王俊峰，連晉毅，臧學(xué)辰，楊凱，馬旭

（太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

Wang Junfeng, Lian Jinyi, Zang Xuechen, Yang Kai, Ma Xu

( Institute of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Shanxi Taiyuan 030024 )

電動汽車電動輪綜合性能試驗臺的研發(fā)綜述

王俊峰，連晉毅，臧學(xué)辰，楊凱，馬旭

（太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，使得電動輪及其綜合性能試驗臺架的研發(fā)變得至關(guān)重要。通過分析目前電動汽車電動輪及其試驗臺架的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，文章分析對比目前已有的電動輪試驗臺架的設(shè)計方案和性能特點，提出一些研發(fā)設(shè)計具有多功能、綜合性的電動輪綜合性能試驗臺架的思路。

電動輪；試驗臺；綜合性能；功能設(shè)計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.011

Wang Junfeng, Lian Jinyi, Zang Xuechen, Yang Kai, Ma Xu

( Institute of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Shanxi Taiyuan 030024 )

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-26-04

引言

近年來，新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)成為汽車發(fā)展的一個新方向，世界各國都加大了對新能源汽車的研究力度。我國的新能源汽車發(fā)展起步較晚，目前科技含量和技術(shù)水平還不高。發(fā)展新能源汽車可以減少對石油的使用降低二氧化碳的排放量，有助于環(huán)境的改善和對能源的節(jié)省。電動汽車基本不消耗石油產(chǎn)品，僅僅消耗電能，同時電動汽車又具有零排放，污染小功能，受到廣大用戶的歡迎[1]。

作為電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電力驅(qū)動系統(tǒng)出現(xiàn)了許多新的技術(shù)方案[2]，根據(jù)驅(qū)動方式的不同可以將電動汽車分為集中式電機驅(qū)動與直驅(qū)式電機驅(qū)動。集中式電機驅(qū)動的汽車電動汽車是通過電機驅(qū)動傳動機構(gòu)，將動力傳遞至車輪驅(qū)動汽車;分布式電機驅(qū)動，也就是輪轂電機驅(qū)動，則將電動機直接安裝在輪輞內(nèi)來驅(qū)動汽車運動，動力直接通過電動機傳遞至車輪驅(qū)動車輛。

我國的電動汽車發(fā)展起步較晚，目前科技含量和技術(shù)水平還不高，當(dāng)今國內(nèi)外的汽車試驗平臺主要針對的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)汽車。而對于輪轂電機驅(qū)動的電動汽車來說，其結(jié)構(gòu)是將輪轂電機直接安裝在輪輞內(nèi)來驅(qū)動汽車運動，電動車輪模塊集成了驅(qū)動、制動、測速和懸架導(dǎo)向承載等多項功能，是電動汽車上關(guān)鍵部件，這與傳統(tǒng)汽車有很大的不同。所以，研發(fā)一臺能夠滿足電動輪試驗要求的新型試驗平臺，對電動汽車的研究具有重要的現(xiàn)實意義[3,4,5,6]。

1、電動輪試驗臺的國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

英國Protean公司開發(fā)出的輪轂電機試驗臺架可以對輪轂電機在低溫、振動、軸向負(fù)載等進(jìn)行試驗。在2011年4月19號，Protean公司宣布將與廣汽合作，于2015年建成國家級電動汽車實驗室，該實驗室研究內(nèi)容主要包括電機、電控和電池三方面[7]。

美國的阿濱儀器公司對蓄電池測試系統(tǒng)進(jìn)行了研制并開發(fā)出了成套產(chǎn)品;德國StaigerMohilo公司根據(jù)自身傳感器方面技術(shù)上的優(yōu)勢，研發(fā)了電機試驗平臺，可以分析測試六通電流、電壓信號，對電機各項功率測試進(jìn)行單獨測試[8]。

