新能源電動(dòng)汽車傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)*

(中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410021)

0 引言

隨著近幾年時(shí)代的發(fā)展，人們的生活條件有所改善，隨著大家對生活品質(zhì)的不斷追求，中國汽車行業(yè)的發(fā)展也領(lǐng)先于世界。雖然汽車的普及漸漸地推動(dòng)了人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代文明的高速發(fā)展，但是也帶來了嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，節(jié)能和環(huán)保成為汽車技術(shù)發(fā)展的主題之一。

面對日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問題，新能源汽車為提供了一種解決的可能，因此也成為了世界上技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱門方向。目前，新能源汽車的技術(shù)路線差異主要體現(xiàn)在能量供給上，主要有兩種技術(shù)路線，氫燃料電池與鋰電池。

氫燃料電池汽車，其主要的原理就是氫原料與空氣中的氧結(jié)合，最后生成水，以此化學(xué)變化將氫動(dòng)力轉(zhuǎn)化為電力，并用于驅(qū)動(dòng)，其實(shí)說到底就是電動(dòng)汽車的一種變化。氫能源擁有燃料添加快、續(xù)航時(shí)間長等優(yōu)勢。然而，氫燃料電池汽車的缺點(diǎn)卻也明顯。(1)氫加注站的工程技術(shù)難度大，網(wǎng)點(diǎn)普及難以實(shí)現(xiàn)；(2)成本高昂，無論是氫的制備與儲(chǔ)運(yùn)，還是氫動(dòng)力汽車的制造，目前都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)應(yīng)用門限；(3)安全問題，氫氣是易燃易爆氣體，無論在加注站還是在汽車上，氫都是高壓存儲(chǔ)的，這對安全性提出了更高的考驗(yàn)。

鋰電池是當(dāng)前發(fā)展的主要方向，目前現(xiàn)在的動(dòng)力鋰電池主要的就兩種：磷酸鐵鋰和三元鋰。磷酸鐵鋰以壽命和安全性見長，而三元鋰則在低溫性能和單位電池的電容量上體現(xiàn)了優(yōu)勢。目前，鋰電池的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)接近成熟，能量密度已經(jīng)達(dá)到179Wh/kg，價(jià)格也下降到了1.3元/Wh，已經(jīng)具備了商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值。

國外與國內(nèi)的廠家在致力于鋰電新能源汽車技術(shù)發(fā)展的有好些家，如特斯拉，比亞迪，蔚來汽車等。鋰電新能源汽車也是當(dāng)前新能源汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向。

1 新能源電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)

新能源電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)主要還是由四部分構(gòu)成，電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速機(jī)。其中，前三者屬于電氣部分，而減速機(jī)則是機(jī)械部分。減速機(jī)一般是根據(jù)車型的設(shè)計(jì)而進(jìn)行匹配的，相較于傳統(tǒng)汽車的多檔位而言，電動(dòng)汽車的減速機(jī)檔位非常少，很多實(shí)例中甚至只有一檔。

相對于機(jī)械部分而言，電氣部分的作用顯得更為重要，是傳動(dòng)系統(tǒng)性能的直接體現(xiàn)。電池的能量大小直接決定了汽車的續(xù)航里程，而它的體積與重量也直接關(guān)系著整的設(shè)計(jì)與制造。驅(qū)動(dòng)器則是體現(xiàn)了汽車的性能，駕駛的平順性，高速運(yùn)行的表現(xiàn)。電機(jī)的性能決定了輸出的轉(zhuǎn)矩特性與功率特性，并且電機(jī)的效率也直接決定整套傳動(dòng)裝置效率等級。

電氣傳動(dòng)部分是傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，因此針對性的模擬試驗(yàn)也是十分必要的，本文將詳細(xì)介紹新能源電機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)

2 新能源電動(dòng)汽車試驗(yàn)系統(tǒng)

為了在整車裝備之前得到電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能與特點(diǎn)，一套專用的試驗(yàn)電氣試驗(yàn)系統(tǒng)成為了必需品。

