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[分享] EV/HEV的独特测试手段

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发表于 2015-4-26 03:18:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
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传统内燃机汽车制造商已经花费了100多年的时间来对研发计划进行微调以求开发出新的动力总成。然而在电动汽车领域却是另一番景象,新的标准和测试程序像雨后春笋般冒了出来。电动汽车很多的测试工作遵循了传统汽车的测试流程,但是和动力总成相关的测试则有着显著的差别。
        世界各地的汽车制造商、汽车分析师和电池研发人员在相当长的时间内一直在讨论,电力驱动系统将对全球汽车市场产生怎样的影响?尽管舆论充满了溢美之词,但毫无疑问,当涉及到实际的研发工作时,电动汽车想要占领汽车市场还有很长的路要走。
        就像特殊的车辆需要特殊的检修手段(见图1),电动车辆需要专门的测试设备。测试系统供应商SAKOR公司本着这个思路,推出了一套专门为高压电池设计的模拟器和测试系统,以满足电动汽车和混合动力汽车动力系统研发的需求。
       

EV/HEV的独特测试手段

EV/HEV的独特测试手段

        “我们推出的这款先进的测试系统包括一个或多个测功机,连在电动汽车的电动机上,并且我们也提供了一个电源模拟器来给逆变器和电动机供电,模拟蓄电池的特性。”SAKOR公司总裁Randy Beattie先生解释道:“但是,蓄电池测试只是拼图的一小块,而在更多情况下我们并不是整体地测试电动机、逆变器和变速器总成,而是利用多台测功机分别评估它们的性能。”
        Randy Beattie先生表示,电动汽车研发的主要问题仍然在于蓄电池,特别是蓄电池的能量密度。“20年来,电动汽车一直在一些固有的问题上挣扎不前,而这些问题中很多都与能量密度有关。”
        续航里程
        不出所料,汽车制造商也迫切地希望看到蓄电池性能的改善。在这个领域,测试和进一步研发将起到关键性作用。“我们在测试中发现,电动汽车所面临的挑战之一是车辆的续航能力。” 美国Detroit电气公司首席执行官Ben Boycott先生说道,该公司最近展示了其进入电动汽车市场的第一个产品SP:01(见图2)。“对于能够快速补充燃料的汽车来说,耐久性的试验和验证工作往往相对比较容易,因为在一个班次里面可以行驶更多里程。然而对于SP:01的研发花费了我们更多的时间。因为在车辆电池耗光之前只能行驶290km的里程(见图3),然后还需要花费数小时,而不是几分钟给蓄电池重新充满电。”
       

EV/HEV的独特测试手段

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        Ben Boycott先生意识到,他所面临的挑战是在项目允许的时间期限内把路试做完,因为每次给SP:01充电都要耗费很多时间(见图4)。那么就意味着他们需要在换挡策略上寻求创新。“变速器的测试循环是,在某一挡位,分别在低速、中速和高速时达到最大加速度;然后换个挡位重新开始低速、中速和高速的测试,直到做完整个变速器所有挡位的测试。”他解释道,“这个测试通常会达到大约100mile(1mile=1.6km)的测试里程,偏差约为25%,偏差大小取决于我们驾驶汽车的激烈程度。”
        Detroit电气公司临的另外一个挑战是消费者对电动汽车普遍的怀疑态度,这产生了一些有趣的测试场景。“有些公司对于电动汽车开进他们的设备和厂房表现的十分紧张。这真的不合理,因为蓄电池里面存储的能量比一箱汽油或柴油少多了。但是他们仍然担心,因为从来没有电动汽车开进他们的屋子。”Ben Boycott先生说。他强调安全系统的不健全是导致一些独立测试机构在承接电动汽车测试任务时感到忧虑的原因。“我们曾经使用了一家公司的气候试验室,他们坚持让我们将被测试车辆用钢锁连接到另一辆车上。所以我们扯了一根铁链穿过试验室的门,一旦我们的被测车辆出现了任何问题,试验室外的那台车可以立即将它拖出去,从而保护试验室。”原来,该公司从未有过测试电动汽车的经验,他们认为在测试过程中的高温和低温会导致Detroit电气公司的原型车内部的蓄电池变得不稳定。
        显然,想要汽车行业的某些领域全面充分了解电动汽车厂商的需求,还有很长的路要走。Ben Boycott先生表示他和他的同事们正在努力尝试给相关的人员进行讲解。“我们向他们解释电动汽车上有安全系统。我们告诉他们,在蓄电池达到临界点之前,整个系统会自动关闭。除了向他们展示我们的测试数据,我们也没有更多可以做的”。
       

