电动汽车动力总成测试：挑战与革新的交汇！

Mahle的电子驱动测试设施可在加载机之间容纳电机和完整的电子轴，这些加载机可再现使用中的各种应力和应变。

(由 Mahle 提供）

测试提供商的服务也在发生变化，这反映了人们越来越倾向于使用电动和其他形式的动力系统。

随着汽车行业从集成电路发动机测试能力过渡到支持以电气化和其他化石燃料替代品（如氢）为中心的新型和未来推进系统的测试能力，电动汽车动力总成测试市场目前的状况可以说是欣欣向荣。欧盟从 2035 年起禁止销售新的汽油车和柴油车，这为已经开始的转型提供了进一步的动力和紧迫性。

车辆和设备制造商正在开发所需的测试方法和能力，而服务供应商也在转变其产品，以支持新动力总成技术的需求。一家旋转机械测试服务提供商报告说，其团队几乎完全从事全电动汽车的测试，"甚至不再从事混合动力汽车的测试"。

该公司的专家说，除了非公路车辆、船舶和其他大型运输车辆等特定行业，内燃动力系统仍然很重要，电气化是首选方法。

另一个转变是，随着大多数主要汽车制造商都在为大规模电动汽车生产做准备，市场的很大一部分正从与研发相关的测试转向终端测试，一家测试电动汽车推进系统的变速驱动和控制系统供应商说。该公司的一位专家表示，对于商用车和非公路市场，他们仍在研究推动其发展的最佳技术。

虽然确定部件、子系统和整个动力系统是否满足扭矩和功率、效率和耐用性目标的高层次目标一如既往，但现在的 NVH 测量要求更高，因为需要识别和描述不再被集成电路发动机掩盖的多种来源，例如路噪、风以及转向和电池冷却系统等部件。

这位旋转机械测试专家说，测试这些新一代动力系统意味着要测量和评估新型指标。他说，必须处理新的噪声源，以及不同的频率范围和烦扰度量，重点是音调分析。这些指标包括音调听觉模型、突出比、尖锐度和响度。

他说："这完全重塑了我们过去对品牌声音特征的认识。"例如，V8 发动机的咆哮声或直列 6 缸发动机的平稳感都不再是特定类别汽车的标志。

设计电动汽车动力系统的内部和外部声音非常重要。电动汽车用户希望感到舒适、安全，并体验到与他们所乘坐的汽车类型相匹配的驾驶感受。

这意味着测试提供商和汽车原始设备制造商必须扩大范围，将动力系统和车身的每一个噪声源都视为一个相互作用的系统。

这位专家强调说，虽然汽车原始设备制造商已经在动力系统与车身的集成方面积累了丰富的知识，但电动汽车动力系统却带来了新的挑战，因为部件的尺寸和它们产生的载荷截然不同。他说，低转速产生的高扭矩需要不同的车身结构来处理，识别负载及其在车身中的正确路径的能力是关键。

由于现代电池组的尺寸和重量，整合电池也是一项挑战。他补充说，这对重量分布、车身整体刚度以及车辆性能和舒适性之间的平衡都有重大影响。

他说，能源管理也非常不同，因为测试必须评估从电池通过逆变器和电动传动系统流向车轮的直流电的效率，而不是从燃烧燃料和空气混合物通过完全机械化的传动系统流向车轮的直流电的效率。专家说："这需要新的方法和材料”。

一家全球工程咨询和服务供应商解释说，电动汽车动力系统的特点是高速、高功率密度输入机器，带有集成变速箱系统，可从零速开始提供高车轮扭矩，该公司提供电动汽车动力系统的设计、开发、集成、测试和零部件及整车验证服务。

该公司的一位专家解释说，公司可以在单轴测试平台上测试电动汽车，在输入-输出平台上测试变速箱系统，在两驱和四驱动力总成平台上测试电驱动单元（EDU）。对于整车，公司提供用于性能和效率开发的气候试验箱，以及符合欧盟和美国标准的范围测试。

电动汽车和混合动力汽车的测试平台必须能够处理全轮驱动车辆和电动马达特性，

例如从零转速开始的最大扭矩，这需要非常精确的测量。

(里卡多提供）

这位专家说，测试系统必须能够与现代电动汽车动力系统的高性能相匹配，同时还要足够耐用，能够反复进行测试活动。他说："性能和效率是电动汽车动力总成的重要因素，这就要求高精度的扭矩测量和功率分析系统能够同时测量直流和交流系统。”

