陽鵬

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

電動(dòng)汽車動(dòng)力部件測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)

陽鵬

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

分析電動(dòng)汽車關(guān)鍵動(dòng)力部件臺(tái)架測試的需求；論證測試系統(tǒng)開發(fā)方案的合理性；分析測試系統(tǒng)的組成原理及功能，提出一種能兼顧電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、電池三大關(guān)鍵動(dòng)力部件的測試方案；依據(jù)方案開發(fā)出的開放式測試系統(tǒng)，可以完成汽車驅(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；動(dòng)力部件；測試系統(tǒng)

0 引言

近幾年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車行業(yè)中電動(dòng)汽車的研發(fā)測試受到廣泛關(guān)注，對其核心部件的臺(tái)架測試尤為關(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)汽車的核心，其性能對整個(gè)電動(dòng)汽車的性能起到至關(guān)重要的作用。配置電動(dòng)汽車關(guān)鍵動(dòng)力部件測試設(shè)備，對于各科研機(jī)構(gòu)及零部件廠家提升技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力具有積極的作用。而國外的此類設(shè)備價(jià)格非常昂貴，是一般零部件生產(chǎn)廠家無法承受的。所以根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)階段電動(dòng)汽車小批量、多品種的生產(chǎn)現(xiàn)狀，研發(fā)出適合國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及零部件廠家需求的電動(dòng)汽車關(guān)鍵動(dòng)力部件測試系統(tǒng)，對于國內(nèi)電動(dòng)汽車產(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)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、電池三大關(guān)鍵動(dòng)力部件的開放式測試系統(tǒng)方案，可以按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[1-5]完成汽車驅(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、交流電力測功機(jī)、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、測功機(jī)控制器、測量控制系統(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、測功驅(qū)動(dòng)變頻模塊共直流母線結(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)的能量內(nèi)部循環(huán)，可以大大降低大功率試驗(yàn)對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設(shè)備外電網(wǎng)的沖擊。

圖1 直流母線能量流向圖

測試交流驅(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)來完成汽車驅(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)等測試項(xiàng)目。驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶控制器測試時(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)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)來完成驅(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)用測試規(guī)程》和GB/T 31467.2-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分 高能量應(yīng)用測試規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)來完動(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)等測試項(xiàng)目。

圖4 電池測試系統(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，得到滿足電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的交流試驗(yàn)電源，來滿足試件小批量、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系統(tǒng)供電?？晒ぷ饔赩/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曲線來控制電機(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，無法滿足動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)模擬功能。基于新型的IGBT技術(shù)，通過脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的雙向動(dòng)態(tài)直流開關(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。國外的動(dòng)力電池模擬電源廠家的產(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)共直流母線結(jié)構(gòu)，利用公共的AFE，只開發(fā)雙向DC/DC電源模塊來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的模擬功能，簡化了結(jié)構(gòu)、降低了成本、減小了開發(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)可滿足要求。此電路結(jié)構(gòu)相對簡單、元件較少、易于開發(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,通過為電路中的IGBT開關(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，滿足了車用電機(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)證測試

電動(dòng)汽車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)汽車突然剎車之后又突然加速的過程。可以看出電流從+150 A迅速變化為-250 A，再迅速變化為+250 A的過程。電機(jī)經(jīng)歷了從電動(dòng)到發(fā)電再到電動(dòng)的急速變化過程。整個(gè)過程對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)測功電機(jī)采用高速交流異步電動(dòng)機(jī)，測功電機(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。電力測功機(jī)臺(tái)架主要由測功電機(jī)、測速編碼器(裝在測功機(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)汽車在道路上的真實(shí)行駛狀況，可通過對測功機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對車輛行駛負(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。測試平臺(tái)采用電慣量模擬，即通過交流電力測功機(jī)來實(shí)現(xiàn)道路負(fù)載模擬。

電動(dòng)汽車在道路行駛過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為汽車迎風(fēng)面積；u為車速(km/h)；D為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；f為滾動(dòng)阻力系統(tǒng)，可通過整車在底盤測功機(jī)上試驗(yàn)獲得。

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

式中：R為車輪滾動(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)車電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

測功機(jī)臺(tái)架上扭矩傳感器通過聯(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。

所以測功電機(jī)加載給定扭矩為：

T0=Tm+Tf

式中：Tf為測功機(jī)臺(tái)架等效損耗力矩，通過測功電機(jī)空載滑行測定。

5 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測量控制部分是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，測量及控制部分的構(gòu)建采用圖形化編程軟件LabVIEW來實(shí)現(xiàn)。測量控制通信主網(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。控制軟件具有手動(dòng)測試、自動(dòng)測試、標(biāo)定控制等多種控制模式。主要功能模塊有：啟動(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)測試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成繪制的，充分說明了此系統(tǒng)的測控軟件界面的友好性和開放性、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

此測試系統(tǒng)經(jīng)過長時(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)的成功開發(fā)以及在電動(dòng)汽車動(dòng)力部件廠家的成功應(yīng)用，解決了使用廠家試驗(yàn)資源短缺的問題，為各廠家提供了方便快捷的產(chǎn)品質(zhì)量測試評(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)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，有效提升了產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上的競爭力，對于促進(jìn)國內(nèi)電動(dòng)汽車產(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]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電動(dòng)汽車用驅(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:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[2]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電動(dòng)汽車用驅(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:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

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

[4]全國旋轉(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:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[5]全國旋轉(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:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[6]查鴻山, 宗志堅(jiān), 蔣念東. 電動(dòng)汽車動(dòng)力測試平臺(tái)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[C]//國際節(jié)能與新能源汽車創(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

陽鵬(1982—)，男，大學(xué)本科，工程師，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)設(shè)備研究與開發(fā)。E-mail:yangpeng@caeri.com.cn。