試驗(yàn)系統(tǒng)需要能模擬實(shí)際的運(yùn)行工況，對電氣傳動(dòng)部分進(jìn)行試驗(yàn)。對于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)而言，電池系統(tǒng)僅是個(gè)能量供給裝置，而且電池的充放電過程十分緩慢，直接影響了試驗(yàn)效率，因此，電池系統(tǒng)一般不被納入試驗(yàn)范圍。對于驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)構(gòu)成的子系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的輸入的是直流電壓/電流，系統(tǒng)的輸出的是轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩。這就要求試驗(yàn)系統(tǒng)能提供對應(yīng)的接口，以實(shí)現(xiàn)模擬試驗(yàn)的需求。

試驗(yàn)系統(tǒng)的好壞，直接關(guān)系著系統(tǒng)投資與工作效率。本文介紹一套優(yōu)越的新能源電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電氣部分，機(jī)械部分及軟件構(gòu)成，提供了完成的試驗(yàn)解決方案。

2.1 系統(tǒng)方案

被試系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器與被試電機(jī)構(gòu)成，在驅(qū)動(dòng)器的輸入側(cè)配置有直流電量測量，對輸入的直流電壓與電流進(jìn)行測量，這里是系統(tǒng)的輸入功率計(jì)算點(diǎn)。在電機(jī)的機(jī)械軸端配置有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀，對系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，這里是系統(tǒng)的輸出功率計(jì)算點(diǎn)。一般在驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)之間還會(huì)加入交流電量測量，對電機(jī)輸入側(cè)(驅(qū)動(dòng)器輸出側(cè))的交流電壓與電流進(jìn)行測量，通過此點(diǎn)的功率計(jì)算，可以得到兩個(gè)單體設(shè)備(驅(qū)動(dòng)器與電機(jī))的效率。

2.2 電氣部分

相對于被試系統(tǒng)而言，試驗(yàn)系統(tǒng)主要需要提供直流電源與機(jī)械負(fù)載。如圖1所示，這是一個(gè)被廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)系統(tǒng)框架。系統(tǒng)選定一個(gè)整流器，將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)變成直流電源，為驅(qū)動(dòng)器供電。由于要考慮到快速響應(yīng)性與能量回收工況需求，一般整流器考慮采用全可控器IGBT構(gòu)建成的四象限有源前端(AFE)。陪試加載系統(tǒng)則由變頻器與陪試電機(jī)構(gòu)成。陪試變頻器也需要具備四象限運(yùn)行能力。相對于車上布置而言，試驗(yàn)系統(tǒng)對空間要求并不高，再考慮到綜合成本，陪試電機(jī)一般選擇為異步機(jī)。

圖1 電氣方案圖

一般的試驗(yàn)系統(tǒng)在加載時(shí)，回饋能量的交互點(diǎn)在交流側(cè)，這樣就需要兩個(gè)全功率的四象限整流設(shè)備。本文提出的試驗(yàn)系統(tǒng)采用的是共直流母線方案，即加載測試時(shí)，能量的循環(huán)在直流母線側(cè)，整流器僅需要對系統(tǒng)的損耗進(jìn)行補(bǔ)充即可。相比較而言，滿功率負(fù)載時(shí)整流器的容量降少到了20%，極大程序的減少了系統(tǒng)投資。

另外，方案中還增設(shè)了一臺(tái)DC/DC直流電源，用于匹配不同驅(qū)動(dòng)器的電壓等級。AFE整流器的最低輸出電壓受限于交流進(jìn)線值，為了適合不同的驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)線電壓勢必要放得很低，但是為了滿足功率需求，整流器的電流則要相應(yīng)的增大。這不但造成了整流器的非標(biāo)制造，而且還大大的增加了設(shè)備成本。DC/DC直流電源的引入，完美的解決了電壓匹配的問題，使得整流器與陪試變頻器可以采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。另外，在DC/DC電源的基礎(chǔ)上，還能訂制電池模擬功能，能更真實(shí)地模擬實(shí)際運(yùn)行工況。

