驱动电机系统与动力电池系统试验实例

本节以某小型纯电动汽车的驱动电机系统和动力电池系统为例，介绍驱动电机系统效率试验和动力电池系统电性能试验。

一、驱动电机系统效率试验

根据该小型纯电动汽车的加速性能、爬坡性能和最高车速等技术指标要求，开发一款与之匹配的驱动电机系统。该驱动电机系统规格参数见表 5-6，需开展驱动电机系统的效率试验，并判断是否满足以下要求：

1）额定电压下，驱动电机最高效率不低于 93%，系统最高效率不低于 91%。

2）额定电压下，驱动电机效率高效区（效率＞ 80%）占比不低于 80%。

表 5-6 某电机系统规格参数

参数项目参数规格电机型式永磁同步交流感应电机额定功率20kW峰值功率50kW峰值转矩215N·m最高转速7500r/min额定电压DC 353V最低 / 最高电压DC 245V/412V

1、试验准备

（1）样品及环境条件检查

按表 5-7 中的要求做好检查并记录，检查结果必须满足技术要求。

表 5-7 试验前检查记录

序号检查项目技术要求检查结果1外观完好、无锈蚀合格2紧固件连接牢固合格3电机三相线和低压绝缘DC 1000V ≥ 200MΩ合格4环境温度18 ~ 28℃合格5相对湿度45% ~ 75%合格6气压86 ~ 106kPa合格

（2）台架搭建

台架试验步骤一般为：制作工装→安装测试电机及传感器→连接水循环，高、低压线路，功率分析仪→ CAN 通信配置及台架调试。

设置冷却系统参数，控制器入口冷却液温度为 65℃ ±2℃，冷却液流量为 8L/min。冷却系统一般根据测试对象的冷却系统进行选型适配。按照冷却机组→电机控制器→被测电机→冷却机组循环回路，实现冷却液流量和温度的控制，为驱动电机系统提供冷却。

2、试验执行

选择测试点。该驱动电机最高转速为 7500r/min，因此可将最低转速点选定为 500r/ min，转速点间隔也选定为 500r/min，共计 15 个转速点。峰值转矩 215N·m，按 10N·m 间隔一个点，低转速工作点每个点对应 22 个转矩点；随着驱动电机转速升高，最大转矩逐渐降低，7500r/min 对应的最大转矩约为 65N·m，按 10N·m 间隔一个点，高转速点对应的转矩点为 7 个。总计 210 个测试点，具体分布见表 5-8。

表 5-8 测试点分布

转速 /（r/min）5001000150020002500300035004000对应测点个数 / 个2222222220161412转速 /（r/min）4500500055006000650070007500—对应测点个数 / 个111098877—

将驱动电机控制器的直流母线电压设置在额定工作电压 353V，按选定的测试点依次测试，记录稳定的转速、转矩、电压、电流、功率等数据。

3、试验分析及处理

将试验结果按表 5-9 中的要求记录完整。其中，驱动电机系统转速、转矩，控制器母线电压、电流，控制器输入、输出功率可通过计算机直 接读取。电机输出功率的计算见式（5-5），控制器效率、电机效率和系统效率的计算分别见式（5-1）、式（5-2）和式（5-3）。

表 5-9 电机转矩 - 转速特性测试数据（节选）

试验数据测试记录完成后，将转速、转矩、效率数值导入常用的数据处理软件（如MATLAB、Python 等）生成 MAP 图，如图 5-11 ~ 图 5-13 所示。通过 MAP 图得出电机的最高效率为 93.45%，高效区占比 86.8%，系统最高效率 91.13%，均满足技术要求。

图 5-11   电机效率 MAP 图

注：最高效率 93.45%，高效区占比 86.8%。

图 5-12   控制器效率 MAP 图

注：最高效率 97.61%，高效区占比 99.79%。

图 5-13   系统效率 MAP 图

注：最高效率 91.13%，高效区占比 71.98%。

二、动力电池系统电性能试验

根据该小型纯电动汽车 250km 续驶里程要求以及驱动电机功率，开发一款与之相匹配的动力电池系统，该动力电池系统基本参数见表 5-10 ；现开展动力电池系统电性能试验， 试验项目为容量、能量以及功率试验，并判断是否满足以下要求：

1）该动力电池系统实际容量、能量符合整车续驶里程要求。

2）该动力电池系统不同温度下，20%SOC，满足驱动电机峰值功率运行  10s。

表 5-10 动力电池系统基本参数

序号项目项目信息1成组方式5P106S2额定容量75A·h3额定能量25.4kW·h4功率要求25℃、0℃、−20℃，10s20%SOC 放电功率≥ 50kW5电压范围265.0 ~ 386.9V

