電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)需求，以測(cè)試評(píng)價(jià)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性能為目標(biāo)，圍繞實(shí)驗(yàn)所需測(cè)試項(xiàng)目，提出電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)汽車；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(dòng)汽車已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略?？萍疾棵鞔_提出，到2020年建立起完善的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)科技體系和產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)各類電動(dòng)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(huì)對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的“三橫”技術(shù)體系之一，是電動(dòng)汽車的“心臟”，其性能的提高是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠測(cè)試評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體性能，為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)提供設(shè)備保障，同時(shí)支撐相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。

2 電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，包括電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)，DC-DC變換器可以將電池組的電壓穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)較高的值上，從而提高電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。

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

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求

針對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)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(tái)應(yīng)能夠測(cè)試評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn) 穩(wěn)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)是指被測(cè)電機(jī)在給定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩條件下，測(cè)試電機(jī)相關(guān)工作參數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)效率，評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。

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

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)行駛工況測(cè)試實(shí)驗(yàn) 行駛工況對(duì)于電動(dòng)汽車的性能參數(shù)具有決定性意義，電動(dòng)汽車實(shí)際行駛中性能參數(shù)的評(píng)價(jià)依賴于具體的行駛工況。行駛工況測(cè)試實(shí)驗(yàn)是指利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬電動(dòng)汽車的行駛工況，并測(cè)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)工作參數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)效率，評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。

再生能量回饋實(shí)驗(yàn) 再生能量回饋是電動(dòng)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(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理。實(shí)驗(yàn)測(cè)試驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)各部分的溫度是電驅(qū)動(dòng)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(shí)，設(shè)定被測(cè)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，每隔一定時(shí)間測(cè)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(cè)電機(jī)的性能。

動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn) 汽車的動(dòng)力性能指標(biāo)包括最高車速、加速時(shí)間和爬坡能力。最高車速實(shí)驗(yàn)測(cè)試最高車速時(shí)被測(cè)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(cè)試汽車爬坡時(shí)被測(cè)電機(jī)的性能狀態(tài)；加速時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試被測(cè)電機(jī)運(yùn)行到設(shè)定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間。通過3個(gè)動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)汽車動(dòng)力性能指標(biāo)的理解。

4 測(cè)試項(xiàng)目

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

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

根據(jù)每個(gè)穩(wěn)態(tài)測(cè)試點(diǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，可獲得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體效率分布狀況。

行駛工況測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)時(shí)測(cè)量逆變器的輸入電壓和輸入電流、被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，從而評(píng)價(jià)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部存儲(chǔ)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(shí)調(diào)用某種工況進(jìn)行測(cè)試，可做1個(gè)行駛工況，也可循環(huán)做2～3個(gè)行駛工況。

在再生能量回饋實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，測(cè)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(cè)量被測(cè)電機(jī)的電壓、電流和溫度，從而觀察溫度變化時(shí)被測(cè)電機(jī)的性能指標(biāo)。在動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)中，最高車速可以轉(zhuǎn)換為被測(cè)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，爬坡能力可以轉(zhuǎn)換為被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量。

5 方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(cè)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)功機(jī)、蓄電池組2、測(cè)控設(shè)備和總控制臺(tái)（PC機(jī)）組成。

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

行駛工況測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，控制被測(cè)電機(jī)和測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，被測(cè)電機(jī)按轉(zhuǎn)速—時(shí)間給定運(yùn)行，測(cè)功機(jī)按轉(zhuǎn)矩—時(shí)間給定運(yùn)行，兩個(gè)控制命令同時(shí)發(fā)送，模擬電動(dòng)汽車行駛過程中的實(shí)際工況。教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部存儲(chǔ)的行駛工況數(shù)據(jù)為汽車行駛車速，在進(jìn)行工況測(cè)試之前，將汽車行駛車速轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)速—時(shí)間工況和電機(jī)轉(zhuǎn)矩—時(shí)間工況，從而控制被測(cè)電機(jī)和測(cè)功機(jī)。轉(zhuǎn)換過程中需要結(jié)合汽車相關(guān)參數(shù)，平臺(tái)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(shí)。

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(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速值控制被測(cè)電機(jī)，轉(zhuǎn)矩值控制測(cè)功機(jī)，從而模擬電動(dòng)汽車的性能狀態(tài)。加速時(shí)間實(shí)驗(yàn)中，給定車速轉(zhuǎn)換為被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值控制被測(cè)電機(jī)，汽車靜止時(shí)的初始轉(zhuǎn)矩值發(fā)送給測(cè)功機(jī)并實(shí)時(shí)控制測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)被測(cè)電機(jī)達(dá)到給定車速時(shí)停止控制。

為滿足測(cè)試需求，教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各部分設(shè)備應(yīng)具備相應(yīng)的性能指標(biāo)。被測(cè)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(cè)功機(jī)采用電力測(cè)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(cè)量范圍>250 Nm，轉(zhuǎn)速測(cè)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(cè)量范圍>500 V，電流測(cè)量范圍>250 A；溫度傳感器采用熱電偶，溫度測(cè)量范圍0～200 ℃；測(cè)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(cè)電機(jī)和測(cè)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(jì)開發(fā)符合教學(xué)需求的實(shí)驗(yàn)設(shè)備尤為重要。電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(cè)試項(xiàng)目，規(guī)劃總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)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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