一种模拟电动汽车负载工况双电混合电池动力性能评价的方法和装置

摘要

本发明公开了一种模拟电动汽车负载工况双电混合电池动力性能评价的方法和装置，属于电动汽车驱动系统及电池动力性能测试领域。本测试装置包括机械测试平台、电器控制系统、被测混合电池系统、计算机软件模拟测试系统四部分。被测混合电池系统由功率性能不同的A电池和B电池组成，完成模拟电动汽车爬坡、加速、启动等大功率和匀速持久行驶行等动力性能的需要；计算机软件模拟测试系统通过采集卡将PLC控制系统中的电池和电机性能参数采集到上位机经过上位机Fame View模拟监测系统进行数据处理得到能够对电池动力性能进行评价参数。本发明结构操作简单、功能多样。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够模拟不同类型电动汽车在不同负载工况下实时驱动牵引电机功率消耗和电池输出功率消耗，并对电动车动力驱动系统及电池动力性能进行评价的方法及装置，属于电动汽车驱动系统性能测试领域。

背景技术

在以节能环保为主流发展方向的当今社会，电动汽车作为新能源汽车，有着广阔的发展前景和巨大的发展空间。电动汽车驱动过程中最大问题是如何提高其续航能力及其峰值最大驱动扭矩，如何对不同车型电动车在不同工况、低速启动性能、高速续航能力的不同类型电池性能进行科学有效评价，是研究不同类型电池动力性能和电动车性能的重要依据。因此，本发明提供一种能够基于不同车型电动车在不同工况负载环境下对提供动力源的电池动力性能进行科学评价的测试方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟电动汽车负载工况双电混合电池动力性能评价的方法和装置，其针对如何根据电动汽车动力性能包括启动、续航、提速、爬坡等对提供动力源的电池性能进行科学有效测试和评价，对后续电池性能的改进、电动汽车性能的改进提供实验数据和理论依据。该测试方法依据牛顿运动学定理和能量守恒原理，通过对测试车型的外形尺寸特征和路况参数以及运行行驶状态的设定，可以得到任意给定的阻力；通过伺服电机的扭矩输出模式可以对相应的阻力模拟输出；通过对被测电池输出电压、电流的实时采集处理可以得到电池实时消耗功率，通过对被测电池驱动直流电机对应不同工况的速度、负载采集可以得到牵引电机的实时消耗功率，在此基础上通过建立相应的数学模型对电池动力性能的进行测试和评价。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种模拟电动汽车负载工况双电混合的电池动力性能评价的测定装置及实施方法。其中，本发明所述的一种模拟电动汽车负载工况双电混合的电池动力性能评价的测定装置包括机械测试平台，电器控制系统、被测混合电池系统和计算机软件模拟测试系统。

具体而言，机械测试平台包括：支撑水平底台、第一L型支撑架、直流伺服电机、减速机、联轴器、扭矩转速传感器、第二同步齿轮、同步齿轮带、第一同步齿轮、交流伺服电机；直流伺服电机的输出端部通过第二连接螺栓与减速机相固定，直流伺服电机的输出轴与减速机的孔配合，减速机通过第三连接螺栓固定在第一L型支撑架上，减速机的输出轴与扭矩转速测量传感器的一端通过联轴器相联；交流伺服电机的输出轴与第一同步齿轮连接，第一同步齿轮通过同步齿轮带与第二同步齿轮连接，第二同步齿轮通过键配合与扭矩及转速测量传感器的另一端相连，交流伺服电机通过第四连接螺栓固定在第二L型支撑架上。

第一L型支撑架通过第一螺栓固定在支撑水平底台上，第二L型支撑架通过第一螺栓固定在支撑水平底台上；

直流伺服电机为模拟牵引电机，交流伺服电机为模拟阻力电机，直流伺服电机上装有编码器及电机电源、编码线缆，交流伺服电机上装有编码器及电机、编码器线缆，扭矩转速测量传感器上装有扭矩和转速信号输出航插端子，通过第一螺栓固定在支撑水平底台上。

