获得效率效益的关键

作者：SAKOR Technologies Randal Beattie
 
在过去的十年里，从汽车到军事、飞机甚至太空系统，大多数交通市场对混合动力和电动汽车技术的兴趣都大幅增长。为了获得这些车辆承诺的效率效益和绿色形象，在设计和制造过程中进行传动系统和部件测试非常重要，这些测试特别适合混合动力和电动汽车的特殊性质。
混合动力和电动传动系统有几个特点，使其测试与仅对内燃机（IC）系统进行的标准测试非常不同。混合动力和电动系统使用再生制动（制动实际产生的动力被返回并存储在车辆的电池中以供以后使用）。这通常需要添加相当复杂的交流逆变器技术，并且通常需要更复杂的变速器。
此外，这些车辆通常有几个模块控制单元（MCU），基本上是小型车载计算机，它们控制着发动机、变速器和充电系统等主要子系统的功能。为了正确测试这些组件，测试系统需要能够通过高速车载网络与这些单元中的一个或多个通信。这种不断变化的技术和日益增加的复杂性需要一个与纯IC系统中使用的测试系统截然不同、更复杂的测试系统。
该技术旨在确保混合动力和电动汽车所承诺的能效效益得到适当的测试和实现。更重要的是，测试技术本身是节能的，降低了运营和维护成本，并有助于提高车辆的整体环境性能。


图1：技术人员使用电动汽车电池模块，排除从车辆上拆下的电池故障
 

混合动力/电动汽车传动系统测试的类型

混合动力或电动传动系统测试在车辆开发的几个阶段进行，每个阶段都发挥着重要作用。
工程测试——设计工程师需要精确的测量
精确的测量至关重要，因此设计工程师可以从他们的设计中提取每一点效率。否则，他们将失去使用混合动力/电动技术的大部分优势。大多数车辆使用由逆变器技术驱动的三相AC电机，因此需要复杂的功率分析仪来正确测量含有大量谐波的三相交流功率。这些测试系统往往相当复杂，通常是最复杂的，有许多元素需要测试和协调。
生产过程中和生产线末端测试——制造商验证性能和安全性
通常进行生产线末端测试，以验证制造过程中没有引入缺陷，并且组件将按照规格运行。典型的测试包括操作验证、快速性能测试以及严格的测试，以验证高压电气系统是否正确隔离，因此在车辆中使用是安全的。
还可以进行过程测试，以测试生产线上的部分组件。这提高了制造效率，并显著降低了故障组件进入成品的可能性。
质量控制测试——电机用户在进厂产品中寻找缺陷
质量控制（QC）测试通常对一定比例的组件进行，以验证它们在指定范围内的性能，并且相对没有缺陷。例如，叉车公司可能会对计划放置在叉车内的进口电动机进行质量控制测试。他们将使用质量控制测试来验证来自供应商的产品是否按规定执行，并且在现场不会出现高故障率。这种类型的测试系统通常不那么复杂，因为它不必像工程系统中测试的那样测量那么多的项目，也不必达到那么高的精度。

再生制动是提高燃油经济性的基础

混合动力或电动汽车使用四象限电机/逆变器技术来辅助发动机（混合动力）或作为原动机（电动汽车）。四象限意味着电动机可以在任何方向上控制速度或扭矩——电动机可以向前或向后加速、运行和减速。
在减速过程中，该系统使用再生制动，因此电动机用于使车辆减速，并在此过程中成为发电机，部分回收车辆中的运动能量并将其恢复到电池中。在混合动力系统中，当停止、减速或怠速时，发动机通常会关闭，不燃烧燃料。与此同时，电动机再次成为发电机，部分回收能量并将其储存在电池中。当需要保持车辆行驶或加速时，发动机会重新打开。在此期间，电动机有助于加速车辆，利用一些回收的电能来减少发动机的负载，从而降低燃料消耗。
使用这种重新获得的动力是我们可以在加油和/或充电之间行驶更长时间的原因，从而改善我们正在寻求的燃油经济性。设计和制造车辆时使用的测试程序必须确保动力总成高效运行，并充分利用这种再生动力。


