純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

秦東晨，李建杰，王婷婷，程 雷

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

在面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染雙重壓力下，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，各國(guó)的汽車廠商也都把電動(dòng)汽車作為研發(fā)的重點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)是通過(guò)模擬不同的標(biāo)準(zhǔn)工況獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為汽車研發(fā)人員提供評(píng)價(jià)動(dòng)力系統(tǒng)以及技術(shù)改進(jìn)的依據(jù)，從而大大降低研發(fā)過(guò)程中的成本和風(fēng)險(xiǎn)[1]。為了滿足不同需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們研究開發(fā)了不同模式的汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，如文獻(xiàn)[2]開發(fā)了包含動(dòng)力電池系統(tǒng)在內(nèi)的電動(dòng)汽車動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行能量流的模擬。文獻(xiàn)[3]提出模塊化電動(dòng)汽車測(cè)控系統(tǒng)思想，并設(shè)計(jì)了測(cè)控上位機(jī)，完成動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)硬件搭建。由于試驗(yàn)臺(tái)可以跟隨模擬實(shí)際的道路行駛狀況，動(dòng)力負(fù)載的變化趨勢(shì)與實(shí)際道路狀況基本一致，所以搭建滿足要求的動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)純電動(dòng)汽車的研發(fā)具有重要的意義。根據(jù)純電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)工況的測(cè)試原理，將動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行功能模塊劃分，開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)并集成搭建了純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。選擇NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的加載試驗(yàn)[4-5]，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)輸出的轉(zhuǎn)速、扭矩以及動(dòng)力電池系統(tǒng)所輸出的實(shí)時(shí)電壓、電流、SOC等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步驗(yàn)證了所搭建試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能。

2 試驗(yàn)臺(tái)總體方案分析與設(shè)計(jì)

參照當(dāng)前市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車的參數(shù)，所搭建試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design Parameters of Test Bench

根據(jù)純電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)工況測(cè)試原理，把純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要?jiǎng)澐譃橹骺刂葡到y(tǒng)、被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)四大模塊[6]，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of Test Bench

2.1 主控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的功能操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控，基于工控機(jī)開發(fā)了操控系統(tǒng)上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面，如圖2所示。

圖2 上位機(jī)監(jiān)控與顯示界面Fig.2 Monitoring and Display Interface of Master Computer

同時(shí)，基于STM32開發(fā)了下位機(jī)，如圖3所示。下位機(jī)把傳感器監(jiān)測(cè)的被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載電機(jī)扭矩信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給主控機(jī)分析處理，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的行駛工況運(yùn)行。當(dāng)發(fā)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令不同步時(shí)，主控系統(tǒng)能夠通過(guò)下位機(jī)采集反饋的轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)，根據(jù)行駛工況實(shí)時(shí)調(diào)整所對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻負(fù)載電機(jī)的加載扭矩。

圖3 基于STM32開發(fā)的下位機(jī)Fig.3 The Slave Computer Based on STM32

2.2 被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)要具備高的功率密度、寬的轉(zhuǎn)速范圍、大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等功能以及質(zhì)量輕、效率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。當(dāng)前純電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)中較為常用的是直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等幾類，其中永磁同步電機(jī)以其功率密度大、峰值效率及負(fù)荷效率高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)有市場(chǎng)上日益受到青睞。因此動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)。

根據(jù)表1中設(shè)定的最高車速Vmax，加速時(shí)間t，最大爬坡度imax這三項(xiàng)主要?jiǎng)恿π阅苤笜?biāo)進(jìn)行電機(jī)參數(shù)的選型計(jì)算后，確定使用某廠商生產(chǎn)的30kW永磁同步電機(jī)，具體參數(shù)，如表2所示。性能參數(shù)校核后滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

表2 被測(cè)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main Technical Parameters of Motor

2.3 負(fù)載系統(tǒng)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上常采用的模擬負(fù)載設(shè)備方案主要有測(cè)功機(jī)方案、磁粉制動(dòng)器方案及變頻電機(jī)加載方案三種。所搭建的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的負(fù)載模擬采取變頻器控制負(fù)載電機(jī)的方案，暫不考慮汽車行駛慣量模擬部分，其中負(fù)載電機(jī)采用的是額定功率45kW的三相異步變頻電機(jī)。