变速驱动和控制系统供应商表示，基本测试系统包括一个高速测功机或一对轮速测功机，并与电池模拟器集成在一起。之所以需要模拟器，是因为电动汽车动力系统通常在没有电池的情况下进行测试。

该公司为试验台行业制造驱动系统。这些系统与主要用于工业应用的系统不同，例如，使用逆变器和转换器等输出设备，以较低的损耗提供较高的开关频率；使用多个处理器以及为试验台应用开发的软件和内部时钟，可配置为系统不同部分的优先级。

不过，典型的系统往往比上述系统更为复杂。据一家车辆测试和验证服务提供商的工程师介绍，这些系统包括用于测试 EDU 性能和耐用性的钻机，其中包括多个交流测功机，包括高扭矩和高速机器、电池模拟器、冷却液和油调节系统、功率分析仪以及环境调节。

该公司表示，它在部件、子系统和系统层面提供全套测试服务，包括认证支持，最近重点投资于电气化传动系统和电池测试能力。

该公司的工程师说，电池测试系统通常侧重于耐久性和性能，包括环境试验箱、电池循环器以及冷却液调节系统。当然，两者都需要控制和数据采集系统。

他们说："电池和 EDU 的测试系统也往往侧重于环境测试。"测试系统包括用于冲击和振动测试的机电振动台、冷却液和空气-空气热冲击试验台、灰尘和水侵入以及盐雾。

这家旋转机械测试供应商表示，数据采集系统必须能够处理包括电流、电压、温度、压力、振动和扭矩在内的参数。该公司的专家说，在低转速下测量非常高的扭矩可能很困难，因为例如，车辆传动轴可能会发生塑性变形，而基于应变传感器的典型扭矩测量系统假定轴的变形将保持在材料的弹性区域内，因此需要对仪器进行调整。

他补充说："分析系统还应具有足够的灵活性，以处理多属性平衡。"电动动力系统的噪声和振动分析完全重新定义，因此需要先进的音质分析工具，包括交互式音频分析、评审团测试和声音设计师，为品牌打造独特的声音特征。

他强调说，从耐用性和 NVH 角度来看，围绕动力系统和电池组的整合问题也至关重要，因此在设计阶段的早期就开始进行精确的模态分析和噪声/振动预测至关重要。他补充说，将典型的 NVH 系统与动力分析仪数据连接起来的能力对于研究 EDU 控制策略对乘员舒适感的影响正变得越来越重要。

他说，测试台需要在很多方面适应现代电动汽车，包括机械方面。他说："现在的典型轿车比过去更重，扭矩水平与不久前的卡车相同，而且是从最低转速开始的。测试系统不应被视为独立的实体，而应与模拟系统紧密衔接。我们应该能够结合多个虚拟车辆对子系统的物理原型进行测试，从而避免最终车辆原型出现意外。这就需要结合测试和仿真技术的专用创新测试台"。

他补充说，为了确保在试验台上工作的人员的安全，适当的布线、传感器和操作员培训至关重要。

公司从早期设计阶段就利用仿真技术优化系统性能，应用三维仿真技术预测各学科的机械性能，包括噪声和振动分析、声学、疲劳分析、多体动力学和碰撞安全。

这位专家说，评估电动动力系统的热性能至关重要，因此公司使用 CFD 分析液体和气体中的高度复杂行为，并具有类似的电磁模拟能力来分析机电系统的性能。

他说，公司通过基于模型的测试能力（包括基于模型的虚拟传感器和系统在环测试）将测试和仿真世界结合在一起。

Unico 的量子驱动平台专为测试电动汽车动力系统（包括电池）而设计，可在同一系统中支持电池、模块和电池组级测试，并在所有通道之间实现隔离。

(由 Unico 提供）

当电动汽车开发商与测试机构接洽时，他们可能会考虑到各种目标中的一个或几个--例如性能图谱、效率特性、耐用性和对环境压力的响应。不过，电池和电机效率似乎是重中之重，性能、耐用性和 NVH 紧随其后。

咨询和服务提供商表示，用于测试这些属性的钻机也可用于验证和/或认证。该公司的专家说，不同的测试系统架构使客户能够以竞争对手为基准，为未来的产品开发改进型 EDU。

