電動(dòng)輪性能測(cè)試方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓福江，冀明路，蔣 眾，徐海東，張洪濤

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)了許多實(shí)現(xiàn)途徑。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，可以將電動(dòng)汽車分為集中式電機(jī)驅(qū)動(dòng)與分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)。集中式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳遞至車輪驅(qū)動(dòng)汽車；分布式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也就是輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則將電動(dòng)機(jī)直接安裝在輪輞內(nèi)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力直接通過(guò)電動(dòng)機(jī)傳遞至車輪驅(qū)動(dòng)車輛[1]。

電動(dòng)輪是將輪轂電機(jī)直接安裝在輪輞內(nèi)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)，集成了驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、測(cè)速和懸架導(dǎo)向承載等多項(xiàng)功能，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，這與傳統(tǒng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試有很大不同。本文參照《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 18488.2-2015)的要求設(shè)計(jì)電動(dòng)輪性能測(cè)試方法以及實(shí)施方案，通過(guò)設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)測(cè)試分析軟件，完成了某型電動(dòng)汽車電動(dòng)輪的性能測(cè)試及數(shù)據(jù)讀取，驗(yàn)證了本測(cè)試方案的可行性。

2 電動(dòng)輪

電動(dòng)輪是電動(dòng)汽車最為核心的部件之一。按照電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可將電動(dòng)輪分為輪轂電機(jī)式電動(dòng)輪和輪邊電機(jī)式電動(dòng)輪。輪轂電機(jī)式電動(dòng)汽車是將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在車輛車輪輪轂當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力直接傳遞至車輪來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛。輪邊電機(jī)式電動(dòng)汽車則是在車輛副車架的位置將驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定，電機(jī)不再集成在輪轂當(dāng)中，通過(guò)電機(jī)輸出軸直接或間接驅(qū)動(dòng)車輛行駛[2]。

本文介紹的電動(dòng)輪性能測(cè)試對(duì)象主要是輪轂電機(jī)式電動(dòng)輪，輪轂電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)

輪轂電機(jī)式電動(dòng)輪是電動(dòng)汽車零部件的關(guān)鍵核心部件，是將電機(jī)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)集于一體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可采用PWM控制和交流變頻控制，具有效率高、重量輕、壽命長(zhǎng)、噪聲低、匹配強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝容易、功能齊全、獨(dú)立懸掛、安全可靠的特點(diǎn)，不用車橋、變速箱等機(jī)械部件，而是直接懸掛在車身上安裝輪胎，傳動(dòng)消耗等于零，轉(zhuǎn)動(dòng)效率可達(dá)百分之百，與傳統(tǒng)的電機(jī)傳動(dòng)軸-變速箱-差速器-車橋等電動(dòng)汽車機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比有質(zhì)的變化，因而整體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)性能、綜合效率及續(xù)駛里程優(yōu)于其他形式的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可配置成兩輪驅(qū)動(dòng)或四輪驅(qū)動(dòng)，是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選?？膳c任何型號(hào)的汽車相匹配，組成電油混合動(dòng)力汽車。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)輪是未來(lái)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)形式的發(fā)展方向[3]。

3 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪性能測(cè)試方案如圖2所示。

圖2 電動(dòng)輪性能測(cè)試方案

被測(cè)試的電動(dòng)輪通過(guò)工裝支架固定于測(cè)試臺(tái)架上，通過(guò)轉(zhuǎn)接盤、聯(lián)軸器與加載電機(jī)進(jìn)行機(jī)械連接。電動(dòng)輪與加載電機(jī)間布置轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x，用于試驗(yàn)載荷和轉(zhuǎn)速測(cè)量。被試電動(dòng)輪與被試電機(jī)控制器通過(guò)高壓交流線和控制線相連，并接入水冷設(shè)備。通過(guò)高壓大功率直流電源向被試電機(jī)控制器提供高壓直流電能，通過(guò)低壓直流電源提供低壓電能，通過(guò)計(jì)算機(jī)連接CAN卡提供控制信號(hào)以及記錄數(shù)據(jù)，并在被試電機(jī)控制器輸入、輸出端接入功率分析儀，對(duì)輸入輸出功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。加載電機(jī)通過(guò)加載控制設(shè)備控制模擬電動(dòng)輪負(fù)載工況。

3.1 測(cè)試臺(tái)架

測(cè)試臺(tái)架主要由加載電機(jī)、加載電機(jī)控制器、加載電機(jī)控制計(jì)算機(jī)、供電電源以及其它輔助設(shè)備組成，可根據(jù)電動(dòng)輪動(dòng)力總成性能測(cè)試要求，通過(guò)加載電機(jī)控制計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，控制加載電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，來(lái)模擬空氣阻力、滾動(dòng)阻力和加速阻力等。本方案中選用的加載電機(jī)為ABB旗下的BALDOR電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