國內(nèi)很多高校也在進(jìn)行試驗臺研究，清華大學(xué)汽車安全國家重點實驗室完成了電動汽車電機、電控及整車性能綜合測試系統(tǒng)研制的課題[5]。清華大學(xué)和吉林大學(xué)聯(lián)合設(shè)計了電-液混合式制動系統(tǒng)試驗臺，可用于測試ABS控制算法的控制性能和電機再生制動性能[9,10]。北京交通大學(xué)的董鑄榮等人，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于輪轂電機性能測試與再生制動試驗臺的設(shè)計中，研究與開發(fā)了純電動汽車用直流無刷輪轂電機試驗臺架[11]。武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院獨立開發(fā)研制了電動汽車，并且為電動汽車的開發(fā)研究提供室內(nèi)試驗平臺[12]。同濟大學(xué)研制的“春暉”系列輪邊驅(qū)動的電動車為對象，對電動輪加載方法進(jìn)行了研究[13]，研究內(nèi)容為電動輪耐久性性能以及耐久性試驗臺架的設(shè)計[14,15]。

還有一些高校如西華大學(xué)、長安大學(xué)、重慶大學(xué)等也對試驗臺做了設(shè)計。但是條件有限，大多只是理論研究，或者處于初步設(shè)計中，研發(fā)成果并不完善。

當(dāng)前國內(nèi)外電動汽車的技術(shù)己經(jīng)趨于成熟，新型電動汽車產(chǎn)品已陸續(xù)進(jìn)入市場。但是出于技術(shù)保密的因素，對于電動汽車試驗臺架的報導(dǎo)卻是非常之少。因而國內(nèi)的電動汽車試驗主要是通過道路試驗，這樣極大的增加了研發(fā)成本和周期，對于我國的電動汽車的快速發(fā)展造成了一定影響。因此，開發(fā)出具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的電動汽車試驗臺架，不僅是進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的必要，同時也是我國電動汽車發(fā)展的迫切需求。

2、電動輪試驗臺工作原理、組成及功能

試驗臺的基本工作原理是組合設(shè)計不同的功能模塊來模擬測試電動輪的相關(guān)性能。如采用旋轉(zhuǎn)能量來模擬車輛在道路行駛的運行能量；采用制動能量等效原則，把車輛運行的機械能量等效為飛輪的旋轉(zhuǎn)，可計算出模擬飛輪的慣量，相反，不同的飛輪慣量即能夠模擬不同軸重的車型；選用不同傳感器可測試出輪轂電機的轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、電流、電壓參數(shù)等。

試驗臺架的組成可根據(jù)自己的功能需求進(jìn)行設(shè)計，因此沒有固定結(jié)構(gòu)，一般電動輪綜合性能試驗臺的組成與結(jié)構(gòu)模型如圖1所示[16,17]。

圖1 電動輪試驗臺結(jié)構(gòu)組成

2.1 試驗臺機架

試驗臺機架是整個試驗臺的骨骼，起支撐和連接各個模塊的作用。設(shè)計的試驗臺機架要進(jìn)行有限元分析，保證足夠的強度和剛度。而且在進(jìn)行臺架模擬試驗時，電動輪的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生很大的振動，為了減少對試驗臺架的影響，需要對試驗臺的基礎(chǔ)進(jìn)行減振和隔振處理。所以試驗臺機架要做到有效隔振、避免共振。

2.2 加載模塊

汽車在道路上行駛時，會受到空氣阻力、滾動阻力，加速阻力以及側(cè)向力等等。其中，對于帶轉(zhuǎn)鼓的試驗臺，滾動阻力由轉(zhuǎn)鼓提供，加載裝置主要是模擬汽車重量，同時模擬汽車在各種工況所受到的其他阻力。比如：圖1中，垂直力加載裝置模擬車重;側(cè)向力加載裝置模擬汽車轉(zhuǎn)向時的側(cè)向力；加載電機或者汽車阻力模擬裝置來模擬其他道路阻力等。因此，加載模塊一般包括垂直力加載裝置、側(cè)向力加載裝置以及其他阻力模擬裝置。

2.3 道路模擬模塊

道路模擬部分有兩種：有轉(zhuǎn)鼓(也稱滾筒)型的試驗臺和不帶轉(zhuǎn)鼓的試驗臺（圖1為有轉(zhuǎn)鼓的試驗臺）。二者最主要的區(qū)別是：轉(zhuǎn)鼓試驗臺具備道路模擬功能，而不帶轉(zhuǎn)鼓的試驗臺只能通過其他裝置（如加載電機）來模擬車輪與路面的滾動阻力。但前者需要很大的地域空間，而后者機動靈活、可搬移、易控制，且由于加載技術(shù)的日益強大和虛擬技術(shù)的應(yīng)用而備受青睞。

