丁左武， 屈敏， 郝騰飛， 鄭堃

(1. 南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167; 2.先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167)

電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)及制作

丁左武1，2， 屈敏1， 郝騰飛1， 鄭堃1

(1. 南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167; 2.先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211167)

為了檢測電動汽車控制器的性能、動力鉛酸蓄電池組或者鋰離子蓄電池組在使用過程中的參數(shù)變化、驅(qū)動電機(jī)的各項(xiàng)性能，設(shè)計(jì)出一種電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺,包括負(fù)載配重塊、主減速器、傳動軸、變速器、帶輪、驅(qū)動電機(jī)、主控制器、輔助控制器、負(fù)載電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、蓄電池組、加速踏板、制動踏板和蓄電池組。試驗(yàn)臺在驅(qū)動橋的左右兩端分別設(shè)置有六個模擬車輛不同載荷的加載配重塊。試驗(yàn)臺能夠模擬車輛在不同載荷條件下的ECE(Economic Commission of Europe safety regulations)循環(huán)試驗(yàn)、制動能量回收試驗(yàn)等?？刂破鳈z測車輛運(yùn)行速度、動力蓄電池組的工作電流、蓄電池組的端電壓、蓄電池組在使用過程中的容量變化等參數(shù)，為電動汽車的研發(fā)提供試驗(yàn)平臺。

電動汽車；綜合性能試驗(yàn)臺；制動能量回收；鉛酸蓄電池；鋰離子蓄電池

0 引 言

電動汽車開發(fā)過程中，需要檢測控制器的驅(qū)動效率、工作電流，動力蓄電池的容量、使用過程中蓄電池的溫度變化、蓄電池的使用壽命，驅(qū)動電機(jī)的扭矩等參數(shù)[1-2]。電動汽車整車生產(chǎn)企業(yè)在選配不同廠家生產(chǎn)的蓄電池、電機(jī)之前，需要對不同生產(chǎn)廠家送檢的蓄電池、電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的性能試驗(yàn)。為了對電動汽車的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測，本文設(shè)計(jì)出一種電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺不僅能夠模擬駕駛員實(shí)際踩下加速踏板的幅度調(diào)節(jié)車輛不同的行駛速度，并且可以按照事先編制好的速度曲線運(yùn)行[3-4]。

1 電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

為了模擬車輛運(yùn)行慣量，混合動力汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)和電動汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)通常在驅(qū)動電機(jī)的輸出端用發(fā)電機(jī)作為負(fù)載。本試驗(yàn)可以模擬電動汽車制動過程動能和電能的相互轉(zhuǎn)換，為了使運(yùn)行過程車輛的能量以動能的形式存在，本試驗(yàn)選用飛輪形狀的配重塊作為加載模塊[5-6]。圖1所示為電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺原理圖，圖2所示為電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺實(shí)物圖。

圖1 電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺原理圖

圖2 電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺實(shí)物圖

加載配重塊中，配重塊1、配重塊3、配重塊4和配重塊6的材質(zhì)為球墨鑄鐵，通過鑄造而成，配重塊2和配重塊5為大功率發(fā)動機(jī)飛輪改造而成。飛輪形狀的加載模塊模擬車輛負(fù)載，具有成本低廉，制造簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)模擬大負(fù)載的車輛時，所制造的飛輪形狀加載模塊，對動平衡要求較嚴(yán)格，否則飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，試驗(yàn)臺抖動嚴(yán)重。

根據(jù)能量守恒定律，車輛的飛輪等傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件的傳動動能和車輛平行移動的慣性能相等[7-8]，則:

(1)

(2)

(3)

式中If為飛輪轉(zhuǎn)動慣量；ωr為車輪角速度；ωf為飛輪角速度；mv為車輛平動質(zhì)量；v為車輛運(yùn)行速度。

本文的試驗(yàn)臺驅(qū)動電機(jī)選用7.5 kW的直流無刷電動機(jī)；制動阻力模擬電機(jī)選用5 kW的直流有刷并勵電動機(jī)；變速器選取具有5個檔位的面包車用變速器；驅(qū)動橋的主減速比為4.226。

2 直流無刷驅(qū)動電動機(jī)控制器設(shè)計(jì)

圖3 直流無刷 電動機(jī)控制器實(shí)物

本試驗(yàn)臺選取7.5 kW的直流無刷電動機(jī)作為驅(qū)動動力源，選取三菱公司生產(chǎn)的PM150CLA060作為電動機(jī)的驅(qū)動模塊，選用量程300 A、輸出電壓0-5.0 V的霍爾電流傳感器對蓄電池輸出電流進(jìn)行檢測，選取集成的AC-DC模塊為控制器提供+5.0 V和+15 V的用電電壓，選取MC9S12XS128單片機(jī)作為控制系統(tǒng)CPU。圖3所示為設(shè)計(jì)出的直流無刷電動機(jī)控制器實(shí)物圖。

