電驅動總成系統臺架試驗方法研究

王 歡，羅德超，張和平，劉天楠

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

0 引言

伴隨著電動汽車產業化進程的飛速發展，相關的法律法規對電動汽車零部件的要求也日益嚴苛。電驅動系統從最初的電機、電機控制器及減速器的簡單集成到目前電機、電機控制器及減速器三合一產品一體化設計開發[1]，只對電機及其控制器系統或減速器系統進行單獨的性能測試已經不能充分反映電驅動總成系統級的外特性、動態響應特性、總成連續工況效率特性和可靠性等性能指標，試驗結果不足以為整車的動力性、經濟性和舒適性開發提供數據支撐[2]。因此，有必要針對電驅動總成系統開展臺架試驗方法的研究，包括總成級臺架試驗方案研究、臺架關鍵測量設備的集成控制以及測試數據的同步采集處理。本文結合AVL雙測功機開展的電驅動總成系統臺架試驗方法研究，不僅能夠針對電驅動總成系統不同的控制和響應模式靈活配置臺架控制模式，而且能夠在臺架主控系統PUMA open提供的開放接口基礎上實現不同的試驗方案的二次開發。試驗方法中采用CAN總線技術實現電驅動總成系統試驗臺架主控系統對關鍵外圍測量設備的統一集成控制以及主控系統對所有測量數據的時間同步采集和處理方法，根據所提出的試驗方法，搭建了電驅動總成系統試驗臺架，完成了所有性能參數的自動化控制，基于主控系統的時鐘源實現了所有測量數據的時鐘同步[3]，不僅能夠保證了臺架試驗數據的實時性和有效性，縮短電驅動總成系統的開發驗證周期，而且能夠為整車傳動系統關鍵部件的構型配置及參數選型提供有價值的數據基礎。

1 電驅動總成系統試驗臺架方案設計

1.1 臺架構型

電驅動總成系統試驗臺架主要由被測電驅動總成系統、AVL雙電力測功機系統以及外圍輔助測量設備構成[4]。電驅動總成系統主要包括驅動電機控制器、驅動電機和減速器，總成系統輸出端通過傳動軸與AVL雙電力測功機相連。外圍輔助測量設備主要包括雙向動力電源、電機冷卻系統、功率分析儀及其他數據采集設備[5]。電驅動總成系統試驗臺架結構如圖1所示。

圖1 電驅動總成系統試驗臺架結構

1.2 臺架功能模塊原理

AVL電力測功機系統主要模擬被測總成系統輸入端的電機及其控制器經減速器機構傳遞到總成輸出端的驅動或制動載荷，測功機主控系統PUMA Open在轉速/扭矩控制模式基礎上升級配置了整車、駕駛員和道路模型，能夠提供整車道路負載模擬功能，實現道路載荷譜瞬態和穩態工況的實時加載[6]。根據測試需求的不同，AVL電力測功機主控系統PUMA Open共有6種不同的控制模式相匹配：N/α（轉速/油門）模式、N/T（轉速/扭矩）模式、T/α（扭矩/油門）模式、T/N（扭矩/轉速）模式、Rg/α（坡度/油門）模式、Rg/v（坡度/車速）模式，其中，N/α和N/T為測功機轉速控制，T/α和T/N為測功機扭矩控制，Rg/α和Rg/v為測功機道路譜加載模式[7]。被測總成系統電氣性能測試中，若電機控制器為扭矩控制模式，則電力測功機為N/α或N/T轉速控制模式，若電機控制器為轉速控制模式，則電力測功機為T/α或T/N扭矩控制模式。測試被測總成系統電驅動性能時，電力測功機吸收被測總成系統的機械能并將機械能轉換為電能經變頻柜回饋電網；測試被測總成系統回饋發電性能時，測功機提供被測總成系統的制動扭矩，測功機實現電能到機械能的轉換[8]。

電驅動總成系統試驗臺架的外圍輔助測量設備主要包括雙向動力電源、功率分析儀、電機冷卻系統及其他數據采集設備。其中，雙向動力電源作為被測總成系統的高壓工作電源，不僅為電驅動總成系統提供驅動過程所需電能，而且能夠吸收電驅動總成系統的制動回饋中產生的電能并反饋電網。功率分析儀主要用于采集被測總成系統直流側與交流側的電壓、電流、功率等參數[9]，并采用CAN總線方式與PUMA Open系統實現數據實時交互。電機冷卻系統主要為被測電驅動總成的電機及其控制器提供冷卻液的恒溫控制并提供冷卻液的循環回路，保證電機及其控制器系統冷卻液在要求的溫度范圍內完成相應的性能指標測試。

其他數據采集設備主要包括試驗間環境溫度、減速器油溫等溫度傳感器，溫度傳感器數據通過PUMA Open的A/D通道集成到PUMA Open系統同步監控。

2 數據自動化測量與臺架集成同步監控

2.1 電驅動總成系統的臺架集成控制

PUMA Open系統基于被測總成系統的CAN通訊矩陣和dbc文件實現與被測電機控制器的信號交互[10-11]，按照被測電驅動總成的工作邏輯和控制模式對被測總成系統的電機控制器發送CAN指令實現對電機控制器的集成控制[12]，同時實時接收電機控制器反饋的狀態信息以完成對被測總成系統狀態的實時監控和報警處理。PUMA Open系統與被測電機控制器之間的CAN通訊基本參數配置如圖2所示，配置dbc文件名為CAN_PT_S106.dbc，采用第2塊CAN卡的第1個CAN通道、波特率500 kb/s、標準幀格式，匹配120Ω終端電阻。