这家旋转机械测试供应商指出，客户的要求主要集中在两个方面：NVH 背景下的多属性平衡和能量流分析。

在第一种情况下，他们需要帮助识别噪声源并分析每个噪声源的贡献，而公司则提供所需的工具或全套分析服务。专家说，所解决的问题范围很广，从机械问题（如结构集成问题）到声品质工程（包括评审团测试和声音设计），详细工作可扩展到对车辆进行完整的风噪声分析。

在能量流分析方面，服务的核心是使用专门用于车辆能量管理的测试单元。该试验室的环境温度可控制在 -10 至 45 ºC 之间，内设一台可运行全轮驱动车辆的主轴直接驱动测功机，最近还升级了一台 300 千瓦的电动汽车增压器，可以计算从电网到电池的能量传输效率等。

这位专家说，客户希望回答的问题与集成电路动力总成开发人员长期关注的问题并无太大区别。他们想知道传动系统的效率如何，哪个部件的损耗最大，以及不同的控制设置对传动系统效率的影响。

他说："现在，一个典型的问题是，在冷启动过程中，电动发动机控制的退化会增加发热量，以及这对行驶里程的影响。"他说："在要求对客户自己的系统进行纯粹的开发/验证和基准测试之间需要取得平衡。

声学是电动汽车动力总成测试的一个重要因素，通过声学设计创造出反映加速和制动等驾驶条件的线索，而这些线索在其他情况下是不存在的。

(由西门子提供）

关于电动汽车动力系统给测试机构带来的独特挑战，工程咨询和服务提供商列举了上文讨论的一系列需求，以及电磁兼容性（EMC）、机械弹性和高压安全等更具体的问题。

该公司的专家说："处理高压系统时，安全是最重要的，因为它们具有很高的风险。"在与高速电动机械直接耦合时，传动系统必须能够以非常高的速度运行。

因此需要对测试系统进行修改，以确保安全和准确的测试，他继续说道。这可能意味着要改变启动和关闭程序，以及使用传感器或隔离高压系统来防止电磁干扰。虽然电动汽车系统的排热量通常低于集成电路发动机，但测试通常要在更大的气候范围内进行。

他说："我们可以测试转速高达 30,000 rpm 的电动机械和转速高达 4000 rpm 的电动单元。"我们拥有单轴和多轴钻机，最大扭矩可达 4000 牛米，单轴额定功率为 500 千瓦，多轴额定功率为 1 兆瓦。我们的设备专为测试各种乘用车系统而设计，不过我们也测试较小的重型船舶和航空航天系统。

变速驱动和控制系统供应商表示，就主动力装置而言，电动汽车的速度范围要宽得多。典型的跑车发动机测功机的额定转速高达 8000 rpm，而赛车发动机的额定转速高达 16000 rpm，但电动汽车发动机的转速几乎普遍高达 20000 rpm。竞赛和高性能混合动力装置中的电动辅助涡轮增压器等子系统的转速则更快。

集成电路发动机动力系统可以在水闸或涡流测功机上进行测试，但考虑到电动汽车动力系统的再生能力，唯一合理的测功机选择就是全电力系统。

这位专家补充说，这为节约能源开辟了道路，因为公司运行的测试系统将电池模拟器与测功机集成在同一直流链路上。通过这种方式，测功机收集的能量可用于为电池模拟器供电，因此只需从电网获取电力来弥补电气和机械损耗。如果没有这项技术，测试室将需要更多的电力来进行电动汽车测试。

他说，这推动了从老式测试技术向惯性更小的系统的重大转变，并因此更多地使用永磁测功机。该公司提供额定功率高达几兆瓦的测功机和电池模拟器，以及支持转速高达 120,000 rpm 机器的系统。

此外，测试数据采样率往往比集成电路发动机测试高得多，车辆测试和验证服务提供商的工程师指出。功率分析等测试要求以每秒数百万次的采样率测量数据。

这家工程咨询和服务提供商表示，如此高采样率的测量需要高精度的电流和电压传感器。测试高速电机还需要考虑机械装置的特殊性，例如需要使用平衡轴和适配器，并要求非常高的对准精度。

这家车辆测试和验证服务提供商在美国、英国和德国都拥有电动汽车动力总成测试设施，其电池模拟器能够提供高达 1000 V、1000 A 和高达 1 MW 的电压，同时还配备了多个交流测功机，涵盖了广泛的扭矩和速度值范围。

在低速、高扭矩方面，机器可连续处理高达 5000 牛米的扭矩，而在高速方面，机器可在高达 20,000 rpm 的转速下运行。此外，多个附件变速箱可对商用车和非公路动力系统进行测试。