图2：测试混合动力和电动汽车比测试内燃机汽车复杂得多

混合动力或电动汽车的测试系统

测试混合动力和电动汽车与传统的内燃机测试截然不同，后者通常测量速度、扭矩以及一些温度、压力和流量。在测试内燃机时，通常不需要对速度和扭矩进行非常精确的控制，因此用于标准内燃机测试（例如水制动和涡流）的测功机从未设计用于处理混合动力或电动动力系统所需的精度类型，也不能测试再生（电动）运行模式。
现代混合动力/电动汽车测试系统必须提供传统系统的所有功能，并增加测试高功率再生电驱动器、高压电池和充电系统的能力，以及与任意数量的智能控制模块（MCU）通信的能力。
电气系统测试
对于许多较大的混合动力/电动传动系统，使用更高电压、更高效率的驱动系统的趋势很强。从传统的12/24V DC系统到使用240V AC的系统，通常需要八分之一或更少的电流来提供相同的功率。这不仅更高效，而且还需要更小/更轻的接线和更小的组件来传递能量，从而实现更小、更轻、更节能的车辆。许多当前的设计在800V或更高的电压下运行，使车辆更加高效。
为了进行此类测试，必须使用四象限电动测功机，该测功机可以模拟/测试混合动力或电动汽车的所有操作模式。在任一方向上驱动或加载的能力正是测试本身以这种方式运行的系统所需要的。当系统处于再生模式时，标准测功机无法在制动过程中测试系统。
创建高效的AC供电系统通常涉及使用基于逆变器的三相技术来精确控制系统中的电动机。这些系统往往非常高效，但也会在功率输出中产生大量谐波失真。因此，除了电动测功机外，现代混合动力/电动汽车测试系统通常还包括一个相当复杂的三相功率分析仪。该装置必须专门设计用于精确测量存在大量谐波失真的高功率电气值。
为了满足对能够全面测试混合动力和电动汽车驱动系统的系统的需求，SAKOR开发了HybriDyne™，这是一种全面的测试系统，用于确定混合动力传动系统各个方面的性能、效率和耐用性，包括电力辅助（并联混合动力）、柴油电动（串联混合动力）和全电动汽车系统。
HybriDyne集成了SAKOR DynoLAB动力总成和电动机数据采集和控制系统的组件。结合一个或多个AccuDyne™交流电机测功机和一个或一个以上精密功率分析仪，模块化HybriDyne可以通过单个系统测试单个机械和/或电气部件、集成子组件和完整的传动系统。
高压电池模拟与测试
现代混合动力或电动汽车的一个关键要素是高压电池和充电系统。为了准确测试高压混合动力或电动传动系统，您需要能够提供精确、可重复的高压直流电源。由于电池性能会随着时间的推移而变化，具体取决于其充电状态、环境条件和使用年限，因此它们通常不可用于为混合动力/电动汽车测试系统的DC组件供电。为了获得可重复的结果，您需要一个可靠的直流电源。标准的现成电源将无法工作，因为它无法从再生系统吸收电力。事实上，与再生系统一起使用的标准电源可能会损坏或毁坏。
SAKOR通过开发固态电池模拟器/测试系统解决了这个问题，该系统专门用于测试高压混合动力汽车电池，并在电动传动系统环境中模拟这些电池。
该系统的核心是高效的线路再生DC电源。在再生模式下，吸收的功率被再生回到AC电源，而不是作为废热消散，这是前一代测试系统的常见做法。这种创新方法提供了更高的能效，并显著降低了整体运营成本。
结合DynoLAB，固态电池模拟器/测试仪准确模拟了高压电池在现实条件下的响应。然而，由于它不受可变充电状态的影响，它提供了可重复的结果，一次又一次的测试。当作为电池测试仪运行时，该装置会使电池经受与实际道路上实际车辆相同的充电/放电曲线。
使用带有再生DC电源的AC测功机的优点之一是，当两者耦合在一起时，一个单元吸收的功率可以在测试系统内再循环回另一个单元。这大大降低了从AC电源汲取的功率（高达85%至90%），从而显著降低了总运营成本。这是一种极其节能的配置，在测试系统的生命周期内，它可以很容易地收回成本，而且通常会重复很多次。非常低的维护要求也大大有助于降低运营成本。
与控制模块的通信
与单个控制模块（MCU）的通信是混合动力或电动汽车测试系统中必须内置的另一个功能。在过去，发动机主要通过油门和点火来控制。现在，发动机有一个发动机控制单元（ECU），车辆可能有一个单独的MCU来控制电驱动，也可能有单独的单元来控制变速器和/或充电系统。这些单元通常通过高速车辆网络（如CAN、LIN、FlexRay等）在它们之间传递命令和/或数据。
为了正确测试这种复杂的传动系统配置，测试系统必须能够同时有效地与这些控制单元通信。DynoLAB系统旨在将所有这些单独的单元集成到一个协调的测试平台中。
汽车、重型设备、军事和航空航天行业对混合动力和电动汽车改善环境性能的承诺感到非常兴奋。为了实现这一承诺，必须采用满足这一新兴技术需求的传动系统测试程序。
 
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