年燃油的70%用在246 000輛地面運輸、后勤車輛上.為了提高燃油經濟性、減小后勤保障消耗、降低車重從而轉化為戰(zhàn)斗力，陸軍必須對其車隊(包括運輸、后勤保障、偵察等軍事車輛)進行改造[1]，如美國的AHED8×8先進混合動力車輛、南非CVED8×8戰(zhàn)車電驅動演示車、法國EDD6×6混合動力演示車以及英國、瑞士研制的6×6混合動力演示車，等等.與此同時，人們對環(huán)保、節(jié)能、清潔能源等方面的日趨關注促進了民用電動汽車的發(fā)展，如美國通用公司、福特公司、克萊斯勒公司、法國雪鐵龍公司、雷諾公司、德國奔馳公司、日本豐田公司相繼推出了自己的電動車，有些已經批量生產.

當今的先進技術車輛(ATVs)是以混合動力電力機組、再生式制動、先進電傳動電機和電池以及燃料電池發(fā)動機為特色的.鑒于環(huán)境和調整的壓力，促使購買者采用這種車輛，這樣就導致了冒著高風險做出采購沒有性能歷史文件記錄車輛的決定，這將不利于電動車輛的發(fā)展.利用電動車輛整車測試平臺，使用多種方法多方面地對電動車輛進行全面測試，獲得精確的車輛性能信息已成為工程師研究電動車技術和購買者的共同需求.

1 電動車輛整車測試平臺

電動車輛整車測試平臺主要由7部分組成，即電動車輛整車測試系統、遙測系統、動力蓄電池測試系統、電磁兼容測試系統、質量質心測試系統、環(huán)境試驗系統以及安全性測試系統(如淋雨防水測試系統等).整車測試系統是其核心部分，其他部分是必備的試驗基礎測試，各部分之間通過遙測系統進行數據通訊，由測控中心工作站統一進行多任務管理(見圖1).測試監(jiān)測分析由現場實時監(jiān)測和后臺數據處理系統2部分組成.該平臺可以進行整車基本性能測試、整車可靠性能測試、整車能量測試、整車安全性測試、整車電磁兼容性測試、整車高低溫環(huán)境測試以及動力電池測試.電動車輛整車測試平臺實現了編隊路況測試的多任務編隊管理，這在很大程度上降低了環(huán)境條件的制約因素.

圖1 電動車輛整車測試平臺

2 電動車輛整車測試系統

該系統由數據采集系統(包括前端各類傳感器)、實時監(jiān)測系統和實時分析儀組成.其主要功能是進行基本性能測試、可靠性能測試、能量測試、安全性測試、編隊路況測試的數據采集及分析.

2.1 系統能量測試

EV車輛動力源為動力電池組.動力電池組的155～400 V高壓直流電經過控制器、逆變器等電子裝置，轉換成三相交流電來驅動電機，同時提供給空調系統使用(可使續(xù)駛里程減少近30%).高壓直流電通過DC/DC轉化器，產生12 V或24 V的低壓電[2]，提供各電器輔助系統用電.在電能輸送和轉化過程中，存在著各種電能損失(見圖2)，而且通過逆變器后轉化成的交流電存在著電能品質、功率因素、電流電壓的穩(wěn)定性以及三相電的頻率、電流和電壓的波形和諧波等問題，這些問題直接影響EV車的動力性、經濟性.

輪式電動車輛整車測試系統采用安裝于動力電池組、輔助系統、驅動電機系統和制動系統的不同環(huán)節(jié)的各類電壓、電流、溫度、轉速傳感器以及測速儀，在EV車的各類行駛工況下，對電池組沖放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動的反饋電流、電能質量、功率、電量進行實時測試分析;采用實時監(jiān)測系統進行多通道在線檢測電壓和電流的波形分析;采用實時分析儀進行電壓、電流和功率諧波、諧波失真總量、各次諧波的相位角、瞬變電壓和波形失真的檢測分析.總之，本測試系統通過采用動力電池組的輸出電壓和電流傳感器及扭矩和轉速傳感器，對隨著車輛行駛工況的變化而引起的電動機輸出功率、扭矩和轉速的變化進行實時測試，從而確定不同工況引起的電流、電壓、剩余電量和續(xù)駛里程的改變，這些試驗數據是電動車輛的電池組、驅動電機及控制策略設計的基礎.

