電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

焦冰+楊正林

摘 要 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是專業(yè)課程體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。針對電動汽車驅(qū)動技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)需求，以測試評價電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能為目標(biāo)，圍繞實(shí)驗(yàn)所需測試項(xiàng)目，提出電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的總體方案，為學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供設(shè)備保障。

關(guān)鍵詞 電動汽車；電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）20-0050-03

Abstract Teaching experimental equipment is the material basis toculture practical ability and creative ability of students， and the im-portant link of professional curriculum system construction. Accor-ding to the teaching experimental demand ofElectric vehicle drive technology-related courses， based on the target to test evaluation forthe overall performance of the motor drive system， around the testproject of Experiments needed， the general scheme of electric vehiclemotor drive system teaching experiment platform is proposed. Andit is an equipment guarantee for training Practical ability and creativeability of students.

Key words electric vehicle； motor drive system； teaching experi-ment platform

1 前言

發(fā)展電動汽車已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。科技部明確提出，到2020年建立起完善的電動汽車動力系統(tǒng)科技體系和產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)各類電動汽車的產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)新能源汽車戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速成長期。

戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展給專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)提出新的要求[1-2]，為適應(yīng)社會對電動汽車專業(yè)高素質(zhì)、應(yīng)用型技術(shù)人才的需求，南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院車輛工程系在車輛工程專業(yè)的基礎(chǔ)上拓展了電動汽車專業(yè)方向，并加強(qiáng)了專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的“三橫”技術(shù)體系之一，是電動汽車的“心臟”，其性能的提高是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵。電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺能夠測試評價電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的整體性能，為電動汽車驅(qū)動技術(shù)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)提供設(shè)備保障，同時支撐相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。

2 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，包括電動機(jī)、逆變器、控制器、電池組和DC-DC變換器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。電池組提供電能，由控制器控制逆變器驅(qū)動電動機(jī)，DC-DC變換器可以將電池組的電壓穩(wěn)定在一個相對較高的值上，從而提高電動機(jī)的驅(qū)動性能。

優(yōu)化電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選用高比功率的電動機(jī)，改進(jìn)電動機(jī)的控制算法，這些是提高電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)性能的主要方法，均是圍繞提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率展開的。因此，如何精確測試電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率，成為電動汽車設(shè)計人員關(guān)心的問題。電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺正是圍繞電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率測試設(shè)計開發(fā)的。

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求

針對電動汽車驅(qū)動技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)能夠測試評價電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，以支撐開展以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具有綜合性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[3]。

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測試實(shí)驗(yàn) 穩(wěn)態(tài)測試實(shí)驗(yàn)是指被測電機(jī)在給定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩條件下，測試電機(jī)相關(guān)工作參數(shù)，計算系統(tǒng)效率，評價系統(tǒng)性能。

實(shí)驗(yàn)需要選取相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)中測試點(diǎn)不宜過多，因此，根據(jù)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，選取有限的穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)。在高功率區(qū)，驅(qū)動系統(tǒng)效率變化較小，可采用較大的間隔選取穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)；在輕負(fù)載區(qū)，驅(qū)動系統(tǒng)的效率變化較大，需采用較小的間隔選取穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)[4]。轉(zhuǎn)矩測試點(diǎn)包括1、5、10、20、50、75、100、125、150、200，單位為Nm；轉(zhuǎn)速測試點(diǎn)包括200、500、750、1000、1500、2000、2500、3000、4000、5000、6000、8000，單位為rpm。

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)行駛工況測試實(shí)驗(yàn) 行駛工況對于電動汽車的性能參數(shù)具有決定性意義，電動汽車實(shí)際行駛中性能參數(shù)的評價依賴于具體的行駛工況。行駛工況測試實(shí)驗(yàn)是指利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺模擬電動汽車的行駛工況，并測試驅(qū)動電機(jī)的相關(guān)工作參數(shù)，計算系統(tǒng)效率，評價系統(tǒng)性能。

再生能量回饋實(shí)驗(yàn) 再生能量回饋是電動汽車的研究熱點(diǎn)之一，再生能量回饋實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生深入理解電動汽車的結(jié)構(gòu)原理。實(shí)驗(yàn)測試驅(qū)動系統(tǒng)制動時回饋給蓄電池的電流和電量，觀察電能回饋情況。

溫升實(shí)驗(yàn) 電動汽車驅(qū)動電機(jī)各部分的溫度是電驅(qū)動系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，溫升實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解溫度在電子電氣系統(tǒng)中的重要性。實(shí)驗(yàn)時，設(shè)定被測電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，每隔一定時間測取電機(jī)的溫度、電壓、電流等參數(shù)，觀察在溫度升高過程中被測電機(jī)的性能。

動力性能實(shí)驗(yàn) 汽車的動力性能指標(biāo)包括最高車速、加速時間和爬坡能力。最高車速實(shí)驗(yàn)測試最高車速時被測電機(jī)的性能狀態(tài)，包括電機(jī)的效率和溫度；爬坡能力實(shí)驗(yàn)測試汽車爬坡時被測電機(jī)的性能狀態(tài)；加速時間實(shí)驗(yàn)測試被測電機(jī)運(yùn)行到設(shè)定轉(zhuǎn)速所需要的時間。通過3個動力性能實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對汽車動力性能指標(biāo)的理解。

