陽(yáng)鵬

(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力部件測(cè)試系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

陽(yáng)鵬

(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

分析電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵動(dòng)力部件臺(tái)架測(cè)試的需求；論證測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案的合理性；分析測(cè)試系統(tǒng)的組成原理及功能，提出一種能兼顧電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、電池三大關(guān)鍵動(dòng)力部件的測(cè)試方案；依據(jù)方案開(kāi)發(fā)出的開(kāi)放式測(cè)試系統(tǒng)，可以完成汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)型式試驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶控制器性能及耐久試驗(yàn)、動(dòng)力電池性能及耐久試驗(yàn)。

電動(dòng)汽車(chē)；動(dòng)力部件；測(cè)試系統(tǒng)

0 引言

近幾年來(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)中電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)測(cè)試受到廣泛關(guān)注，對(duì)其核心部件的臺(tái)架測(cè)試尤為關(guān)鍵。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器組成的動(dòng)力總成系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的核心，其性能對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的性能起到至關(guān)重要的作用。配置電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵動(dòng)力部件測(cè)試設(shè)備，對(duì)于各科研機(jī)構(gòu)及零部件廠(chǎng)家提升技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力具有積極的作用。而國(guó)外的此類(lèi)設(shè)備價(jià)格非常昂貴，是一般零部件生產(chǎn)廠(chǎng)家無(wú)法承受的。所以根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)小批量、多品種的生產(chǎn)現(xiàn)狀，研發(fā)出適合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及零部件廠(chǎng)家需求的電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵動(dòng)力部件測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。文中提出一種能兼顧電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、電池三大關(guān)鍵動(dòng)力部件的開(kāi)放式測(cè)試系統(tǒng)方案，可以按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1-5]完成汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)型式試驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶控制器性能及耐久試驗(yàn)、動(dòng)力電池性能及耐久試驗(yàn)。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)由交流試驗(yàn)電源、動(dòng)力電池模擬電源、交流電力測(cè)功機(jī)、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)功機(jī)控制器、測(cè)量控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)的交流電源模塊、直流電源模塊、測(cè)功驅(qū)動(dòng)變頻模塊共直流母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，共用整流回饋模塊。如圖1所示，此方案試驗(yàn)系統(tǒng)效率高，柜內(nèi)直流側(cè)的能量?jī)?nèi)部循環(huán)，可以大大降低大功率試驗(yàn)對(duì)整流回饋模塊和電網(wǎng)容量的要求，避免了巨大的能量消耗和對(duì)設(shè)備外電網(wǎng)的沖擊。

圖1 直流母線(xiàn)能量流向圖

測(cè)試交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)如圖2所示,此時(shí)可按照GB/T 1032-2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》和GB/T 22669-2008《三相永磁同步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的空載試驗(yàn)、負(fù)載熱試驗(yàn)、負(fù)載效率試驗(yàn)等測(cè)試項(xiàng)目。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶控制器測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)如圖3所示,此時(shí)可按照GB/T 18488.2-2015《電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》和GB/T 29307-2012《電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的溫升試驗(yàn)、輸入輸出特性及效率試驗(yàn)、關(guān)鍵特征參數(shù)、耐久試驗(yàn)等測(cè)試項(xiàng)目。

圖2 交流電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 電機(jī)帶控制器試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

測(cè)試動(dòng)力電池包時(shí)，系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)如圖4所示,此時(shí)可按照GB/T 31467.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第1部分 高功率應(yīng)用測(cè)試規(guī)程》和GB/T 31467.2-2015《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分 高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完動(dòng)力電池包的容量和能量試驗(yàn)、功率和內(nèi)阻試驗(yàn)、能量效率試驗(yàn)等測(cè)試項(xiàng)目。

圖4 電池測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 交流調(diào)頻調(diào)壓試驗(yàn)電源的設(shè)計(jì)

當(dāng)前普通交流電機(jī)的型式試驗(yàn)電源主要是發(fā)電機(jī)組或調(diào)壓變壓器，體積笨重、使用成本高、頻率調(diào)節(jié)不方便。利用現(xiàn)有的大功率交流調(diào)頻調(diào)壓技術(shù)，設(shè)計(jì)合適匹配的正弦波濾波器，得到滿(mǎn)足電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的交流試驗(yàn)電源，來(lái)滿(mǎn)足試件小批量、多品種、參數(shù)變化范圍大的特點(diǎn)，是適合電動(dòng)汽車(chē)交流電機(jī)試驗(yàn)的最好的方案選擇。此系統(tǒng)的交流調(diào)頻調(diào)壓電源單元由直流母線(xiàn)系統(tǒng)供電。可工作于V/F分離控制模式、頻率控制模式。工作于V/F分離控制模式時(shí)，電壓、頻率可以分別給定；工作于頻率模式時(shí)，當(dāng)設(shè)置好電機(jī)的額定參數(shù)后，給定頻率按照電機(jī)的V/F曲線(xiàn)來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。交流試驗(yàn)電源單元采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信控制,結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

