純電動汽車動力系統試驗臺的設計及試驗研究

秦東晨，李建杰，王婷婷，程 雷

（鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001）

1 引言

在面對能源危機和環境污染雙重壓力下，電動汽車已經成為當前汽車工業發展的趨勢，各國的汽車廠商也都把電動汽車作為研發的重點。動力系統試驗臺試驗是通過模擬不同的標準工況獲得試驗數據，為汽車研發人員提供評價動力系統以及技術改進的依據，從而大大降低研發過程中的成本和風險[1]。為了滿足不同需求，國內外學者們研究開發了不同模式的汽車動力系統試驗臺，如文獻[2]開發了包含動力電池系統在內的電動汽車動力試驗臺，可對動力系統進行能量流的模擬。文獻[3]提出模塊化電動汽車測控系統思想，并設計了測控上位機，完成動力系統試驗臺硬件搭建。由于試驗臺可以跟隨模擬實際的道路行駛狀況，動力負載的變化趨勢與實際道路狀況基本一致，所以搭建滿足要求的動力系統試驗臺對純電動汽車的研發具有重要的意義。根據純電動汽車標準工況的測試原理，將動力系統試驗臺進行功能模塊劃分，開發測控系統并集成搭建了純電動汽車動力系統試驗臺。選擇NEDC標準工況進行試驗臺的加載試驗[4-5]，對試驗過程中試驗臺輸出的轉速、扭矩以及動力電池系統所輸出的實時電壓、電流、SOC等數據進行分析，初步驗證了所搭建試驗臺的動力性能、經濟性能。

2 試驗臺總體方案分析與設計

參照當前市場上的純電動汽車的參數，所搭建試驗臺的設計參數，如表1所示。

表1 試驗臺設計參數Tab.1 Design Parameters of Test Bench

根據純電動汽車的標準工況測試原理，把純電動動力系統試驗臺主要劃分為主控制系統、被測驅動電機系統和負載系統、動力電池系統四大模塊[6]，如圖1所示。

圖1 試驗臺拓撲圖Fig.1 Topology of Test Bench

2.1 主控制系統

為了實現對試驗臺的功能操作和實時監控，基于工控機開發了操控系統上位機的實時監控與顯示界面，如圖2所示。

圖2 上位機監控與顯示界面Fig.2 Monitoring and Display Interface of Master Computer

同時，基于STM32開發了下位機，如圖3所示。下位機把傳感器監測的被測電機轉速、負載電機扭矩信號實時反饋給主控機分析處理，以實現電機按照預先設定的行駛工況運行。當發現被測電機轉速和負載電機轉矩命令不同步時，主控系統能夠通過下位機采集反饋的轉速、扭矩信號，根據行駛工況實時調整所對應電機轉速和變頻負載電機的加載扭矩。

圖3 基于STM32開發的下位機Fig.3 The Slave Computer Based on STM32

2.2 被測驅動電機系統

純電動汽車動力驅動系統的電機要具備高的功率密度、寬的轉速范圍、大的啟動轉矩等功能以及質量輕、效率高、穩定性好等特點。當前純電動汽車電機系統中較為常用的是直流電機、感應電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等幾類，其中永磁同步電機以其功率密度大、峰值效率及負荷效率高等優點，在現有市場上日益受到青睞。因此動力系統試驗臺的驅動電機采用永磁同步電機。

根據表1中設定的最高車速Vmax，加速時間t，最大爬坡度imax這三項主要動力性能指標進行電機參數的選型計算后，確定使用某廠商生產的30kW永磁同步電機，具體參數，如表2所示。性能參數校核后滿足設計要求[7]。

表2 被測電機主要技術參數Tab.2 Main Technical Parameters of Motor

2.3 負載系統

當前，國內外在純電動汽車動力系統試驗臺上常采用的模擬負載設備方案主要有測功機方案、磁粉制動器方案及變頻電機加載方案三種。所搭建的純電動汽車動力系統試驗臺的負載模擬采取變頻器控制負載電機的方案，暫不考慮汽車行駛慣量模擬部分，其中負載電機采用的是額定功率45kW的三相異步變頻電機。

2.4 動力電池系統

試驗臺的目的是通過臺架試驗完成純電動汽車動力系統的相關測試，為后續研發提供參考依據，因此對于續駛里程沒有絕對的要求。在確保充分完成試驗工況的條件下，綜合計算后，選用當前電動汽車市場使用較多的磷酸鐵鋰電池，并跟某公司合作共同設計完成額定容量為66Ah的動力電池系統，主要技術參數，如表3所示。

表3 動力電池技術參數Tab.3 Technical Parameters of Power Battery

2.5 數據采集與通訊

數據采集與通訊主要通過控制局域網（CAN）總線網絡實現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時控制的串行通訊網絡。測控平臺通過CAN 通訊網絡能夠實時監測電機的轉速、負載電機的扭矩等工作參數，并和采集到的動力電池系統溫度、電壓、電流、SOC 等狀態信息一起實時地顯示在工作界面上[8-9]。試驗臺的CAN 總線網絡拓撲結構，如圖4所示。其中，轉速/扭矩傳感器型號為HCNJ-101扭矩傳感器，可在試驗中實時準確地測量被測電機的轉速和負載電機的扭矩；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，通道數為雙通道且隔離，隔離電壓2500V DC。