旋转机械测试提供商指出，从设计角度来看，新型电动汽车动力系统也有多种系统布局。这包括一系列电机技术和系统架构，包括每车轴单电机和双电机、车轮电机以及与电动电机系统分离或紧密集成的逆变器。

该公司的专家说，每种电机都给测试系统的设计和测量带来了不同的挑战。"例如，对轮毂电机进行基准测量就非常困难，因为存在接触部件的问题"。

他说，还有几个机械方面的问题需要考虑。例如，与集成电路发动机相比，电动发动机采用更坚硬的支架连接到车身，这就产生了不同的 NVH 特性，而且低转速时的高扭矩会给车身带来非常大的负载，从而影响耐用性以及振动和噪声的传递。

他补充说，例如，在使用频率响应函数描述噪声和振动特性时，测试对于确定最重要的模式始终非常重要。"当然，就电子驱动本身而言，进行试验模态分析仍然非常重要，因为带绕组的层叠定子外壳的响应非常非线性，如果没有基于试验的相关性，就很难建立模型。

西门子的 Simcenter 设计用于预测 NVH 性能，结合使用真实和模拟硬件以及专用软件包，可用于任何开发阶段。

(由西门子提供）

动力总成测试非常复杂，通常采用 V 模型，其中 "V "代表验证和确认，同时也寓意字母的形状，有助于直观地理解开发流程以及工程和测试阶段之间的关系。

工程阶段从上到下依次为 "V "形左侧的用户需求工程、系统需求工程、架构工程和设计，直至硬件制造和软件编码。在右侧，测试阶段从下到上依次为单元测试、子系统集成测试、系统集成测试、系统测试和验收测试。

每个测试阶段都要验证和确认 "V "字对角线上相应工程阶段的工作。

"电动汽车动力系统计划涵盖性能和效率、耐久性、电磁兼容性、机械和环境以及滥用测试，"工程咨询和服务提供商说。"有一些法规测试，如用于测量功率的第 85 号法规，但总的来说，电动汽车动力系统遵循多阶段 V 模型进行开发，这与 IC 发动机的同类产品相当。" 

第 85 号法规（R85）是联合国欧洲经济委员会制定的一套用于批准集成电路发动机和电动动力传动系统的规定，涵盖了两者的净功率测量和电动动力传动系统的 30 分钟最大功率测量，后者被定义为控制器和电机。

这里的 "净功率 "是指在试验台上，在曲轴或等同物上，以规定的转速、参考大气条件和附加规定的辅助装置测得的功率。电力传动系统的 "30 分钟最大功率 "是指在规定的直流电压下，30 分钟内的平均最大净功率。在混合动力汽车中，集成电路发动机和电力驱动装置根据 R85 分别进行测试。

车辆测试和验证服务提供商解释说，在进入批准测试阶段之前，EDU 通常被分成两个子系统，即高速电子机器和变速器总成。这两个子系统最初的测试和开发是相互隔离的，尤其是在开发的早期阶段。

工程咨询和服务提供商的专家说："将这两个子系统分开的好处之一是可以进行加速测试，例如，在与系统其他部分隔离的情况下证明传动齿轮系的耐用性。电池最初也将单独进行安全、性能和耐用性测试"。

这位专家补充说，然后将使用底盘测功机对整个系统进行测试，然后再转到赛道上进行车辆级测试。

一旦耐久性得到验证，动力传动系统将通过 R85 等法规测试，锂离子电池将通过 R38.3 法规测试，以确保电池及其电芯在运输过程中的安全性，而 R100 法规测试则涵盖了电池在车辆中的预期使用安全性。

UTAC的电机测功机可以进行包括部件故障、效率、速度、扭矩和冲击在内的测试。

(UTAC提供）

硬件在环（HiL）仿真现已成为现代测试设施的重要组成部分，这些设施越来越多地采用最先进的数字工程技术和工具。据工程咨询和服务提供商称，通过将物理和虚拟开发联系起来，这些技术有助于节省时间和金钱，尤其是软件开发，而软件开发现在已成为复杂电气化系统开发路径的关键要素。

"先进的数据管理管道可实现数字模型与物理组件的协同仿真，从而对复杂系统进行准确而全面的验证，"其专家解释说。"这对于电气化系统的开发尤为重要，因为软件驱动组件的集成增加了对严格测试的需求。