通過后臺處理軟件進行三相電壓不平衡度、頻率、功率以及各工況的能量分析，從而確定該車輛的能量傳遞及損耗情況.圖3是利用整車測試系統在城市平坦公路模式下的在線試驗結果，顯示出了不同里程下的能量消耗情況.從圖3中可以發(fā)現動力電池組在車輛行駛130 km以后，電壓下降明顯，對車輛的動力性產生很大影響.

圖2 EV能量傳遞和能量損耗

圖3 城市平坦公路模式的在線試驗結果

三相異步感應電動機有3種制動運轉狀態(tài):反饋制動、反接制動、能耗制動.在各種電動車輛(EV、FCEV、HEV)中，一般是利用反饋制動回收能量，這在節(jié)能上有著重要意義，是內燃機汽車上不能實現的.在反饋制動時，感應電動機被車輛帶動，并將慣性能量的少部分轉換為轉子銅耗，而慣性能量的大部分是通過氣隙進入定子，在除去定子銅耗與鐵耗后，將電能反饋到電流變換器后轉換為直流電，儲存到電池組中.這部分能量的回收可以提高約20%的能量利用效率，一般只能延長續(xù)駛里程.目前，國家關于電動汽車的各項標準都沒有對此提出具體要求，通過本測試系統可以及時發(fā)現能量使用問題，為EV車的深入研究提供可靠依據，同時也是EV車之間評判優(yōu)良的一個標準.

圖4為某型電動車輛編隊行駛試驗后，電池能量輸出與輸入的變化情況統計量，負值表示滑行和反饋制動回收的能量[3].

圖4 某行駛模式下的制動能量回收

2.2 系統安全性測試

電動車輛使用中的高壓直流電流，會產生高壓漏電、電池組發(fā)生意外(如碰撞、擠壓、短路等)等故障，會給人員帶來生命危險.EV車輛必須配備故障自檢系統和故障報警系統.通過安全性測試，動力電池組及各單元之間的結構設計，應能滿足在行駛工況快速變化情況下的顛簸、振動、應力應變要求.不同的動力電池在使用過程中的發(fā)熱程度不同，其使用環(huán)境應滿足電池組的使用溫度要求，否則會大大降低電池的使用性能和壽命.在常態(tài)及清洗、暴雨、涉水情況下，絕緣電阻應滿足安全性方面的試驗指標.電動車輛整車測試系統通過設置的溫度、應變、振動等傳感器，能夠進行多點、多任務測試，如電池組的多點溫度場、應變場、振動、電機的溫度以及整車各系統之間的絕緣電阻和電位均衡性，等等.根據GB/T 18384.1《電動汽車安全要求第1部分車載儲能裝置》、GB/T 18384.3《電動汽車安全要求第3部分人員觸電防護》，某EV車在常態(tài)、涉水、暴雨情況下的動力系統和車輛電底盤的絕緣電阻分別為17.4 kΩ/V、15.9 kΩ/V、16.3 kΩ/V，滿足了車輛的安全性要求.

2.3 系統基本性能及可靠性測試

對于購買者來說，車輛的基本性能(起動、加速性、爬坡、操縱穩(wěn)定性等)和可靠性是最為關心的問題.根據GB/T 18385《電動汽車動力性能試驗方法》、GB/T 18388《電動汽車 定型試驗規(guī)程》對某電動車輛進行測試，結果見圖5.試驗過程中，續(xù)駛里程為285 km，在最高車速測試時，同時對能量使用情況進行了檢測，發(fā)現雖然最高車速滿足設計要求，但在進行4次試驗后車輛電能消耗量約占總電量的37.5%，說明該車在此工況下能量消耗過大.

圖5 某EV車的動力性

目前，汽車產品定型的可靠性試驗一般是在試驗場中進行組合路面的可靠性試車，這對于電動車輛來說具有一定的局限性.電動車輛根據其使用環(huán)境對其測試的要求有所不同，如民用電動車輛大部分在城市道路進行，如在北京來說，立交橋遍布且經常擁堵，造成頻繁起步、加速、停車，因此，對其傳動系統(特別是電機)的考核更為重要.對于軍用車輛來說越野路面要占比例大一些，因此制定科學的電動車輛可靠性試驗規(guī)程顯得尤為重要.

2.4 多輛車編隊測試

所謂編隊車輛路況測試就是根據EV車的不同使用區(qū)域的道路交通狀況和道路等級，選擇出典型封閉循環(huán)線路(包括平路、坡路、不同車流量、不同起步、停車等道路狀況)，對不同型號、品牌的車輛進行編隊測試，并獲取能量利用、平均時速、續(xù)駛里程、維修保養(yǎng)等方面的統計信息.編隊中的試驗車輛，處于一個更真實的環(huán)境中，與試驗(場)室中不同，會出現許多意料之外的情況，這才真正是對車輛性能的最佳考核.