3.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)主要由測(cè)控計(jì)算機(jī)、功率分析儀以及各類傳感器組成，具體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)控計(jì)算機(jī)通過(guò)控制軟件對(duì)電動(dòng)輪動(dòng)力總成進(jìn)行測(cè)試工況控制，同時(shí)通過(guò)傳感器對(duì)轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、電壓以及溫度等參數(shù)進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障預(yù)警以及記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，利用功率分析儀對(duì)動(dòng)力總成的效能等指標(biāo)進(jìn)行分析。測(cè)控軟件主界面如圖4所示。

圖4 測(cè)控軟件主界面

3.3 其它設(shè)備

其它設(shè)備主要有支架工裝、水冷設(shè)備、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器等。其中，支架工裝用來(lái)支撐固定電動(dòng)輪動(dòng)力總成，水冷設(shè)備用來(lái)給電動(dòng)輪工作時(shí)散熱，傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器用來(lái)連接電動(dòng)輪和加載電機(jī)。

4 測(cè)試過(guò)程與分析

本測(cè)試主要依據(jù)《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 18488.2-2015)要求，針對(duì)某型電動(dòng)輪的主要性能進(jìn)行測(cè)試。常規(guī)檢查測(cè)試如外觀檢查、絕緣電阻及空轉(zhuǎn)、空載等測(cè)試不作贅述。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置如圖5所示。

圖5 電動(dòng)輪性能測(cè)試臺(tái)架布置圖

被試電動(dòng)輪主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 電動(dòng)輪主要技術(shù)參數(shù)

4.1 工作電壓范圍

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中的7.1要求，將電機(jī)系統(tǒng)的直流母線電壓分別設(shè)定在最高工作電壓處(670VDC、700VDC)和最低工作電壓處(320VDC、450VDC)，在不同工作電壓下分別測(cè)試不同工作轉(zhuǎn)速下的工作轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖6所示。

(a)320V電壓下轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線

從圖6可以看出，電動(dòng)輪在最高工作電壓700V下，可按最大轉(zhuǎn)矩15000N·m左右輸出，而在下限電壓320V下，實(shí)際扭矩輸出為在3100N·m左右。

4.2 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2要求，測(cè)試方法如下：

(1)直流電源設(shè)置輸出電壓為600±20DCV(輪轂電機(jī)額定電壓)。

(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)前，輪轂電機(jī)應(yīng)進(jìn)行冷卻。冷卻要求：輪轂電機(jī)入水口溫度不超過(guò)60℃，輪轂電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、控制器溫度不超過(guò)100℃。

(3)測(cè)控計(jì)算機(jī)設(shè)定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、扭矩值，在整個(gè)外特性范圍內(nèi)，逐點(diǎn)測(cè)量電動(dòng)輪及控制器效率，繪制效率MAP圖，并記錄電機(jī)控制器直流母線電壓和電流，輪轂電機(jī)電壓、電流、直流電功率、電動(dòng)輪輸入電功率，電動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)矩、機(jī)械功率。

測(cè)試扭矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 電動(dòng)輪輸出轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

4.3 效率分析

電動(dòng)輪的效率特性是整車廠選擇電機(jī)和整車控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證電動(dòng)車輛及其驅(qū)動(dòng)、控制裝置的開(kāi)發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)的正確性，評(píng)估其性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。效率參數(shù)主要包括電機(jī)效率、電機(jī)控制器效率和電機(jī)系統(tǒng)效率等。

電機(jī)MAP圖(又叫等高線圖、云圖)是電機(jī)測(cè)試時(shí)生成的一種數(shù)據(jù)曲線圖，主要反映在不同轉(zhuǎn)速、扭矩下的電機(jī)效率分布情況[5]。根據(jù)圖7轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在整個(gè)外特性范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電動(dòng)輪效率，繪制出電動(dòng)輪的效率MAP圖，如圖8所示。

圖8 電動(dòng)輪效率MAP圖

從MAP圖中可以看出，額定電壓下，當(dāng)電動(dòng)輪加載電機(jī)端處于250rpm/6000N·m區(qū)域，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率最高；高效區(qū)(效率在85%以上)加載電機(jī)端轉(zhuǎn)速范圍在150rpm～450rpm范圍內(nèi)。

4.4 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2要求，測(cè)試方法如下：

(1)電動(dòng)輪與扭矩儀連接后，連接至堵轉(zhuǎn)工裝。

(2)測(cè)試開(kāi)始前記錄室溫、冷卻液溫度、流量，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)冷卻液出水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。