EV/HEV的独特测试手段

EV/HEV的独特测试手段

        对比和比较
        沃尔沃电动其车部门的Johan Konnberg先生和Detroit电气公司的Ben Boycott先生都承认,电动汽车很多的测试工作遵循了传统汽车的测试流程,但是和动力总成相关的测试则有着显著的差别。这并不奇怪,在研发SP:01时,Detroit电气公司在蓄电池安全系统的研发和测试上投入了大量的精力和资金。“这是一个十分重要的环节,确保了蓄电池的安全之后我们才会进一步整体考虑车辆的安全系统,例如制动能量回收、ABS以及与蓄电池安全性原则相符的电动机标定。”Ben Boycott先生揭示道,“电池管理系统在车辆行为中扮演重要角色,因为电池是车辆上的关键性实体。”
        “我们在MIRA 、Millbrook以及其他一些小公司进行测试工作。他们通常拥有较小的试验室,可以灵活调整配置以满足我们特殊的测试需求。我们希望测试工作针对性更强,因此试验室规模比较小、设备配置更灵活的公司对我们十分有利。”
        Ben Boycott先生表示除了续航里程,充电技术也是阻碍电动汽车发展的一大问题。“我们的系统可以承受高达18kW充电功率,但大部分测试机构没有快速充电系统。我们需要的是大电流,但在大多数测试机构,例如英国的Rockingham,你只能得到大约16A的电流,约为3.7kW的充电功率。如果我们使用那套系统,充电时间将长达10h!”这样的充电方式对于任何整车厂来说这都不是一个理想的解决方案,尤其是电动汽车测试团队承担着和普通汽车研发团队相同的时间期限和成本压力。“我们希望这些测试机构将来可以提供更多种类的的充电设备给我们选择和使用。”Ben Boycott先生继续说,“我们需要单相大电流。但在未来,也许三相电或直流电会更容易获得。”
        Ben Boycott先生相信电动汽车生产商在未来将要面对的测试方面的难度将会有所降低。“我们主要的优势在于,将获得一系列经过验证的测试流程,并且知道技术发展的关键点在哪,例如电池热管理系统。”他继续说到,“我们从所做过的测试中得知,需要关注哪些类型的测试。而且我们现在正在进行的仿真工作,将有助于将第一轮测试变得更加精细成熟。”
        测试的精细度是保障测试结果准确的关键,仿真工作也扮演了重要角色。Ben Boycott先生说:“我们在试验台架上能够模拟整车。在开发我们第一辆电动汽车时,尽管做了仿真测试,我们仍然不清楚车辆的特性。我们第一次做碰撞分析时结果不是很好。不过我们现在的仿真试验数据是值得信赖的。仿真工作的进步,以及更多的测试设备投入使用,意味着我们可以简化一些开发和测试流程。”
       

EV/HEV的独特测试手段

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        打破常规
        作为汽车研发领域(特别是在汽车安全领域和增压发动机设计方面)的领先企业,沃尔沃也在研发电动汽车的过程中也遇到了许多意想不到的问题和阻碍。沃尔沃C30电动汽车项目经理Johan Konnberg先生表示,虽然公司制造的250辆C30电动车严格意义上已经不是原型样车(见图5),但是它们也绝不是能够量产的产品。在车辆设计定型以前就把它们交付给潜在的客户和项目合作伙伴进行试驾使得Johan Konnberg先生的处境十分尴尬。尽管这位沃尔沃的项目经理很高兴其挑选的团队能够独立自主地测试车辆,特别是这些测试可能有助于这个瑞典汽车制造商的电动汽车产品线的长远发展,Johan Konnberg先生还是亲眼目睹了研发过程中出现的诸多问题。
        “在C30电动车的开发过程中,我们不得不一度停止该项目,并重新设计车辆的暖风系统(见图6)。因为在测试时发现,这套暖风系统在北欧的极寒气候中显得太羸弱了。”他回忆道,“这款车的设计续驶里程为120km,但在-20℃的温度下我们的测试团队仅仅能够实现70km的行驶里程,因为大量的能量被暖风系统消耗以保持车厢内温暖,因此没有足够的能量使车辆继续前行。”
        该团队提出了一种在普通汽车的研发中不常见的折中解决方案。Johan Konnberg先生揭示:“我们在车上安装了一台使用E85乙醇汽油的外置加热器,一定程度上缓解了这个问题,但又需从新进行碰撞测试已验证新设计的安全性。(见图7)”
        “在C30电动汽车项目的早期阶段,我们发现大多数的电气设备和电子功能需要两套系统。一旦其中一套系统失效,总是有一套备份系统可以持续工作。如果电气系统失效,那么你要面对的就是400V的高电压,所以确保安全是首要任务。”
        然而,考虑到电动汽车续驶里程通常较短同时充电时间又相对较长,针对电动汽车设计正确的耐久性测试循环也不是那么容易。Johan Konnberg先生面临的挑战是如何尽可能地使车辆昼夜不停地行驶。“我们有几辆电动汽车记录了高负荷的行驶工况,这些测试的结果证明,电池性能并未发生衰退。”他补充说。他最初担心频繁的充电循环会对电池的可用功率产生负面影响。
        然而,这样的测试循环不是没有缺点:“每充一次电的行驶里程是120~140km。使用我们开发的22kW快速充电系统,车辆可以在2h内重新进入测试。但是电池、接插件和电缆都制约着充电时间。”沃尔沃项目经理Johan Konnberg先生补充道,“由于车辆电池的限制,充电的功率无法大于22kW。尽管市场上都在谈论50kW的充电功率,但是我们必须评估开发功率为50kW的充电系统是否值得,并且统计出所有涉及的成本。”
        电动机建模
        在电动机仿真领域,特别是有关电动机的电磁场和冷却系统的仿真,Motor设计公司开发了针对电动机的辅助设计软件Motor-CAD。这个功能完善,简单易用的仿真软件能够帮助许多汽车制造商迎接新一代电动汽车研发的时代。
        Motor设计公司总监David Staton博士介绍到,该开发套件是用来预测在不同负载条件下电动机的散热性能,从而针对预期的负载条件优化循环冷却系统。他补充说:“Motor-CAD V7.1有一些令人兴奋的新功能,使冷却系统的优化更容易进行,并且输出更加精确的结果。它还具有新的可视化功能,以帮助我们了解冷却系统的性能。”
        全新的可视化功能之一是一款3D观察器,使得工程师易于将整个冷却系统看作一个整体。另外一个集成在开发套件里的新功能提高了导体传热的计算精度。
        David Staton博世说软件只需要几秒钟就可以划分网格并进行计算。他补充道:“Motor 设计公司不仅为电动机设计提供软件,我们还提供广泛的咨询和培训服务。我们的客户总是得到专业的设计建议和全方位的技术支持。”
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