3 負(fù)載電阻的驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺選取5 kW的直流有刷并勵電動機(jī)作為制動阻力電機(jī)，該電機(jī)的額定電壓為72 V，選用并列3組MOS管作為負(fù)載電阻的驅(qū)動模，負(fù)載為11個并列的阻值為10 Ω、功率為500 W的功率電阻組成。為了增加負(fù)載電阻的散熱能力，11個功率電阻放置于水槽里。

功率電阻的工作與否，通過輔控制系統(tǒng)控制。在制動能量回收階段，當(dāng)負(fù)載電機(jī)的端電壓超過蓄電池組的端電壓時，負(fù)載電機(jī)向蓄電池充電。當(dāng)負(fù)載電機(jī)的端電壓低于蓄電池組的端電壓時，輔控制器使負(fù)載電機(jī)的電量釋放到功率電阻上。

4 控制系統(tǒng)相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

本文選取霍爾效應(yīng)式加速踏板傳感器，進(jìn)行加速信號測量，該傳感器采用+5 V供電，輸出電壓信號值為0.8 V～4.8 V，信號輸出口接MC9S12XS128的PAD3口。

圖4 溫度檢測電路接線原理圖

圖5 車輪轉(zhuǎn)速傳感器安裝圖

本文采用DS18B20對控制器的溫度進(jìn)行檢測，圖4所示為溫度檢測電路接線原理圖。溫度傳感器安裝時，用卡子固定在靠近驅(qū)動模塊的控制器殼內(nèi)部。溫度信號與MC9S12XS128具有外部中斷功能的PJ0口相連接。

本文所選用的車速傳感器型號為LJ13A3-8-Z/BX。該款傳感器的供電電壓較寬，為5.0 V～36.0 V，測量距離最大值為8 mm，傳感器的輸出信號與MC9S12XS128的外部中斷口H7口相連接。圖5所示為車輪轉(zhuǎn)速傳感器安裝圖。

5 電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺控制軟件設(shè)計(jì)

本文利用MAX232實(shí)現(xiàn)筆記本電腦與試驗(yàn)臺控制器之間的通信。

本試驗(yàn)臺的控制器選用PWM值控制驅(qū)動電機(jī)的速度。用來控制試驗(yàn)臺驅(qū)動電機(jī)的PWMPER值為255，PWMDTY的取值范圍為0～255。PWM通過分頻設(shè)定工作頻率值為20 kHz。

假設(shè)踏板的加速度信號值為x，x的取值范圍為0.8 V～4.8 V，8位AD轉(zhuǎn)換之后的對應(yīng)值范圍為41～244。驅(qū)動MOS管開度大小的PWMDTY對應(yīng)值為y，則y的取值范圍為0～255。

為了達(dá)到加速踏板在不同的位置所對應(yīng)的不同加速度效果，y和x的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系可以是線性的，也可以是分段線性，還可以是曲線。圖6所示為y與x值對應(yīng)關(guān)系線。

圖6 y與x值對應(yīng)關(guān)系線

圖6(a)的y與x值對應(yīng)關(guān)系是直線。此種情況下，起步階段和加速階段都是勻速前進(jìn)的。y和x的對應(yīng)線性關(guān)系為：

(4)

圖6(b)中的y與x值對應(yīng)關(guān)系是分段線性平緩起動線。此種情況下，起步階段加速度較平緩，過了A點(diǎn)之后，加速度較急。A點(diǎn)的位置選取沒有固定的算法，往往依據(jù)駕駛?cè)藛T的駕駛感受進(jìn)行調(diào)試。假設(shè)A點(diǎn)的坐標(biāo)為A(150,80)則SA線段中y和x的對應(yīng)線性關(guān)系為：

(5)

AE線段中y和x的對應(yīng)線性關(guān)系為：

(6)

圖6(c)中y與x值對應(yīng)關(guān)系是分段線性暴力驅(qū)動線。此種情況下，起步階段加速度較急，過了B點(diǎn)之后，加速度較緩慢。B點(diǎn)的位置選取沒有固定的算法，往往依據(jù)駕駛?cè)藛T的駕駛感受進(jìn)行調(diào)試。假設(shè)B點(diǎn)的坐標(biāo)為B(100,150)則SB線段中y和x的對應(yīng)線性關(guān)系為：

(7)

BE線段中y和x的對應(yīng)線性關(guān)系為：

(8)

圖6(d)是y與x值對應(yīng)的線性快速運(yùn)行對應(yīng)關(guān)系線。按照該線運(yùn)行的控制器，在加速轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動幅度不大的情況下，控制車輛運(yùn)行速度快慢的MOS管開度已經(jīng)達(dá)到較大的值。