2.4 動(dòng)力電池系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)的目的是通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)完成純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)測(cè)試，為后續(xù)研發(fā)提供參考依據(jù)，因此對(duì)于續(xù)駛里程沒(méi)有絕對(duì)的要求。在確保充分完成試驗(yàn)工況的條件下，綜合計(jì)算后，選用當(dāng)前電動(dòng)汽車市場(chǎng)使用較多的磷酸鐵鋰電池，并跟某公司合作共同設(shè)計(jì)完成額定容量為66Ah的動(dòng)力電池系統(tǒng)，主要技術(shù)參數(shù)，如表3所示。

表3 動(dòng)力電池技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical Parameters of Power Battery

2.5 數(shù)據(jù)采集與通訊

數(shù)據(jù)采集與通訊主要通過(guò)控制局域網(wǎng)（CAN）總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各部件之間的信息交互，CAN 總線是一種能夠有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。測(cè)控平臺(tái)通過(guò)CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載電機(jī)的扭矩等工作參數(shù)，并和采集到的動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度、電壓、電流、SOC 等狀態(tài)信息一起實(shí)時(shí)地顯示在工作界面上[8-9]。試驗(yàn)臺(tái)的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中，轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器型號(hào)為HCNJ-101扭矩傳感器，可在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載電機(jī)的扭矩；CAN 通訊分析儀采用CANalyst-II CAN 通訊模塊，具有防浪涌電流、抗共模干擾的特點(diǎn)，通道數(shù)為雙通道且隔離，隔離電壓2500V DC。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Network Topology Structure

將各模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，集成搭建了純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖Fig.5 Scene Diagram of the Test Bench

3 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試原理

在動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上做汽車行駛工況跟隨性試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)汽車行駛動(dòng)力學(xué)理論將實(shí)驗(yàn)工況和車輛參數(shù)換算成工況所對(duì)應(yīng)的被測(cè)電機(jī)“轉(zhuǎn)速-時(shí)間”數(shù)據(jù)和負(fù)載電機(jī)所對(duì)應(yīng)工況的“扭矩-時(shí)間”數(shù)據(jù)。具體換算過(guò)程如下。

（1）轉(zhuǎn)速換算

式中：n—換算后的電機(jī)轉(zhuǎn)速；V—車速；其余參數(shù)，如表1所示。

（2）扭矩?fù)Q算

考慮具體試驗(yàn)環(huán)境及一般道路環(huán)境坡度較小，可取cosα=1，sinα≈tanα=1。

則式（3）整理可得：

式中：Fe—汽車行駛阻力；Ff、Fi、Fw、Fj—滾動(dòng)阻力、爬坡阻力、空氣阻力和加速阻力；g—重力加速度；ηT—換算后的負(fù)載扭矩；其余參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)式（1）和式（4）可以得到試驗(yàn)需要的“轉(zhuǎn)速-時(shí)間”和“扭矩-時(shí)間”數(shù)據(jù)。由于所搭建的試驗(yàn)臺(tái)沒(méi)有設(shè)置減速器或變速箱，而是將動(dòng)力系統(tǒng)的被測(cè)電機(jī)、轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器、負(fù)載電機(jī)三者是通過(guò)梅花彈性聯(lián)軸器進(jìn)行連接，如圖6所示。因此需將加載扭矩等比例縮小并把負(fù)扭矩修改為零，最后將得到的轉(zhuǎn)速、扭矩加載數(shù)據(jù)輸入到操控系統(tǒng)中，主控計(jì)算機(jī)程序讀取數(shù)據(jù)后，打開電池低、高壓并啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)，把“轉(zhuǎn)速-時(shí)間”指令發(fā)送給電機(jī)控制器，并把同步時(shí)間對(duì)應(yīng)的“扭矩-時(shí)間”指令發(fā)送給變頻器。電機(jī)控制器控制被測(cè)電機(jī)按照預(yù)定的轉(zhuǎn)速-時(shí)間參數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)變頻器控制負(fù)載電機(jī)依照設(shè)定的扭矩-時(shí)間參數(shù)曲線進(jìn)行扭矩加載，兩者在時(shí)間上保持實(shí)時(shí)同步性。

圖6 轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器Fig.6 Speed and Torque Sensor

轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，扭矩傳感器監(jiān)測(cè)負(fù)載電機(jī)的扭矩，并把這些信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給主控機(jī)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的行駛工況運(yùn)行。當(dāng)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載電機(jī)扭矩命令不同步時(shí)，下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè)把轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器采集的信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，并根據(jù)行駛工況調(diào)整所對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻負(fù)載電機(jī)的加載扭矩。動(dòng)力電池系統(tǒng)為試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)提供能量，并通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)測(cè)讀取電池箱的參數(shù)變化。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，電池的電壓、電流、SOC等數(shù)據(jù)通過(guò)CAN分析儀和下位機(jī)的串口通訊上傳至主控計(jì)算機(jī)并保存，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)開發(fā)的控制軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)的參數(shù)變化，從而實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)臺(tái)上模擬汽車標(biāo)準(zhǔn)工況下的行駛狀態(tài)，并能夠計(jì)算得到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)工況下的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及續(xù)航里程等數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是在室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)架上完成對(duì)純電動(dòng)汽車行駛工況加載試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、續(xù)駛里程等各項(xiàng)指標(biāo)的分析。選擇以NEDC循環(huán)工況為依據(jù)，初步驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力性能的可靠性。在進(jìn)行NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況的加載試驗(yàn)時(shí)，由于試驗(yàn)臺(tái)沒(méi)有設(shè)置變速器和車輛慣性模擬裝置，需把通過(guò)NEDC工況數(shù)據(jù)換算后的加載扭矩等比例縮小并把負(fù)扭矩修改為零后得到最終的加載扭矩-時(shí)間參數(shù)。NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況加載試驗(yàn)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test Result

由圖7（a）、圖7（b）分析可知：在NEDC 工況加載試驗(yàn)過(guò)程中，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)偏差在（-5～5）%之間。在勻速行駛工況階段誤差較小，接近于0；在工況突然改變時(shí)，因慣性的存在，電機(jī)急停或急加速、減速時(shí)存在一定的時(shí)間延遲，導(dǎo)致誤差較大。

由圖7（c）、圖7（d）分析可知：在NEDC工況加載試驗(yàn)過(guò)程中，負(fù)載電機(jī)目標(biāo)扭矩與實(shí)際扭矩的實(shí)時(shí)偏差在（-3～5）%之間。負(fù)偏差較小原因在于加載時(shí)舍掉了負(fù)數(shù)扭矩（負(fù)扭矩改為零），誤差較大處也普遍出現(xiàn)在工況突變情況下，與電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差原因一致。

根據(jù)圖7的試驗(yàn)結(jié)果可知試驗(yàn)臺(tái)能夠較好的實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速與扭矩的加載，所搭建試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力性能可靠。

同時(shí)，基于所搭建的試驗(yàn)臺(tái)NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況加載試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力電池系統(tǒng)所輸出的電壓、電流、SOC等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證所搭建試驗(yàn)臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性能。試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行NEDC 標(biāo)準(zhǔn)工況加載試驗(yàn)時(shí)動(dòng)力電池的輸出數(shù)據(jù)，如圖8 所示。圖8（a）是試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況加載試驗(yàn)時(shí)動(dòng)力電池的電流變化曲線，圖8（b）是動(dòng)力電池的電壓和SOC變化曲線。試驗(yàn)開始時(shí)電壓為318.3V，此時(shí)電池SOC為0.93，循環(huán)結(jié)束后電壓降為315.6V，此時(shí)SOC為0.86。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中電流未出現(xiàn)負(fù)值（即沒(méi)有能量回收）與加載時(shí)去掉負(fù)扭矩符合；SOC值成階梯形下降原因是電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值時(shí)僅保留兩位小數(shù)；因設(shè)定試驗(yàn)負(fù)載電機(jī)功率不大，所以耗電量較少。

圖8 動(dòng)力電池輸出數(shù)據(jù)Fig.8 Output Data of Power Battery

經(jīng)計(jì)算可得，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況加載試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)NEDC工況能量消耗為1435.84W·h，所行駛路程為8.35km，與按加載工況算出的理論行駛路程8.40km 相差0.05km，偏差率為0.6%，可估算百公里能耗為17.2kW·h，說(shuō)明所搭建純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)濟(jì)性能良好。

4 結(jié)論

基于汽車行駛標(biāo)準(zhǔn)工況的測(cè)試原理，設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊，集成搭建了純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。以NEDC標(biāo)準(zhǔn)行駛工況進(jìn)行加載試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，所搭建的純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)能夠較好地按預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行試驗(yàn)，動(dòng)力性能可靠，經(jīng)濟(jì)性能良好。因此，所搭建的試驗(yàn)臺(tái)可以為純電動(dòng)汽車的研發(fā)提供參考依據(jù)，同時(shí)也能為其他純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)。