圖5 交流調(diào)頻調(diào)壓電源原理圖

3 雙向動(dòng)力電池模擬電源的設(shè)計(jì)

3.1 電池模擬電源系統(tǒng)方案選擇

傳統(tǒng)的直流電源為整流變壓器加可控硅整流電路，它不能回饋，電壓紋波大，無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)模擬功能。基于新型的IGBT技術(shù)，通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的雙向動(dòng)態(tài)直流開(kāi)關(guān)電源，可以代替動(dòng)力電池給電機(jī)控制器供電，還可以實(shí)時(shí)將電機(jī)控制器制動(dòng)回饋的能量回饋到動(dòng)力母線(xiàn)上，完全可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的模擬功能。一般從交流電網(wǎng)的交流電壓到可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的直流電壓，需經(jīng)過(guò)兩級(jí)變換模塊即：AC/DC(AFE)整流回饋模塊，雙向DC/DC電源模塊。國(guó)外的動(dòng)力電池模擬電源廠(chǎng)家的產(chǎn)品均采用此結(jié)構(gòu)。此方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本很高。而此系統(tǒng)共直流母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用公共的AFE，只開(kāi)發(fā)雙向DC/DC電源模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的模擬功能，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、降低了成本、減小了開(kāi)發(fā)難度，是可行的選擇。

3.2 電池模擬電源系統(tǒng)硬件組成及工作方式

因?yàn)榇讼到y(tǒng)交流供電電源為AC500V,交流變頻柜內(nèi)直流母線(xiàn)電壓額定值為DC707V,而試件電機(jī)控制器最高工作電壓及動(dòng)力電池電壓均低于此值。所以只需要正向電動(dòng)狀態(tài)降壓、反向回饋狀態(tài)升壓即可。用典型的Buck/Boost型電路結(jié)構(gòu)(如圖6所示)可滿(mǎn)足要求。此電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、元件較少、易于開(kāi)發(fā)。此電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用非隔離式Buck/Boost型雙向DC/DC變換結(jié)構(gòu)。是在單向直流變換器的基礎(chǔ)上,通過(guò)為電路中的IGBT開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)反向二極管從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[6]。系統(tǒng)采用DSP芯片全數(shù)字控制，基本數(shù)字采樣為4路信號(hào)，分別是近端電感電流、近端輸入電壓、遠(yuǎn)端輸出電壓、遠(yuǎn)端輸出電流。由DSP芯片軟件實(shí)現(xiàn)PID控制以及PWM信號(hào)的生成，最后經(jīng)由隔離驅(qū)動(dòng)器件控制IGBT開(kāi)關(guān)管工作。

圖6 DC/DC動(dòng)力電池模擬電源模塊原理圖

動(dòng)力電池模擬電源將汽車(chē)電機(jī)及控制器系統(tǒng)發(fā)電能量回饋到設(shè)備的動(dòng)力母線(xiàn)上，電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)是根據(jù)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)切換的，滿(mǎn)足了車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行工況。系統(tǒng)由雙向DC/DC模塊、輸出濾波單元組成，如圖6所示。此系統(tǒng)電池模擬電源采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信控制。

3.3 動(dòng)力電池模擬電源變負(fù)載驗(yàn)證測(cè)試

電動(dòng)汽車(chē)在勻速或加速行駛時(shí)電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，在下坡或剎車(chē)時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)。圖7中的波形圖是模擬電動(dòng)汽車(chē)突然剎車(chē)之后又突然加速的過(guò)程?？梢钥闯鲭娏鲝?150 A迅速變化為-250 A，再迅速變化為+250 A的過(guò)程。電機(jī)經(jīng)歷了從電動(dòng)到發(fā)電再到電動(dòng)的急速變化過(guò)程。整個(gè)過(guò)程對(duì)DC/DC模擬電源的輸出電壓影響很小，證明了DC/DC電池模擬電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性很好。

圖7 變負(fù)載時(shí)電源電壓、電流波形

4 電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)組成及原理

此系統(tǒng)測(cè)功電機(jī)采用高速交流異步電動(dòng)機(jī)，測(cè)功電機(jī)由交流變頻器直接驅(qū)動(dòng)，可以在轉(zhuǎn)速和扭矩兩種控制方式下工作，變頻器采用四象限運(yùn)行變頻器。電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架主要由測(cè)功電機(jī)、測(cè)速編碼器(裝在測(cè)功機(jī)末端)、扭矩傳感器(防護(hù)罩內(nèi))、支撐機(jī)構(gòu)(軸承箱)、底座、防護(hù)罩、聯(lián)軸器(防護(hù)罩和夾具內(nèi))、堵轉(zhuǎn)裝置、安全防護(hù)感應(yīng)開(kāi)關(guān)等組成，其整體外形如圖8所示。