圖7 ECE循環(huán)工況 顯示程序

圖8 串口通信繪制出的ECE曲線

在定時中斷子程序里繪制ECE曲線。圖7所示為繪制ECE曲線程序流程。圖8為串口通信繪制出的ECE曲線。預(yù)先把速度線按照時間t-速度v的關(guān)系利用程序編制在計(jì)算機(jī)里，當(dāng)試驗(yàn)臺運(yùn)行時，車輛的加速踏板按照圖8所示車輛不同運(yùn)行時刻對計(jì)算機(jī)輸入不同的加速度信號，使得車輛的運(yùn)行速度和圖8中的運(yùn)行速度保持一致。加速踏板輸出的信號，可以由人工手動輸入，或者由計(jì)算機(jī)編程輸入。

6 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)用動力電池是2組72V容量為20 AH磷酸鐵鋰型電池并聯(lián)而成，驅(qū)動電機(jī)的功率為7.5 kW，主減速器的傳動比為4.266。試驗(yàn)時，先把72 V的鋰離子蓄電池充滿電，然后靜置1小時，再連接充電器繼續(xù)充電，直到充電器的充電指示燈變成綠色為止。變速器的傳動比選擇1∶1，室內(nèi)環(huán)境溫度為30 ℃。試驗(yàn)時，當(dāng)載重塊的轉(zhuǎn)速達(dá)到300轉(zhuǎn)/分鐘時，驅(qū)動電機(jī)停止工作，負(fù)載電機(jī)開始工作，對系統(tǒng)進(jìn)行制動。當(dāng)載重塊的轉(zhuǎn)速為0時，驅(qū)動電機(jī)又開始驅(qū)動傳動系統(tǒng)，直到載重塊的轉(zhuǎn)速達(dá)到300轉(zhuǎn)/分鐘時，驅(qū)動電機(jī)停止工作，負(fù)載電機(jī)進(jìn)行制動。整個過程往復(fù)進(jìn)行，直到鋰離子動力蓄電池組的端壓下降到62 V為止。試驗(yàn)過程，試驗(yàn)臺控制器采取自然冷卻方式。

試驗(yàn)分兩種不同的負(fù)載工況進(jìn)行。工況一的負(fù)載為配重塊1、配重塊2、配重塊3、配重塊4、配重塊5和配重塊6；工況二的負(fù)載為配重塊2、配重塊3、配重塊4和配重塊5。表1、表2為試驗(yàn)實(shí)測參數(shù)表。

表1 工況一所測參數(shù)

表2 工況二所測參數(shù)

7 結(jié)束語

(1) 本文所設(shè)計(jì)出的電動汽車綜合性能試驗(yàn)臺，可以安裝不同數(shù)量的配重塊，模擬車輛的不同載荷，達(dá)到測試在車輛不同載荷條件下的運(yùn)行速度、蓄電池組的工作電流、蓄電池組的端電壓、蓄電池的使用過程中的容量變化、電機(jī)的轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

(2)本試驗(yàn)臺能夠模擬車輛制動過程的動能變化過程，進(jìn)行電動汽車控制器的制動能量再生功能的開發(fā)。

(3)對蓄電池組性能進(jìn)行檢測。通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)，進(jìn)行重復(fù)性的蓄電池組充放電試驗(yàn)，以分析蓄電池組容量的衰減變化規(guī)律、循環(huán)壽命的長短。

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Design and Manufacture of a Comprehensive Performance Test Bed for Electric Vehicles

Ding Zuowu1,2, Qu Min1, Hao Tengfei1, Zheng Kun1

(1. Nanjing Institute of Technology, Nanjing Jiangsu 211167, China;2. Jiangsu Province Colleges and Universities Key Laboratory for Advanced Numerical Control Technology, Nanjing Jiangsu 211167, China)

To test electric vehicle’s controller performance, parameter change of power lead-acid battery pack or lithium ion battery pack in use process, and various performances of drive motors, this article introduces the design of a comprehensive performance test bed for electric vehicles, including a load balancing weight, main reducing gear, driving axle, speed changer, belt?wheel, drive motor, main controller, secondary controller, load motor, battery pack, accelerator pedal and brake pedal. Six load balancing weights simulating different vehicle loads are arranged on each side of the drive bridge. The test bed can simulate cyclic tests under different load conditions in accordance with ECE (Economic Commission of Europe) safety regulations as well as brake energy recovery tests. The controller can test vehicle speed as well as working current, terminal voltage and capacity change of power battery packs, thus providing a test platform for the R&D of electric vehicles.

electric vehicle； comprehensive performance test bed； brake energy recovery； lead-acid battery； lithium ion battery

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.015

TH13

A

1000-3886(2017)02-0049-03

丁左武(1975-)，男，安徽人，副教授，專業(yè)：車輛電子電氣。

定稿日期: 2016-09-08