直流伺服电机编码器线缆和直流电机伺服控制器连接，直流伺服电机电源线缆与通过霍尔电压/电流传感器与电池转换继电器输出连接，电池转换继电器输入端电器分别和电池A、电池B连接，电池A、电池B并联布置；扭矩转速测量传感器信号输出与PLC控制器连接，PLC控制器与采集卡连接，采集卡安装在上位机主机中，，FameView模拟监测系统安装在上位主机系统中上位机主机与RCT显示屏连接。

电器控制系统包括电气控制柜、交流电机伺服控制器、直流电机伺服控制器、24V直流开关电源、电池转换继电器、直流电源开关、交流电源开关、直流电源指示灯、交流电源指示灯、急停按钮、直流多功能测试表、交流伺服电机启动铵钮、交流伺服电机停止按钮、交流伺服电机正/反选择开关、直流伺服电机启动按钮、直流伺服电机停止按钮、直流伺服电机正/反选择开关、西门子S7-200CPU214PLC、西门子S7-200PLC功能模块、霍尔电压/电流传感器以及相匹配继电器等低压电器。

电池A和电池B为二种不同特性被测混合电池系统，电池A为峰值大功率直流输出电池，作为启动、加速、爬坡性能的测试电池；电池B为恒功率低功率直流输出电池，作为高速续航能力的测量电池。

计算软件模拟测试系统包括RCT显示屏、数据采集卡、上位机工控主机、Fame View模拟测试软件系统。

通过在上位机的Fame View模拟测试软件系统设置所要测试电动汽车的外形尺寸(车重、风挡面积、车长等)、行驶路面状态(摩擦系数和坡度)、启动加速度(启动时间和速度)、正常行驶速度以及正常行驶过程中的加速度，可以得到牵引速度输入时间-速度曲线和相应的模拟工况阻力；模拟阻力交流伺服电机通过相应的交流伺服控制设定为扭矩输出控制模式，模拟牵引直流伺服电机通过相应的直流伺服控制器设定为速度输出控制模式。上位机与电器控制系统中的PLC通过USB通信，交流伺服控制器和直流伺服控制器与PLC对应的功能模块(A/D或D/A模拟量)通信，霍尔电压/电流传感器与PLC功能模拟通信，扭矩转速传感器通过信号航插与PLC功能模块通信。依次启动模拟阻力交流伺服电机和模拟牵引直流伺服电机，由PLC将霍尔电压/电流传感采集到的电流/电压信号、交流伺服控制传输的扭矩负载信号，扭矩速度传感器采集的牵引电机经减速机的扭矩速度的信号等由USB总线经总线通信传输到上位工控机。由上位机Fame View模拟测试软件监控测试系统进行性能参数的计算来评价。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

此测试装置可以对不同外形尺寸参数和驱动动力的电动汽车进行行驶工况模拟，实时对根据电池消耗和运行状态预测电池有效输出的行程。还可以对不同的车用动力电池进行性能检测和有效快速的评价，为电动汽车性能参数设计提供有效依据。

附图说明

图1为双电混合动力电动汽车电池性能测试机械平台；

图2为双电混合电动汽车电池性能测试机械-电控组合图；

图3为电池性能测试过程流程图；

图4上位机Fame View模拟监控系统之一参数设置画面；

图5上位机Fame View模拟监控系统之二行驶速度设置画面。

图6上位机Fame View模拟监控系统之三受力分析画面；

图7上位机Fame View模拟监控系统之四主监控功能画面；

图中：1、编码器线缆；2、直流伺服电机；3、直流伺服电机电源引线；4、减速机；5、第三连接螺栓；6、联轴器；7、扭矩转速测量传感器；8、同步齿轮带；9、第一同步齿轮；10、交流伺服电机；11、交流伺服电机电源线缆；12、交流伺服电机编码器线缆；13、支撑水平底台；14、第二连接螺栓；15、第一螺栓；16、第一L型支撑架；17、第一螺栓；18、第二同步齿轮；19、第四连接螺栓；20、第二L型支撑架；21、第一螺栓；22、霍尔电压/电流传感器；23、电池A；24、电池B；25、直流多功能测试表；26、直流电源指示灯；27、直流电源开关；28、直流伺服电机启动按钮；29、直流伺服电机正/反选择开关；30、直流伺服电机停止按钮；31、电气控制柜；32、低压电器组件；33、直流电机伺服控制器；34、电池转换继电器；35、紧急停止按钮；36、交流电源指示灯；37、交流电源开关；38、交流伺服电机启动铵钮；39、交流伺服电机正/反转选择开关；40、交流伺服电机停止铵钮；41、PLC控制器；42、24V直流开关电源；43、交流电机伺服控制器；44、RCT显示屏；45、FameView模拟监测系统；46、上位机主机；47、采集卡。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-7所示，一种模拟电动汽车负载工况双电混合电池动力性能评价的方法和装置，其中，本发明所述的一种模拟电动汽车负载工况双电混合电池性能评价的装置包括机械测试平台，电器控制系统、被测混合电池系统和计算机软件模拟测试系统。