1、试验准备

试验准备包括试验对象检查、试验台架搭建以及试验程序设定。

（1）试验对象检查

试验开始前，完成对试验对象的检查，确保其基础功能正常（表 5-11）。

表 5-11 检查项目及要求

（2）试验台架搭建

连接试验对象的高压、低压线束（表 5-12），并将试验对象置于试验箱内。

表 5-12 高压、低压线束连接要求

序号项目要求评价1高压线束螺栓连接力矩大于 20N·m合格2低压线束连接可靠，无干涉合格

（3）试验程序设定

设置程序保护阈值：总电压（264 ~ 388V）、单体蓄电池电压（2.49 ~ 3.66V）、电流（≤ 600A）以及温度（−20 ~ 55℃），当某参数超出保护阈值时，可通过断开动力电池系统继电器终止试验。

设置数据采样率：充放电过程 1s 采集一次，静置过程 3s 采集一次，调整温度过程不采集数据，只进行监控；设置每个试验用程序的工步，包括充放电电流（或功率）、截止电压或时间以及静置时间。

2、试验执行

开展该动力电池系统容量、能量以及功率试验。

（1）容量、能量试验

1）开启试验箱，设置温度 25℃，调整动力电池系统温度至 25℃ ±2℃，使用 75A 电流放电至 umin=2.5V（umin 为动力电池系统最小单体蓄电池电压）。

2）静置 1h；动力电池系统温度达到 25℃ ±2℃后，使用 75A 充电至 umax = 3.65V（umax为动力电池系统最大单体蓄电池电压）。

3）静置 1h ；动力电池系统温度达到 25℃ ±2℃后，使用 75A 放电至 umin = 2.5V，此为该动力电池系统 25℃下的实际容量。

4）使用同样的方式将动力电池系统充至满电，使用试验箱依次将动力电池系统温度 调整至 10℃、0℃、−10℃、−20℃，并使用 75A 放电；记录所有充放电过程的容量、能量。

（2）功率试验

1）使用同样的方式将动力电池系统充至满电。

2）使用 75A 放电 0.8h，将动力电池系统调整至 20%SOC。

3）将动力电池系统温度调整为 25 ℃ ±2 ℃，设置功率试验程序：预设放电功率70kW，放电截止时间 10s，截止单体蓄电池电压 2.5V ；开启恒功率放电，经 10s 后，最小单体蓄电池电压为 2.51V，则认为该动力电池系统在 25℃、20%SOC、脉冲时间 10s 的最大可持续放电功率为 70kW。

4）采用同样的方式完成 10℃、0℃、−10℃、−20℃下，动力电池系统 20%SOC、脉冲时间 10s 的最大可持续放电功率试验；记录不同温度下的功率，放电过程时间，起始及终止的总电压、umax、umin。

3、数据分析与处理

（1）容量、能量试验

通过容量、能量试验测得动力电池系统在不同温度的放电容量、能量，试验结果见表 5-13，不同温度放电容量、能量均合格。

表 5-13 动力电池系统不同温度下的放电容量 / 能量试验 

（2）功率测试

通过功率试验测得动力电池系统在不同温度下，20%SOC、脉冲时间 10s 的最大可持续放电功率，试验结果见表 5-14。

表 5-14 动力电池系统不同温度下 20%SOC 的功率试验 

功率试验结果反映出动力电池系统的最大可持续放电功率有明显的随温度（一定范围内）降低而降低的趋势。该动力电池系统在环境温度 −10℃及以上、SOC ≥ 20% 时，10s 放电的最大可持续功率均大于 50kW，满足设计要求。当此动力电池系统处于 −20℃（及以下）低温环境、SOC ≤ 20% 时，10s 放电的最大可持续功率小于电机峰值功率，此时驱动电机需限功率运行。

针对某动力电池系统开展相关试验，结论如下：

1）该动力电池系统在不同温度下的放电容量、能量均满足设计要求。

2）该动力电池系统在环境温度 −10℃及以上、SOC ≥ 20% 时，满足电机峰值功率运行。

复习思考题 

注：本文节选自工业和信息化部“十四五”规划教材《新能源汽车试验学》，本书可作为高等院校车辆工程、新能源汽车、交通工程及相关专业的教材，也可供有关研究人员、工程技术人员和管理人员参考。
本书由机械工业出版社出版，本文经出版方授权发布。作者：张代胜