圖2 CAN通訊基本參數配置

PUMA Open發送/接收的被測電機控制器信號如圖3所示。其中，TX_MOT_STA_CMD、TX_MOT_MODE_CMD、TX_MOT_ENABLE_CMD、TX_MOT_TOR_CMD分別為PUMA Open發送給被測電機控制器的控制信號，包含控制器的目標狀態、目標工作模式、使能控制、目標扭矩控制；RX_MOT_STA、RX_MOT_MODE、RX_MOT_SPD、RX_MOT_TOR、RX_DC_VOLT、RX_DC_CUR、RX_IGBT_TEMP、RX_MOT_TEMP分別為被測電機控制器反饋的被測電驅動總成的當前狀態、工作模式、電機轉速、電機扭矩、母線電壓、母線電流、控制器溫度、電機溫度。

圖3 PUMA Open發送/接收的被測電機控制器信號

2.2 功率分析儀測試數據的同步集成

與被測電機控制器的數據集成方式相同，根據功率分析儀的CAN通訊矩陣和dbc文件，將功率分析儀測量得到的直流母線電壓、母線電流、母線功率以及交流電壓、交流電流、交流功率等數據采用CAN總線發送給PUMA Open系統統一集成處理[13]。

2.3 性能參數自動化測量

為保證試驗測試數據的實時性和同步性，臺架對測功機主控系統采集的轉速、扭矩、溫度等所有傳感器測量信號、以及電驅動總成系統與PUMA Open的交互信號、功率分析儀測量的電氣信號均采用PUMAOpen系統的時鐘源實現了所有數據的同步自動測量和記錄[14]。

3 電驅動總成系統臺架試驗方法

3.1 試驗臺架搭建

按照圖1所示臺架示意圖搭建的電驅動總成系統試驗臺架以及各關鍵設備構成如圖4所示。

圖4 電驅動總成系統試驗臺架

臺架及其外圍輔助設備的測量數據均被同步集成到PUMA O pen控制系統上位機，其上位機顯示界面如圖5所示，顯示界面測試數據主要包括3部分：包含臺架轉速、扭矩、功率、溫度等信號在內的臺架系統測量數據；被測電驅動總成系統交互數據；功率分析儀測量數據。

圖5 PUMA Open控制系統上位機顯示界面

3.2 基本性能測試

基于搭建的電驅動總成系統試驗臺架，能夠完成電驅動總成系統的輸入、輸出基本性能測試，輸入輸出基本性能主要包括扭矩-轉速特性、功率-轉速特性和效率特性[15]。

扭矩-轉速特性測試中，電驅動總成輸出端相連的兩套測功機均采用轉速控制模式，通過PUMA Open主控系統將測功機和電驅動總成輸出端轉速同步穩定控制在目標轉速；電驅動總成采用扭矩控制模式，PUMA Open控制系統通過CAN信號將目標扭矩發送給被測電機控制器[5]，被測電機控制器根據目標扭矩響應實際扭矩輸出，電機輸出扭矩經過減速器及傳動軸分別傳遞到兩端電力測功機，通過兩端測功機扭矩傳感器可測量并計算得到不同轉速N下被測電驅動總成兩輸出端的實際扭矩Tq1和Tq2，根據式（1）可計算出被測電驅動總成系統的實際輸出總扭矩Tq。

功率-轉速特性測試，與扭矩-轉速特性測試方法相同，通過式（1）得到電驅動總成系統的實際輸出總扭矩Tq，再根據式（2）可計算得到對應轉速N下被測電驅動總成系統兩端的輸出功率，即為電驅動總成系統的實際輸出機械功率P。

效率MAP測試中，與扭矩-轉速特性測試方法相同，在不同工況點，將功率分析儀測量所得電驅動總成系統輸入的直流功率Pdc，以及式（2）計算得到的電驅動總成系統實際輸出機械功率P同步上傳至PUMA Open主控系統，再根據式（3）可計算出各工況點下電驅動總成系統效率η。

3.3 試驗結果與分析

本文以120 kW為被測電驅動總成系統在搭建的試驗臺架完成了扭矩-轉速特性、功率-轉速特性、效率MAP測試，對被測電驅動總成系統的技術參數進行了臺架測試驗證[16]。被測電驅動總成系統的技術參數如表1所示。

表1 被測電驅動總成系統技術參數

基于本文搭建的電驅動總成系統試驗臺架，和提出的性能參數測量方法，測試得到扭矩-轉速特性曲線、功率-轉速特性曲線、效率MAP如圖6所示。

圖6 電驅動總成扭矩-轉速特性、功率-轉速特性、效率MAP圖

測試數據可看出，被測電驅動總成系統峰值扭矩實測值為5 860.2 N·m，峰值功率實測值為124.55 kW，系統最高效率可達92.41%，與被測電驅動總成系統的技術參數指標一致；同時，測量結果表明，基于本文搭建的電驅動總成試驗臺架能夠實現對被測電驅動總成系統性能參數的準確有效測量，從而驗證電驅動總成系統各項性能指標是否達到設計要求。

4 結束語

本文分析了電驅動總成試驗臺架的工作原理，基于AVL雙測功機臺架結構型式及其控制模式研究提出電驅動總成系統臺架試驗方法，提出采用CAN總線技術實現臺架主控系統與其外圍輔助測量設備的數據交互，采用測功機控制系統PUMA Open的同一時鐘源實現了所有測量數據的時鐘同步和集成控制。以120 kW電驅動總成系統為被測對象，完成了電驅動總成系統的基本性能測試驗證，測試結果驗證了本文提出的臺架試驗方法能夠為電驅動總成系統開發測試驗證和整車傳動系統構型配置提供有價值的測試數據。