2.4 慣性模擬模塊

慣性模擬一般有機械模擬方式和電模擬兩種，或者把二種結(jié)合起來。機械模擬一般采用飛輪裝置來模擬（如圖1），飛輪裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計。電模擬一般通過計算機控制來實現(xiàn)慣量的無級調(diào)整。

2.5 轉(zhuǎn)向模擬模塊

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響車輛操縱穩(wěn)定性，因此試驗臺具備轉(zhuǎn)向模擬功能就非常有必要，但目前已研發(fā)的試驗臺架卻很少有該功能。該功能模塊除了應(yīng)能在模擬轉(zhuǎn)向時可任意設(shè)定轉(zhuǎn)向角外，還應(yīng)具有能設(shè)定轉(zhuǎn)向時之不同側(cè)向力的動態(tài)側(cè)向加載功能。

2.6 制動模擬模塊

電動輪的優(yōu)勢之一就是可以利用電機特性進(jìn)行再生制動，而汽車制動系統(tǒng)關(guān)系到車輛行駛的安全性，所研制的試驗臺應(yīng)該具備制動模擬的功能。制動模擬應(yīng)該包括機械制動模擬、電制動模擬以及電制動與機械制動藕合模擬的功能，同時能開展電制動與機械制動藕合防抱死模擬的試驗研究。

2.7 輪轂電機性能測試模塊

輪轂電機是電動汽車的關(guān)鍵部件，它的性能直接影響電動汽車的性能。試驗臺性能測試模塊應(yīng)能測試輪轂電機最大（額定）功率、最大（額定）扭矩、最大（額定）轉(zhuǎn)速、最大（額定）電流、轉(zhuǎn)動慣量、時間常數(shù)和扭矩常數(shù)等基本參數(shù)。

3、電動輪試驗臺的設(shè)計要求及原則

試驗臺架的設(shè)計要求應(yīng)盡量與汽車真實工況相貼近，這樣才能使測試結(jié)果最真實、最有效和最準(zhǔn)確。這就要求在設(shè)計時要對汽車在不同工況下的受力狀況進(jìn)行分析，包括輪胎所受的載荷、扭矩、轉(zhuǎn)速等。試驗臺架結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)劣則直接決定著整個試驗臺架功能的實現(xiàn)與否?？傮w來說，對試驗臺架的設(shè)計應(yīng)遵循以下幾個原則[7]：

（1）零件的定位精度要高，達(dá)到實驗要求；

（2）各種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動要平穩(wěn)，防止共振現(xiàn)象；

（3）具有一定的安全防護(hù)措施；

（4）臺架本身應(yīng)有足夠的強度與剛度；

（5）試驗臺設(shè)計要結(jié)合實際條件，選擇最實際有效的方案；

（6）設(shè)計時考慮其通用性、綜合性和擴展性。

4、電動輪試驗臺的設(shè)計方案分析

就目前而言，很多文獻(xiàn)報道的綜合性能試驗臺大都是模塊化設(shè)計。所謂模塊化設(shè)計，是指根據(jù)試驗臺架系統(tǒng)的功能分析，將系統(tǒng)劃分為若干結(jié)構(gòu)、功能相對獨立的基本單元模塊，并使各模塊標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，再通過各模塊的有效組合，實現(xiàn)系統(tǒng)功能，以滿足不同的功能需求[5]。另外，采用這種方法，有利于試驗臺的擴展性設(shè)計，使臺架系統(tǒng)在不需要較大改動下增加試驗臺的功能，從而減少研發(fā)周期、減少人力物力損耗、節(jié)約現(xiàn)有資源[6]。

根據(jù)第2部分介紹的試驗臺組成，把各功能分成不同的模塊進(jìn)行設(shè)計，然后有效組合成綜合性能試驗臺架，這樣不僅可以單獨測試某一性能，還可以同時進(jìn)行多個性能的耦合試驗。