圖8 機(jī)械臺(tái)架結(jié)構(gòu)

4.2 道路工況負(fù)載模擬功能

為模擬電動(dòng)汽車(chē)在道路上的真實(shí)行駛狀況，可通過(guò)對(duì)測(cè)功機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛行駛負(fù)載的模擬，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際道路情況編制駕駛循環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。測(cè)試平臺(tái)采用電慣量模擬，即通過(guò)交流電力測(cè)功機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)道路負(fù)載模擬。

電動(dòng)汽車(chē)在道路行駛過(guò)程中所受阻力主要有：滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、爬坡阻力Fi和加速阻力Fj。

式中[7]：m為整車(chē)質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；α為坡道角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積；u為車(chē)速(km/h)；D為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系統(tǒng)，可通過(guò)整車(chē)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上試驗(yàn)獲得。

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)與所受的阻力相平衡，所以：

式中：R為車(chē)輪滾動(dòng)半徑(m)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；i為減速器速比；Tm為電動(dòng)車(chē)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

測(cè)功機(jī)臺(tái)架上扭矩傳感器通過(guò)聯(lián)軸器、支撐軸承箱等連接試件電機(jī)，這些旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有滑動(dòng)阻力及風(fēng)摩阻力。

所以測(cè)功電機(jī)加載給定扭矩為：

T0=Tm+Tf

式中：Tf為測(cè)功機(jī)臺(tái)架等效損耗力矩，通過(guò)測(cè)功電機(jī)空載滑行測(cè)定。

5 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量控制部分是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，測(cè)量及控制部分的構(gòu)建采用圖形化編程軟件LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量控制通信主網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠?？刂栖浖哂惺謩?dòng)測(cè)試、自動(dòng)測(cè)試、標(biāo)定控制等多種控制模式。主要功能模塊有：?jiǎn)?dòng)程序模塊、電機(jī)參數(shù)設(shè)定模塊、試件端變頻器控制模塊、測(cè)功機(jī)變頻器控制模塊、直流電源控制模塊、功率分析儀通信模塊、輔助水冷卻系統(tǒng)控制模塊、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集記錄模塊、用戶(hù)管理系統(tǒng)及身份驗(yàn)證模塊、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及報(bào)表生成模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊。

圖9給出了試驗(yàn)控制的主界面圖，在試驗(yàn)界面上可以很方便直觀(guān)地操作各執(zhí)行元件，監(jiān)控各傳感器的數(shù)據(jù)；圖10為某款電機(jī)及控制器系統(tǒng)電動(dòng)效率MAP圖，是試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成繪制的，充分說(shuō)明了此系統(tǒng)的測(cè)控軟件界面的友好性和開(kāi)放性、數(shù)據(jù)處理模塊的方便性和科學(xué)性。

圖9 試驗(yàn)控制界面

圖10 電機(jī)及控制器系統(tǒng)效率MAP圖

6 結(jié)束語(yǔ)

此測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考核，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的、充分的。此系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)以及在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力部件廠(chǎng)家的成功應(yīng)用，解決了使用廠(chǎng)家試驗(yàn)資源短缺的問(wèn)題，為各廠(chǎng)家提供了方便快捷的產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試評(píng)價(jià)手段，提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)的依據(jù)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，有效提升了產(chǎn)品在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于促進(jìn)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義，有很高的推廣價(jià)值。

[1]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件：GB/T 18488.1-2015[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[2]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法：GB/T 18488.1-2015[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[3]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法：GB/T 29307-2012[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[4]全國(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法：GB/T 1032-2012 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[5]全國(guó)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法：GB/T 22669-2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[6]查鴻山, 宗志堅(jiān), 蔣念東. 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[C]//國(guó)際節(jié)能與新能源汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展論壇,2009.

[7]張方華. 雙向DC-DC變換器的研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué),2004.

[8]YAN B,CHEN X Y.The Engineering RLC Design of WVF Output Sine-wave Filter[J].Electric Machines and Control,2002,6(3):256-260.

ResearchandDevelopmentofPowertrainTestSystemforElectricVehicle

YANG Peng

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd.,Chongqing 401122,China)

The test demands for key power parts in electric vehicle were analyzed. The rationality of the development scheme of the test system was demonstrated. The composition principle and functions of the test system were analyzed. A test program in which motor, motor drive, battery key power components could be taken into account was put forward. Based on the program, an open test system was developed which could be used to complete the car drive motor type test, drive motor with controller performance and durability test, power battery performance and durability test.

Electric vehicle; Key power components; Test system

U469.72

A

1674-1986(2017)09-014-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.003

2017-04-24

陽(yáng)鵬(1982—)，男，大學(xué)本科，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)試驗(yàn)設(shè)備研究與開(kāi)發(fā)。E-mail:yangpeng@caeri.com.cn。