直流伺服电机(2)的输出端部通过第二连接螺栓(14)与减速机(4)相固定，直流伺服电机(2)的输出轴与减速机(4)联接，减速机(4)通过第三连接螺栓(5)固定在第一L型支撑架(16)上，减速机(4)的输出轴与扭矩及转速测量传感器(7)的一端通过联轴器(6)相连；

交流伺服电机(10)的输出轴与第一同步齿轮(9)连接，第一同步齿轮(9)通过同步齿轮带(8)与第二同步齿轮(18)连接，第二同步齿轮(18)通过键配合与扭矩及转速测量传感器(7)的另一端连接；交流伺服电机(10)通过第四连接螺栓(19)固定在第二L型支撑架(20)上；

第一L型支撑架(16)通过第一螺栓(15)固定在支撑水平底台(13)上，第二L型支撑架(20)通过第一螺栓(21)固定在支撑水平底台(13)上；

直流伺服电机(2)为模拟牵引电机，交流伺服电机(10)为模拟阻力电机；直流伺服电机(2)上装有编码器线缆(1)和直流伺服电机电源引线(3)，交流伺服电机(10)上装有交流伺服电机电源引线(11)和交流伺服电机编码器线缆(12)。扭矩转速测量传感器(7)通过第一螺栓(17)固定在支撑水平底台(13)上。

编码器线缆(1)和直流电机伺服控制器(33)连接，直流伺服电机电源线(3)通过霍尔电压/电流测量传感器(22)与电池转换继电器(34)连接，电池转换继电器(34)分别和电池A(23)、电池B(24)连接，电池A(23)、电池B(24)并联布置；扭矩转速测量传感器(7)与PLC控制器(41)连接，PLC控制器(41)与采集卡(47)连接，采集卡(47)安装在上位机主机(46)上，上位机主机(46)与RCT显示屏(44)连接，Fame View模拟软件监控系统(45)安装在上位主机(46)操作系统中。

电器控制系统包括电气控制柜(31)、直流电机伺服控制器(33)、交流电机伺服控制器(43)、24V直流开关电源(42)、直流电源开关(27)、交流电源开关(36)、直流电源指示灯(26)、交流电源指示灯(36)、急停按钮(35)、直流多功能测试表(25)、交流伺服电机启动铵钮(38)、交流伺服电机停止按钮(40)、交流伺服电机正/反选择开关(39)、直流伺服电机启动按钮(28)、直流伺服电机停止按钮(30)、直流伺服电机正/反选择开关(29)、西门子S7-200CPU214PLC、西门子S7-200PLC功能模块、霍尔电压/电流测量传感器(22)以及相应的低压电器系统(32)。

电池A(23)和电池B(24)为二种不同特性被测混合电池系统，电池A(23)为峰值大功率直流输出电池，作为启动、加速、爬坡性能的测试电池；电池B(24)为恒功率低功率直流输出电池，作为高速续航能力的测量电池。