(3)測(cè)試前輪轂電機(jī)應(yīng)進(jìn)行冷卻，冷卻要求：輪轂電機(jī)入水口溫度不超過(guò)60℃，輪轂電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、控制器溫度100℃。

(4)直流電源設(shè)置輸出電壓為600V±20V(輪轂電機(jī)額定電壓)，通過(guò)電機(jī)控制器設(shè)定輪轂電機(jī)輸出扭矩為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩1400N·m，堵轉(zhuǎn)時(shí)間5s；輪轂電機(jī)冷卻達(dá)到(3)要求時(shí)，施加反向堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩1400N·m，堵轉(zhuǎn)時(shí)間5s。

(5)改變輪轂電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置(旋轉(zhuǎn)外行星輪架對(duì)應(yīng)圈數(shù))，分別重復(fù)以上試驗(yàn)。每次重復(fù)試驗(yàn)前，宜將輪轂電機(jī)進(jìn)行冷卻，冷卻要求同(3)，每次堵轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)相同，取5次測(cè)量結(jié)果中堵轉(zhuǎn)電流最小值作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流值。

當(dāng)電動(dòng)輪發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)控制器可按設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)。故障消除后，控制器和電動(dòng)輪應(yīng)能正常使用，無(wú)任何異常現(xiàn)象。堵轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 堵轉(zhuǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)

4.5 持續(xù)轉(zhuǎn)矩及持續(xù)功率

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2.5.1，7.2.5.2要求，測(cè)試方法如下：

(1)開(kāi)始前對(duì)室溫、冷卻液溫度、流量進(jìn)行記錄，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)冷卻液出水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。

(2)直流電源設(shè)置輸出電壓為600V±20V(輪轂電機(jī)額定電壓)，加載單元將轉(zhuǎn)速逐步提升至132rpm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)定為轉(zhuǎn)矩控制模式，將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定為450N·m，保持電機(jī)持續(xù)運(yùn)行1h，每隔10min記錄一次轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、輪轂電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、控制器溫度、入水溫度、出水溫度等相關(guān)參數(shù)。

(3)依據(jù)測(cè)試獲得的持續(xù)轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，按Pm=T*n/9550，計(jì)算出電動(dòng)輪輸出功率Pm，單位kW。

額定電壓持續(xù)轉(zhuǎn)矩功率工況下電動(dòng)輪輸出扭矩和轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示，可以看出，額定電壓600V下，電動(dòng)輪能按額定轉(zhuǎn)速與扭矩工作，電動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)異常溫升與振動(dòng)，電機(jī)及控制器無(wú)報(bào)警。

圖9 電動(dòng)輪輸出扭矩和轉(zhuǎn)速曲線

4.6 峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率

依據(jù)GB/T 18488.2-2015中7.2.5.3，7.2.5.4要求，測(cè)試方法如下：

(1)開(kāi)始前對(duì)室溫、冷卻液溫度、流量進(jìn)行記錄，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)冷卻液出水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄。

(2)將直流電源設(shè)置輸出電壓為600V±20V(輪轂電機(jī)額定電壓)，輪轂電機(jī)空載運(yùn)行，加載單元轉(zhuǎn)速控制到84rpm，即輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速為953rpm。運(yùn)行無(wú)異常后，維持轉(zhuǎn)速不變。輪轂電機(jī)扭矩在10s內(nèi)平穩(wěn)加載到1400N·m。

(3)維持輪轂電機(jī)輸出953rpm，1400N·m，持續(xù)運(yùn)行30s，記錄轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、電機(jī)溫度、水溫等相關(guān)參數(shù)，電機(jī)溫度需記錄試驗(yàn)結(jié)束后，電機(jī)溫度傳感器在10min內(nèi)所到達(dá)的最高溫度。

(4)依據(jù)測(cè)試獲得的持續(xù)轉(zhuǎn)矩與相應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速，按Pm=T*n/9550，計(jì)算出電動(dòng)輪輸出功率Pm，單位kW。

額定電壓峰值功率轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速扭矩曲線如圖10所示。可以看出，在額定電壓600V下，電動(dòng)輪能按峰值轉(zhuǎn)速與扭矩要求持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)異常振動(dòng)，電機(jī)及控制器無(wú)報(bào)警。

圖10 額定電壓峰值功率轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)速扭矩曲線

5 結(jié) 論

基于《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 18488.2-2015)中的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的測(cè)試方法，針對(duì)電動(dòng)輪以下主要性能指標(biāo)開(kāi)展了測(cè)試工作：(1)工作電壓范圍測(cè)試；(2)電動(dòng)輪功率特性測(cè)試，包括持續(xù)轉(zhuǎn)矩及持續(xù)功率、峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩以及效率分析等。結(jié)果表明，本測(cè)試方案是可行的。