4 測試項(xiàng)目

根據(jù)上述需求，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺需要開展以下測試項(xiàng)目：逆變器的輸入電壓、輸入電流、輸入功率，被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率，被測電機(jī)的電壓、電流、溫度，驅(qū)動系統(tǒng)制動時回饋給蓄電池的電能。

穩(wěn)態(tài)測試實(shí)驗(yàn)中，對于每個測試點(diǎn)，測得逆變器的輸入電壓和輸入電流，可計算出逆變器的輸入功率；測得被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可計算出被測電機(jī)的輸出功率，從而獲得電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率。具體計算過程如公式（1）（2）（3）所示。

根據(jù)每個穩(wěn)態(tài)測試點(diǎn)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)效率，可獲得驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率分布狀況。

行駛工況測試實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)時測量逆變器的輸入電壓和輸入電流、被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，計算出電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率，從而評價電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)部存儲相關(guān)工況數(shù)據(jù)，如UDDS城市工況、HWFET高速公路工況、10—15工況、歐洲NEDC工況等，實(shí)驗(yàn)時調(diào)用某種工況進(jìn)行測試，可做1個行駛工況，也可循環(huán)做2～3個行駛工況。

在再生能量回饋實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)制動時，測量回饋給蓄電池的電流，從而獲得回饋電能。在溫升實(shí)驗(yàn)中，測量被測電機(jī)的電壓、電流和溫度，從而觀察溫度變化時被測電機(jī)的性能指標(biāo)。在動力性能實(shí)驗(yàn)中，最高車速可以轉(zhuǎn)換為被測電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，爬坡能力可以轉(zhuǎn)換為被測電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量。

5 方案設(shè)計

電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計方案如圖2所示，主要是由直流電源（蓄電池組1）、逆變器、被測電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、測功機(jī)、蓄電池組2、測控設(shè)備和總控制臺（PC機(jī)）組成。

直流電源通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┙o被測電機(jī)，測功機(jī)作為負(fù)載模擬電動汽車運(yùn)行，制動時能量回饋給蓄電池組2。測控設(shè)備一方面采集電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等信號并進(jìn)行處理；另一方面控制被測電機(jī)和測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。總控制臺作為測控設(shè)備的上位機(jī)，提供人機(jī)接口。

行駛工況測試實(shí)驗(yàn)中，控制被測電機(jī)和測功機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，被測電機(jī)按轉(zhuǎn)速—時間給定運(yùn)行，測功機(jī)按轉(zhuǎn)矩—時間給定運(yùn)行，兩個控制命令同時發(fā)送，模擬電動汽車行駛過程中的實(shí)際工況。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺內(nèi)部存儲的行駛工況數(shù)據(jù)為汽車行駛車速，在進(jìn)行工況測試之前，將汽車行駛車速轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)速—時間工況和電機(jī)轉(zhuǎn)矩—時間工況，從而控制被測電機(jī)和測功機(jī)。轉(zhuǎn)換過程中需要結(jié)合汽車相關(guān)參數(shù)，平臺提供參數(shù)設(shè)定界面，由學(xué)生設(shè)定汽車質(zhì)量、車輪半徑、迎風(fēng)面積等參數(shù)，促進(jìn)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識。

最高車速和爬坡能力實(shí)驗(yàn)中，將給定車速轉(zhuǎn)換為被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速值控制被測電機(jī)，轉(zhuǎn)矩值控制測功機(jī)，從而模擬電動汽車的性能狀態(tài)。加速時間實(shí)驗(yàn)中，給定車速轉(zhuǎn)換為被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速值控制被測電機(jī)，汽車靜止時的初始轉(zhuǎn)矩值發(fā)送給測功機(jī)并實(shí)時控制測功機(jī)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)被測電機(jī)達(dá)到給定車速時停止控制。

為滿足測試需求，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的各部分設(shè)備應(yīng)具備相應(yīng)的性能指標(biāo)。被測電機(jī)選用永磁同步電機(jī)，額定功率30 kw，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，最高轉(zhuǎn)速8000 r/min；測功機(jī)采用電力測功機(jī)，額定功率30 kw，額定轉(zhuǎn)矩120 Nm，最大轉(zhuǎn)矩200 Nm，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，最高轉(zhuǎn)速8000 r/min；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采用光電編碼器和扭矩傳感器，轉(zhuǎn)矩測量范圍>250 Nm，轉(zhuǎn)速測量范圍>8000 rpm；電壓和電流傳感器采用霍爾效應(yīng)傳感器，電壓測量范圍>500 V，電流測量范圍>250 A；溫度傳感器采用熱電偶，溫度測量范圍0～200 ℃；測控設(shè)備采用工控機(jī)[5]，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率>100 kHz，精度與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器匹配，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式控制被測電機(jī)和測功機(jī)。

6 結(jié)束語

教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的硬件基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)符合教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)設(shè)備尤為重要。電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計從教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求出發(fā)，分析適合開設(shè)的實(shí)驗(yàn)和所需測試項(xiàng)目，規(guī)劃總體設(shè)計方案，對電動汽車驅(qū)動技術(shù)相關(guān)課程的建設(shè)起到促進(jìn)作用，為學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

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