计算机数据采集处理系统包括RCT显示屏(44)、采集卡(47)、上位工控主机(46)和Fame View模拟测试软件系统(45)。

通过在上位机(47)的显示器RCT(44)运行显示的Fame View模拟测试软件系统(45)上，设置所要测试电动汽车的外形尺寸(车重、风挡面积、车长等)、行驶路面状态(摩擦系数和坡度)、启动加速度、正常行驶速度以及正常行驶过程中的加速度，分别得到模拟启动的行驶速度和与之相应的模拟阻力。上位机由USB通信总线与PLC通信，PLC通过相应的功能模块与交流伺服电机(10)和直流伺服电机(2)进行数据的传递，模拟阻力通过交流伺服电机(10)的扭矩模式输出实现，行驶速度通过直流伺服电机(2)的速度输出实现。通过上位机与PLC电控系统的通信，依次启动模拟阻力交流伺服电机(10)和模拟牵引直流伺服电机(2)；再由PLC将通过霍尔电压/电流传感采集到的电流、电压经总线通信传输到上位机，由上位机Fame View模拟测试软件监控测试系统进行性能参数的计算来评价，具体控制流程如图3所示。

电动汽车的动力性能是指加速性能、爬坡能力以及最大速度。作为电动汽车动力源提供的电池，其低速高负载启动的峰值功率、高速低载持久运行的恒定功率、低载加速性能均由电池的动力性能决定。如何针对不同类型电动汽车工况来动态模拟动力性能指标以及在相应状态下电池输出性能进行性能测试和评定，对后续改善电池性能或对已知功率电池的来确定相应的电动汽车的动力性能指标提供了科学依据。

依据牛顿运动学定理：

其中F_powertrain是由电池提供能源的牵引电机牵引力；F_resist是为电动汽车行驶工况下的总阻力；m是电动汽车的整车质量；a是电动汽车的速度变化量与发生这一变化所用的时间Δt内之比即加速度；Δν是Δt时间内电动汽车速度的变化量。电动汽车在加速和匀速工况下行驶时的牵引力和阻力之间关系如式(2)所示：

基于力学平衡原理对电动汽车行驶路况(有无坡度)所受的阻力进行受力分析，确定式(2)中阻力F_resist与路况和电动汽车的自有参数的关系如式(3)：

其中，F_w为行驶过程中的空气阻力，F_f为滚动摩擦阻力，F_i为坡度阻力，ρ为空气密度，A为迎风面积，C_D为空气阻力系数，f_r为摩擦阻力系数；α为爬坡角度，当α＝0时来平地，此时坡度阻力F_i＝0；ν为汽车行驶的速度。通过改变电动汽车的质量或爬坡角度参数，得到对应电动汽车所受阻力。

基于伺服电机力输出模式-扭矩输出给定任意电动汽车模拟阻力F_resist其理论值如式(4)所示：

T为负载电机输出的扭矩，通过模拟量给定得到任意值；r_d为模拟电动汽车的车轮滚动半径。

基于电动汽车行驶过程中能量守恒原理，模拟不同工况下的阻力和运行状况，通过实时电池输出功率的累积计算，以及对牵引电机功率累积计算，对电池的动力性能和续航能力进行评价。

电池累积消耗总瓦时：

其中W_(total)B为电池实时消耗的总瓦时，U_t为电池实时输出电压；I_t为电池实时输出电流；t为电池工作时间。

牵引电机累积消耗总瓦时：

其中W_(total)M为牵引电机实时消耗的总瓦时；P_t为电机实时输出功率；T_t为扭矩传感器实时测量值；n_t为由扭矩速度传感器实时测量的减速机输出转速；i为驱动传动机构的减速比；t为电池工作时间。由此得到电池的动力输出效率：

汽车行驶的总里程为：

其中S_(total)n是汽车各个转速下行驶的总里程；n_rt为直流伺服电机实时转速；r_d为模拟电动汽车的车轮滚动半径。由此得到电动汽车百公里耗电量W_m为：

其中W_m是电动汽车百公里耗电量，相当于燃料汽车的百耗油量的指量。电池有效输出预测里程为：

其中S_valid是预估行程，W₀为电池每次充电的瓦时数，S_t为对应W₀开始的行程，λ为电池充电次数和使用时间的综合影响系数。由此通过式(8)、(9)、(10)得到电池不同工况的动力输出效率、有效工作效率以及每公里耗能力电池性能参数。快速对电池性能进行有效评价，同时也能够根据电池具体情况，通过改变电动汽车技术参数得到最佳的动力输出效率。