2.3 機(jī)械部分

相較于普通的電機(jī)而言，新能源電機(jī)的轉(zhuǎn)速要高得多，一般最高轉(zhuǎn)速12000轉(zhuǎn)，特別的電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到了18000轉(zhuǎn)，甚至到20000轉(zhuǎn)。在這么高的轉(zhuǎn)速下，機(jī)械部分的設(shè)計(jì)也顯得尤為重要。

試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械部分主要由三部分組成，底座，旋轉(zhuǎn)軸系和安裝工件。三部分有機(jī)結(jié)合才構(gòu)成了一套穩(wěn)定有效的機(jī)械測試臺(tái)架。其中旋轉(zhuǎn)軸系是最關(guān)鍵的部分，它也由三部分組成，被試電機(jī)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀和陪試電機(jī)。電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸系的穩(wěn)定性顯得更為重要。當(dāng)軸系不穩(wěn)定時(shí)，輕則試驗(yàn)無法進(jìn)行，重則損壞設(shè)備。

試驗(yàn)系統(tǒng)對機(jī)械工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行了完整的3D建模設(shè)計(jì)與模態(tài)分析，在經(jīng)歷了幾個(gè)實(shí)物版本演變升級后，最終形成一套可靠的機(jī)械方案。另外，照顧電機(jī)試驗(yàn)的需求，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了更換測試電機(jī)的便利性。而且，系統(tǒng)也考慮了過渡工裝連接方式，以方便不同類型的電機(jī)測試安裝，設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)機(jī)架設(shè)計(jì)圖

3.4 軟件部分

新能源電動(dòng)汽車的試驗(yàn)過程復(fù)雜又繁多，試驗(yàn)系統(tǒng)的信息自動(dòng)化程序直接影響了系統(tǒng)的性能與工作效率。本試驗(yàn)系統(tǒng)采樣全自主開發(fā)的測試軟件系統(tǒng)，有機(jī)的將設(shè)備控制，全過程試驗(yàn)自動(dòng)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，整合于一體，極大的提升了試驗(yàn)效率。

以效率云圖測試為例，被試系統(tǒng)需要在若個(gè)不同的工況進(jìn)行效率云圖測試，一般是在不同的直流供電電壓下，在不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，測試系統(tǒng)的效率，見圖3。往往一套試驗(yàn)下來，需要在上萬個(gè)工作點(diǎn)下進(jìn)行試驗(yàn)，如果采用人工方式來進(jìn)行試驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力不說，還極容易出現(xiàn)漏點(diǎn)漏記的可能。另外，在某些特殊工作點(diǎn)時(shí)，要求溫度變化盡可能的低，而人工方式很難達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ囼?yàn)系統(tǒng)專門考慮了這一需求，通過必要的參數(shù)設(shè)置后，系統(tǒng)將自動(dòng)完成整個(gè)試驗(yàn)過程。

圖3 某電機(jī)效率云圖

另外，測試系統(tǒng)具備DBC文件配置功能，能便利的接入不同廠家的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測試，極大的提升了系統(tǒng)試驗(yàn)的普適性。

3 結(jié)語

新能源電動(dòng)汽車是當(dāng)下的熱門研究方向，而針對性的試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展則稍顯滯后。本文提出了一種新式的新能源電動(dòng)汽車試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能顯著的減少投資，提升工作效率，并且具備普適性試驗(yàn)功能，綜合性能遠(yuǎn)高于一般性的試驗(yàn)系統(tǒng)。

我公司在電機(jī)試驗(yàn)行業(yè)有60多年的經(jīng)驗(yàn)，對于新能源電機(jī)系統(tǒng)有著深刻的研究，承擔(dān)了國內(nèi)外多個(gè)新能源電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目，受到了客戶的一致好評。另外，公司還設(shè)有新能源傳動(dòng)研研室與電機(jī)檢測中心，一直致力于推進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。