例如，美國加利福尼亞南部城市的典型試驗線路為31.1 km市區(qū)道路 (包括50處交通指示燈，海拔高度274～457 m)，59.5 km的高速路(海拔高度213～315 m)，并且統計了有效負荷的最大值和最小值以及車輛輔助設備(如空調)的使用情況.圖6給出了不同溫度下續(xù)駛里程，測試結果表明多輛車編隊測試要比試驗場(室)測試結果低，氣溫對車輛的續(xù)駛里程有很大影響.圖7給出了1天當中的上述車隊能量平均使用情況，表明在下午5點時耗能最高，而早上7點耗能最低[4].圖8給出了4種品牌EV車的試車編隊測試的能量效率、試驗室測試的能量效率和充電效率.多輛車測試的平均能量利用率(2.7 km/kWh)比試驗室測試平均能量利用率(5.4 km/kWh)低50%，比充電效率得到的平均能量利用率(3.5 km/kWh)低23%.

圖6 不同溫度下的續(xù)駛里程

圖7 24小時內平均能量負荷

圖8 能量利用效率

行駛工況要求決定了電動車輛所需要的電驅動技術條件、電池容量、電流和電壓大小.圖9表明美國城市循環(huán)工況與高速公路循環(huán)工況對扭矩的要求完全不同.

圖9 驅動循環(huán)對扭矩-轉速的要求

2.5 其他部分測試

遙測系統、動力蓄電池測試系統、電磁兼容測試系統、質量質心測試系統、環(huán)境試驗系統以及安全性測試系統(如淋雨防水測試系統等)是電動車輛整車測試平臺的基礎輔助測試部分，所有各項測試可以同步或預先進行.動力裝置的性能是考核電動車輛的關鍵指標，通過動力蓄電池測試系統對車載儲能裝置(電池組)進行性能和安全性測試.電動車輛的電磁兼容性直接影響到車輛的安全性，通過電磁兼容測試系統對整車(或零部件)進行GB/T 18384.2《電動汽車安全要求第2部分功能安全和故障防護》、GB/T 18387《電動車輛的電磁場輻射強度的限值和測量方法 帶寬9 kHz～30 MHz》的測試，圖10為某電動車輛改進前后的電磁輻射試驗結果.雖然改進前后均不能滿足GB/T 18387，但可以看出改進是有很大效果的，結合測試結果可以找出有效的改進途徑.通過環(huán)境測試系統對整車(零部件)的不同環(huán)境溫度下的工作特性進行測試.整車的質量質心位置的變化直接影響電動車輛的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性和抗傾覆能力，通過質量質心測試系統對整車(零部件)三維質量質心以及轉動慣量進行測試.電動車輛的安全性是其生命力、競爭力的根本保證，通過安全性測試系統對整車的安全性給出合理評價.

上述各系統之間，通過遙測系統將其有機聯系在一起，構成電動車輛整車測試平臺.

圖10 某電動車輛改進前后的電磁輻射試驗結果

3 結束語

現代電動車輛工程的主要問題是要將汽車工程、電氣電子工程以及化學工程領域中最新的技術結合到電動車輛的設計中來，探索適合電動車輛的獨特的設計方法和制造技術，以實現電動車輛能量的最優(yōu)化利用.電動車輛整車測試平臺就是希望通過對整車多目標、多方位的測試，獲取有效測試數據，為最終形成電動車輛獨特設計開發(fā)、能量優(yōu)化利用、仿真以及試驗技術奠定基礎.通過對電動車輛進行全面測試為各方面提供精確的車輛性能信息，從而推動電動車輛技術的深入發(fā)展.

由于客觀條件所限，本文并未利用電動車輛測試平臺進行多車輛編隊測試，只是對國外多車編隊的試驗條件和結果進行了介紹和論述.由于電動車輛的使用特殊性，多車輛編隊測試是推進電動車輛廣泛開發(fā)應用的必然趨勢.

[1]Jana M.Paschen.Shared Technology/Shared Cost，the Evaluation of the Allison E P-50 Electric Drive for Military and Commercial Vehicles[C].2003 SAE International 2003-01-1568.

[2]陳清泉.現代電動汽車技術[M].北京:北京理工大學出版社，2002.

[3]胡 驊.電動汽車[M].北京:人民交通出版社，2004.

[4]James E.Francfort.Electric and Hybrid Vehicle Testing[C].2002 SAE International 2002-01-0576.