本发明所述的实施方法包括以下测试步骤：

1)启动工控机，进入电池性能测试实验平台上位机Fame View模拟监测系统中，选定某种型号的电动汽车，在如图4所示参数设置画面上设置被测试车型的尺寸参数如整车长度、宽度、高度，迎风面积、汽车重量，车轮半径、总传动比，空气阻力系数、旋转质量换算系数、机械传动效率，道路摩擦系数和路面坡度车辆自身参数和路况参数。进入图5所示的行驶状态参数设置画面，输入所要测试的行驶速度：包括启动加速度，不同区域的匀速行驶速度和时间，速度改变时的加速度。完成图4和图5的基本尺寸工况以及行驶状态参数的设置后，进入图6所示的受力分析画面，由公式(1)～(4)得出电动汽车所受各种阻力的大小及交流电机输出扭矩的大小，并在画面中显示。

2)启动测试平台的电器控制系统，上位机Fame View模拟监测系统得到的模拟阻力及速度行驶状态的交流电机输出扭矩参数和直流电机速度参数通过SUB总线由上位机传输到PLC中，在图2中将直流伺服电机正/反选择开关(29)和交流伺服电机正/反选择开关(39)依次打到正向位置，然后依次启动交流伺服电机启动铵钮(38)和直流伺服电机启动按钮(28)，使二者按照步骤1)的各项参数对应的扭矩和速度指令信号进行运转。

3)上位机Fame View模拟监测系统，通过采集卡实时采集电池A和电池B的电压U、电流I以及扭矩转速传感器的转矩T_t和减速机的转速n_t，W₀为电池每次充电的瓦时数可在每次充电时由标准测量仪器测得为已知值。由公式(5)～(10)分别得到电池累积消耗总瓦时W_(total)B、牵引电机累积消耗总瓦时W_(total)M、电池的动力输出效率η₀、汽车行驶的总里程S_(total)n、电动汽车百公里耗电量W_m、电池有效输出预测里程S_valid各项动力参数，并在图7上位机Fame>

4)分别在图4和图5中改变改变车辆外部尺寸参数、道路状况以及行驶速度状态，经过多次实验测试，对电池性能进行合理有效的评价，为电池的合理设计和改进研发提供理论依据。

实施例：

用上述模拟电动汽车负载工况双电混合的电池动力性能测试装置对选定车型电动汽车在不同匀速状态下的电池和牵引电机的功率消耗进行模拟测试实验。

1)上位机Fame View模拟测试软件监控测试系统参数设置画面4设置电动汽车的外形尺寸参数和道路状况参数，见表1所示；

表1汽车外形尺寸参数和道路状况参数

2)在上位机Fame View模拟测试软件监控测试系统行驶状态设置画面5设置行驶状态为匀速运行及运行时间。

3)在上位机Fame View模拟测试软件监控测试系统受力分析画面6中，由式(1)～(4)可得到运行阻力，先后分别启动模拟阻力伺服交流电机和模拟牵引低压直流伺服电机，使两电机分别按照表2中设定的工况条件运转，此时由电池A提供电能；

表2工况条件设定

利用公式(5)、(6)、(8)得到各转速下的电池A和直流伺服电机的耗电量及行驶里程见表3所示。

表3实验数据

利用公式(7)可得到电池的动力输出效率为95.9％，利用公式(9)对应1000rprm、2000rprm、3000rpm各转速下的电池百公里耗电能力分别为：0.3012kwh、0.2636kwh、0.2509kwh，由此可知此型号电动汽车在电池A的供电下，在某一特定匀速转速时，每公里耗电能力最佳。

同理，按照上述方法可测量在汽车启动、加速时，电池供电时的性能。对电池A和电池B不断的进行充电放电，或重置车辆参数和工况进行实验测试，采集数据，通过整体的数据进行分析，对电池性能进行科学有效的评价。

本发明与其他电池性能测试方法相比具有下列明显的优势：

1)由于在本发明中所选用的模拟牵引低压直流伺服电机和模拟阻力交流伺服电机的功率较小，所以能够通过缩小系数对模拟任意型号的电动汽车。

2)此测试平台能够对任意的电池进行性能测试，可以随意对被测电池系统进行组成。

3)电池性能测试平台中，采取了同步带避免了因振动或电磁信号的影响造成采集到的信号不准确。