電池動力傳動技術和內燃機(ICE)動力傳動技術從根本上來說截然不同,因此兩種技術需要一系列截然不同的流程和測試方法。當這兩種技術融合到混合動力車(無縫整合)時,測試時間和成本有可能會大幅增加。

ICE完全是物理測試,測試內容是燃燒機械、壓力、溫度、流體、機械連接和動力傳遞、排氣控制等,透過渦輪增壓器和增壓器,以及其他方法提高燃燒室的爆炸效率或能量,將線性活塞運動轉換為旋轉扭矩,並使用飛輪來平衡能量輸出。

而電池動力傳動則完全是電氣測試,測試的是電力電子和開關頻率、電壓和電流、感應和反電動勢;電池容量、放電率、逆變器和轉換器的熱管理,以及再生功率調節;馬達/發電機的相角和層壓板幾何形狀,以及磁鐵位置和磁通線。

當兩種技術以各種方式組合成混合動力系統時,就需要進行整合測試,包括管理ICE和電子元件之間相互作用的控制方案、狀態圖及規則,以確保系統能夠在所有駕駛條件和場景下做出適當回應。

混合動力車(任何組合方式)比任何ICE或純電動車(BEV)都更為複雜。

20181107NT31P1 圖1 傳統內燃機動力傳動和純電動力傳動之間的各種組合構造。

日益複雜的系統所包含的元件也在不斷增加,這意味著故障概率增加了。對於測試工程師來說,這是1+1>>2。他們不僅要執行傳統的ICE測試,還必須對電池動力系統執行新的且要求更高的子系統測試。測試工程師還必須設計廣泛的整合測試覆蓋範圍,以確保兩種技術無縫協同工作,提供混合動力車設計時所期望的效率、性能和駕駛體驗。

滿足混合動力電動車測試需求

電池動力傳動元件正在推動更複雜的測試需求。測試工具正在不斷發展以跟上需求變化的步伐。測試工程師也必須緊跟不斷發展的技術,才能滿足汽車產業由於高速創新和新技術引入所帶來測試要求變化。以下是電池動力傳動元件所導入的一些新測試要求,以及不斷進步和完善、能夠滿足這些要求的測試工具。

更高保真度且更複雜的建模

相比ICE,馬達和逆變器的回應速度更快,且在其工作範圍內表現出高度非線性特徵。來自ECU的控制訊號非常快(2~20kHz),專用馬達模型需要以高出100倍的速度運作(200kHz~2MHz),以便在硬體迴路(HIL)測試中準確地表示系統。如果是在用於ICE HIL基於處理器的即時系統上,這無法高效實現,因此,NI等測試系統供應商正在開發基於FPGA的模擬工具,以在所需的微秒級迴圈速率下執行使用專用電子建模工具創建的模型。速霸陸(Subaru)已經成功實現了這樣一個系統,測試時間大幅縮短,僅為在測功機上進行等效測試所需估計時間的1/20。

功率級測試

通常,ECU和逆變器封裝在一起,使得訊號電平(-10~10V和幾mA)的測試變得非常困難。在全功率下進行測試,拉灌實際電流要比把元件拆開進行測試要方便得多,但是,這意味著在高達200KW的功率電平下進行測試。這麼大的功率電平需要使用能夠提供通道間隔離的專用設備和電源,可以吸收和提供如此大規模的動態負載,例如NI聯盟商Loccioni為法拉利(Ferrari)混合動力跑車Magneti Marelli逆變器開發的終端逆變器測試平台。

電池模組/電池組驗證

電池,尤其是高容量插入式混合電池,必須在單元、模組和電池組級別上分別進行特性分析。電池單元以串聯/並聯方式組成電池組,需要測試的電壓範圍高達0~800V,以及相對於共模電壓的測量精準度要求非常高,這些測試可能非常困難(或非常昂貴)。

20181107NT31P2 圖2 電池組架構(單元、模組、電池組)和所需的電壓電平測量範圍。

該電池組實際上擁有自己的ECU,也就是電池管理系統(BMS),不僅需要對類比電池組進行元件級測試(比如使用NI聯盟商Bloomy開發的這一BMS測試解決方案),在其上運作控制演算法和函數,也需要在子系統級別下對實際電池組進行測試。這些測試發生在熱室中,因為電池的工作特性非常大程度依賴於溫度,測試包含特性分析和耐久性測試兩個方面,因為電池組性能的核心屬性是充電/放電行為和整個生命週期內,以及在各種溫度條件下的迴圈時間(電池組在各種氣候條件下正常使用的持續時間)。

為了在可接受的時間內完成測試並具有統計意義,汽車製造商正在平行測試許多(數十到數百個)電池組。高效地管理這些測試裝置、生成的資料,以及確保資料的可追溯性和測試資料有效性的可信度,需要專門為此設計測試自動化、系統管理和資料管理工具。

整合測試

如果汽車製造商只能依賴實驗室或道路/軌道測試來進行物理驗證測試,那麼要確保測試能夠涵蓋所有預期用例和工作條件是不現實的,因為這將非常昂貴且耗時,為了解決這個問題,測試工程師正在嘗試利用HIL測試來增強系統整合測試時的資料測試。HIL測試是基於類比的物理驗證和確認測試之間,在系統整合測試中,可以根據要驗證的元件或行為來類比系統的各個部分。擁有靈活的測試環境和架構可以支援類比和實際元件的各種組合,從而顯著縮短測試時間,同時提供廣泛的測試覆蓋率,並提高對系統級性能和可靠性的信心。

20181107NT31P3 圖3 在可支援真實和類比系統元件的各種組合的平台上進行標準化可以顯著提高測試效率和設備重複使用率。(來源:Powertrain Instrumentation and Test Systems, 2016)

為什麼汽車製造商不製造純電動車?

可以說,電動動力傳動的性能更為優越,其優點包括更高的性能、更快速的回應、更低的雜訊、零排放、低維護和駕駛成本,且更安全、更簡單(更少移動元件和故障點),還為設計工程師提供了令人興奮的自由發揮空間,因為電動車移除或大大簡化了複雜且昂貴的重型元件,如內燃機和相關的皮帶驅動系統、排氣和催化轉換器,以及變速箱。這些元件由更小的元件代替,具有更高的功率/重量比,並且允許更靈活的放置,唯一的問題是純電池動力傳動系統過於昂貴...

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