他解释说，HiL 仿真通过在受控环境中复制真实世界的条件，加快了产品开发速度并降低了风险。通过使用物理和数字组件，可以验证各种情况下的性能。此外，虚拟验证还能加快汽车开发商的创新速度，因为他们需要在不影响质量的前提下尽快将汽车推向市场。

旋转机械测试提供商说，电力驱动包括控制电子设备，有助于优化车辆性能，例如，通过塑造对驾驶员输入的响应，还有助于完善其品牌特征。

基于模型的测试可在单一验证环境中进行综合测试和模拟，从而提高生产率，深入了解被测系统，降低成本和风险。它还最大限度地提高了工具和方法的一致性，同时提供了一个高度灵活的系统工程环境。

专家指出，此外，它还可以使用虚拟模型、虚拟-物理组合模型和物理原型进行特定属性评估。"例如，可以在不同的驾驶场景中结合多个虚拟车辆对单个物理电子驱动系统进行测试。

该公司称之为可执行数字孪生工作台的设备将真实和虚拟结合在一起，专家将其描述为一个实时模拟平台。它采用闭环自动化，依赖于被测系统（SUT）的物理传感器测量值和实时仿真环境的变量。钻机控制环包括一个实时平台，该平台利用车辆其他部分的软件模型复制被测系统的物理边界。

他说，公司的工程师开发了这些模型的高保真变体，以便在所有可能的环境中操作 SUT。他说："这个平台使我们的客户能够加快子系统和控制逻辑的开发，并支持自适应改装研究"。

电子驱动硬件的模态分析至关重要，因为例如带绕组的层叠定子外壳在振动响应方面具有高度非线性，因此建模需要基于测试的校准。

(西门子提供）

鉴于测试的复杂性，人们可能会认为汽车开发商必须为任何测试活动进行精心准备，但事实并不一定如此。例如，工程咨询和服务提供商会准备用于初始研发的一次性原型以及测试生产级驱动装置，该公司的专家如是说。

这家车辆测试和验证服务提供商强调了灵活性在这方面的重要性，因为不同的客户往往希望以不同的方式与他们合作。他说，有些客户希望在提供测试系统的同时提供所有夹具，而有些客户则希望只提供 SUT，依靠测试提供商来设计和制造所有夹具。

这位专家说："我们通常会要求客户在提供硬件的同时提供 CAN 数据库文件。"除此之外，在我们的设备上进行测试不需要做任何特殊准备。

工程咨询和服务提供商指出，展望未来，电动汽车动力总成系统的电流和电压都将增加。工程咨询和服务提供商解释说，虽然乘用车市场目前似乎还在使用 400 伏或 800 伏的系统，但这种情况很可能会改变，因为铁路等其他行业已经在使用更高的电压。

不过，这种对电压趋势的看法并不普遍。例如，变速驱动和控制制造商预计乘用车的电压不会超过 800 V。车辆测试和验证服务供应商也同意这一观点，并补充说，几年前常见的 350-450 伏直流系统正在被 700-850 伏直流系统所取代，这主要是为了满足更快充电的需求。

测试和验证服务提供商的专家说："我们预计，在一段合理的时期内，这一电压水平仍将是主流汽车市场的上限；但是，赛车运动和特殊越野应用将继续挑战极限。”

除系统电压外，这位专家预计短期内动力总成技术不会有进一步的重大变化，因为该行业正处于产量快速增长的时代。他预计电池、电机和逆变器会有逐步改进，如向碳化硅器件的转变，但预计这些改进不会推动所需的测试发生重大变化。

工程咨询和服务提供商指出，随着氢等未来燃料经济的发展，燃料电池在电动汽车动力系统中的重要性日益增加，从而导致对集成到动力系统中的燃料电池的测试需求增加。"该公司表示："我们已经投资了燃料电池测试系统，并将重点放在未来的设施上，以便对集成的氢和电动汽车系统进行测试。

旋转机械测试将自动驾驶的发展视为未来的巨大挑战，测试机构必须迎接这一挑战。该公司的专家说："这将极大地改变我们使用汽车的方式和我们所期望的驾驶感觉。"

"舒适性、安静性和驾驶动力将以完全不同的方式被感知。这将需要一种新的思维方式来考虑电动发动机的集成以及被驾驶而不是驾驶车辆的整体感觉。"

扫码关注

获取更多行业资讯

欢迎加入

新能源汽车产业交流群  

关注公众号后台回复关键词“社群”

即可获取入群方式

发现“分享”和“赞”了吗，戳我看看吧