圖4 網絡拓撲結構Fig.4 Network Topology Structure

將各模塊系統設計完成后，集成搭建了純電動汽車動力系統試驗臺，試驗臺實物，如圖5所示。

圖5 試驗臺實物圖Fig.5 Scene Diagram of the Test Bench

3 試驗臺測試原理與試驗驗證

3.1 測試原理

在動力系統試驗臺上做汽車行駛工況跟隨性試驗時，根據汽車行駛動力學理論將實驗工況和車輛參數換算成工況所對應的被測電機“轉速-時間”數據和負載電機所對應工況的“扭矩-時間”數據。具體換算過程如下。

（1）轉速換算

式中：n—換算后的電機轉速；V—車速；其余參數，如表1所示。

（2）扭矩換算

考慮具體試驗環境及一般道路環境坡度較小，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—換算后的負載扭矩；其余參數，如表1所示。

根據式（1）和式（4）可以得到試驗需要的“轉速-時間”和“扭矩-時間”數據。由于所搭建的試驗臺沒有設置減速器或變速箱，而是將動力系統的被測電機、轉速/扭矩傳感器、負載電機三者是通過梅花彈性聯軸器進行連接，如圖6所示。因此需將加載扭矩等比例縮小并把負扭矩修改為零，最后將得到的轉速、扭矩加載數據輸入到操控系統中，主控計算機程序讀取數據后，打開電池低、高壓并啟動試驗臺動力系統，把“轉速-時間”指令發送給電機控制器，并把同步時間對應的“扭矩-時間”指令發送給變頻器。電機控制器控制被測電機按照預定的轉速-時間參數進行運轉，同時變頻器控制負載電機依照設定的扭矩-時間參數曲線進行扭矩加載，兩者在時間上保持實時同步性。

圖6 轉速/扭矩傳感器Fig.6 Speed and Torque Sensor

轉速傳感器監測被測電機的轉速，扭矩傳感器監測負載電機的扭矩，并把這些信號實時反饋給主控機，以實現電機按照預先設定的行駛工況運行。當被測電機轉速和負載電機扭矩命令不同步時，下位機的數據采集系統通過實時的跟蹤監測把轉速/扭矩傳感器采集的信息反饋給主控計算機，并根據行駛工況調整所對應電機轉速和變頻負載電機的加載扭矩。動力電池系統為試驗臺的動力系統提供能量，并通過電池管理系統（BMS）監測讀取電池箱的參數變化。試驗過程中實時采集的電機轉速、扭矩，電池的電壓、電流、SOC等數據通過CAN分析儀和下位機的串口通訊上傳至主控計算機并保存，主控計算機通過開發的控制軟件實時監控和顯示電池系統、電機系統和負載系統的參數變化，從而實現在試驗臺上模擬汽車標準工況下的行駛狀態，并能夠計算得到相應標準工況下的動力性能、經濟性能及續航里程等數據。

3.2 試驗驗證

本動力系統試驗臺的設計目的是在室內試驗臺架上完成對純電動汽車行駛工況加載試驗，以實現對純電動汽車動力性能、經濟性能、續駛里程等各項指標的分析。選擇以NEDC循環工況為依據，初步驗證試驗臺動力性能的可靠性。在進行NEDC標準工況的加載試驗時，由于試驗臺沒有設置變速器和車輛慣性模擬裝置，需把通過NEDC工況數據換算后的加載扭矩等比例縮小并把負扭矩修改為零后得到最終的加載扭矩-時間參數。NEDC標準工況加載試驗結果，如圖7所示。

圖7 試驗結果Fig.7 Test Result

由圖7（a）、圖7（b）分析可知：在NEDC 工況加載試驗過程中，電機實際轉速與目標轉速的實時偏差在（-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，因慣性的存在，電機急停或急加速、減速時存在一定的時間延遲，導致誤差較大。

由圖7（c）、圖7（d）分析可知：在NEDC工況加載試驗過程中，負載電機目標扭矩與實際扭矩的實時偏差在（-3～5）%之間。負偏差較小原因在于加載時舍掉了負數扭矩（負扭矩改為零），誤差較大處也普遍出現在工況突變情況下，與電機轉速誤差原因一致。

根據圖7的試驗結果可知試驗臺能夠較好的實現預設轉速與扭矩的加載，所搭建試驗臺的動力性能可靠。

同時，基于所搭建的試驗臺NEDC標準工況加載試驗，對試驗過程中試驗臺的動力電池系統所輸出的電壓、電流、SOC等數據進行分析，進一步驗證所搭建試驗臺的經濟性能。試驗臺進行NEDC 標準工況加載試驗時動力電池的輸出數據，如圖8 所示。圖8（a）是試驗臺進行NEDC標準工況加載試驗時動力電池的電流變化曲線，圖8（b）是動力電池的電壓和SOC變化曲線。試驗開始時電壓為318.3V，此時電池SOC為0.93，循環結束后電壓降為315.6V，此時SOC為0.86。整個試驗過程中電流未出現負值（即沒有能量回收）與加載時去掉負扭矩符合；SOC值成階梯形下降原因是電池管理系統監測數值時僅保留兩位小數；因設定試驗負載電機功率不大，所以耗電量較少。

圖8 動力電池輸出數據Fig.8 Output Data of Power Battery

經計算可得，試驗臺進行NEDC標準工況加載試驗時，整個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，說明所搭建純電動汽車動力系統試驗臺經濟性能良好。

4 結論

基于汽車行駛標準工況的測試原理，設計了各個功能模塊，集成搭建了純電動汽車動力系統試驗臺。以NEDC標準行駛工況進行加載試驗驗證，結果表明，所搭建的純電動汽車動力系統試驗臺能夠較好地按預設標準工況進行試驗，動力性能可靠，經濟性能良好。因此，所搭建的試驗臺可以為純電動汽車的研發提供參考依據，同時也能為其他純電動汽車動力系統試驗臺的開發提供經驗。