表1是針對文獻(xiàn)報道的四所不同高校研發(fā)的試驗臺方案的對比分析[5,7,18,19]。

圖2 重慶大學(xué)的電動車輪試驗臺

圖3 西華大學(xué)的電動輪試驗臺

圖4 長安大學(xué)輪轂電機驅(qū)動防滑試驗臺

圖5 北京交通大學(xué)輪轂電機再生制動試驗臺

表1 四種電動輪試驗臺架之性能對比

通過表1可知，不同高校設(shè)計的試驗臺根據(jù)功能的不同，設(shè)計時方案也有所不同，但方法都是模塊設(shè)計。不同的實驗臺雖然有不同的特點，但多是根據(jù)自己的項目來研究一種功能或者某幾種特定功能的整合，比如有的是針對驅(qū)動防滑策略來設(shè)計的試驗臺，有的是針對再生制動來設(shè)計的等等，即都無法稱其為綜合性能試驗臺。

細(xì)節(jié)方面，一些試驗臺簡化了設(shè)計，比如垂直加載機構(gòu)用手輪加載，不能實際模擬出動態(tài)載荷對電動輪的影響；對于滾筒，很多設(shè)計并沒有考慮滾筒表面的附著系數(shù)，不能模擬不同道路的附著系數(shù)等等。因此，綜合性的電動輪試驗臺還需要我們進(jìn)一步研究開發(fā)。

5、電動輪綜合性能試驗臺架的研發(fā)思路

電動輪作為直驅(qū)式電動汽車的關(guān)鍵部件，其可靠性直接關(guān)系到整車性能，因而研發(fā)一臺綜合性能較高的電動輪試驗臺架對電動汽車的發(fā)展很有必要。通過分析對比目前已有的電動輪試驗臺，可以學(xué)習(xí)和借鑒前輩們提出的很多需要注意的問題和不同的設(shè)計方案特點，為我們今后研發(fā)電動輪綜合性試驗臺奠定了良好的基礎(chǔ)。

新型電動輪綜合性能試驗臺架的研發(fā)應(yīng)遵循功能綜合、工況耦合的原則，其綜合性在于不僅能對輪內(nèi)各功能機構(gòu)的性能進(jìn)行獨立測試與耦合測試，如載荷模擬、路況仿真和動力性經(jīng)濟性的試驗等等。而且應(yīng)集成如下幾個功能模塊，一是能對輪轂電機及其電池管理系統(tǒng)進(jìn)行功率密度與能源利用效率方面的進(jìn)行測試試驗；二是能對制動工況下的能量回收與防滑控制等進(jìn)行控制與試驗；三是可對內(nèi)置或外置的懸架性能進(jìn)行測試調(diào)控；四是上述功能模塊既可獨立測控、也可耦合測控。

為此，必須研究輪轂電機與電動汽車整體的性能匹配與控制，研究電動輪結(jié)構(gòu)的合理布局與集成優(yōu)化技術(shù)，對基于輪內(nèi)驅(qū)動技術(shù)的電動汽車性能進(jìn)行仿真分析，研究電動輪的多功能集成化耦合試驗技術(shù)。只有在這樣的研究基礎(chǔ)之上，才有可能研發(fā)出多功能集成化的電動輪綜合性能試驗臺架。

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Overview on the R&D (research and development) of Comprehensive Performance Test Bench for Electric Wheel of EV

A With the rapid development of the electric vehicle industry, the R&D (research and development) of electric wheel and its comprehensive performance test bench have become crucial.By analyzing the current research status of electric wheel and its comprehensive performance test bench at home and abroad.,this paper analyzes and compares the existing design schemes and performance characteristics of electric wheel test benches, and puts forward some thoughts on designing multi-function and comprehensive performance test bench.

electric wheel; test bench; comprehensive performance; electricwheel; functional design

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-26-04

王俊峰（1991－），男，山西運城人，研究生。就讀于太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院。通訊作者：連晉毅（1963－），男，山西寧武人，教授。就職于太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院。

本文得到山西省重點研發(fā)計劃項目（201603D121026）、山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項目（2016JD34）、校研究生科技創(chuàng)新項目（20151024）的支持。